第一章 緒論
1.4 章節提要
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透過建立不同節點間相遇時訊息傳送交換的混合階層式路由演算法，例如行人與行 人相遇、行人與公車相遇或是公車與公車相遇時各自有不同的資料傳送判斷與限制。除 了可以更適用於真實 DTN 網路環境，同時擁有較高訊息成功傳送率與較低的延遲傳送 時間。
1.4 章節提要
繼本章節概述簡介本研究後，接下來將於第二章呈現相關領域重要研究，第三章針 對研究方法及系統架構進行詳細說明，第四章則介紹模擬實驗之設計與結果分析，並於 第五章闡述現階段結論與未來展望，最後於第六章列出參考的文獻列表。
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第二章 相關研究
因為耐延遲網路(Delay Tolerant Network)的特性為不保證訊息的傳送有其固定的路徑存 在，因此許多專家、學者針對這種網路特性進行研究並提出適合此種網路架構傳輸的路 由協定(Routing Protocol)，在本章節中我們將針對不同的路由協定進行研究與討論。
我們將現今 DTN 網路常見的 Routing Protocols 彙總，依不同種類特性區分為機會 路由(Opportunistic Protocols)、基於預測的路由(Prediction-based Protocols)以及調度路由 (Scheduling Protocols)三種類別來討論，說明如下。
2.1 Opportunistic Protocol
此類的機會路由協定，其訊息傳送的機制為當節點相遇時，不去預測並計算哪些節 點是較佳的傳輸節點，而是當節點有機會遇到其它節點時即傳送訊息，因此這種類別的 機會路由協定，不需要知道整個網路的拓樸即可運作。常見的路由協定如下：
2.1.1 Epidemic Routing Protocol
Epidemic 路由協定是 DTN 網路中最早提出的路由協定，其最主要概念為同步每個 節點其接收與傳送的訊息複製資料庫[4][5]。它的運作方式為：網路中每一個訊息皆有 一個唯一的識別碼，當兩節點相遇時，他們會交換彼此在緩衝區(Buffer)的訊息，當一個 節點相遇對方但發現它並沒有對方某些訊息時，它會要求對方傳送訊息，直到最後所有 的節點皆會有相同的訊息。這種傳送訊息的方式像洪水般一樣傳送給每個節點，因此在
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不考量緩衝區大小的情況下，具有高資料傳送率。
Epidemic 因設計簡易，且使用大量的資料複製傳送，造成的網路負載通常也較高，
因此常被作為使用評估 DTN 網路效能的比較基準。
2.1.2 Spray Routing Protocol
Spray 為 Epidemic 路由協定的改良版。Epidemic 路由協定並沒有限制每一個訊息其 複製傳送的數量，而 Spray 路由協定則會限制每一個訊息其最大可複製的傳送量[6]，可 有效減少並避免過多的訊息在網路上傳送，避免網路負載[7]。
2.1.3 Direct Contact Routing Protocol
Direct Contact 路由協定為最簡單的 DTN 網路路由協定，其運作方式為：節點不會 傳送任何資料直到相遇目的地節點。此種路由協定簡單，最不會消耗網路資源，唯一缺 點就是使用單一節點傳送訊息，其延遲傳送的時間非常長[8]。Direct Contact 跟 Epidemic 剛好是一組對比的路由協定，Direct Contact 延遲傳送時間長，消耗網路資源少；而 Epidemic 延遲傳送時間短，消耗網路資源多。
2.2 Prediction-based Protocol
此類基於預測的路由協定，會先行預測哪些節點是較佳的訊息傳遞節點進而傳遞訊 息。節點會根據與其他節點相遇的歷史次數，或歷史行走的模式，或是衛星定位服務 (Global Positioning System)等輔助資訊去計算節點是否有較高機率傳送到目的地。此種 基於預測的路由協定，需要知道部份網路的拓樸，常見的路由協定如下：
2.2.1 Location-based Routing Protocol
Location-based 路由協定使用 GPS 定位服務來決定訊息是否傳送。此種路由協定會
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計算節點到目的地之各個不同路線，其訊息成功傳送的機率。因此當節點相遇時不先交 換訊息，而是等待計算出有較高的傳送機率後才交換訊息。Lebrun 等人亦有證明過，跟 Epidemic 路由協定相比，其 Location-based 路由協定有較好的 Delivery Ratio 和較低的 Overhead[9]。此種路由協定最適合使用在整個 DTN 網路拓樸變動劇烈的環境中，其效 益有著最顯著的提升[10]。
2.2.2 Prophet Routing Protocol
Prophet 是一個概率路由協定，使用節點歷史相遇的次數去計算傳送的機率[11]，此 種方法跟 Location-based 相比，需要更多的網路拓樸資訊才能運作良好。
這種路由協定其運作方式為每個節點皆有一個量表(Metric Table)，紀錄有可能到達 哪些目的地，其次 Metric Table 必須要能夠傳送給其他節點，進而可以計算出每個節點 到達各個目的地的機率。Etienne 等人亦證明過，若能知道節點相鄰節點的 Metric Table ， 其路由協定可以有著更顯著效益[12]。ZebraNet 亦使用節點歷史相遇概念去估計每個節 點的權重值[13]。
2.3 Scheduling Protocol
此類調度路由協定，藉由移動路線的某些特定節點，使用儲存及攜帶 (Store-and-Carry)機制來增加傳送機率。常見的路由協定如下：
2.3.1 MF Routing Protocol
利用訊息偷渡的方式，將資料從來源端傳送到目的地端[3]。其運作模式為：在網路 中利用運送節點(Ferry Node)，來專門負責傳送資料給各個節點，其他節點則不傳送訊息。
因為資料傳送都是靠運送節點，因此運送節點其緩衝區的大小和那些規律行走的節點在 此類路由協定中，是非常重要關鍵的資源。Wenrui Zhao 等人亦證明過，MF Routing 可
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有效利用節點的移動性，提高資料傳送效率，並減少節點的電量資源消耗[14]。
因為我們研究的 DTN 網路架構，是希望可以適用在市中心環境且以公車為基礎的 路由協定。然而在現存的路由協定中，存在著些許的不足性，說明如下：
Opportunistic protocol：此類的路由協定，當緩衝區大小足夠時，資料傳送率有著顯 著效率，但在我們研究的市區環境中，行人與公車節點緩衝區大小都是有限的，且公車 行至公車總站後會將儲存待傳送的訊息全部丟棄，因此公車的緩衝區大小也必須是有限 的。
Prediction-based：此類的路由協定，需要較多節點與節點位置關係資訊來計算傳送 機率，且當節點數目變多或移動速度變快時，網路拓樸變動更為劇烈，計算機率將更為 複雜，因此不適用在以公車為基礎的市區環境中。
Scheduling protocol：此類的路由協定，因為訊息的傳送都是靠運送節點，而運送節 點的緩衝區大小不可能為無限制，所以存在著公平分配緩衝區的問題。也因為這樣的問 題，因此這一類路由協定多使用在節點較稀疏的網路環境，並且在眾多節點中，找出最 適合資料傳送的一條行駛路徑，而我們研究環境的是在市中心資料的傳送，故也較不適 用。
因此我們提出一個混合階層式路由演算法，適用於市中心行人與公車這兩種節點資 料的傳送，說明於下一章。
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第三章
研究方法與系統架構
3.1 研究方法
我們建立一個適用於市區且以公車為基礎的混合階層式訊息傳送架構。此混合階層 式架構包含兩種節點，其中一個階層全為行人節點，另一個階層則全為公車節點，此兩 階層的架構如圖 1 所示。傳統的階層式架構，當訊息由底層節點傳送給上層節點後，上 層節點即不會再將資料傳送到底層節點，然而本論文提出的混合階層式架構，訊息會在 階層間上上下下進行資料傳送，因此我們稱之為混合階層式架構。我們在不同階層內與 階層間設計不同的訊息交換規則，例如行人相遇行人、行人相遇公車、公車相遇公車或 是公車相遇行人各自有不同的訊息交換規則，其訊息交換規則演算法將於後面小節進行 詳細說明。
3.2 系統架構
本論文提出的混合階層式路由演算法其系統架構如圖 1 所示。底層為行人節點，其 特性為移動速度慢且行走路線為隨機、不規則；上層為公車節點，其特性為移動速度快 且行駛路線固定，而且公車節點尚具有一最大特性，即公車行駛路線的各個停靠站位置 為已知，因此在演算法的設計上亦會多加利用此特性來進行設計。在圖 1 中，每個公車 節點行駛路線為一種顏色，不同顏色表不同行駛路線之公車。在資料傳送部分，橘色箭 頭虛線代表階層內節點資料之傳送；紅色箭頭虛線則代表階層間節點資料之傳送。
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我們在這階層架構中提出兩種資料傳送演算法，一為簡單階層式路由演算法，另一 為混合階層式路由演算法。混合階層式路由演算法為簡單階層式路由演算法的改良版，
在訊息傳送判斷上，我們設計較為複雜的演算法，可降低網路負載並增加訊息傳送率。
本論文提出的兩種階層式資料傳送架構，在演算法設計上，有考量到現行常見 DTN 網路路由演算法之優劣點並加以改良。在行人相遇行人方面，考量到行人節點密度通常 較高，因此若相遇即傳送訊息會導致類似 Epidemic Routing 造成網路負載過高，因此在 行人相遇行人方面我們設計一些條件判斷限制。在公車方面，亦會利用公車停靠站位置 已知之特性，去作類似 Prophet Routing 先行計算之優點，達到較佳的傳送率，詳細演算 說明如下節。
圖 1：公車與行人階層式架構圖
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3.3 簡單階層式路由演算法
由於公車節點移動速度相對行人節點較為快速，且公車節點特性為行駛路線固定，
故可以明確知道公車行駛路線之各停靠站站點坐標位置，因此在 DTN 網路上訊息傳送 方式設計上，若能善加利用公車節點特性應可導致較佳的結果。本論文設計之以公車為 基礎的混合階層式演算法，在行人與行人相遇、公車與公車相遇、或是行人與公車間相 遇的訊息傳送判斷規則，也將運用公車節點之特性進行研究設計。
本論文針對訊息、行人與公車節點的設定上有給定一些假設資訊，第一：行人節點 其行走的目的地位置是已知的，且與其他節點相遇時可傳送其行走的目的地位置資訊；
第二：公車節點可以知道自己行駛路線之各個停靠站站點座標位置資訊；第三：每一個
第二：公車節點可以知道自己行駛路線之各個停靠站站點座標位置資訊；第三：每一個