行動隨意網路中之合作快取與資料散佈之研究

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行政院國家科學委員會專題研究計畫成果報告

行動隨意網路中之合作快取與資料散佈之研究研究成果報告(精簡版)

計畫類別：個別型

計畫編號： NSC 98-2221-E-011-115-

執行期間： 98 年 08 月 01 日至 99 年 07 月 31 日執行單位：國立臺灣科技大學資訊管理系

計畫主持人：呂永和

計畫參與人員：碩士班研究生-兼任助理人員：何明璇碩士班研究生-兼任助理人員：范恆嘉博士班研究生-兼任助理人員：李建邦

報告附件：出席國際會議研究心得報告及發表論文

公開資訊：本計畫可公開查詢

中華民國 99 年 10 月 31 日

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行動隨意網路中之合作快取與資料散佈之研究 計畫編號：NSC 98-2221-E-011-115

主持人：呂永和 {[email protected]} 國立台灣科技大學資訊管理系計畫參與人員：呂永和、李建邦、何明璇、范恆嘉

1. 中文摘要

關鍵詞：無線隨意網路、合作快取、資料一致性在無線隨意網路中，為了有效的使用快取空間，每一個行動客戶端，除了快取對它有用的資料項之外，也幫鄰近節點快取資料；當一個行動客戶端查詢資料時，會先查詢自己的快取空間，再查詢鄰近節點的快取空間，若都找不到所需資料，才向伺服器端查詢資料，這種快取方法稱為合作式快取 (Cooperative cache)。合作快取雖然可以降低查詢等待時間，但隨著資料項的異動，如何確保資料的一致性是一大挑戰。

既有在行動隨意網路中的快取資料一致性的維護方式是以廣播為主。廣播容易在行動隨意網路中造成廣播風暴而導致大量的能源耗損。本研究提出一個樹狀規劃路徑的合作快取方法，客戶端所需的資料項，會暫存在客戶端到伺服器之間的一條事先規劃的路徑上。當客戶端需要資料項時，會沿著該路徑向伺服器的方向尋找最新的資料內容；當資料項異動時，伺服器會以最新的資料內容，主動更新路徑上的快取資料項，以維護快取資料項的一致性。

我們的方法是以單播方式進行資料搜尋，相較於以往的廣播方式，可以降低查詢時間及減少能源耗損。經由分析與實驗模擬的結果顯示，我們所提出的方法能有效降低查詢等待時間及能源的消耗。

2. 英文摘要

Key words: Mobile Ad Hoc Networks, Cooperative Caching, Data Consistency

To efficiently use the cache space, a mobile client caches data items for itself and its neighbors. Such a cache policy is called a cooperative caching. To access a data item, a mobile client first search for the

data item from its local cache. If fails, it searches for the data item from its neighborhood. Cooperative caching can reduce the response time and energy consumption of a mobile client. However, updates on the data items may cause data inconsistency problem.

Existing data caching approaches for MANETs use broadcast to search for data interesting data items.

Unfortunately, broadcast may cause the broadcast storm problem which consumes much energy. In this project, we proposed a tree-based data caching scheme in which the data items required by a mobile client are cached along a pre-scheduled path toward the data server. When the mobile client requires a data item, it searches for a valid copy along the pre-scheduled path. When an update on a data item occurs, the data server refreshes the cached copies of the data item on the tree. The tree-based data caching approach adopts unicast rather than broadcast to search for valid copies of a data item, which significantly reduces the response time and energy consumption. Through analysis and experiments, we show that the tree-based scheme outperforms the existing schemes in terms of response time and energy consumption

3. 前言

在無線行動隨意網路中，為了節省能源和快速回應用戶端的資料需求，採取將資料項快取在行動客戶端的作法，但資料伺服器卻會隨著時間而異動資料項，如何確保客戶端快取資料項的一致性一直是一大挑戰。在一個無線隨意網路(MANET)中，

為了有效使用快取空間，每一個節點除了快取對自已有用的資料項之外，也幫鄰近的節點快取資料

(3)

項；當一個行動客戶端查詢資料時，會先查詢自己的快取空間，再查詢鄰近節點的快取空間，若都找不到有效的資料項，最後會向伺服器端查詢資料，

這種快取方法稱為合作式快取(Cooperative cache)。

4. 相關研究

目前，在合作快取的相關研究有 [6][7][8][9][10][11]。其中，在[6][7]中， Cao 提出的協助一個節點尋找鄰近節點中的快取資料項的方法；在[11]中，Hara 提出如何協調鄰近節點，共同決定快取空間的配置方法；在[8]中作者提出如何在 MANET 中快速尋找有效版本以及快取空間的管理策略：在 [9][10] ；作者提出點對點 (Peer-to-Peer)的合作快取方法。這些方法[6-11]所採用的資料一致性準則，是所謂的弱資料一致性 (weak data consistency)，亦即紀錄快取資料項到何時為止仍然有效(Time-to-Live)，若目前時間超過 TTL 時，快取資料版本即失效；在此準則下，快取資料項無法與伺服器端保持同步。

目前考慮資料（同步）一致性的快取方法比較少。在[1-2]中，Cao 提出以廣播的方式尋找有效資料版本及維持快取資料一致性的方法(ACOD)。其方法如下：(一)、行動客戶端向伺服器端廣播尋找資料項的查詢封包；（二）、所有接收到查詢封包的節點，會將該資料項的快取版本的時戳，附加在查詢封包上；（三）、伺服器端會驗證快取版本的有效性，並通知行動客戶端；（四）行動客戶端向一個存有有效版本的節點，取的所需資料項的內容。

在[3]中， Leu 等提出一個改進 ACOD 的方法，稱為 NCIS。該方法的主要精神是，以單播的方式決定尋找資料的廣播半徑；在該廣播半徑內，

以廣播的方式，尋找所需資料項的有效版本。其方法如下：（一）、客戶端以單播的方式（透過繞境協定），送出資料驗證封包(request packet)到伺服器端，其中包含所需資料項名稱，及自有版本(local copy)的時戳；（二）、伺服器端沿著之前單播的路徑，以回應封包（response packet）回傳所需資料項的最新時戳，以及一個初始值為 1 的跳躍數 (hop-count)；（三）、路徑上的節點收到回應封包時，若本身有有效（最新）的版本時，會將 hop-count

重設為 1，並回傳封包：否則，將 hop-count 加 1，

並回傳封包；（四）、客戶端以所收到的回應封包的 hop-count 值為廣播半徑，以廣播的方式尋找所需資料項的有效版本。與 ACOD 相比，NCIS 具有兩個優點：（一）、廣播半徑可能比較小；（二）、先作驗證，再做搜尋，若本地版本有效，則不需再進行廣播搜尋。

由於 ACOD 及 NCIS 都必須透過廣播搜尋資料，在 MANET 上進行廣播，容易引起廣播風暴，

且有隱藏節點（hidden terminal）的問題，耗時又耗電。且兩者都沒有提到快取配置（應該快取誰？）

的問題。本論文提出一個在強一致性的要求下，不需要廣播，考慮快取配置，回應時間短且能源耗費少的合作快取方法。

5. 研究方法

本研究方法分為系統環境設定、擴展樹的建立、合作快取方法 CA 及 PIU、客戶端資料需求處理、伺服器端資料異動處理及重新規劃路徑等，茲分述如下：

5.1 系統環境設定 (1).無線隨意網路環境:

假設有 n 個節點，存在於無線隨意網路環境中，

N={N1，N2，…，Nn}代表節點的編號，節點的能源有限，節點可以在指定的範圍內任意移動，節點和節點之間或節點與伺服器之間，利用多點跳躍 (multi-hop)的方式進行溝通。

(2).存在一個資料伺服器:

共有 d 個資料項(D>0)，D={D1，D2，…，Dd}代表資料編號，資料項的更新都在伺服器端進行。

5.2 快取路徑擴展樹的建立

我們所提的方法是透過一條規劃出的路徑，搜尋快取資料項；一開始，伺服器端以廣播的方式進行路徑的規劃，參考[4]的方法，為每一個客戶端尋找一條到達伺服器的路徑；不同的是， [4]中為每一個客戶端到達伺服器端所選的路徑，具有最少的跳躍數。而我們所選的路徑，具有節點與節點之間的最大距離為最短的特性，主要原因是這種路徑在節

(4)

點會移動的 MANET 中的存活時間比較長。以圖 1 為例說明：

首先伺服器端會進行廣播，最先收到廣播封包的客戶端節點為 N1、N2、N3、N4；節點 N1、N2、N3、

N4 會將 Server 訂為向前傳送到伺服的下一個節點 (next-hop)；節點 N1、N2、N3、N4 會把本身採用的路徑資訊再廣播出去，路徑資訊包含最大距離及到 server 的 next-hop；最後形成了如下的規劃路徑:

N5 N1 S N6 N2 S N7 N2 S

圖 1.建立規劃路徑示意圖

N8 N3 S N9 N4 S

5.3 協同快取資料項的配置策略

當每一個節點都規劃出一條到達伺服器端的路徑後，就必須考量如何在路徑上快取資料項，以達到更快的回應時間、更少的能源耗損，在本研究中，

我們是從葉節點開始往前規劃同一路徑上的節點之間合作快取的資料項。我們提出四種快取配置的方法，分別為 CA、PIU、CAH、PIUH，以下針對四種方法進行說明:

(1).快取資料項的配置策略 (a) CA(Cache Access Frequency)

如圖 2 所示，每一個節點下方的框框代表該節點資料項的存取頻率，及所存取的資料項；框框內部為

累加頻率，框框下面為各自的存取頻率。由葉節點開始，依累加存取頻率，決定快取資料項；例如，

節點 N5 會快取 A,B，而節點 N4 會快取 A,D；之後節點 N5 會把未快取 C,D 的存取頻率向前遞送，相同的節點 N4 也會把未快取 B,C 的存取頻率向前傳送。之後節點 N3 會收到來自節點 N4、N5 的未快取資料項的存取頻率，節點 N3 會將自己的存取頻率和其子節點所傳送的資料項頻率累加，決定暫存資料項 A,B。同理，節點 N1 所選出的快取資料項會是 A,C。

(b) PIU

這個方法中，除了考量同一規劃路徑上每個節點對資料項的存取頻率外，還加入了每個資料項的更新頻率進行計算，這個方法的主要精神，是將異動頻率高的資料項，盡量快取在離伺服器端較近的位置，以降低異動資料時，更新資料內容所耗損的能量。我們以 P/U 的值，作為決定快取資料項的依據。如圖 3 所示，節點 N4、N5 分別會快取的資料項 A,D 和 A,B；而把節點 N4、N5 分別未快取的資料項 B,C、C,D 的存取頻率向其父節點累加，節點 N3 中 A,B,C,D 的累加存取頻率分別為 6、7、6、3，

再個別把 A,B,C,D 的更新頻率當分母，計算後可知 A,C 兩個資料項的 P/U 最大，所以節點 N3 會快取 A,C。依此類推。

3

5 8

1

6 2

4

9

7

(5)

圖 2. CA 協同式快取分配示意圖

A 8 B 6 C 4 D 1

1 5

3

A B C D 5 5 3 2

Cache AB

A B C D 6 7 6 3

Cache AB

A B C D 8 6 10 4

Cache AC

4

A B C D 2 1 2 3

Cache AD

A 6 B 6 C 1 D 1 A 5 B 5 C 3 D 2

A 2 B 1 C 2 D 3

更新頻率 A3 B6 C5 D4

A 2 B 1 C 2 D 3

5

1

圖 3.PIU 協同式快取分配示意圖

(c) CAH (CA with Hop-count)

這個方法和 CA 的變異，只是多考量了 Hop-count。

此方法的考量因素為，如果一個資料項沒有被某一個節點快取時，則當此節點發生對此資料項的需求時，它必須經過幾個 Hop 才能拿到這個資料項，此方法會盡量降低這種 hop-count 數，作法為以 hop-count 為權重，計算累加頻率。

以圖 4 中的節點 3 為例，c 資料項的存取頻率，由

節點 4 貢獻 2，由節點 5 貢獻 3，自己貢獻 1：若節點 3 不快取資料項 c，則節點 4、5 要取得 c，至少要經過 2 個 hop；所以在節點 3，c 資料項的 CAH 值為 5*2+1*1=11。根據 CAH 值，節點 3 所快取的資料項為 BC，依此類推。

(d) PIUH (PIU with Hops-count)

這個方法是以 PIU 為基礎，再加入未快取資料項時的 Hops-count 考量，來計算 p/u 值，以圖 5 為例，

節點 3 的資料項 c 的原 CAH 值為 11，所以其 PIUH

3

A B C D 5 5 3 2

Cache AB

P/U: A 5/3 B 5/6 C 3/5 D 2/4

A B C D 6 7 6 3

P/U: A 6/3 B 7/6 C 6/5 D 3/4

Cache AC

A B C D

8 13 4 4 ^{Cache AB}

P/U: A 8/3 B 13/6 C 4/5 D 4/4

4

A B C D 2 1 2 3

P/U: A 2/3 B 1/6 C 2/5 D 3/4

Cache AD

A 6 B 6 C 1 D 1

A 8 B 6 C 4 D 1 A 5 B 5 C 3 D 2

(6)

的值為 11/5，根據 PIUH 值，節點 3 會快取 AC，依此類推。

圖 4. CAH 協同式快取分配示意圖

A 2 B 1 C 2 D 3

A 8 B 6 C 4 D 1

1 5

3

A B C D 5 5 3 2

Cost: A 5*1=5 B 5*1=5 C 3*1=3 D 2*1=2

Cache AB

A B C D 6 8 11 5

Cost: A 6*1=6 B 1*2+6*1=8 C 5*2+1*1=11 D 2*2+1*1=5 Cache BC

A B C D 20 6 4 9

Cost: A 6*2+8*1=20 B 6*1=6 C 4*1=4 D 2*3+1*2+1*1=9

Cache AD

4

A B C D 2 1 2 3

Cost: A 2*1=2 B 1*1=1 C 2*1=2 D 3*1=3

Cache AD

A 6 B 6 C 1 D 1 A 5 B 5 C 3 D 2

A 2 B 1 C 2 D 3

1 5

3

A B C D 5 5 3 2

Cost: A 5/3 B 5/6 C 3/5 D 2/4

Cache AB

A B C D 6 8 11 5

Cost: A 6/3 B 8/6 C 11/5 D 5/4

Cache AC

A B C D 8 21 4 9

Cost: A 8/3 B 21/6 C 4/5 D 9/4

Cache AD

4

A B C D 2 1 2 3

Cost: A 2/3 B 1/6 C 2/5 D 3/4

Cache AD

A 6 B 6 C 1 D 1

A 8 B 6 C 4 D 1 A 5 B 5 C 3 D 2

更新頻率 A3 B6 C5 D4 圖 5. PIUH 協同式快取分配示意圖

(2).傳送路徑資訊與快取資料項資訊至伺服器當客戶端發生資料項需求時，客戶端本身會先確認本身的快取空間是否存有所需的快取資料項，且為有效的版本，如果存在有效的版本，則以此版本回答客戶端的查詢。

從葉節點開始進行協同式快取空間分配的同時，同一路徑上的節點也會把自身快取資料項的資訊和到達每個節點的路徑資訊，一同以封包的方式傳遞到伺服器端，以便之後資料項在伺服器端發生更新時，能透過這些資訊進行過期資料項的招回 (call back)。

(2).確認本身的子節點是否有可用資料

由於分配協同式快取空間時，是從最末端的葉節點向伺服器端進行的，所以後面傳送的節點會把本身快取的資料項傳給下一個父節點，所以父節點會知道其子節點所快取的資料項，當父節點發生資料需 5.4 客戶端資料需求的處理

(1).確認本身的快取空間

(7)

求時，可以先查看離自己一個跳躍數遠的子節點是否存有其所需要的資料項，如果有就直接跟自己子節點要，如果沒有就往伺服器端送出需求封包。

(3).向伺服器端遞送資料需求封包

如果這個資料項不存在客戶端的快取空間中，而且客戶端一個跳躍數的子節點也沒有所需資料項時，用戶端就必須透過規劃出的路徑往伺服器端傳送需求封包，在傳送過程中也會對路徑上的其它節點詢問是否有此需求資料項，如果存在這個資料項就回傳給需要資料項的客戶端，這次查詢就完成了。如果路徑上的節點都不存此資料項的有效快取版本時，這個需求封包最終會到達伺服器端，再經由伺服器端回傳所需資料項的內容到達需求客戶端，這次的查詢就完成了。

(4).當規劃路徑失效的資料項需求處理與路徑修復方式

而當規劃出的路徑，因節點的移動而發生路徑傳送失效時，節點可利用現有的路徑繞送協定 (Routing protocol)，例如:AODV，以單播的方式將需求封包傳送到伺服器端，提出資料項的需求，

伺服器端再將需求資料項送回需求客戶端，這次的查詢就完成了。

以圖 6 為例，節點 N2 發生資料項 C 的需求，

首先會先確認本身的快取空間是否存在資料項 C，如果存在資料項 C，且資料項有效，這次的需求就完成了，但節點 N2 並無快取資料項 C，此時

圖 6. 發生需求資料項示意圖

我們發現節點 N3 存有資料項 C，且為合法，節點 N2 會以單播的方式向節點 N3 送出一個 Request packet，節點 N3 收到後回傳資料項 C，當資料項 C

送達節點 N2 時，資料求需即完成。

假設節點 N2 的資料項需求改為 I 時，如圖 7 所示，

我們發現，在節點 N2 與節點 N2 的子節點 N3、N4 都沒有快取資料項 I；所以節點 N2 必須透過固定路徑向前傳送需求封包到資料來源端，過程中也會去尋問節點 N1 是否存有資料項 I，如果沒

圖 7. 發生需求資料項示意圖

有就再往下傳，直到伺服器，而伺服器端會把資料項 I 依照原路徑送回到節點 N2，節點 N2 收到資料 I 則需求完成。

在斷線節點透過 AODV 建立到伺服器端的路徑後，即可詢問其路由路徑的下一節點，是否可加入它的旗下而成為其新的子節點。加入後，斷線節點即將其目前的累計頻率傳送給新的父節點，父節點加入新的累計頻率後，透過漸進式取代的方式，將快取資料慢慢調整並更新。

5.5 資料異動的處理

(1).透過規劃路徑進行資料項招回和更新當資料項在伺服器端發生異動時，伺服器端會主動透過規劃路徑資訊，對存有失效資料項的節點進行招回動作，以維護資料的一致性，之後再隨機選擇數個距離伺服器端最近的存有失效資料項的節點，進行資料項更新的動作，以減少發生需求資料項時的回應時間，同時又不會耗費過多的能源在資料項更新上。

如圖 8 所示，伺服器端發生資料項Ｃ的更新，

此時伺服器端可以透過規劃出的路徑資訊和節點的快取內容進行招回，以下是有快取資料項Ｃ的節點和路徑資訊：

(8)

節點 N1：Ｓ N1

節點 N4：Ｓ N4 5.6 伺服器重新規劃路徑階段

節點 N７：S N2 N7

節點 N8：Ｓ N3 N8 (1). 重新規劃路徑階段

(2).當規劃路徑失效時的資料招回方式因為節點的移動特性，規劃出的 tree-based 路徑在經過一段時間後，會有失效的情形發生，當失效的情形到達一定的程度後，伺服器端會發出重新規劃路徑的封包，過程同初始化階段的第一點。

當資料來源端在進行招回動作時，發生規劃路徑失效問題，也就無法將失效資料項的訊息傳達到擁有此資料項的客戶端；這時，因為規劃的路徑已經失效，伺服器端就會透過廣播的方式進行失效訊息的傳送，同時累計發生規劃路徑失效的次數；當次數到達一個門檻時（目前設定為 5 次），進行固定路徑的重新規劃。

(2).路徑上客戶端快取資料項的重新配置原本在同一個路徑上的節點，在重新規劃後，不論是節點個數、路徑上的先後順序都有很大的改變，

這也會造成在快取分配時，原本節點快取

圖 8. 資料項更新示意圖

圖 9. 節點快取資料項重新分配示意圖的資料項和現在分配給節點的快取資料項會有所

不同；對於這個問題，我們處理方式為，當節點出現資料項需求，而本身沒有快取這個資料項時，就

只有跟鄰近節點存取這個資料項；在存取了這個資料項之後，節點本身會去檢查這個資料項是否為目前應該快取的資料項；如果是，就會進行換置

1 5

3

Cache AD Should

Cache AC

Should Cache AD

Cache BD A

Should

Cache BD Cache BC

4

Should

Cache CD Cache AB

(9)

(replace)的動作，透過這種方式，慢慢的把本身的快取空間，一步一步轉換成目前應該快取的資料項，而不會花費太多的封包傳送成本。以圖 9 為例，當節點 N1 發生資料項 A 的需求時，發現自己的快取空間並沒有這個資料項，而且自己的子節點也沒有快取這個資料項，節點 N1 會向伺服器端送出需求封包；伺服器端收到後會回傳資料項 A，而當節點 N1 收 A 時，發現資料 A 是目前應該快取的資料項，節點 N1 會先對 A 做暫存的動作，並送出確認封包到伺服器端，這個封包也包含了目前暫存資料項 A 的時間戳記(Time Stamp)，一同送達伺服器端，讓伺服器修正節點快取的資訊，這樣下次 A 資料項失效時，伺服器端才會對節點 N1 進行失效資料項招回的動作。透過這種方式，慢慢的將每個節點的快取內容換置成重新分配後，節點應該快取的資料項。利用這種方式，不會因整個快取空間的完全換置，而造成龐大的能源消耗和網路負載。

我們所模擬的參數為，在長 1200 公尺，寬 800 公尺的長方形空間中共有 50 個自由移動的節點，

移動速度為每秒 0.1 公尺，節點的傳輸半徑為 250 公尺，節點的快取空間為 2.5KB。任意指定一個節點為伺服器節點，伺服器所存有的資料項為 1000 個資料項，每一個資料項的大小固定，都為 0.05KB，提供給節點們進行存取，而資料項的更新頻率的預設值為平均每 80 秒更新一次，資料項的查詢需求頻率預設值為平均每 80 秒一次，表 1 為實驗參數的列表。

在能源耗損部分，我們參考[5]當中的計算公式來行進能源耗損的計算和評估。

6.2 評估指標

我們主要是由下幾點進行效能評估:

(1).查詢回應時間:

當一個節點發生資料項的需求時，從發生這個資料項需求，到滿足這個資料項需求所經過的時間，我們稱為回應時間。

6.實驗模擬與分析

為了比較我們所提的方法與其他方法在快取資料項上面的表現，我們以 NS2 網路模擬軟體進行實驗。

(2).整體網路能源耗費

由於節點的電力有限，在資料查詢的過程中，

我們必須考量能源的耗損，以減少能源的支出。

表 1. 實驗環境參數設定

(3).封包數總和

當整體網路中的封包數愈少，整個網路的負載量也就愈少，所以我們也以封包數做為一個衡量指標。

6.3 回應時間的比較

我們先對回應時間的比較進行說明，圖 10 所示，

我們發現因為 ACOD 和 NCIS 在需求發生時，都必須到伺服器端進行資料驗證，之後才能透過驗證的結果，找尋有效的資料項，而我們提出 Tree-based 的規劃路徑方式，則不用到達伺服器端進行資料的驗證，所以回應時間較 ACOD 以及 NCIS 小很多。

相同的，在圖 11 中我們所提出的 Tree-base 方法也會較 ACOD 和 NCIS 具有更快的回應時間。

另外，我們比較圖 10 和 11 發現，考量了更新頻率的 PIU 和 PIUH 這兩個方法，其回應時間會較未考量更新頻率的 CA 和 CAH 這兩個方法來的長，這是因為考量更新頻率時，我們會把較常

項目值

模擬網路範圍 1200 公尺 x1000 公尺節點個數 50 個

傳輸距離(R) 250 公尺節點移動速度 0.1 公尺/秒節點快取空間大小 2.5KB 節點平均要求查詢

週期

80 秒( 20 ~ 200 秒 )

資料來源端個數 1

資料總數量 1000

資料大小 0.05KB 資料平均更新週期 80 秒( 20 ~ 200 秒 )

路由通訊協定 AODV

SKEW 0.85 6.1 參數設定

(10)

圖 10.改變平均需求週期對回應時間的影響進行更新的資料項存放的離伺服器較近，以便更快的完成更新，以節省能源，但相對的就會離用戶端較遠，當常被更新的資料項發生資料項需求時，就必須到較遠的節點拿取資料項，而使得回應時間拉

圖 11.

長。

改變平均更新週期對回應時間的影響

4 能源耗損比較

損部份進行比較，圖 12 顯

能源耗損的

造

響 Tree-based 方法，雖然會因為需求頻率的頻繁，

能分析的部分主要是比較 ACOD、NCIS 及 CA 在取時，所需發費的平均跳躍數

query 處理步驟如下︰

ng node 使用 unicast 到 6.

接下來我們針對能源耗

示，ACOD 和 NCIS 不會隨著資料的更新次數頻繁而耗費過多的能源，只會因為更新次數頻繁而必須跟更遠的節點拿取資料，但所付出的能源量並不會明顯提升，而 Tree-based 方法卻會因為要維持節點快取空間內資料的一致性，在更新次數愈頻繁 (update interval 越小)的情況下，所花費維持資料一致性的能源會因此顯著提升。

另外，我們改變平均需求週期時，

情況進行說明。如圖 13 所示，當需求頻率愈頻繁時，ACOD 和 NCIS 的能源耗損情況會更加顯著，

因為每次的需求發生時， ACOD 的廣播驗證就會進

圖 12. 改變平均更新週期對能源耗損的影響行，NCIS 的廣播資料項搜尋也很可能發生，所成的廣播風暴和能源耗損都相當可觀，而

圖 13.改變平均需求週期對能源耗損的影也

而造成能源耗損的加劇，但因為是透過單播的方式進行需求封包的遞送，不會對週遭的節點產生干擾，也不會產生廣播風暴而造成網路負載和過多能源的消耗。

7. 效能分析效

得所需資料

Hop-Count，此平均跳躍數可正確地反映出所需的回應等待時間，其中 ACOD 的分析結果與 NCIS 相同。

7.1 NCIS 的分析

(1) NCIS 協定分析 在 NCIS 協定中，

(a) requesti

(11)

server

(b) server 使用 unicast，將目前 ser 上 data

ver 的 timestamp，從 reverse path 回

項時，則 query

不為合法資料項

要資料

IS

躍個數分析︰

定會花費 2*L

(ii)

數為 0。而不擁

(iii)

到 count 欄位期望值，我們可

播半徑即

傳回 requesting node (中間的 node 會更新此封包的 hop-count 欄位)

(c) 如果 requesting node 本身擁有該資料項，且也仍為合法資料

處理步驟至此結束。

(d) 若 requesting node 本身並無擁有該資料項，或該資料項

時，則 requesting node 根據收到的 hop-count 欄位，作 hop-count 範圍大小的 broadcast

(e) requesting node 向最先回應 ACK packet 的 node

根據上面的動作，我們將 NC 的平均節點跳就幾個部份進行分

(i) 步驟(a)、(b)，為 NCIS 協定的固定成本，即每次 query，一

的 hop 數，到 server 詢問所需資料項的最新 timestamp。

在步驟(c)，節點擁有合法資料項的機

率為 P_Valid，所需節點

有合法資料項的機率為(1-P_Valid)，此時將繼續進行 query 處理的步驟(d) 與(e)。

分析 requesting node 在步驟(d)，所收的 hop-

約略估算為路徑長度的一半，因此廣

2 L。

(iv) 步驟(e)所需的 hop-count 由四個小步驟所組成︰

式，詢問周圍鄰居節點是否擁

告知 requesting

(擁點與 requesting

，

即在

requesting node 以廣播方

有合法資料項

擁有合法資料項的鄰居節點，以 ACK 封包

node 它擁有最新資料項

requesting node 向最先收到回應的鄰居節點要求資料

該鄰居節點傳送資料給 requesting

此步驟下，所使用的 hop-count，應為有合法資料項鄰居節

node 之距離) * 4。我們在估計在廣播過程中，在廣播半徑的一半距離的節點

1 2 2 4

L L

* = 的距離的節點中，會擁有合法資料項。因此，此步驟的

hop-count 期望值為 * 4 4

Average Ho

L =L。

綜合以上所述，我們可將 NCIS 的 p Count 整理如下︰

2* (1 _ValidCache) * NCIS = L+ −P L

7.2 CA 的 hop count 分析

CA 處理 query 步驟如下︰

(a) 確認本身的快取間

hild node 是

message 向

間有任何節點擁

資料回原節點。

在 q 論兩種

( ( 此

的各節空

(b) 確認 c

否有可用資料 (c) 使用 unicast 的方

式，沿著規劃路徑傳送 control

server，若路徑中

有該資料，則回傳

uery 的 hop-count 討論中，我們將分別討不同的 case︰

a) 節點所要求的資料項已因 server 招回 callback)而失效

case 的發生機率為(1-PValid)。則此時節點自身、其子節點、規劃路徑上

(12)

點，即使有快取到該資料項，也已失節點所要求的資料項仍有效

效，最後終將向伺服器要求資料。因此此 case 的發生機率為 P_Valid。此時節點將此 case 的 hop-count 為(E[H_AP] + 1) * 2。

(b)

照著確認自身的 cache、子節點的 cache、規劃路徑上各節點的 cache 的順序，直到伺服器，因此，此 case 下的 hop-count 為︰

[ ]

¹

T T L T L

Hit Hit Hit Hit Hit Hit

P P P L P L P

(0 * 2) * ^T +(1* 2) * ^T * (1− ^T ) ... ( * 2) *+ + P * (1− ) + ( +1) * 2 * (1− ) ⁺

根據上面的推論，我們將 CA 的平均節點跳躍個數分析如下︰

[ ] [ ]

2

3 1

_

(1 ) * ( 1) * 2)

(0 * 2) * 2 * * (1 ) (2 1* 2) * * (1 )

*

(2 2 * 2) * * (1 ) ... (2 * 2) * (1 ) (1 ) * ( 1) * 2)

2 * * (1 ) (

*

CA

Valid

T T T T T

Hit Hit Hit Hit Hit

Valid T T T L

Hit Hit Hit

Valid

T T

Hit Hit

Valid

Hop Count

P L

P P P P P

P

P P L P

P L

P P

P

+

= − + +

⎧ + − + + − +⎫

⎪ ⎪

⎨ ⎬

+ − + + + −

⎪ ⎪

⎩ ⎭

= − + +

− +

[ ] [ ]

2

3 1

1 1

2 * 2) * * (1 )

(3 * 2) * * (1 ) ... ( * 2) * (1 ) ( 1) * 2 * (1 ) (1 ) * ( 1) * 2) * 2 * * * (1 ) ( 1) * (1 )

T T

Hit Hit

T T T T L T L

Hit Hit Hit Hit Hit

L

T T n T L

Valid Valid Hit Hit Hit

n

P P

P P L P P L P

P L P n P P L P

+

=

⎧ − + ⎫

⎪ ⎪

⎨ ⎬

− + + − + + −

⎪ ⎪

⎩ ⎭

⎧ ⎡ ⎤ ⎫

= − + + ⎨⎩

∑

⎣ − ⎦+ + − ⎬⎭

(1 P_Valid) * (L 1)

= −

[

+

]

^HitT ^Hit ⁽¹ Hit^T ⁾ ⁽ ^{1) * (1} Hit^T ⁾^L ¹ Hit

P L P ⁺

1 (1 LP^T )(1 P^T )^L

* 2) +P_Valid * 2 *⎧⎨ − + P − − + + − ⎫⎬

⎩ ⎭

據以上的分析，畫出的平均 hp count 如圖 14 所示，此分析假設平均異動

根

間隔時間是平均查詢間隔時間的 5 倍。圖中顯示 CA 的 Hop Count 約是 ACOD 及 NCIS 的三分之一。

14. 不同的 Hit Ratio 對 Hop Count 的影響

，以避免因廣播風暴所造成的網路負載和因資料驗證而產生的長回應時間，由模擬及分析的們提出的樹狀的規劃路徑方法，

減少回應時間和能源耗損上都有顯著的效益提

Strategies for Internet-based Mobile Ad Hoc 圖

8. 結論

在無線隨意網路中，合作快取與快取資料一致性的問題，一直是個重要的議題。許多學者研究的重心都圍繞在如何能在兼顧資料一致性，又能達到省電和更快的回應時間。本研究在提出了一個全新的想法，在無線行動隨意網路中，建立樹狀的規劃路徑，並對同一條路徑上的節點進行合作快取，目的在取代 ACOD 和 NCIS 以廣播的方式進行的資料搜尋和驗證

為

結果來看，證明我在

升。

9. References

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(13)

Networks,'' IEEE International Conference on Mobi Ad-hoc and Sensor Systems (MASS), 2004.

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le

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g Policy for Mobile Ad Hoc rence on

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Consumption of a Wireless Network Interface

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Autonomous Systems and International Conferen on Networking and Services, 2005. ICAS-ICNS Oct. 2005.

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“GroCoca : Group-based Peer-to-Peer Cooperative Caching in Mobile Environments,” IEEE Journal on

selected areas in communications, JAN. 2007.

[11] Takahiro Hara and Sanjay K. Madria, “Dat

(14)

1

國國科會科會專專題題研研究究計計畫畫成成果果報報告告撰撰寫寫格格式式

99 年 5 月 5 日本會第 304 次學術會報修正通過

一、說明

國科會基於學術公開之立場，鼓勵一般專題研究計畫主持人發表其研究成果，但主持人對於研究成果之內容應負完全責任。計畫內容及研究成果如涉及專利或其他智慧財產權、違異現行醫藥衛生規範、影響公序良俗或政治社會安定等顧慮者，應事先通知國科會不宜將所繳交之成果報告蒐錄於學門成果報告彙編或公開查詢，以免造成無謂之困擾。另外，各學門在製作成果報告彙編時，將直接使用主持人提供的成果報告，因此主持人在繳交報告之前，應對內容詳細校對，以確定其正確性。

本格式說明之目的為統一成果報告之格式，精簡報告內容之篇幅以 4 至 10 頁為原則，

完整報告內容之篇幅不得少於 10 頁。

成果報告繳交之期限及種類（精簡報告、完整報告、期中精簡報告、期中完整報告等），應依本會補助專題研究計畫作業要點及專題研究計畫經費核定清單之規定辦理。

二、報告格式：依序為封面、目錄（精簡報告得省略）、中英文摘要及關鍵詞、報告內容、參考文獻、計畫成果自評、可供推廣之研發成果資料表、附錄。

(一)報告封面：請至本會網站（http：//www.nsc.gov.tw）線上製作（格式如附件一）。

(二)中、英文摘要及關鍵詞 (keywords)。

(三)報告內容：包括前言、研究目的、文獻探討、研究方法、結果與討論（含結論與建議）…

等。

(四)計畫成果自評部分：請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價值(簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性)、

是否適合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估，

並請至本會網站線上製作。（格式如附件二）

(五)頁碼編寫：請對摘要及目錄部分用羅馬字 I 、II、 III……標在每頁下方中央；報告內容至附錄部分請以阿拉伯數字 1.2.3.……順序標在每頁下方中央。

(六)附表及附圖可列在文中或參考文獻之後，各表、圖請說明內容。

(七)可供推廣之研發成果資料表：

1.研究計畫所產生之研發成果，應至國科會科技研發成果資訊系統（STRIKE 系統，

https://nscnt66.nsc.gov.tw/strike/）填列研發成果資料表（如附件三），循執行機構行政程序，由研發成果推廣單位（如技轉中心）線上繳交送出。

2.每項研發成果填寫一份。

(八)若該計畫已有論文發表者(須於論文致謝部分註明補助計畫編號)，得作為成果報告內容或附錄，並請註明發表刊物名稱、卷期及出版日期。若有與執行本計畫相關之著作、

專利、技術報告、或學生畢業論文等，請在參考文獻內註明之。

三、計畫中獲補助國外或大陸地區差旅費、出席國際學術會議差旅費或國際合作研究計畫差旅費者，須依規定分別撰寫心得報告，並至本會網站線上繳交電子檔，心得報告格式如附件四、五、六。

四、報告編排注意事項

(一)版面設定：A4 紙，即長 29.7 公分，寬 21 公分。

(二)格式：中文打字規格為每行繕打（行間不另留間距），英文打字規格為

Single Space

。 (三)字體：以中英文撰寫均可。英文使用

Times New Roman Font

，中文使用標楷體，字

體大小以 12 號為主。

(15)

附件一

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫 5 成果報告

□期中進度報告

行動隨意網路中之合作快取與資料散佈之研究

計畫類別：5個別型計畫 □整合型計畫計畫編號：NSC 98－2221－E－011－115－

執行期間： 98 年 8 月 1 日至 99 年 7 月 31 日執行機構及系所：國立台灣科技大學資訊管理系

計畫主持人：呂永和共同主持人：

計畫參與人員：李建邦、何明璇、范恆嘉

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交)：5精簡報告 □完整報告

本計畫除繳交成果報告外，另須繳交以下出國心得報告：

□赴國外出差或研習心得報告

□赴大陸地區出差或研習心得報告 5出席國際學術會議心得報告

□國際合作研究計畫國外研究報告

處理方式：除列管計畫及下列情形者外，得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權，□一年□二年後可公開查詢中華民國 99 年 10 月 31 日

2

(16)

國科會補助專題研究計畫成果報告自評表

請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）、是否適合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。

1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估

□ 達成目標

□ 5未達成目標（請說明，以 100 字為限）

□ 實驗失敗

□ 因故實驗中斷

□ 5其他原因

說明：所提出的""無線隨意網路中具有強資料一致性的合作快取方法""，理論分析已經完成，效果優於既有方法。但實驗方面，可能是建立合作快取樹狀結構的成本過高，導致實驗結果與分析結果並不一致。目前正在驗證及修改實驗程式，

將在三個月內完成新的實驗，並撰寫投稿期刊論文。

2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：

論文：□已發表 □未發表之文稿 5撰寫中 □無專利：□已獲得 □申請中 □無

技轉：□已技轉 □洽談中 □無其他：（以 100 字為限）

附件二

3

(17)

4

3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以 500 字為限）

本研究是要建立一個無線行動隨意網路中的合作快取方法，讓無線行動隨意網路的使用者可以透過合作快取的機制，快速地取得儲存在資料伺服器上的資料庫資料。本方法透過建立一個擴展樹的合作快取結構，讓行動節點可以有效率地互相幫忙存取及驗證所需要的資料。因觀念創新，理論分析完整，

有機會成為一篇國際期刊的論文；因此，正在努力修改及驗證 NS2 模擬程式，

(18)

附件三

國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表

日期：年月日

國科會補助計畫

計畫名稱：

計畫主持人：

計畫編號：領域：

（中文）

研發成果名稱

（英文）

成果歸屬機構發明人

(創作人)

（中文）

（200-500 字）

技術說明

（英文）

產業別

技術/產品應用範圍

技術移轉可行性及預期效益

註：本項研發成果若尚未申請專利，請勿揭露可申請專利之主要內容。

5

(19)

國科會補助專題研究計畫項下出席國際學術會議心得報告

日期： 99 年 10 月 31 日

計畫編號 NSC98－2221－E －011 －115－

計畫名稱行動隨意網路中之合作快取與資料散佈之研究

出國人員

姓名呂永和服務機構

及職稱國立台灣科技大學資管系會議時間 99 年 3 月 24 日至

99 年 3 月 26 日會議地點越南順化

會議名稱

(中文)第二屆亞洲智慧型資訊及資料庫系統

(英文)

The 2nd Asian Conference on Intelligent Information and Database Systems

發表論文題目

(中文)一個基於模糊時間序列與類神經網路的選擇權預測方法

(英文)

A fuzzy time series-based neural network approach to option price forecasting 附件四

一、參加會議經過:職於 99 年 3 月 24 日下午到達越南順化古城，進駐當地旅館，隨

即前往 Hue University 的一個研究中心報到，晚上前往參加歡迎酒會；3 月 25 日

參加會議所安排的 city tour，參觀越南王室陵墓及王宮，隨後參觀順化城的街道。

於 3 月 26 日離開。

二、與會心得：簡報論文時仍有不順的地方，雖相較於其它台灣去的報告者好很多，

但仍須改進，我想以後如果能用英文上課，當有機會進行良好的簡報；不過職的一

般會話英文倒是對答如流，為台灣進行了一場良好的國民外交。

6

(20)

7

三、考察參觀活動(無是項活動者略)：City tour 如上述。

四、建議：台灣學者必須加強英文能力，否則不止簡報無法讓人聽懂，餐桌上亦開

不了口，就和大部分日本人一樣。職發現這幾年韓國人的英文進步很多。

五、攜回資料名稱及內容：論文集兩冊（發表在 LNCS/LNAI 上：EI index）

六、其他

(21)

國科會補助專題研究計畫項下赴國外(或大陸地區)出差或研習心得報告

日期：年月日

計畫編號 NSC －－－－－

計畫名稱出國人員

姓名

服務機構及職稱出國時間年月日至

年月日出國地點

附件五

一、國外(大陸)研究過程

二、研究成果

三、建議

四、其他

8

(22)

國科會補助專題研究計畫項下國際合作研究計畫國外研究報告

日期：年月日

計畫編號 NSC －－－－－

計畫名稱出國人員

姓名

服務機構及職稱

合作國家合作機構

出國時間年月日至

年月日出國地點

附件六

一、國際合作研究過程

二、研究成果

三、建議

四、其他

9

(23)

國科會補助計畫衍生研發成果推廣資料表

日期:2010/11/02

國科會補助計畫

計畫名稱: 行動隨意網路中之合作快取與資料散佈之研究計畫主持人: 呂永和

計畫編號: 98-2221-E-011-115- 學門領域: 資料庫系統及資料工程

無研發成果推廣資料

(24)

98 年度專題研究計畫研究成果彙整表

計畫主持人：呂永和計畫編號：98-2221-E-011-115- 計畫名稱：行動隨意網路中之合作快取與資料散佈之研究

量化

成果項目 ^{實際已達成}

數（被接受或已發表）

預期總達成數(含實際已

達成數)

本計畫實際貢獻百

分比

單位

備註（質化說明：如數個計畫共同成果、成果列為該期刊之封面故事 ...

等）

期刊論文 0 0 100%

研究報告/技術報告 0 0 100%

研討會論文 1 0 100%

論文著作篇

專書 0 0 100%

申請中件數 0 0 100%

專利已獲得件數 0 0 100% 件

件數 0 0 100% 件

技術移轉

權利金 0 0 100% 千元

碩士生 2 0 100%

博士生 1 0 100%

博士後研究員 0 0 100%

國內

參與計畫人力

（本國籍）

專任助理 0 0 100%

人次

期刊論文 0 1 100%

研究報告/技術報告 0 0 100%

研討會論文 0 0 100%

論文著作篇

專書 0 0 100% 章/本

申請中件數 0 0 100%

專利已獲得件數 0 0 100% 件

件數 0 0 100% 件

技術移轉

權利金 0 0 100% 千元

碩士生 0 0 100%

博士生 0 0 100%

博士後研究員 0 0 100%

國外

參與計畫人力

（外國籍）

專任助理 0 0 100%

人次

(25)

其他成果

(

無法以量化表達之成果如辦理學術活動、獲得獎項、重要國際合作、研究成果國際影響力及其他協助產業技術發展之具體效益事項等，請以文字敘述填列。)

無

成果項目量化 名稱或內容性質簡述

測驗工具(含質性與量性) 0

課程/模組 0

電腦及網路系統或工具 0

教材 0

舉辦之活動/競賽 0

研討會/工作坊 0

電子報、網站 0

科教處計畫加填項

目計畫成果推廣之參與（閱聽）人數 0

(26)

國科會補助專題研究計畫成果報告自評表

請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況、研究成果之學術或應用價值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）、是否適合在學術期刊發表或申請專利、主要發現或其他有關價值等，作一綜合評估。

1. 請就研究內容與原計畫相符程度、達成預期目標情況作一綜合評估

□達成目標

■未達成目標（請說明，以 100 字為限）

□實驗失敗

□因故實驗中斷

■其他原因說明：

所提出的’’無線隨意網路中具有強資料一致性的合作快取方法’’，理論分析已經完成，效果優於既有方法。但實驗方面，可能是建立合作快取樹狀結構的成本過高，導致實驗結果與分析結果不一致。目前正在驗證及修改實驗程式，將在三個月內完成新的實驗，並撰寫投稿期刊論文。

2. 研究成果在學術期刊發表或申請專利等情形：

論文：□已發表 □未發表之文稿 ■撰寫中 □無專利：□已獲得 □申請中 ■無

技轉：□已技轉 □洽談中 ■無其他：（以 100 字為限）

3. 請依學術成就、技術創新、社會影響等方面，評估研究成果之學術或應用價值（簡要敘述成果所代表之意義、價值、影響或進一步發展之可能性）（以 500 字為限）

本研究是要建立一個無線行動隨意網路中的合作快取方法，讓無線行動隨意網路的使用者可以透過合作快取的機制，快速地取得儲存在資料伺服器上的資料庫資料。本方法透過建立一個擴展樹的合作快取結構，讓行動節點可以有效率地互相幫忙存取及驗證所需要的資料。因觀念創新，理論分析完整，有機會成為一篇國際期刊的論文；因此，正在努力修改及驗證 NS2 模擬程式，

行動隨意網路中之合作快取與資料散佈之研究

行政院國家科學委員會專題研究計畫 成果報告