專利名稱：一種新型網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對人們生活、學(xué)習(xí)、工作等有重要影響的網(wǎng)絡(luò)同步通訊的設(shè)計方法。
2.
背景技術(shù)：
人們通常一提到網(wǎng)絡(luò)通訊就會想到由多個主機互聯(lián)，實現(xiàn)計算機和計算機之間的通信， 也同時會想到與我們工作、生活、學(xué)習(xí)密切相關(guān)、幾乎覆蓋了整個世界范圍，集新聞、通信、 娛樂、資源共享于一體，當(dāng)今世界上最大的計算機網(wǎng)絡(luò)——Internet。其實不然，所謂的網(wǎng) 絡(luò)是由節(jié)點和連線組成，這里節(jié)點和連線是廣義的，其中節(jié)點表示的是系統(tǒng)的元素，兩節(jié)點 的連線表示元素之間的相互作用。盡管定義看似簡單，但是網(wǎng)絡(luò)卻能夠呈現(xiàn)高度的復(fù)雜性。 自從1998年6月和1999年10月在國際知名雜志A^t/re和scie/7ce上發(fā)表的兩篇文章《"小世界"
網(wǎng)絡(luò)的群體動力行為》和《隨機網(wǎng)絡(luò)中的標(biāo)度的涌現(xiàn)》，標(biāo)志著網(wǎng)絡(luò)的研究進入了一個新時代。 通過大量的數(shù)據(jù)、信息、資料顯示我們通常熟悉的鼎W、 Internet、社會關(guān)系網(wǎng)絡(luò)、經(jīng)濟網(wǎng) 絡(luò)、電力網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)、通訊網(wǎng)絡(luò)、合作網(wǎng)絡(luò)、疾病傳播網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等等，都具有一 種稱為是無標(biāo)度的特性。而正是網(wǎng)絡(luò)的這種小世界和無標(biāo)度的特性能夠充分解釋網(wǎng)絡(luò)信息傳 遞的擁塞，疾病傳播迅速，電力中斷導(dǎo)致重大災(zāi)害等社會現(xiàn)象。這里我們尤其關(guān)注的是如何 增加具有小世界特性的/F5網(wǎng)絡(luò)和具有無標(biāo)度特性的朋網(wǎng)絡(luò)的信息通訊快捷，盡量避免擁塞現(xiàn)
象出現(xiàn)的問題。
網(wǎng)絡(luò)是由節(jié)點組成，網(wǎng)絡(luò)信息的傳播主要體現(xiàn)在節(jié)點的連接方式上，通過節(jié)點不斷的連 接繼而形成網(wǎng)絡(luò)。研究人員稱節(jié)點之間的連接為Laplacian矩陣，在我們的研究中，我們簡寫 為丄。 一個重要的發(fā)現(xiàn)就是矩陣A的最大與最小特征值比，就可以代表網(wǎng)絡(luò)的同步通訊的能力， 即特征值比越小就代表網(wǎng)絡(luò)同步通訊的能力就越強。描述一個網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有幾個基本概念平 均路徑長度、據(jù)類系數(shù)、最大介數(shù)和度分布。現(xiàn)有的研究顯示小世界網(wǎng)絡(luò)和無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)比規(guī) 則格子容易同步信息傳遞得多。因此，人們普遍認為小的特征路徑長度(用平均路徑長度表 示)有利于提高網(wǎng)絡(luò)的信息傳遞。然而，有的研究指出網(wǎng)絡(luò)的同步通訊能力，在網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點 度分布變得不均勻時，可能會受到抑制，即便同時網(wǎng)絡(luò)的特征路徑長度變小。而均勻的度分 布則預(yù)示著更強的同步通訊能力。研究人員研究了幾種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)因素，包括平均距離、度的 均勻性和介數(shù)對于(一種小世界網(wǎng)絡(luò)的常用模型)網(wǎng)絡(luò)的同步通訊能力的影響。研究認為 網(wǎng)絡(luò)的最大介數(shù)(maximal betweenness)是表征網(wǎng)絡(luò)同步通訊能力的合適的量。在網(wǎng)絡(luò)研究中，網(wǎng)絡(luò)程長的概念，被用來描述網(wǎng)絡(luò)中的邊的不同性連接兩個節(jié)點i和J'OV力的邊2U 的程長，為了說明我們的技術(shù)方法，我們用A'J表示為是將邊^(qū)7去掉后，節(jié)點i與J之間的最 短距離。根據(jù)上述，程長與網(wǎng)絡(luò)中的環(huán)長密切相關(guān)程長/ 力為邊J力所在的最小環(huán)的環(huán)長減l。 通過對網(wǎng)絡(luò)連邊進行基于程長大小的攻擊(可以導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的中斷或癱瘓等現(xiàn)象)發(fā)現(xiàn)，與度 分布相對均勻的r禍tl^ 隨機網(wǎng)絡(luò)的性質(zhì)不同，在無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)中，是短程邊而不是長程邊對于 網(wǎng)絡(luò)的短的特征路徑長度起到更重要的作用。研究針對于幾種網(wǎng)絡(luò)，包括隨機圖、小世界和 無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)使用重連邊的方法以實現(xiàn)同步通訊能力最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)。研究發(fā)現(xiàn)，不論初始網(wǎng)絡(luò)結(jié) 構(gòu)如何，得到的最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)，由于其結(jié)構(gòu)的特點稱為是交織網(wǎng)絡(luò)(entangled network)具有一 種共同的結(jié)構(gòu)特性網(wǎng)絡(luò)中的小環(huán)消失了，即在最優(yōu)網(wǎng)絡(luò)中，環(huán)長的分布變得狹窄，而具有 大的平均值。
上述結(jié)果自然地會引起關(guān)于網(wǎng)絡(luò)程長的一些問題。網(wǎng)絡(luò)的同步通訊能力對于網(wǎng)絡(luò)程長有 怎樣的依賴關(guān)系？在不同類型的網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)程長對于同步通訊能力是否會有不同的影響？ 網(wǎng)絡(luò)程長與網(wǎng)絡(luò)的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)之間又會有怎樣的關(guān)系？會不會通過改變程長可以提高網(wǎng)絡(luò) 通訊能力，減輕網(wǎng)絡(luò)信息通訊的擁塞？為了解決上述的幾個問題，我們在常用的^5網(wǎng)絡(luò)與朋 網(wǎng)絡(luò)中，研究網(wǎng)絡(luò)的平均程長與平均路徑長度、最大介數(shù)、以及網(wǎng)絡(luò)的同步能力通訊之間的 關(guān)系，并且通過我們設(shè)計的新方法，有效的改善了網(wǎng)絡(luò)信息通訊的能力。 3.

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通訊能力的不足，我們設(shè)計了一種新型的網(wǎng)絡(luò)，通過改進網(wǎng)絡(luò)程長的 連接方式，不僅可以提高網(wǎng)絡(luò)的通訊能力，而且也能夠加強網(wǎng)絡(luò)的同步能力，即可以很好的 進行網(wǎng)絡(luò)資源的管理和分配。
為達到上述目的所采用的技術(shù)方案是根據(jù)/f5網(wǎng)絡(luò)與朋網(wǎng)絡(luò)所具有的特性及網(wǎng)絡(luò)的平均 程長與平均路徑長度、最大介數(shù)、以及網(wǎng)絡(luò)的同步通訊能力之間的關(guān)系，主要通過計算機對 網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點進行隨機挑選，滿足對不同網(wǎng)絡(luò)類型程長變大或縮小的要求之后，將隨即改 變節(jié)點與節(jié)點之間的連接，也就是說網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的連接不再是固定的，而是要根據(jù)不同的網(wǎng)
絡(luò)類型隨著程長變大或縮小的要求而隨之改變。通過產(chǎn)生多種類型的^5網(wǎng)絡(luò)與朋網(wǎng)絡(luò)，進行 反復(fù)實驗，我們可以得到這樣的結(jié)論，即對于具有小世界特性的/T5網(wǎng)絡(luò)與具有無標(biāo)度特性的 朋網(wǎng)絡(luò)均可以通過增加或減少網(wǎng)絡(luò)的程長或是平均程長來增加網(wǎng)絡(luò)的同步通訊快捷的能力， 從而達到網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的目的。
本網(wǎng)絡(luò)改進技術(shù)的有益效果是，可以適用于多種具有小世界和無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)類型，如WWW、 Internet、經(jīng)濟網(wǎng)絡(luò)、電力網(wǎng)絡(luò)、交通網(wǎng)絡(luò)、通訊網(wǎng)絡(luò)、疾病傳播網(wǎng)絡(luò)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。通過
4改善網(wǎng)絡(luò)的通訊的環(huán)境，使得我們生活、工作、學(xué)習(xí)、與人聯(lián)系、接觸都更加方便快捷。
4.


圖1是M網(wǎng)絡(luò)中平均程長f與A胞間的關(guān)系。
圖2是/F調(diào)絡(luò)中平均程長/ 與〃1 =義2之間的關(guān)系。
圖3是/T5網(wǎng)絡(luò)中平均程長^與y92 = 4/^之間的關(guān)。
圖4是F5網(wǎng)絡(luò)中平均程長/ 與程長分布Z^之間的關(guān)系。 圖5是/f5網(wǎng)絡(luò)中平均程長y 與平均距離乙之間的關(guān)系。 圖6是;f5網(wǎng)絡(luò)中平均程長/ 與最大介數(shù)^ffax之間的關(guān)系。 圖7是朋網(wǎng)絡(luò)中平均程長7 與AA^間的關(guān)系。
圖8是朋網(wǎng)絡(luò)中平均程長W與y91 =義2間的關(guān)系。
圖9是創(chuàng)網(wǎng)絡(luò)中平均程長W與/ 2 = 474之間的關(guān)系。
圖10是W網(wǎng)絡(luò)中平均程長/ 與程長分布"r之間的關(guān)系。 圖11是W網(wǎng)絡(luò)中平均程長/ 與平均距離Z之間的關(guān)系。 圖12是創(chuàng)網(wǎng)絡(luò)中平均程長7 與最大介數(shù)i^3;f之間的關(guān)系。
5.
具體實施例方式
利用我們的設(shè)計方法針對具有小世界特性的^5網(wǎng)絡(luò)進行實驗。在圖1一圖6中IF5網(wǎng)絡(luò)結(jié)點 個數(shù)為200，平均度為4，度分布的標(biāo)準方差分別是0.2， 0.5和0.7。六個圖中，下三角、方形 和圓形分別代表標(biāo)準方差是0.2， 0.5和0.7的三種情況。這里，不同的度分布是通過調(diào)整重連 概率p實現(xiàn)的。圖中所有數(shù)據(jù)是20組數(shù)據(jù)的平均值。由圖1可見，當(dāng)平均程長嫂化時，耦合矩 陣Z的最大特征值;iA!H]改變很小。而度分布的標(biāo)準方差對;iA^值的影響更大標(biāo)準方差的值
越小(即網(wǎng)絡(luò)度分布越均勻)，義vV也越小。但是，當(dāng)我們考慮義2，耦合矩陣￡的第二小特征
值時，情況大不相同。圖2顯示，對比兩個參數(shù)y 與標(biāo)準方差，義2對于前者更為敏感。當(dāng)平均
程長必曾大時，-1=義2也隨之增大，對于無界同步化區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)，意味著網(wǎng)絡(luò)的同步通訊
能力在增強。W5網(wǎng)絡(luò)中，特征值比4/;^對于網(wǎng)絡(luò)平均程長的依賴性顯示在圖3中。可見，當(dāng)
平均程長贈大時，=4/義2在減小，對于有界同步化區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)，意味著網(wǎng)絡(luò)的同步通
訊能力在增強。因此，對于/F5網(wǎng)絡(luò)，無論網(wǎng)絡(luò)的同步化區(qū)域有界或無界，增大網(wǎng)絡(luò)的平均程 長有利于提高網(wǎng)絡(luò)通訊的同步能力。圖4顯示在/f5網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)平均程長贈大時，程長分布i r (網(wǎng)絡(luò)程長的標(biāo)準方差)主要是在下降，即從程長的角度而言，網(wǎng)絡(luò)在變得更均勻。 圖2 —圖4顯示，對KS網(wǎng)絡(luò)，窄的程長分布同時又有大的平均程長將意味著更強的同步能。
由圖5可見，在IT綱絡(luò)中，當(dāng)平均程長M曾大時，平均距離￡在下降。圖5顯示盡管節(jié)點程 長Wj與節(jié)點距離。7之間存在關(guān)系，在網(wǎng)絡(luò)的研究中，有必要將二者分別進行討論，因為二 者可以有著相反的變化趨勢。圖6顯示，在M網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)平均程長必曾大時，最大介數(shù)說詔x在 下降?？紤]到網(wǎng)絡(luò)同步通訊能力的變化，圖5與以往的研究結(jié)果一致，說明小的特征距離有利 于提高網(wǎng)絡(luò)通訊的同步能力；圖6說明在/T5網(wǎng)絡(luò)中小的最大介數(shù)意味著強的同步通訊能力。這 樣我們可以得到，通過對,5網(wǎng)絡(luò)增加程長的連接技術(shù)可以增加網(wǎng)絡(luò)的同步通訊快捷的能力。
圖7 —圖12顯示的是利用我們的設(shè)計方法針對具有無標(biāo)度^4網(wǎng)絡(luò)的實驗結(jié)果。網(wǎng)絡(luò)結(jié)點個 數(shù)為#=200，初始節(jié)點個數(shù)為/ =2，度分布的標(biāo)準方差分別是15， 20和25。六個圖中，下三 角、方形和圓形仍然分別代表標(biāo)準方差15， 20和25的三種情況。圖中所有數(shù)據(jù)是20組數(shù)據(jù)的 平均值。圖7顯示的結(jié)果與圖1類似網(wǎng)絡(luò)平均程長依寸，AAW影響很小，度分布的標(biāo)準方差對 L柳影響較大，且標(biāo)準方差的值越小，貝IJA順值越小。但是，圖8與圖2顯示了相反的結(jié)果。
在朋網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)平均程長M曾大時，pi-義2的值在變小，這對于具有無界同步化區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)
而言，意味著網(wǎng)絡(luò)的同步通訊能力在降低。做為圖7與圖8的結(jié)果，在別網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)平均程長y
增大時，特征值比"2=、,/義2的值在增大，對于有界同步化區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)，意味著網(wǎng)絡(luò)的同步
通訊能力在降低。因此，與F5坷絡(luò)的結(jié)果相反，對于別網(wǎng)絡(luò)，無論網(wǎng)絡(luò)的同步化區(qū)域有界或 無界，增大網(wǎng)絡(luò)的平均程長不利于提高網(wǎng)絡(luò)的同步通訊的能力。
圖10顯示，在別網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)平均程長對曾大時，程長分布Z^(網(wǎng)絡(luò)程長的標(biāo)準方差)也在 增大，即從程長的角度而言，網(wǎng)絡(luò)在變得不均勻，這一結(jié)果與圖4所示的/^^絡(luò)中的結(jié)果是相 反的。圖8—圖10顯示，對朋網(wǎng)絡(luò)，窄的程長分布同時又有小的平均程長將意味著更強的同步 能力。關(guān)于這一點，我們認為，在對網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化處理過程中，由于并不保持網(wǎng)絡(luò)原有的度序 列，從而降低了5J網(wǎng)絡(luò)度分布的不均勻性，使得朋網(wǎng)絡(luò)與/F5網(wǎng)絡(luò)等得到了類似得結(jié)果。圖ll 一圖12顯示，在創(chuàng)網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)平均程長贈大時，平均距離A在上升，而最大介數(shù)fe詔義在下降。 圖5和圖11肯定了一般共識，即不論是/F5網(wǎng)絡(luò)還是朋網(wǎng)絡(luò)，短的特征路徑長度有利于提高網(wǎng)絡(luò) 的同歩通訊的能力。然而，對于A4網(wǎng)絡(luò)，圖12的結(jié)果與其他研究結(jié)果不一致， 一些研究認為， 對于/ 3網(wǎng)絡(luò)和^4網(wǎng)絡(luò)，都有小的最大介數(shù)^^;r意味著更強的網(wǎng)絡(luò)同步能力。而關(guān)于最大介數(shù) ^ ax的研究， 一些研究也提出了一些反例。通過我們的設(shè)計和實驗證明，能夠得到這樣的結(jié) 論，即對于具有無標(biāo)度特性的^網(wǎng)絡(luò)均可以通過減少網(wǎng)絡(luò)的程長或是平均程長來增加網(wǎng)絡(luò)的同步通訊快捷的能力，從而達到網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的目的。這里我們需要再次說明，對應(yīng)不同的網(wǎng)絡(luò) 類型，我們的網(wǎng)絡(luò)改變程長重連邊技術(shù)是不同的。
在研究了網(wǎng)絡(luò)的平均程長與網(wǎng)絡(luò)程長分布、平均距離以及最大介數(shù)的關(guān)系問題之后，我 們發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)平均程長在F5網(wǎng)絡(luò)和別網(wǎng)絡(luò)中起的作用是不同的。在/f5網(wǎng)絡(luò)中，無論網(wǎng)絡(luò)的同 步區(qū)域是否有界，大的網(wǎng)絡(luò)平均程長意味著更強的同步通訊能力。而在^4網(wǎng)絡(luò)中則相反，無 論網(wǎng)絡(luò)的同步區(qū)域是否有界，小的網(wǎng)絡(luò)平均程長意味著更強的同步通訊能力。兩種網(wǎng)絡(luò)中， 平均程長與程長分布、平均距離以及最大介數(shù)的關(guān)系也是不同的。在/T5網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)平均程長 增大時，程長分布變窄，平均距離變小，網(wǎng)絡(luò)的最大介數(shù)也變小，這些結(jié)果都和朋網(wǎng)絡(luò)中的 結(jié)果相反。此外，文章的結(jié)果顯示，對于/f5網(wǎng)絡(luò)和別網(wǎng)絡(luò)都有小的平均距離有利于提高網(wǎng)絡(luò) 同步能力；而最大介數(shù)在兩種網(wǎng)絡(luò)中與網(wǎng)絡(luò)同步通訊能力的關(guān)系則是不同的。
權(quán)利要求
1、一種新型網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計方法，其特征在于根據(jù)WS網(wǎng)絡(luò)與BA網(wǎng)絡(luò)所具有的特性及網(wǎng)絡(luò)的平均程長與平均路徑長度、最大介數(shù)、以及網(wǎng)絡(luò)的同步通訊能力之間的關(guān)系，通過計算機對網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點進行隨機挑選，滿足對不同網(wǎng)絡(luò)類型程長變大或縮小的要求之后，將隨即改變節(jié)點與節(jié)點之間的連接，即網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的連接不再是固定的，而是要根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)類型隨著程長變大或縮小的要求而隨之改變。
全文摘要
為了克服現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)通訊能力的不足，設(shè)計了一種新型的網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)WS網(wǎng)絡(luò)與BA網(wǎng)絡(luò)所具有的特性及網(wǎng)絡(luò)的平均程長與平均路徑長度、最大介數(shù)、以及網(wǎng)絡(luò)的同步通訊能力之間的關(guān)系，主要通過計算機對網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點進行隨機挑選，滿足對不同網(wǎng)絡(luò)類型程長變大或縮小的要求之后，將隨即改變節(jié)點與節(jié)點之間的連接，也就是說網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的連接不再是固定的，而是要根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)類型隨著程長變大或縮小的要求而隨之改變。通過改進網(wǎng)絡(luò)程長的連接方式，不僅可以提高網(wǎng)絡(luò)的通訊能力，而且也能夠加強網(wǎng)絡(luò)的同步能力，即可以很好的進行網(wǎng)絡(luò)資源的管理和分配。
文檔編號H04L12/56GK101552718SQ20081008883
公開日2009年10月7日 申請日期2008年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月1日
發(fā)明者超 劉, 嶸 李, 段志生 申請人:劉 超;段志生;李 嶸