專利名稱：網(wǎng)絡(luò)交通流模型的建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于系統(tǒng)科學(xué)領(lǐng)域，尤其涉及 一 種網(wǎng)絡(luò)信,l流交通系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
近年來，以因特網(wǎng)(Internet)為代表的信息技術(shù)的迅猛發(fā)展使人類社 會邁入了網(wǎng)絡(luò)時代。從Internet到WWW，從大型電力網(wǎng)絡(luò)到全球交通網(wǎng)絡(luò)， 從生物體中的大腦到各種新陳代謝網(wǎng)絡(luò)，從科研合作網(wǎng)絡(luò)到社會關(guān)系網(wǎng)絡(luò)， 這些人們身邊無處不在復(fù)雜系統(tǒng)都已成為科學(xué)研究中的熱點。1998年，美 國康奈爾大學(xué)理論和應(yīng)用力學(xué)系的博士生Watts及其導(dǎo)師Strogatz在Nature 雜志上發(fā)表文章，提出并建立了一個小世界網(wǎng)絡(luò)模型；1999年，美國圣母 大學(xué)物理系的Barabdsi教授及其博士生Albert建立了著名的無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)。 這兩個奠定性的工作開創(chuàng)了一個十分引人注目的新興研究領(lǐng)域——復(fù)雜網(wǎng) 絡(luò)——的研究熱潮。
現(xiàn)代生活中，具有無標(biāo)度特征的大的通訊網(wǎng)絡(luò)如互聯(lián)網(wǎng)在人們的生活 中占據(jù)越來越重要的位置。因此，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)上的各種動力學(xué)過程，例如信 息流的交通動力學(xué)問題，越來越受到研究者的關(guān)注。為了滿足人們對網(wǎng)絡(luò) 通訊能力不斷增長的需求，尋找好的路由策略成為了亟需解決的問題?，F(xiàn) 在已有大量工作研究了網(wǎng)絡(luò)上信息流的交通擁堵問題，并且提出了很多較 優(yōu)的路由策略，如局域路由協(xié)議、有效路由協(xié)議等。但以往的工作在為無 標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)上信息流交通動力學(xué)設(shè)計路由時，大多都是從均衡結(jié)點負(fù)載來提 高交通路由的效率。這些工作都忽略了信息包生命周期的限制，因此會造 成一些路由策略無效的環(huán)路過程，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的阻塞狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述問題之一 。
4為此，本發(fā)明的實施例提出 一種所建模型更加符合真實網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)交 通流模型的建模方法。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，本發(fā)明實施例的網(wǎng)絡(luò)交通流模型的建模方法，
包括以下步驟生成一個底層網(wǎng)絡(luò)；每個時間步在所述底層網(wǎng)絡(luò)中新增設(shè)
置有生命周期的信息包；在信息包被傳輸?shù)洁徲蛑袑?yīng)結(jié)點時將信息包的
生命周期進(jìn)行遞減；將生命周期為零的信息包從所述網(wǎng)絡(luò)中退出。 根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實施例，所述網(wǎng)絡(luò)為無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)。 根據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實施例，在所述鄰域結(jié)點為目的結(jié)點時將信息包
從所述網(wǎng)絡(luò)中退出。
才艮據(jù)本發(fā)明進(jìn)一步的實施例，在所述鄰域結(jié)點為非目的結(jié)點時依照以
下公式表示的優(yōu)先概率傳輸信息包f],=^，2A。
其中i、 j表示所述鄰域內(nèi)結(jié)點的編號，^表示所述鄰域中第f結(jié)點的連 接度，、表示所述鄰域中第7'結(jié)點的連接度，"為可調(diào)參數(shù)。
本發(fā)明建立的模型結(jié)合了真實網(wǎng)絡(luò)中的實際情況，對信息包附加了生 命周期的限制。考慮了信息包生命周期的限制以后，可以避免一些路由策 略無效的環(huán)路過程，消除了網(wǎng)絡(luò)的阻塞狀態(tài)。本發(fā)明的信息交通動力學(xué)模 型的建模方法考慮信息包生命周期，所得到的網(wǎng)絡(luò)模型更加符合真實網(wǎng)絡(luò)， 能夠較好地反映真實系統(tǒng)的屬性。
本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面 的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。


本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點下面結(jié)合附圖對實施例的描
述中將變得明顯和容易理解，其中
圖1為本發(fā)明實施例的網(wǎng)絡(luò)交通流模型的建模方法流程圖2為本發(fā)明實施例的底層網(wǎng)絡(luò)演化步驟流程圖3(a)到圖3(d)為本發(fā)明不同實施例的網(wǎng)絡(luò)模型的序參量-信息包產(chǎn)生 速率關(guān)系示意圖；圖4為本發(fā)明在不同生命周期下所建網(wǎng)絡(luò)模型中信息包平均數(shù)-連接度
關(guān)系示意圖5為本發(fā)明在不同生命周期下所建網(wǎng)絡(luò)模型的信息包平均傳輸時間
示意圖。
具體實施例方式
下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其 中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功 能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā) 明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。
現(xiàn)在參考圖1,該圖顯示了本發(fā)明實施例的網(wǎng)絡(luò)交通流模型的建模方 法流程。
首先，生成一個底層網(wǎng)絡(luò)(步驟102)，例如無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)(BA網(wǎng)絡(luò))。 關(guān)于BA網(wǎng)絡(luò)的演化步驟的實施例可以參考圖2,例如生成一個網(wǎng)絡(luò)大小 # = 1000、每步增長的邊數(shù)^ =氣=5的BA (Barabdsi-Albert)網(wǎng)絡(luò)。
如圖2所示，首先生成一個具有氣個結(jié)點的全連通網(wǎng)絡(luò)(步驟202)。 每個時間步，產(chǎn)生一個具有m條邊的新結(jié)點,(步驟204)。在該實施例中， 可以按照以優(yōu)先概率
選擇m個結(jié)點與新結(jié)點i連邊(步驟206),從而將這個新結(jié)點連接 到m個不同的已經(jīng)存在于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的結(jié)點上。在上述優(yōu)先概率公式
中，^是網(wǎng)絡(luò)中第Z已有結(jié)點的連接度，、表示網(wǎng)絡(luò)中第y已有結(jié)點的連接 度，i、 j表示網(wǎng)絡(luò)中已有結(jié)點的編號，求和符號表示對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中所有已 存在的結(jié)點求和。
然后，判斷當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點數(shù)是否達(dá)到指定的大小(步驟208 ),若 沒有達(dá)到預(yù)定大小，則重復(fù)上述步驟204和步驟206不斷地增加新結(jié)點， 直到網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點個數(shù)達(dá)到預(yù)定的大小iV, BA網(wǎng)絡(luò)生成結(jié)束(步驟210)。
在得到底層BA網(wǎng)絡(luò)之后，每個時間步在該網(wǎng)絡(luò)中新增產(chǎn)生R個信息 包，隨機地選擇R個信息包的產(chǎn)生結(jié)點和目的結(jié)點，并對信息包設(shè)置一個生命周期(LC)(步驟104)。
在每個時間步里，網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點處理自己隊列中的信息包(步驟106)。 假設(shè)每個時間步里每個結(jié)點至多處理C個信息包。
然后，每一結(jié)點對其鄰域結(jié)點執(zhí)行局域搜索，從鄰域中尋找正被處理 信息包的目的結(jié)點。即判斷目的結(jié)點是否在其領(lǐng)域內(nèi)(步驟108)。若被 處理的信息包的目的結(jié)點在搜索范圍內(nèi)，則將信息包直接送達(dá)到該目的地， 并且信息包從網(wǎng)絡(luò)中退出(步驟120)。
若鄰域中不存在被處理信息包的目的結(jié)點，則可以按照優(yōu)先概率將 信息包傳送到鄰域中的一個結(jié)點i (步驟110)。優(yōu)先概率例如以下面公式 表示
其中&表示該結(jié)點鄰域中第''結(jié)點的連接度，~表示鄰域中第7'結(jié)點的 連接度，"為可調(diào)參數(shù)，i、 j是鄰域內(nèi)結(jié)點的編號，求和符號表示對于搜索 區(qū)中的所有鄰域結(jié)點的求和。從而將信息包傳送到其鄰域中的第Z結(jié)點。
然后，對網(wǎng)絡(luò)中所有信息包的生命周期進(jìn)行遞減，例如均減一，即 LC二LC-1(步驟112)。接著，檢查每個信息包的生命周期大小是否為零(步 驟114)。若IXX),則將該信息包從網(wǎng)絡(luò)中退出；
否則，可以繼續(xù)判斷是否達(dá)到了指定的迭代代數(shù)(步驟116)。若終 止條件滿足，則結(jié)束循環(huán)，并得到相應(yīng)的交通流模擬過程實驗數(shù)據(jù)(步驟 118);否則，返回步驟104，并重復(fù)步驟104到步驟116，直至滿足預(yù)定 的迭代條件。
基于上述步驟102到步驟118從而能夠建立一種考慮超時機制的基于 局域路由的信息流交通動力學(xué)網(wǎng)絡(luò)模型，從而本發(fā)明能夠模擬真實網(wǎng)絡(luò)交 通并得到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)性能數(shù)據(jù)。
圖3、圖4和圖5分別給出了對本發(fā)明建模方法得到的網(wǎng)絡(luò)交通流模 型不同實施例的分析，其對應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)特性示意圖。其中，圖3(a)到圖3(d) 為本發(fā)明不同實施例的網(wǎng)絡(luò)模型的序參量-信息包產(chǎn)生速率關(guān)系示意圖；圖 4為本發(fā)明在不同生命周期下所建網(wǎng)絡(luò)模型中信息包平均數(shù)-連接度關(guān)系示
7意圖；以及圖5為本發(fā)明在不同生命周期下所建網(wǎng)絡(luò)模型的信息包平均傳 輸時間示意圖。
序參量"用來定量地描述網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，它的定義為
及Af ,
這里C表示網(wǎng)絡(luò)中每個結(jié)點的處理能力，即每個時間步里每個結(jié)點至 多處理的信息包數(shù)量，R表示信息包產(chǎn)生速率，A^=A^ + ")_^W, iVp(0
表示在時刻t網(wǎng)絡(luò)中的信息包的總數(shù)，表示在"的時間范圍內(nèi)網(wǎng)絡(luò)中 信息包的變化量。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)沒有阻塞，每個時刻新產(chǎn)生的信息包和到達(dá)的信 息包的數(shù)目大致相等，處于一個平衡狀態(tài)，Mt0,因此"(W^。當(dāng)網(wǎng)絡(luò) 陷入阻塞，網(wǎng)絡(luò)中的包會隨著時間不斷增加，從而使"(W)〉0。
由圖3(a)到圖3(d)可以看到，在沒有引入生命周期限制的條件下，即 LC-infmite (無窮)時，隨著信息包產(chǎn)生速率R的增大，網(wǎng)絡(luò)最終都會進(jìn) 入阻塞狀態(tài)；而引入生命周期的限制后(例如LC二500 ),不論參數(shù)"取何 值("=-2.0、 -1.0、 0還是0.5),也無論信息包產(chǎn)生的速率R如何變化， 序參量"始終為0。這說明在對信息包設(shè)置有生命周期后，網(wǎng)絡(luò)不會進(jìn)入阻 塞狀態(tài)，即阻塞狀態(tài)消除了。
現(xiàn)在參考圖4,在該圖中橫坐標(biāo)k表示連接度，縱坐標(biāo)n(k)是網(wǎng)絡(luò)中所 有連接度為k的結(jié)點所負(fù)載的信息包的平均值，即度為k的結(jié)點的信息包 平均數(shù)。如圖4所示，通過對網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點的平均隊列長度，即每個結(jié)點處 等待處理的信息包平均數(shù)目做統(tǒng)計，從而由每個結(jié)點處等待處理的信息包 的進(jìn)一步統(tǒng)計得到n(k)。
如圖所示，在加入生命周期LC的限制后，連接度為k的結(jié)點的平均 隊列長度n(k)隨著生命周期LC的減小而變小，有效地減輕了結(jié)點的負(fù)載， 從而消除了阻塞。并且，如圖所示，在不同的生命周期下，信息包平均數(shù) n(k)與連接度k之間的函數(shù)關(guān)系基本保持不變。
如圖5所示，對到達(dá)的信息包的傳輸時間T做統(tǒng)計。隨著LC的減小，
間在網(wǎng)絡(luò)中逗留的信息包，使得信息包的平均傳輸時間T縮短。并且，由 于有了生命周期，接收一方就能確定其等待接受的信息包是否已經(jīng)丟棄，從而及時作出有效反應(yīng)，發(fā)出重傳信號或放棄接收。
本發(fā)明根據(jù)真實網(wǎng)絡(luò)中的信息包都有生命周期限制這 一 實際情況，提 出了 一種考慮超時機制的基于局域路由的信息交通動力學(xué)模型，引入了信
息包生命周期的概念。即，信息包在未達(dá)目的地之前不再一直停留在網(wǎng)絡(luò) 中，生命周期結(jié)束時自動從網(wǎng)絡(luò)中退出。
本發(fā)明建立的模型結(jié)合了真實網(wǎng)絡(luò)，尤其是無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)中的實際情況， 對信息包附加了生命周期的限制?？紤]了信息包生命周期的限制以后，可 以避免一些^^由策略無效的環(huán)路過程，消除了網(wǎng)絡(luò)的阻塞狀態(tài)。本發(fā)明的 信息交通動力學(xué)模型的建模方法考慮信息包生命周期，所得到的網(wǎng)絡(luò)模型 更加符合真實網(wǎng)絡(luò)，能夠較好地反映真實系統(tǒng)的屬性。
盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員 而言，可以理解在不脫離本發(fā)明的原理和精神的情況下可以對這些實施例 進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由所附權(quán)利要求及其等 同限定。
9
權(quán)利要求
1.一種網(wǎng)絡(luò)交通流模型的建模方法，其特征在于，所述建模方法包括以下步驟生成一個底層網(wǎng)絡(luò)；每個時間步在所述底層網(wǎng)絡(luò)中新增設(shè)置有生命周期的信息包；在信息包被傳輸?shù)洁徲蛑袑?yīng)結(jié)點時將信息包的生命周期進(jìn)行遞減；以及將生命周期為零的信息包從所述網(wǎng)絡(luò)中退出。
2. 如權(quán)利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述網(wǎng)絡(luò)為無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)。
3. 如權(quán)利要求1所述的建模方法，其特征在于，在所述鄰域結(jié)點為目 的結(jié)點時將信息包從所述網(wǎng)絡(luò)中退出。
4. 如權(quán)利要求1所述的建模方法，其特征在于，在所述鄰域結(jié)點為非 目的結(jié)點時依照以下公式表示的優(yōu)先概率傳輸信息包其中i、 j表示所述鄰域內(nèi)結(jié)點的編號，《表示所述鄰域中第^結(jié)點的連 接度，、表示所述鄰域中第y結(jié)點的連接度，"為可調(diào)參數(shù)。
5. 如權(quán)利要求4所述的建模方法，其特征在于，"位于-2~0.5的范圍內(nèi)。
6. 如權(quán)利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述底層網(wǎng)絡(luò)的生成 包括以下步-驟生成具有預(yù)定數(shù)量結(jié)點的全連通網(wǎng)絡(luò)；在所述全連通網(wǎng)絡(luò)上依次添加新結(jié)點并與已有結(jié)點進(jìn)行連接，以得到 所述底層網(wǎng)絡(luò)。
7. 如權(quán)利要求6所述的建模方法，其特征在于，根據(jù)以下公式表示的 優(yōu)先概率，從已有結(jié)點中選擇預(yù)定數(shù)量的結(jié)點與每個新結(jié)點進(jìn)行連接<formula>formula see original document page 3</formula>其中i、 j表示所述網(wǎng)絡(luò)中已有結(jié)點的編號，A表示所述網(wǎng)絡(luò)中第？已 有結(jié)點的連接度，、表示所述網(wǎng)絡(luò)中第y已有結(jié)點的連接度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種網(wǎng)絡(luò)交通流模型的建模方法，包括以下步驟生成一個底層網(wǎng)絡(luò)；每個時間步在所述底層網(wǎng)絡(luò)中新增設(shè)置有生命周期的信息包；在信息包被傳輸?shù)洁徲蛑袑?yīng)結(jié)點時將信息包的生命周期進(jìn)行遞減；將生命周期為零的信息包從所述網(wǎng)絡(luò)中退出。本發(fā)明所建模型能夠消除網(wǎng)絡(luò)阻塞，更加符合真實的網(wǎng)絡(luò)。
文檔編號H04L29/06GK101651686SQ20091016906
公開日2010年2月17日 申請日期2009年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年9月17日
發(fā)明者曹先彬, 杜文博, 許言午, 陳才龍 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)