一種通信網關鍵鏈路識別方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種通信網關鍵鏈路識別方法，包括：依據實際網絡架構，構建通信網絡拓撲圖；通過網絡的鄰接矩陣及度矩陣計算網絡的拉普拉斯矩陣，由網絡拉普拉斯矩陣得到網絡連通片數目；計算通信網的改進自然連通度；令網絡中各條鏈路依次失效，通過比較各條鏈路依次失效后所得網絡拓撲子圖的改進自然連通度與原網絡拓撲圖改進自然連通度的變化，獲得各條鏈路的重要度；對鏈路重要度進行排序，排序靠前的鏈路即為網絡關鍵鏈路。本發(fā)明提供的關鍵鏈路識別方法體現了鏈路對于網絡中所有節(jié)點對之間替代路徑冗余性的影響，并且綜合考慮了鏈路失效后網絡連通與不連通的情況，反映了鏈路對于全網絡通信路徑的貢獻，并且算法計算形式簡潔，復雜度低。
【專利說明】
一種通信網關鍵鏈路識別方法
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及通信網鏈路分析技術領域，具體涉及一種通信網關鍵鏈路識別方法。
[0002] 背景內容
[0003] 隨著通信網規(guī)模愈加龐大，結構愈加復雜，網絡的可靠性研究顯得愈加重要。對通 信網的關鍵鏈路進行識別，是通信網可靠性研究的方向之一。網絡中關鍵鏈路遭到破壞時， 網絡可靠性降低，甚至導致大面積通信中斷，因此在網絡設計維護時，需要對重要鏈路進行 重點保護以提高網絡整體可靠性。在網絡中多條鏈路同時故障的情況下，根據鏈路重要程 度確定修復的先后順序，同樣能夠減少網絡損失。因此有效地評估網絡中鏈路的重要度，挖 掘關鍵鏈路，對于網絡安全可靠通信具有十分重要的意義。
[0004] 鏈路重要度是識別關鍵鏈路的主要依據，現有鏈路重要度評估的傳統(tǒng)方法包括介 數法、生成樹法、最短路徑法等：
[0005] 1)邊的介數是指所有節(jié)點對的最短路徑中通過邊i的最短路徑數量。邊的介數代 表了該鏈路在所有節(jié)點對的交換過程中的重要程度。
[0006] 2)生成樹法是指通過依次令網絡中鏈路失效，比較鏈路失效后所得圖的生成樹數 目得到鏈路重要度。鏈路刪除后，網絡生成樹數目越少，該鏈路越重要?；蛘邚逆溌氛９?作角度出發(fā)，認為某條邊收縮后，得到的圖對應的生成樹數目越多，則該邊越重要。
[0007] 3)最短路徑法是指通過比較各條鏈路依次失效后對網絡平均最短路徑的影響反 映邊的重要度。
[0008] 邊的介數以節(jié)點對經過該條鏈路最短路徑的數目代表鏈路的傳輸能力，側重于網 絡最短路徑的分析，未考慮鏈路對于全網絡通信路徑的影響；生成樹法和最短路徑法存在 鏈路刪除后網絡變得不連通而方法失效的問題。因此，以上方法對于通信網中關鍵鏈路的 識別均具有一定局限性。

【發(fā)明內容】

[0009] 針對現有技術的不足，本發(fā)明旨在提供一種通信網關鍵鏈路識別方法，通過分析 鏈路對于全網絡通信路徑冗余性的影響，綜合考慮網絡連通與不連通的情況，利用網絡改 進自然連通度的變化來計算鏈路的重要度。
[0010] 為了實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案：
[0011] -種通信網關鍵鏈路識別方法，包括如下步驟：
[0012] S1根據通信網的實際架構建立網絡拓撲圖，并構建相對應的鄰接矩陣及度矩陣；
[0013] S2根據步驟S1中得到的鄰接矩陣和度矩陣計算拉普拉斯矩陣；
[0014] S3按下式計算所述網絡拓撲圖的改進自然連通度：
[0015] 1'(<7) = ["!?；)
[0016] 其中y(G)為步驟S2所得的拉普拉斯矩陣L(G)零特征根的重數，?(ω為所述網絡拓 撲圖的自然連通度
，\(G)為步驟S1所得的鄰接矩陣A(G)的第j個特 征值，N為網絡拓撲圖中節(jié)點的總數；
[0017] S4令各條鏈路依次失效，比較各條鏈路依次失效后所得網絡拓撲子圖的改進自然 連通度與原網絡拓撲圖的改進自然連通度，獲得鏈路重要度；
[0018] S5對鏈路重要度進行排序，得到排名靠前的關鍵鏈路。
[0019] 需要說明的是，步驟S1具體為：
[0020] 依據通信網的實際架構，構建相對應的網絡拓撲圖，所述網絡拓撲圖包括節(jié)點和 鏈路，所述節(jié)點個數為N，所述鏈路個數為M，則網絡拓撲圖用圖G描述如下：
[0021] g=(V，E);
[0022] 其中V={V1，V2, . . .，VN}表示通信網中的節(jié)點的集合，其中每個節(jié)點表示通信網中 的通信設備，因此V即為通信設備集合;E = {ei，e2, . . .，eM}表示邊的集合，所述邊表示通信 設備之間的鏈路；
[0023] 相應的鄰接矩陣A(G) = [a^]中的元素定義如下：
[0026] 需要說明的是，步驟S2中，拉普拉斯矩陣通過下式計算：
[0027] L(G)=D(G)-A(G)；
[0028] 其中，A(G)為鄰接矩陣，D(G)為度矩陣；
[0029] 拉普拉斯矩陣L(G)零特征根的重數y(G)即為網絡連通片數目，當拉普拉斯矩陣L (G)零特征根的數目為1時，y(G) = l，網絡連通片數目為1，即網絡連通；當拉普拉斯矩陣L (G)零特征根數目為2時，y(G) = 2，此時網絡分裂成兩個子塊，網絡連通片數目為2;當拉普 拉斯矩陣L(G)零特征根數目為3時，y(G) = 3，此時網絡分裂成3個子塊，網絡連通片數目為 3，如此類推，當拉普拉斯矩陣L(G)零特征根數目為η時，網絡分裂成η個子塊，網絡連通片數 目為η〇
[0030] 需要說明的是，步驟S4具體為：
[0031]令G_ei代表鏈路&失效后所得的網絡拓撲子圖，設定鏈路失效是將該鏈路從網絡 中刪除，通過下式計算鏈路&失效后的網絡拓撲子圖G-ei的改進自然連通度：
[0032] I (〇-<?,) = ^ ；
[0033] 其中y(G-ei)為網絡拓撲子圖G-^的拉普拉斯矩陣L(G-e〇零特征根的重數， 杯G-^為網絡拓撲子圖G-ei的自然連通度，
，λ」(G-ei)為網絡 拓撲子圖G-^的鄰接矩陣的第j個特征值，N為網絡拓撲圖G中節(jié)點總數；
[0034]當網絡鏈路失效時，網絡中備選路徑冗余性受到影響，通信網抗毀性下降，改進自 然連通度的值減少;通過比較各條鏈路ei依次失效后所得網絡拓撲子圖的改進自然連通度 與原網絡拓撲圖改進自然連通度的變化得到鏈路重要度，如下式所示：
[0036]其中是鏈路ei的歸一化重要度，1((5)表示原網絡拓撲圖G的改進自然連通度， -e,丨是圖G_ei的改進自然連通度。
[0037]需要說明的是，步驟S5具體為：
[0038]分別計算通信網中各鏈路ei，e2，'"，eM的重要度，對其進行降序排序，排序越靠前 的鏈路對網絡抗毀性的影響越大，即為網絡關鍵鏈路。
[0039] 需要進一步說明的是，對于一個具有一定規(guī)模的網絡，通常認為排名前10~30% 為網絡關鍵鏈路。
[0040] 本發(fā)明的有益效果在于:通過分析鏈路對于全網絡通信路徑冗余性的影響，綜合 考慮網絡連通與不連通的情況，利用網絡改進自然連通度的變化評估鏈路重要度。
[0041] 自然連通度作為一種網絡抗毀性測度，通過計算網絡中不同長度閉環(huán)數目的加權 和，體現網絡中替代路徑的冗余性。自然連通度在數學形式上表示為一種特殊形式的平均 特征根，可以從網絡鄰接矩陣特征譜直接導出，因此具有明確的物理意義和簡潔的數學形 式。針對自然連通度難以區(qū)分網絡是否連通的問題，利用網絡連通片數目等于網絡拉普拉 斯矩陣零特征根重數這一特點對自然連通度進行改進，來實現通信網關鍵鏈路的識別。
[0042] 本發(fā)明提供的算法計算形式簡潔，對于網絡的維護具有重要意義。
【附圖說明】
[0043] 圖1是本發(fā)明的流程圖；
[0044] 圖2a和圖2b分別為不同通信網的網絡拓撲結構示意；
[0045] 圖3是通信網的鏈路重要度計算流程圖。
【具體實施方式】
[0046] 以下將結合附圖對本發(fā)明作進一步的描述，需要說明的是，本實施例以本技術方 案為前提，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍并不限于本實 施例。
[0047] 如圖1所示，一種通信網關鍵鏈路識別方法包括如下步驟：
[0048]步驟1:建立通信網的網絡拓撲圖：
[0049] 所述網絡拓撲圖包括節(jié)點和鏈路，所述節(jié)點個數為N，所述鏈路個數為M，則所述網 絡拓撲圖用圖G描述如下：
[0050] g=(V，E);
[0051] 其中V= {vi，V2, . . .，vn}表示節(jié)點集合，其中每個節(jié)點表示通信網中的通信設備， 因此V即為通信設備集合;E = {ei，e2, . . .，eM}表示邊的集合，所述邊表示通信設備之間的鏈 路；
[0052]相應的鄰接矩陣A(G) = [a^]中的元素定義如下：
[0055] 以如圖2(a)、2(b)所示通信網網絡為例，進行仿真驗證。圖2(a)是某簡單網絡拓 撲。圖2 (b)是某通信網局部網絡，該拓撲結構包含15個節(jié)點和17條鏈路。
[0056] 圖2(a)所示通信網的網絡拓撲圖&的鄰接矩陣表示如下：
[0058]圖2(b)所示某通信網局部網絡的網絡拓撲圖62的鄰接矩陣表示如下：
[0060]圖&的度矩陣表示如下：
[0062]圖62的度矩陣表示如下：
[0064] 步驟2:如圖3所示，計算通信網的拉普拉斯矩陣，得到網絡連通片數目：[0065] 所述網絡拉普拉斯矩陣通過下式計算：[0066] L(G)=D(G)-A(G)；[0067] 而圖的連通片數目即為圖的拉普拉斯矩陣L(G)零特征根的重數y(G)。當拉普拉斯 矩陣L(G)零特征根的數目為1時，y(G) = 1，圖的連通片數目為1，即網絡連通;當拉普拉斯矩 陣L(G)零特征根數目為2時，y(G)=2,此時網絡分裂成兩個子塊，網絡連通片數目為2;當拉 普拉斯矩陣L(G)零特征根數目為3時，y(G) = 3，此時網絡分裂成3個子塊，網絡連通片數目 為3···依此類推。[0068]圖61的拉普拉斯矩陣表示如下：
[0070]圖62的拉普拉斯矩陣表示如下：
[0072] 經計算得:y(Gi) = 1，μ(〇2) = 1表示圖Gi，G2均連通。
[0073]步驟3:計算通信網的改進自然連通度：
[0074] 網絡中關鍵鏈路的識別除了利用鏈路失效后網絡生成樹數目、或者平均最短路徑 的變化衡量，還可以通過鏈路對于全網絡通信路徑冗余性的貢獻度量。自然連通度可以反 映網絡中所有節(jié)點對之間替代路徑的冗余性，但是其難以區(qū)分網絡是否連通，針對這一問 題，本發(fā)明利用對自然連通度進行改進，利用改進后的自然連同度來判定通信網中的關鍵 鏈路。
[0075] 自然連通度反映了鏈路對于網絡備選通信路徑的影響度。所述通信網絡拓撲圖G 的自然連通度計算公式如下：
[0077] 其中為網絡圖G的自然連通度，\(G)為鄰接矩陣A(G)的第j個特征值。
[0078] 然而自然連通度不能區(qū)分網絡是否連通，因此利用網絡連通片數目對自然連通度 改進，改進的網絡自然連通度通過下式計算：
[0080]其中y(G)為圖G的拉普拉斯矩陣L(G)零特征根的重數，即網絡連通片數目，XR7)為 所述網絡的自然連通度。改進后的自然連通度可以通過y(G)反映出網絡連通情況。
[0081 ]步驟4:計算鏈路&失效后網絡的改進自然連通度：
[0082]令G-出代表鏈路&失效后所得通信網絡拓撲子圖。通過下式計算通信網絡拓撲子 圖G_ei的改進自然連通度：
[0084]其中y(G-ei)為鏈路ei失效后的網絡拓撲子圖G-ei的拉普拉斯矩陣L(G- ei)零特征 根的重數，石<7 D為網絡拓撲子圖G-ei的自然連通度，
，λ」(G- ei)為網絡拓撲子圖G-e^鄰接矩陣的第j個特征值，N為網絡拓撲圖G中節(jié)點總數；
[0085] 由于自然連通度關于添加邊和移除邊是嚴格單調的，因此本發(fā)明假設鏈路失效是 將該鏈路從網絡中刪除，即將鄰接矩陣中該鏈路所在元素置為0。
[0086] 若某條鏈路失效后，網絡不連通，分裂為多個子塊，則改進的自然連通度將快速下 降，以此體現鏈路對網絡抗毀性的影響;若鏈路失效后網絡依然聯(lián)通，則改進自然連通度與 自然連通度的變化趨勢一致。
[0087]步驟5:計算鏈路ei的重要度：
[0088] 當網絡鏈路ei出現故障時，網絡中節(jié)點間通信路徑必然遭到影響，全網絡備選路 由冗余性下降，網絡整體抗毀性下降，改進自然連通度隨之下降，改進的自然連通度的值下 降的越多，表明該鏈路對整個網絡的影響越大。通過比較網絡改進自然連通度，可以得到鏈 路重要度。
[0089] 通過比較各個鏈路依次失效后所得網絡拓撲子圖的改進自然連通度與原網絡拓 撲圖的改進自然連通度，得到鏈路重要度。所述通信網鏈路重要度計算公式如下：
[0091] 其中Ii是鏈路ei的歸一化重要度，?丨(7；)表示原始網絡拓撲圖G的改進自然連通度， 了 P 1 j是圖G_ei的改進自然連通度。
[0092] 步驟5:對鏈路重要度進行排序，辨識關鍵鏈路。對于一個具有一定規(guī)模的網絡，通 常認為排名前10~30%為網絡關鍵鏈路。
[0093] 圖&，62鏈路重要度排序結果對比如下表4,表5所示。
[0094] 表 4
[0097]表 5
[0099] 通過圖Gi仿真結果可知，在鏈路失效后網絡不連通的情況下生成樹法是不可用 的。邊介數的評估結果與本發(fā)明算法的評估結果基本一致，均判定鏈路4-5為關鍵鏈路，可 以說明本發(fā)明算法的有效性。鏈路1-2,6-8是完全對稱的，因此重要性相同，鏈路3-4,5-7同 理，但是兩組鏈路比較，鏈路3-4,5-7明顯處于較佳的拓撲位置，其所連接的節(jié)點也是網絡 核心節(jié)點，因此重要性高于鏈路1-2,6-8,而邊介數卻未能將兩組鏈路區(qū)分，由此可知本發(fā) 明算法評估結果更為準確。
[0100] 通過G2仿真結果可知，本發(fā)明與邊介數對于關鍵鏈路的識別結果基本一致，由邊 介數判定的排名前30%的關鍵鏈路與本發(fā)明判定排名前30%的鏈路重合率達80%。但是仿 真結果顯示邊介數無法區(qū)分鏈路2-3，14-15,與1-11和1-12的重要度，而本發(fā)明卻可以根據 其對網絡備選路由冗余性將其區(qū)分開，說明本發(fā)明算法評估精度更高;本發(fā)明算法與生成 樹法的評估結果差異較大，主要原因是算法的側重點不同。本發(fā)明算法更加關注鏈路對于 全網絡通信路徑冗余性的影響。并且當鏈路失效后網絡不連通時，生成樹算法是不可用的， 比如鏈路2-3,1-11，1-12,13-14,9-13,14-15,利用生成樹算法其重要度值均為1，而本發(fā)明 算法卻能夠在網絡不連通時有效區(qū)分以上鏈路。
[0101] 通過以上分析可知，本發(fā)明算法能夠對鏈路重要度合理排序，選取重要度較高的 鏈路作為關鍵鏈路進行重點保護，有效提高網絡可靠性。
[0102] 對于本領域的技術人員來說，可以根據以上的技術方案和構思，作出各種相應的 改變和變形，而所有的這些改變和變形都應該包括在本發(fā)明權利要求的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種通信網關鍵鏈路識別方法，其特征在于，包括如下步驟： Sl根據通信網的實際架構建立網絡拓撲圖，并構建相對應的鄰接矩陣及度矩陣； S2根據步驟Sl中得到的鄰接矩陣和度矩陣計算拉普拉斯矩陣； S3按下式計算所述網絡拓撲圖的H々講白狄i車誦麼.其中y(G)為步驟S2所得的拉普拉斯矩陣L(G)零特征根的重數，I(G)為所述網絡拓撲圖 的自然連通度，M(G)為步驟Sl所得的鄰接矩陣A(G)的第j個特征 值，N為網絡拓撲圖中節(jié)點的總數； S4令各條鏈路依次失效，比較各條鏈路依次失效后所得網絡拓撲子圖的改進自然連通 度與原網絡拓撲圖的改進自然連通度，獲得鏈路重要度； S5對鏈路重要度進行排序，得到排名靠前的關鍵鏈路。2. 根據權利要求1所述的通信網關鍵鏈路識別方法，其特征在于，步驟Sl具體為： 依據通信網的實際架構，構建相對應的網絡拓撲圖，所述網絡拓撲圖包括節(jié)點和鏈路， 所述節(jié)點個數為N，所述鏈路個數為M，則網絡拓撲圖用圖G描述如下： G=(V，E); 其中V={V1，V2,. . .，VN}表示通信網中的節(jié)點的集合，其中每個節(jié)點表示通信網中的通 信設備，因此V即為通信設備集合;E={ei，e2,. . .，eM}表示邊的集合，所述邊表示通信設備 之間的鏈路； 相應的鄰接矩陣A(G) = [a^]中的元素定義如下：相應的度矩陣爻3. 根據權利要求1所述的通信網關鍵鏈路識別方法，其特征在于，步驟S2中，拉普拉斯 矩陣通過下式計算： L(G)=D(G)-A(G); 其中，A(G)為鄰接矩陣，D(G)為度矩陣； 拉普拉斯矩陣L(G)零特征根的重數y(G)即為網絡連通片數目，當拉普拉斯矩陣L(G)零 特征根的數目為1時，y(G) = l，網絡連通片數目為1，即網絡連通;當拉普拉斯矩陣L(G)零特 征根數目為2時，y(G) = 2，此時網絡分裂成兩個子塊，網絡連通片數目為2;當拉普拉斯矩陣 L(G)零特征根數目為3時，y(G) = 3,此時網絡分裂成3個子塊，網絡連通片數目為3,如此類 推，當拉普拉斯矩陣L(G)零特征根數目為η時，網絡分裂成η個子塊，網絡連通片數目為η。4. 根據權利要求1所述的通信關鍵鏈路識別方法，其特征在于，步驟S4具體為： 令G-ei代表鏈路&失效后所得的網絡拓撲子圖，設定鏈路失效是將該鏈路從網絡中刪 除，通過下式計算鏈路&失效后的網絡拓撲子圖G-ei的改進自然連通度：其中y(G-ei)為網絡拓撲子圖6-&的拉普拉斯矩陣L(G-ei)零特征根的重數，ICG-y為 網絡拓撲子圖G-ei的自然連通度：，\(6-61)為網絡拓撲子圖6_ &的鄰接矩陣的第j個特征值，N為網絡拓撲圖G中節(jié)點總數； 當網絡鏈路失效時，網絡中備選路徑冗余性受到影響，通信網抗毀性下降，改進自然連 通度的值減少;通過比較各條鏈路ei依次失效后所得網絡拓撲子圖的改進自然連通度與原 網絡拓撲圖改進自然連通度的變化得到鏈路重要度，如下式所示：其中I1是鏈路ei的歸一化重要度，?ρ)表示原網絡拓撲圖G的改進自然連通度， l'((7-是圖G-ei的改進自然連通度。5. 根據權利要求1所述的通信關鍵鏈路識別方法，其特征在于，步驟S5具體為： 分別計算通信網中各鏈路ei，e2,...，eM的重要度，對其進行降序排序，排序越靠前的鏈 路對網絡抗毀性的影響越大。6. 根據權利要求5所述的通信關鍵鏈路識別方法，其特征在于，排名前10~30%為網絡 關鍵鏈路。
【文檔編號】H04L12/781GK106027399SQ201610589645
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年7月26日
【發(fā)明人】何玉鈞, 周生平, 李來杰, 高會生, 劉毅
【申請人】華北電力大學（保定）