一種Scale-Free網絡上的自適應局部路由方法

文檔序號：7693852閱讀：957來源：國知局

專利名稱：一種Scale-Free網絡上的自適應局部路由方法
技術領域：
本發明屬于復雜網絡技術領域，具體涉及一種適用于Scale-Free網絡的自適應局部路由方法。
背景技術：
互聯網被證實具有復雜網絡的小世界以及Scale-Free連接特性。孤立節點或單業務連接等局部特性的研究不足以解決這種復雜系統的優化傳輸問題，需要將網絡拓撲以及建立在其上的信息傳輸規則和過程有機結合起來，進而尋求其擁塞控制、結構優化的有效方法。 Scale-Free網絡(也叫無標度網絡)及其信息傳輸特性和傳輸方法研究，致力于從整體的角度來研究網絡的信息傳輸特性，提高通信網整體性能。隨著產生業務的增加，網絡存在從穩態(自由流狀態)到擁塞態的相變，這主要歸因于網絡節點之間及業務與拓撲結構之間的相互作用。網絡拓撲結構是網絡的信息傳輸的基礎物理構架，它對網絡的信息傳輸特性有重要的影響，決定了網絡可能的最大傳輸能力，并且與其上的路由方法一起決定了網絡的實際傳輸能力的大小。路由方法和網絡結構之間的非線性作用決定了實際網絡的信息傳輸能力和業務動力學特性。為了在復雜網絡結構上實現高效的信息傳輸，巳經有很多路由方法被提出。主要分為全局路由方法和局部路由方法兩大類。l.全局路由方法全局路由方法要求每個節點知道網絡的全局拓撲連接信息，從而設計路由方法。最經典的全局路由方法是沿最短跳數路徑發送信息包的路由方法,它能夠使得信息花費最少的時間到達目的地，所以在自由流狀態具有最高的效率。但是它使得各條最短路徑集中通過的節點(Hub節點)的負擔很大，大量信息包在這里堆積。一旦網絡結構有不利因素, 例如Scale-Free網絡中Hub節點的中心樞紐地位十分突出，那么這種方法將使擁塞很快發生。全局路由方法對增大網絡容量的效果較好，但其問題在于每個節點都不斷探測全局結構，并且修改路徑特性，這對于試驗性質的中小型網絡或許適用，但對于類似因特網規模的網絡或者高動態性的連接結構不斷變化的無線網絡而言，每個路由節點的計算量和能量消耗都過于巨大。2.局部路由方法局部路由方法只要求每個節點知道自身及周圍一跳鄰居節點、或者二跳鄰居節點的路徑連接和負載情況。最原始的局部路由方法是隨機游走方法，發送節點為所有一跳鄰居節點均勻分配相等的轉發概率。由于隨機游走的方法過于簡單，在網絡中實際效果很差，僅有理論研究價值。之后產生了一種基于節點連接度的局部路由方法，發送節點根據鄰居節點的連接度和指定的度指數計算轉發概率，做出路由選擇和逐跳傳輸。每個節點作為發送節點在它的一跳鄰居節點中搜索信息包的目標節點，如果找到則轉發給相應的目標節點,，否則按照以下的轉發概率n,轉發給任意鄰居節點/:漢其中A是某一個鄰居節點/的連接度；S《是所有鄰居節點)的連接度的"次冪求和；"是事先指定的節點度指數，或稱擇優因子。上述方法是一種預先設置固定度指數"，均勻分配負載的靜態方法。其中"--i是最佳選擇，此時擁塞臨界點最大，且網絡中負載分布最均勻，即網絡容量最大。轉發概率n,僅由節點的固定的拓撲連接度決定，而不能根據節點的運行狀態和業務流量變化對路由方法進行實時調整。發明內容本發明針對現有的Scale-Free網絡上的局部路由方法不能根據節點運行狀態改變轉發概率，調節網絡業務流量分配而導致網絡容量小和不能實施調整路由方法的問題，提出一種能夠根據負載變化，在業務運行中自適應調整轉發概率的局部路由方法。本發明提供的一種適用于Scale-Free網絡的自適應局部路由方法，是一種轉發概率受到節點靜態拓撲結構和動態變化的負載的共同影響的局部路由方法，包括網絡業務的產生；節點臨界閾值的設定；擇優因子的確定；節點根據擇優因子，確定向每個鄰居節點發送信息包的自適應轉發概率并向各個節點同步發送信息包。上述技術方案中，采用具有Scale-Free連接形式的BA (BarabAsi-Albert)模型作為底層構架，節點的連接度^分布具有冪率特性，即戶("=&—7， y = 3。所述的網絡業務由每個時步不斷生成的信息包組成。在每一時步開始都有固定個數的信息包生成于網絡中，設為R，所以稱此時網絡中的信息包產生速率為R。之后隨機的為每個新產生的信息包選擇產生節點和目標節點。所述的每個信息包的產生節點和目標節點不可為同一點，否則視為此信息包無效。所述的臨界閾值反映的是擁塞不發生時的節點可以緩存的最高負載量。為了充分利用 Hub節點適應Scale-Free網絡不均衡的度分布結構，設臨界閾值^.:& = 4其中e = C7imin ，為網絡最小度，C為節點的固定發送能力。本發明中調整擇優因子遵循的原則是對于信息包隊列長度已經達到臨界閾值的節點也稱為飽和，減少鄰居節點向其發送信息包的概率，縮小其擇優因子《,;對于信息包隊列長度未達到臨界閾值的節點，增大其擇優因子",，使此節點接受更多的信息包。所述的轉發概率n,:其中A是某接受節點z'的連接度，",(S)是某發送節點S在自身路由表內記錄的其鄰居節點i的擇優因子。各個節點根據轉發概率n,選擇發送的鄰居節點。為了避免不斷重復的在同一區域搜索目標節點，即某一信息包不斷以同一個節點為發送節點，我們采用回避原傳送路徑的方法，即在轉發信息包時排除該信息包的上一個發送節點。本發明的優點在于(1) 本發明考慮到在Scale-Free網絡中連接度代表了節點的重要程度，而負載反映了瞬時的節點業務量大小，把二者對轉發概率的影響都考慮進路由方法來，根據業務輕重自適應的調整轉發概率；(2) 本發明設定了正比于節點的調整閾值，使得具有突出的連通全局的樞紐地位的Hub 節點可以容納較多負載，優先使用Hub節點處理業務，提高效率；(3) 最小連接度節點的臨界閾值等于其發送能力，這又使得所有節點的發送能力得以充分利用。(4) 網絡內所有節點可以同步達到飽和，可以提高擁塞時的臨界發送速率《.，提高網絡容量。

圖1為本發明提出的自適應局部路由方法在一個時步的路由方法實施流程圖；圖2為一個時步內，Scale-Free網絡業務的產生流程圖；圖3為自適應調整擇優因子的方法流程圖；圖4a為Scale-Free網絡規模N為1000時的連接度概率分布圖；圖4b為Scale-Free網絡規模N為10000時的連接度概率分布圖；圖5為本發明實施例的部分拓撲連接結構的示意圖；圖6為本發明與不采用本發明的局部路由方法的網絡容量^"比仿真圖；圖7為采用本發明不同參數對應的網絡臨界產生速率的仿真結果圖。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明的一種適用于Scale-Free網絡的自適應局部路由方法做進一步的詳細描述。以一個時步(也稱Time step)內的自適應局部路由方法為例來說明本發明的具體實施方案。圖l為本發明提出的自適應局部路由在一個時步的路由判斷方法實施流程圖，具體包括如下步驟步驟一、Scale-Free網絡內業務的生成；如圖2所示，在業務流產生的一個時步內，信息包的產生以及信息包的產生節點、目標節點的選定都是隨機的過程。在一個時步的開始，(1) 網絡內會隨機生成一個信息包，然后為該信息包在整個網絡內隨機選定產生節點；(2) 然后再在整個網絡內隨機選定目標節點；(3) 判斷該信息包的目標節點與產生節點是否重合，如果重合則回到步驟(2)重新隨機選取目標節點，否則進入(4);(4) 將具有產生節點和目標節點的信息包壓入產生節點的緩存隊列中，所述的緩存隊列采用FIFO (先入先出)原則；(5) 重復步驟(1) (4)，直到產生的信息包數量已經達到R個，則結束此時步的業務生成過程；每一個時步內的生成的信息包在網絡內被節點發送、接受的流動過程就形成了業務流。信息包數量R是測試路由方法性能時作為實驗條件的輸入值。R在網絡不擁塞時可以輸入的最大值稱為臨界發送速率凡，尺.越大代表路由方法性能越好。步驟二、為每個節點設計臨界閾值^;臨界閾值反映的是擁塞不發生時的節點可以緩存的最高負載量。傳統的局部路由方法中，對于每個節點最多可以承載的負載量(以信息包隊列長度表示)沒有設定，這樣沒有信號可以提示某些節點負載過重，路由方法不能預先調整轉發概率避免擁塞發生。本發明設定臨界閾值來代表每個節點不擁塞時可以緩存的最高負載量，通過監視節點的負載量與臨界閾值的關系來調整轉發概率，避免局部過飽和導致的擁塞。在Scale-Free網絡內，信息包產生速率A從0向臨界速率尺增大的過程中，整個網絡內節點各緩存的平均信息包隊列長度會逐漸增大。連接度越大的節點的信息包隊列長度增長得越快，從優先利用連接度大的Hub節點轉發信息包尋找目標節點的角度考慮，節點連接度越大其臨界閾值應該越大。為了充分利用Hub節點適應Scale-Free網絡不均衡的連接度分布結構，本發明中設定節點的臨界閾值9,。正比于其節點的連接度&,，即& 二 s & ，其中s是可調的比例系數；所述的飽和的過程是由連接度大的節點向連接度小的節點依次進行的，網絡中具有最小連接度、m的節點最晚達到飽和。如果具有、,n的節點飽和，則說明周圍連接度較大的節點必然已經飽和，擁塞將會無可避免的發生。所以如果路由方法使得具有最小連接度A,的節點的負載量能夠保持小于節點發送能力c而不進入飽和，那么網絡一定不擁塞。所以對于具有最小連接度、,。的節點的最髙負載量，我們采用最穩妥的限定，即具有最小連接度、。的節點的臨界閾值A 〃為<formula>formula see original document page 8</formula> (1)即在臨界狀態下，根據連接度最小節點的不擁塞情況確定比例系數e的取值<formula>formula see original document page 8</formula>(2)其中C為節點發送能力，《^為網絡最小連接度。因此網絡中任意節點/的臨界閾值l可以統一表示為<formula>formula see original document page 8</formula> (3)步驟三、節點根據其鄰居節點的負載量與臨界閾值的大小關系，計算其鄰居節點的擇優因子；圖3為自適應選擇調整擇優因子的方法流程圖 (i )毎個發送節點S首先獲取其所有鄰居節點/的負載量《,及臨界閾值^;其中/AS; (ii)發送節點S比較其鄰居節點!'的當前負載量仏與臨界閾值^的大小關系，并計算更新該鄰居節點/的擇優因子《。w :如果其鄰居節點/的當前負載量仏小于臨界閾值^ ,并且其擇優因子《^達到上限《_ ，即"。w-"隨，則取"歸="祝；如果此時擇優因子沒有達到上限，即" < 麵，則取 a，二 "。w + ，一般取A"為的二十分之一，通過增大此發送節點S內記錄的該鄰居節點!'的擇優因子"。w ，增大分配到該鄰居節點/的轉發概率。如果其鄰居節點的當前負載量《,大于或等于臨界閾值^ ，并且其擇優因子"。w達到下限 ",,，,,，，即"。,一"，，則取"，,如果其擇優因子"。w沒有達到下限"，，即《必> ,11,,1, 則取"，= 廣紐，一般取Aa為"，的二十分之一，通過減小此發送節點內記錄的該鄰居節點的擇優因子，減小分配到該鄰居節點的轉發概率。在傳統的固定擇優因子a的局部路由方法中，選取《 = 1是經典的連接度優先轉發方法；選取《=-l是抑制連接度轉發方法，在靜態方法中具有最大的網絡容量。為了涵蓋具有代表性的連接度優先轉發和抑制連接度轉發方法，我們選取本發明的擇優因子的上下限為amax=1，amin=_1。步驟四、節點根據擇優因子"，計算轉發概率，各個節點根據轉發概率同步發送信息包。根據步驟三中確定的擇優因子《_來確定發送節點分配給各個鄰居節點i的轉發概率<formula>formula see original document page 9</formula> (4) 其中&是鄰居節點^的連接度，A^(0是計算更新后的鄰居節點z'的擇優因子。發送節點根據轉發概率n,向其鄰居節點同步發送信息包。如果鄰居節點!'是當前信息包的上一個發送節點，則取n, o，即兩個節點之間不會重復反復的進行信息包的發送。從上述的路由方法步驟中可以看出,本發明提出的一種適用于Scale-Free網絡的自適應局部路由方法，是一種自適應變化節點信息進入速率的局部路由方法。傳統的局部路由方法中，轉發概率僅僅由網絡連接拓撲結構決定，轉發概率是固定的，業務的分配不受當前負載輕重的影響。而本發明考慮到在Scale-Free網絡中連接度代表了節點的重要程度，而負載反映了瞬時的節點業務量大小，把二者對轉發概率的影響都考慮進路由方法中來。本發明中根據節點當前負載量(也稱節點隊列長度)與臨界閾值&的關系來自適應的調整擇優因子"，進而動態變化每個節點的轉發概率。本發明設定了正比于節點連接度的臨界閾值，使得具有突出的連通全局的樞紐地位的Hub節點可以容納較多負載，優先使用Hub節點處理業務，提高效率；而具有最小連接度的節點的臨界閾值等于該節點的發送能力，這又使得所有節點的發送能力得以充分利用。最后網絡內所有節點可以同步達到飽和，可以提高擁塞時的臨界發送速率，提高網絡容量。圖4a、 4b為應用本發明的路由方法，釆用兩個不同規模的Scale-Free網絡的連接度概率分布圖，圖4a的網絡中總節點數N:1000，圖4b的網絡中總節點數N: 10000。橫軸代表節點的連接度K，縱軸代表具有該連接度K的節點在網絡總節點數中所占的比例p("。星號"* "代表本實例中所采用的網絡的實際概率分布狀況，直線"-"代表曲線^ =似_3。通過比較可以看出，用作實例的兩種不同規模的網絡拓撲結構基本滿足Scale-Free網絡的拓撲連接條件，即星號分布大部分與曲線^ = ^—3基本相同，實際概率分布曲線的上端的節點概率分布都滿足^>) = /^" y = 3;在實際概率分布曲線的最下端，小部分具有不同的連接度的節點擁有相等的出現概率而不是服從冪率分布P("-r、其原因是，這部分節點的出現概率已達到網絡中節點連接度分布出現情況的最小概率^,,,，當節點數^1000時，; ■=0.001;當N，IOOOO時，/7mi = 0.000，這是釆用具體實例時無法避免的。圖5為本發明實施例的部分拓撲連接結構的示意圖。節點A有5條邊，故其節點連接度、=5。以A點為發送節點，其余B、 C、 D、 E、 F節點作為其一跳鄰居節點，設定其連接度分別為^=5，& =8，^ = 19，^ = 5，、.=60，其當前負載《分別為& =3，《C=12，《D=40，《￡=4， ^-121。本網絡內最小連接度^=5，設定仿真參數節點發送能力C^10，擇優因子上限《_=1、下限c^,二一l， A"取為a,的1/20，艮卩0.05。根據我們的設定，選取￡ = CMmm=2 ，所以臨界隊列長度即臨界閾值i = d,=2j,，其中 (/ = A S、 C、 ZX ￡、 F)。在節點八記錄的各節點當前擇優因子值為&(^)=1， "C(>4) = 1， "D(々=-0.9， (j)=0.2， "F(j)=-1。節點A對其鄰居節點的狀態進行分析，節點B、 C、 D、 E、 F各點的臨界閾值分別為^=10，《(，=16， ^=38， fc=10， ^.。=120。對于節點B、 C、 E有《,乂^，反映出節點B、 C、 E可以分配到更大的轉發概率，但是節點B、 C 的擇優因子已經達到上限a,咖，所以維持《8(^)=1、 af.(J) = l，增長 04)=0.2+紐；對于節點D、 F有當前負載《,々^ ，反映出節點D、 F負載過重需要減小轉發概率，伹是節點F 的擇優因子已經達到下限"幽，所以維持 (力"1，減小" (力=0.9-Aa。完成對鄰居節點 B、 C、 D、 E、 F擇優因子的更新后，根據節點的發送能力C，把節點A中儲存的信息包隊列中的前C個依照下式的轉發概率發送給鄰居節點丄丄'2>;'")n,就是發送節點A將信息包發送給鄰居節點f的^t率，A是鄰居節點/的連接度，",是鄰居節點/的擇優因子，分母是在A節點的所有鄰居節點中求和，所述的鄰居節點為節點B、 C、 D、 E、 F。網絡中所有的節點都平行的按照公式所列的概率向其鄰居節點發送信息包。圖6為本發明與不采用本發明的局部路由方法的網絡容量對比仿真圖。橫軸代表網絡規模N，縱軸代表臨界發送速率&，即網絡容量。《max = l、 "m'n=-l代表采用本發明提出的自適應變化擇優因子的局部路由方法；l，a = 0，" = l代表不釆用本發明提出的機制，維持擇優因子為一個固定值的局部路由方法。兩種局部路由方法的網絡總節點數N^1000，發送能力C-IO ，網絡內最小連接度、,n-5。可以看到與不采用本發明提出機制的局部路由方法相比，本發明的局部路由方法得到的網絡容量曲線明顯高于普通的局部路由方法得到的網絡容量曲線，網絡容量曲線中&接近60，明顯高于其它三條曲線，可見應用本發明提供的局部路由方法可以大大提高網絡容量。圖7為采用本發明不同參數對應的網絡臨界產生速率的仿真結果圖。曲線(a) C=10，網絡總節點數N-1000，最小度^^5，^C/^^2;曲線(b) C=10，網絡總節點數N-IOOOO，最小度U-5， s = C/、m=2;曲線(c)C-lO，網絡總節點數N-IOOO,最小度^n-8， f二C/、^-1.25。曲線(d)C-5，網絡總節點數N-IOOO，最小度A咖-5， s = C/、in=l。圖7反映了在本發明提出的局部路由方法下，不同網絡總節點數W ，不同的可調參數s對臨界產生速率的影響。可以看到，在各種條件下網絡容量均在f達到C/、,n后不再增長。這說明本發明的臨界閾值的系數s選擇是可以使網絡容量最大化的。從圖7中的曲線(a) (b)可以看到，網絡規模的擴大對于本發明的最大網絡容量影響很小。因為整個網絡Scale-Free的度分布冪律連接的特性不因規，莫擴大而產生變化，在不改變最小連接度的前提下節點平均連接度保持不變，而局部路由方法每個節點都只在自己的鄰居節點中執行搜索，所以網絡總節點數變化對本地搜索的臨界發送速率影響非常小。而從曲線(c)可以看到提高最小連接度可以有效地提高網絡容量，這是因為最小連接度的提高意味著在總節點數目不變的情況下連接的總邊數大大增加，執行局部路由方法時有更多的鄰居節點可供選擇，使得信息包更容易達到目的地。從曲線(d)可以看到,當節點發送能力C由其他曲線的10 變為此曲線的5后，臨界發送速率Rc減少很多，所以節點發送能力C的變化會極大影響臨界發送速率。
權利要求
1. 一種Scale-Free網絡上的自適應局部路由方法，其特征在于步驟一、Scale-Free網絡內業務的生成；在業務流產生的一個時步內，(a)網絡內會隨機生成一個信息包，然后為該信息包在整個網絡內隨機選定產生節點；(b)然后再在整個網絡內隨機選定目標節點；(c)判斷該信息包的目標節點與產生節點是否重合，如果重合則回到步驟(b)重新隨機選取目標節點，否則進入(d)；(d)將具有產生節點和目標節點的信息包壓入產生節點的緩存隊列中，所述的緩存隊列采用先入先出原則；(e)重復步驟(a)～(d)，直到產生的信息包數量已經達到設定的R個，則結束此時步的業務生成過程；步驟二、為每個節點設計臨界閾值qic；設定節點的臨界閾值qic正比于其節點的連接度ki，即qic＝ε·ki，其中<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><mi>ϵ</mi><mo>=</mo><mfrac> <mi>C</mi> <msub><mi>k</mi><mi>min</mi> </msub></mfrac><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu>C為節點發送能力，kmin為網絡最小連接度，ki為節點i的連接度；步驟三、節點根據其鄰居節點的負載量與臨界閾值的大小關系，計算其鄰居節點的擇優因子；每個發送節點S首先獲取其所有鄰居節點i的負載量qi及臨界閾值qic，其中i≠S；并比較發送節點S與其鄰居節點i的當前負載量qi與臨界閾值qic的大小關系，并計算更新該鄰居節點i的擇優因子αold如果其鄰居節點i的qi＜qic，并且αold＝αmax，則取αnew＝αold；如果αold＜αmax，則取αnew＝αold+Δα；如果其鄰居節點i的qi≥qic，并且αold＝αmin，則取αnew＝αold；如果αold＞αmin，則取αnew＝αold-Δα；一般取Δα為αmax的二十分之一；步驟四、節點根據擇優因子αnew計算轉發概率，各個節點根據轉發概率同步發送信息包；轉發概率∏i為<math-cwu><![CDATA[<math> <mrow><msub> <mi>Π</mi> <mi>i</mi></msub><mo>=</mo><mfrac> <msubsup><mi>k</mi><mi>i</mi><mrow> <msub><mi>α</mi><mi>new</mi> </msub> <mrow><mo>(</mo><mi>i</mi><mo>)</mo> </mrow></mrow> </msubsup> <mrow><munder> <mi>Σ</mi> <mi>j</mi></munder><msubsup> <mi>k</mi> <mi>j</mi> <mrow><msub> <mi>α</mi> <mi>new</mi></msub><mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo></mrow> </mrow></msubsup> </mrow></mfrac><mo>,</mo> </mrow></math>]]></math-cwu>其中ki是鄰居節點i的連接度，αnew(i)是計算更新后的鄰居節點i的擇優因子，發送節點根據轉發概率∏i向其鄰居節點同步發送信息包。
2、根據權利要求l所述的一種Scale-Free網絡上的自適應局部路由方法，其特征在于步驟一中所述的信息包數量R是測試路由方法性能時作為實驗條件的輸入值。
3、根據權利要求l所述的一種Scale-Free網絡上的自適應局部路由方法，其特征在于步驟四中如果鄰居節點f是當前信息包的上一個發送節點，則取n,o。
全文摘要
本發明公開了一種Scale-Free網絡上的自適應局部路由方法。通過網絡業務的產生；節點臨界閾值的設定；擇優因子的確定；節點根據擇優因子，確定向每個鄰居節點發送信息包的自適應轉發概率并向各個節點同步發送信息包；本發明通過調整信息包轉發概率，可以實現在Scale-Free網絡上實時的根據業務輕重合理分配負載，使得所有節點的發送能力得以充分利用；網絡內所有節點可以同步達到飽和，可以提高擁塞時的臨界發送速率R<sub>c</sub>，提高網絡容量。
文檔編號H04L12/46GK101267400SQ20081010494
公開日2008年9月17日申請日期2008年4月25日優先權日2008年4月25日
發明者鋒劉, 楨徐, 寒趙申請人:北京航空航天大學

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