专利名称：一种新型网络的设计方法
技术领域：
本发明涉及对人们生活、学习、工作等有重要影响的网络同步通讯的设计方法。
2.
背景技术：
人们通常一提到网络通讯就会想到由多个主机互联，实现计算机和计算机之间的通信， 也同时会想到与我们工作、生活、学习密切相关、几乎覆盖了整个世界范围，集新闻、通信、 娱乐、资源共享于一体，当今世界上最大的计算机网络——Internet。其实不然，所谓的网 络是由节点和连线组成，这里节点和连线是广义的，其中节点表示的是系统的元素，两节点 的连线表示元素之间的相互作用。尽管定义看似简单，但是网络却能够呈现高度的复杂性。 自从1998年6月和1999年10月在国际知名杂志A^t/re和scie/7ce上发表的两篇文章《"小世界"
网络的群体动力行为》和《随机网络中的标度的涌现》，标志着网络的研究进入了一个新时代。 通过大量的数据、信息、资料显示我们通常熟悉的鼎W、 Internet、社会关系网络、经济网 络、电力网络、交通网络、通讯网络、合作网络、疾病传播网络、神经网络等等，都具有一 种称为是无标度的特性。而正是网络的这种小世界和无标度的特性能够充分解释网络信息传 递的拥塞，疾病传播迅速，电力中断导致重大灾害等社会现象。这里我们尤其关注的是如何 增加具有小世界特性的/F5网络和具有无标度特性的朋网络的信息通讯快捷，尽量避免拥塞现
象出现的问题。
网络是由节点组成，网络信息的传播主要体现在节点的连接方式上，通过节点不断的连 接继而形成网络。研究人员称节点之间的连接为Laplacian矩阵，在我们的研究中，我们简写 为丄。 一个重要的发现就是矩阵A的最大与最小特征值比，就可以代表网络的同步通讯的能力， 即特征值比越小就代表网络同步通讯的能力就越强。描述一个网络结构有几个基本概念平 均路径长度、据类系数、最大介数和度分布。现有的研究显示小世界网络和无标度网络比规 则格子容易同步信息传递得多。因此，人们普遍认为小的特征路径长度(用平均路径长度表 示)有利于提高网络的信息传递。然而，有的研究指出网络的同步通讯能力，在网络的节点 度分布变得不均匀时，可能会受到抑制，即便同时网络的特征路径长度变小。而均匀的度分 布则预示着更强的同步通讯能力。研究人员研究了几种网络结构因素，包括平均距离、度的 均匀性和介数对于(一种小世界网络的常用模型)网络的同步通讯能力的影响。研究认为 网络的最大介数(maximal betweenness)是表征网络同步通讯能力的合适的量。在网络研究中，网络程长的概念，被用来描述网络中的边的不同性连接两个节点i和J'OV力的边2U 的程长，为了说明我们的技术方法，我们用A'J表示为是将边^7去掉后，节点i与J之间的最 短距离。根据上述，程长与网络中的环长密切相关程长/ 力为边J力所在的最小环的环长减l。 通过对网络连边进行基于程长大小的攻击(可以导致网络的中断或瘫痪等现象)发现，与度 分布相对均匀的r祸tl^ 随机网络的性质不同，在无标度网络中，是短程边而不是长程边对于 网络的短的特征路径长度起到更重要的作用。研究针对于几种网络，包括随机图、小世界和 无标度网络使用重连边的方法以实现同步通讯能力最优的网络。研究发现，不论初始网络结 构如何，得到的最优网络，由于其结构的特点称为是交织网络(entangled network)具有一 种共同的结构特性网络中的小环消失了，即在最优网络中，环长的分布变得狹窄，而具有 大的平均值。
上述结果自然地会引起关于网络程长的一些问题。网络的同步通讯能力对于网络程长有 怎样的依赖关系？在不同类型的网络中，网络程长对于同步通讯能力是否会有不同的影响？ 网络程长与网络的其他结构参数之间又会有怎样的关系？会不会通过改变程长可以提高网络 通讯能力，减轻网络信息通讯的拥塞？为了解决上述的几个问题，我们在常用的^5网络与朋 网络中，研究网络的平均程长与平均路径长度、最大介数、以及网络的同步能力通讯之间的 关系，并且通过我们设计的新方法，有效的改善了网络信息通讯的能力。 3.
发明内容
为了克服现有网络通讯能力的不足，我们设计了一种新型的网络，通过改进网络程长的 连接方式，不仅可以提高网络的通讯能力，而且也能够加强网络的同步能力，即可以很好的 进行网络资源的管理和分配。
为达到上述目的所采用的技术方案是根据/f5网络与朋网络所具有的特性及网络的平均 程长与平均路径长度、最大介数、以及网络的同步通讯能力之间的关系，主要通过计算机对 网络中每个节点进行随机挑选，满足对不同网络类型程长变大或縮小的要求之后，将随即改 变节点与节点之间的连接，也就是说网络中节点的连接不再是固定的，而是要根据不同的网
络类型随着程长变大或缩小的要求而随之改变。通过产生多种类型的^5网络与朋网络，进行 反复实验，我们可以得到这样的结论，即对于具有小世界特性的/T5网络与具有无标度特性的 朋网络均可以通过增加或减少网络的程长或是平均程长来增加网络的同步通讯快捷的能力， 从而达到网络优化的目的。
本网络改进技术的有益效果是，可以适用于多种具有小世界和无标度网络类型，如WWW、 Internet、经济网络、电力网络、交通网络、通讯网络、疾病传播网络、神经网络等。通过
4改善网络的通讯的环境，使得我们生活、工作、学习、与人联系、接触都更加方便快捷。
4.
图1是M网络中平均程长f与A胞间的关系。
图2是/F调络中平均程长/ 与〃1 =义2之间的关系。
图3是/T5网络中平均程长^与y92 = 4/^之间的关。
图4是F5网络中平均程长/ 与程长分布Z^之间的关系。 图5是/f5网络中平均程长y 与平均距离乙之间的关系。 图6是;f5网络中平均程长/ 与最大介数^ffax之间的关系。 图7是朋网络中平均程长7 与AA^间的关系。
图8是朋网络中平均程长W与y91 =义2间的关系。
图9是创网络中平均程长W与/ 2 = 474之间的关系。
图10是W网络中平均程长/ 与程长分布"r之间的关系。 图11是W网络中平均程长/ 与平均距离Z之间的关系。 图12是创网络中平均程长7 与最大介数i^3;f之间的关系。
5.
具体实施例方式
利用我们的设计方法针对具有小世界特性的^5网络进行实验。在图1一图6中IF5网络结点 个数为200，平均度为4，度分布的标准方差分别是0.2， 0.5和0.7。六个图中，下三角、方形 和圆形分别代表标准方差是0.2， 0.5和0.7的三种情况。这里，不同的度分布是通过调整重连 概率p实现的。图中所有数据是20组数据的平均值。由图1可见，当平均程长嫂化时，耦合矩 阵Z的最大特征值;iA!H]改变很小。而度分布的标准方差对;iA^值的影响更大标准方差的值
越小(即网络度分布越均匀)，义vV也越小。但是，当我们考虑义2，耦合矩阵￡的第二小特征
值时，情况大不相同。图2显示，对比两个参数y 与标准方差，义2对于前者更为敏感。当平均
程长必曾大时，-1=义2也随之增大，对于无界同步化区域的网络，意味着网络的同步通讯
能力在增强。W5网络中，特征值比4/;^对于网络平均程长的依赖性显示在图3中。可见，当
平均程长赠大时，=4/义2在减小，对于有界同步化区域的网络，意味着网络的同步通
讯能力在增强。因此，对于/F5网络，无论网络的同步化区域有界或无界，增大网络的平均程 长有利于提高网络通讯的同步能力。图4显示在/f5网络中，当平均程长赠大时，程长分布i r (网络程长的标准方差)主要是在下降，即从程长的角度而言，网络在变得更均匀。 图2 —图4显示，对KS网络，窄的程长分布同时又有大的平均程长将意味着更强的同步能。
由图5可见，在IT綱络中，当平均程长M曾大时，平均距离￡在下降。图5显示尽管节点程 长Wj与节点距离。7之间存在关系，在网络的研究中，有必要将二者分别进行讨论，因为二 者可以有着相反的变化趋势。图6显示，在M网络中，当平均程长必曾大时，最大介数说诏x在 下降。考虑到网络同步通讯能力的变化，图5与以往的研究结果一致，说明小的特征距离有利 于提高网络通讯的同步能力；图6说明在/T5网络中小的最大介数意味着强的同步通讯能力。这 样我们可以得到，通过对,5网络增加程长的连接技术可以增加网络的同步通讯快捷的能力。
图7 —图12显示的是利用我们的设计方法针对具有无标度^4网络的实验结果。网络结点个 数为#=200，初始节点个数为/ =2，度分布的标准方差分别是15， 20和25。六个图中，下三 角、方形和圆形仍然分别代表标准方差15， 20和25的三种情况。图中所有数据是20组数据的 平均值。图7显示的结果与图1类似网络平均程长依寸，AAW影响很小，度分布的标准方差对 L柳影响较大，且标准方差的值越小，贝IJA顺值越小。但是，图8与图2显示了相反的结果。
在朋网络中，当平均程长M曾大时，pi-义2的值在变小，这对于具有无界同步化区域的网络
而言，意味着网络的同步通讯能力在降低。做为图7与图8的结果，在别网络中，当平均程长y
增大时，特征值比"2=、,/义2的值在增大，对于有界同步化区域的网络，意味着网络的同步
通讯能力在降低。因此，与F5坷络的结果相反，对于别网络，无论网络的同步化区域有界或 无界，增大网络的平均程长不利于提高网络的同步通讯的能力。
图10显示，在别网络中，当平均程长对曾大时，程长分布Z^(网络程长的标准方差)也在 增大，即从程长的角度而言，网络在变得不均匀，这一结果与图4所示的/^^络中的结果是相 反的。图8—图10显示，对朋网络，窄的程长分布同时又有小的平均程长将意味着更强的同步 能力。关于这一点，我们认为，在对网络的优化处理过程中，由于并不保持网络原有的度序 列，从而降低了5J网络度分布的不均匀性，使得朋网络与/F5网络等得到了类似得结果。图ll 一图12显示，在创网络中，当平均程长赠大时，平均距离A在上升，而最大介数fe诏义在下降。 图5和图11肯定了一般共识，即不论是/F5网络还是朋网络，短的特征路径长度有利于提高网络 的同歩通讯的能力。然而，对于A4网络，图12的结果与其他研究结果不一致， 一些研究认为， 对于/ 3网络和^4网络，都有小的最大介数^^;r意味着更强的网络同步能力。而关于最大介数 ^ ax的研究， 一些研究也提出了一些反例。通过我们的设计和实验证明，能够得到这样的结 论，即对于具有无标度特性的^网络均可以通过减少网络的程长或是平均程长来增加网络的同步通讯快捷的能力，从而达到网络优化的目的。这里我们需要再次说明，对应不同的网络 类型，我们的网络改变程长重连边技术是不同的。
在研究了网络的平均程长与网络程长分布、平均距离以及最大介数的关系问题之后，我 们发现，网络平均程长在F5网络和别网络中起的作用是不同的。在/f5网络中，无论网络的同 步区域是否有界，大的网络平均程长意味着更强的同步通讯能力。而在^4网络中则相反，无 论网络的同步区域是否有界，小的网络平均程长意味着更强的同步通讯能力。两种网络中， 平均程长与程长分布、平均距离以及最大介数的关系也是不同的。在/T5网络中，当平均程长 增大时，程长分布变窄，平均距离变小，网络的最大介数也变小，这些结果都和朋网络中的 结果相反。此外，文章的结果显示，对于/f5网络和别网络都有小的平均距离有利于提高网络 同步能力；而最大介数在两种网络中与网络同步通讯能力的关系则是不同的。
权利要求
1、一种新型网络的设计方法，其特征在于根据WS网络与BA网络所具有的特性及网络的平均程长与平均路径长度、最大介数、以及网络的同步通讯能力之间的关系，通过计算机对网络中每个节点进行随机挑选，满足对不同网络类型程长变大或缩小的要求之后，将随即改变节点与节点之间的连接，即网络中节点的连接不再是固定的，而是要根据不同的网络类型随着程长变大或缩小的要求而随之改变。
全文摘要
为了克服现有网络通讯能力的不足，设计了一种新型的网络，根据WS网络与BA网络所具有的特性及网络的平均程长与平均路径长度、最大介数、以及网络的同步通讯能力之间的关系，主要通过计算机对网络中每个节点进行随机挑选，满足对不同网络类型程长变大或缩小的要求之后，将随即改变节点与节点之间的连接，也就是说网络中节点的连接不再是固定的，而是要根据不同的网络类型随着程长变大或缩小的要求而随之改变。通过改进网络程长的连接方式，不仅可以提高网络的通讯能力，而且也能够加强网络的同步能力，即可以很好的进行网络资源的管理和分配。
文档编号H04L12/56GK101552718SQ20081008883
公开日2009年10月7日 申请日期2008年4月1日 优先权日2008年4月1日
发明者超 刘, 嵘 李, 段志生 申请人:刘 超;段志生;李 嵘