专利名称：网络交通流模型的建模方法
技术领域：
本发明属于系统科学领域，尤其涉及 一 种网络信,l流交通系统。
背景技术：
近年来，以因特网(Internet)为代表的信息技术的迅猛发展使人类社 会迈入了网络时代。从Internet到WWW，从大型电力网络到全球交通网络， 从生物体中的大脑到各种新陈代谢网络，从科研合作网络到社会关系网络， 这些人们身边无处不在复杂系统都已成为科学研究中的热点。1998年，美 国康奈尔大学理论和应用力学系的博士生Watts及其导师Strogatz在Nature 杂志上发表文章，提出并建立了一个小世界网络模型；1999年，美国圣母 大学物理系的Barabdsi教授及其博士生Albert建立了著名的无标度网络。 这两个奠定性的工作开创了一个十分引人注目的新兴研究领域——复杂网 络——的研究热潮。
现代生活中，具有无标度特征的大的通讯网络如互联网在人们的生活 中占据越来越重要的位置。因此，复杂网络上的各种动力学过程，例如信 息流的交通动力学问题，越来越受到研究者的关注。为了满足人们对网络 通讯能力不断增长的需求，寻找好的路由策略成为了亟需解决的问题。现 在已有大量工作研究了网络上信息流的交通拥堵问题，并且提出了很多较 优的路由策略，如局域路由协议、有效路由协议等。但以往的工作在为无 标度网络上信息流交通动力学设计路由时，大多都是从均衡结点负载来提 高交通路由的效率。这些工作都忽略了信息包生命周期的限制，因此会造 成一些路由策略无效的环路过程，导致网络的阻塞状态。
发明内容
本发明的目的旨在至少解决现有技术中的上述问题之一 。
4为此，本发明的实施例提出 一种所建模型更加符合真实网络的网络交 通流模型的建模方法。
根据本发明的一个方面，本发明实施例的网络交通流模型的建模方法，
包括以下步骤生成一个底层网络；每个时间步在所述底层网络中新增设
置有生命周期的信息包；在信息包被传输到邻域中对应结点时将信息包的
生命周期进行递减；将生命周期为零的信息包从所述网络中退出。 根据本发明进一步的实施例，所述网络为无标度网络。 根据本发明进一步的实施例，在所述邻域结点为目的结点时将信息包
从所述网络中退出。
才艮据本发明进一步的实施例，在所述邻域结点为非目的结点时依照以
下公式表示的优先概率传输信息包f],=^，2A。
其中i、 j表示所述邻域内结点的编号，^表示所述邻域中第f结点的连 接度，、表示所述邻域中第7'结点的连接度，"为可调参数。
本发明建立的模型结合了真实网络中的实际情况，对信息包附加了生 命周期的限制。考虑了信息包生命周期的限制以后，可以避免一些路由策 略无效的环路过程，消除了网络的阻塞状态。本发明的信息交通动力学模 型的建模方法考虑信息包生命周期，所得到的网络模型更加符合真实网络， 能够较好地反映真实系统的属性。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面 的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
本发明的上述和/或附加的方面和优点下面结合附图对实施例的描
述中将变得明显和容易理解，其中
图1为本发明实施例的网络交通流模型的建模方法流程图2为本发明实施例的底层网络演化步骤流程图3(a)到图3(d)为本发明不同实施例的网络模型的序参量-信息包产生 速率关系示意图；图4为本发明在不同生命周期下所建网络模型中信息包平均数-连接度
关系示意图5为本发明在不同生命周期下所建网络模型的信息包平均传输时间
示意图。
具体实施例方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其 中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功 能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发 明，而不能解释为对本发明的限制。
现在参考图1,该图显示了本发明实施例的网络交通流模型的建模方 法流程。
首先，生成一个底层网络(步骤102)，例如无标度网络(BA网络)。 关于BA网络的演化步骤的实施例可以参考图2,例如生成一个网络大小 # = 1000、每步增长的边数^ =气=5的BA (Barabdsi-Albert)网络。
如图2所示，首先生成一个具有气个结点的全连通网络(步骤202)。 每个时间步，产生一个具有m条边的新结点,(步骤204)。在该实施例中， 可以按照以优先概率
选择m个结点与新结点i连边(步骤206),从而将这个新结点连接 到m个不同的已经存在于当前网络系统中的结点上。在上述优先概率公式
中，^是网络中第Z已有结点的连接度，、表示网络中第y已有结点的连接 度，i、 j表示网络中已有结点的编号，求和符号表示对网络系统中所有已 存在的结点求和。
然后，判断当前网络中结点数是否达到指定的大小(步骤208 ),若 没有达到预定大小，则重复上述步骤204和步骤206不断地增加新结点， 直到网络中结点个数达到预定的大小iV, BA网络生成结束(步骤210)。
在得到底层BA网络之后，每个时间步在该网络中新增产生R个信息 包，随机地选择R个信息包的产生结点和目的结点，并对信息包设置一个生命周期(LC)(步骤104)。
在每个时间步里，网络中的结点处理自己队列中的信息包(步骤106)。 假设每个时间步里每个结点至多处理C个信息包。
然后，每一结点对其邻域结点执行局域搜索，从邻域中寻找正被处理 信息包的目的结点。即判断目的结点是否在其领域内(步骤108)。若被 处理的信息包的目的结点在搜索范围内，则将信息包直接送达到该目的地， 并且信息包从网络中退出(步骤120)。
若邻域中不存在被处理信息包的目的结点，则可以按照优先概率将 信息包传送到邻域中的一个结点i (步骤110)。优先概率例如以下面公式 表示
其中&表示该结点邻域中第''结点的连接度，~表示邻域中第7'结点的 连接度，"为可调参数，i、 j是邻域内结点的编号，求和符号表示对于搜索 区中的所有邻域结点的求和。从而将信息包传送到其邻域中的第Z结点。
然后，对网络中所有信息包的生命周期进行递减，例如均减一，即 LC二LC-1(步骤112)。接着，检查每个信息包的生命周期大小是否为零(步 骤114)。若IXX),则将该信息包从网络中退出；
否则，可以继续判断是否达到了指定的迭代代数(步骤116)。若终 止条件满足，则结束循环，并得到相应的交通流模拟过程实验数据(步骤 118);否则，返回步骤104，并重复步骤104到步骤116，直至满足预定 的迭代条件。
基于上述步骤102到步骤118从而能够建立一种考虑超时机制的基于 局域路由的信息流交通动力学网络模型，从而本发明能够模拟真实网络交 通并得到相应的网络性能数据。
图3、图4和图5分别给出了对本发明建模方法得到的网络交通流模 型不同实施例的分析，其对应的网络特性示意图。其中，图3(a)到图3(d) 为本发明不同实施例的网络模型的序参量-信息包产生速率关系示意图；图 4为本发明在不同生命周期下所建网络模型中信息包平均数-连接度关系示
7意图；以及图5为本发明在不同生命周期下所建网络模型的信息包平均传 输时间示意图。
序参量"用来定量地描述网络的状态，它的定义为
及Af ,
这里C表示网络中每个结点的处理能力，即每个时间步里每个结点至 多处理的信息包数量，R表示信息包产生速率，A^=A^ + ")_^W, iVp(0
表示在时刻t网络中的信息包的总数，表示在"的时间范围内网络中 信息包的变化量。当网络没有阻塞，每个时刻新产生的信息包和到达的信 息包的数目大致相等，处于一个平衡状态，Mt0,因此"(W^。当网络 陷入阻塞，网络中的包会随着时间不断增加，从而使"(W)〉0。
由图3(a)到图3(d)可以看到，在没有引入生命周期限制的条件下，即 LC-infmite (无穷)时，随着信息包产生速率R的增大，网络最终都会进 入阻塞状态；而引入生命周期的限制后(例如LC二500 ),不论参数"取何 值("=-2.0、 -1.0、 0还是0.5),也无论信息包产生的速率R如何变化， 序参量"始终为0。这说明在对信息包设置有生命周期后，网络不会进入阻 塞状态，即阻塞状态消除了。
现在参考图4,在该图中横坐标k表示连接度，纵坐标n(k)是网络中所 有连接度为k的结点所负载的信息包的平均值，即度为k的结点的信息包 平均数。如图4所示，通过对网络中结点的平均队列长度，即每个结点处 等待处理的信息包平均数目做统计，从而由每个结点处等待处理的信息包 的进一步统计得到n(k)。
如图所示，在加入生命周期LC的限制后，连接度为k的结点的平均 队列长度n(k)随着生命周期LC的减小而变小，有效地减轻了结点的负载， 从而消除了阻塞。并且，如图所示，在不同的生命周期下，信息包平均数 n(k)与连接度k之间的函数关系基本保持不变。
如图5所示，对到达的信息包的传输时间T做统计。随着LC的减小，
间在网络中逗留的信息包，使得信息包的平均传输时间T缩短。并且，由 于有了生命周期，接收一方就能确定其等待接受的信息包是否已经丢弃，从而及时作出有效反应，发出重传信号或放弃接收。
本发明根据真实网络中的信息包都有生命周期限制这 一 实际情况，提 出了 一种考虑超时机制的基于局域路由的信息交通动力学模型，引入了信
息包生命周期的概念。即，信息包在未达目的地之前不再一直停留在网络 中，生命周期结束时自动从网络中退出。
本发明建立的模型结合了真实网络，尤其是无标度网络中的实际情况， 对信息包附加了生命周期的限制。考虑了信息包生命周期的限制以后，可 以避免一些^^由策略无效的环路过程，消除了网络的阻塞状态。本发明的 信息交通动力学模型的建模方法考虑信息包生命周期，所得到的网络模型 更加符合真实网络，能够较好地反映真实系统的属性。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员 而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例 进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等 同限定。
9
权利要求
1.一种网络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骤生成一个底层网络；每个时间步在所述底层网络中新增设置有生命周期的信息包；在信息包被传输到邻域中对应结点时将信息包的生命周期进行递减；以及将生命周期为零的信息包从所述网络中退出。
2. 如权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述网络为无标度网络。
3. 如权利要求1所述的建模方法，其特征在于，在所述邻域结点为目 的结点时将信息包从所述网络中退出。
4. 如权利要求1所述的建模方法，其特征在于，在所述邻域结点为非 目的结点时依照以下公式表示的优先概率传输信息包其中i、 j表示所述邻域内结点的编号，《表示所述邻域中第^结点的连 接度，、表示所述邻域中第y结点的连接度，"为可调参数。
5. 如权利要求4所述的建模方法，其特征在于，"位于-2~0.5的范围内。
6. 如权利要求1所述的建模方法，其特征在于，所述底层网络的生成 包括以下步-骤生成具有预定数量结点的全连通网络；在所述全连通网络上依次添加新结点并与已有结点进行连接，以得到 所述底层网络。
7. 如权利要求6所述的建模方法，其特征在于，根据以下公式表示的 优先概率，从已有结点中选择预定数量的结点与每个新结点进行连接<formula>formula see original document page 3</formula>其中i、 j表示所述网络中已有结点的编号，A表示所述网络中第？已 有结点的连接度，、表示所述网络中第y已有结点的连接度。
全文摘要
本发明公开了一种网络交通流模型的建模方法，包括以下步骤生成一个底层网络；每个时间步在所述底层网络中新增设置有生命周期的信息包；在信息包被传输到邻域中对应结点时将信息包的生命周期进行递减；将生命周期为零的信息包从所述网络中退出。本发明所建模型能够消除网络阻塞，更加符合真实的网络。
文档编号H04L29/06GK101651686SQ20091016906
公开日2010年2月17日 申请日期2009年9月17日 优先权日2009年9月17日
发明者曹先彬, 杜文博, 许言午, 陈才龙 申请人:中国科学技术大学