专利名称：一种泛化最小信息路径的路由方法
技术领域：
本发明涉及复杂网络路由领域，尤其是在WWW网、因特网、城市交通网等对传输性能要求较高的大规模网络路由策略设计领域。
背景技术：
现实世界网络所蕴含的小世界效应、无标度特性、拓扑分形特征以及社团化结构等基本属性改变了人们以往基于规则网络和随机网络对复杂网络所建立的认识。复杂网络理论作为复杂系统与复杂性科学研究的重要分支，其目标在于揭示蕴涵于现实实体关系中的普遍规律，并探索其在科学技术领域中的应用。近年来，随着WWW网、因特网、城市交通网等诸多大规模复杂网络的相继出现，现代社会对网络的依赖性不断增强。如何提高现实网络的传输性能，实现负载的高效传递则成为一个重要的研究领域。研究表明，尽管现实世界网络存在多种多样的形式，但均可以将其简化为节点以及节点间连接关系的集合，因此研究复杂网络最佳路由问题无疑具有极大的理论意义与实用价值。目前，一般可以通过两个方面提高网络传输能力，S卩优化网络的拓扑结构和设计最佳路由策略。由于更改已知网络的拓扑结构比较困难且开销较大，因此更多的研究主要集中于寻找合适的路由策略方面。其中，最短路径路由策略(简写为SR)是应用最为广泛的全局路由策略，并已成为目前Internet主要路由方法。对该策略下的网络阻塞发生条件进行了研究，发现无标度网络节点度的异构性导致节点介数的强异构性，使得阻塞易发生在该部分高介数节点上。进一步则出现了局域信息路由策略(简写为LR):数据包根据各
个邻居节点的局部信息以j;的概率随机选择一步路由策略。在节点处理能力相同的情况下，理论推导出当a =-I时，网络的负载分布最为均匀，整体传输能力达到最大。与此同时，有研究工作提出有效路由策略(简写为ER)。已知源节点i和目标节点j，该路由策略通过最小化代价函数-.Pv = min选择路由路径Pijt5同样在节点处理能力相同的情况下，发现当P = I时，该策略有效的把网络负载从核心节点转移到边缘节点，较多的利用了网络中度较小的节点，在传输平均路径长度仍符合小世界网络特性的基础上，相比于最短路径法将网络的传输能力提高了十倍以上。最短路径路由策略、局域信息路由策略以及有效路由策略构成了目前复杂网络路由问题研究中最基本的三类路由策略。围绕这三类基础路由策略，为进一步调高网络传输能力，各类改进算法相继提出。其中一类方法采用诸如节点队列长度信息、节点信息素等其他动态信息替换基础路由策略中节点度的信息；另一类方法则根据邻居节点度、队列长度、全局拓扑结构和邻居节点排队等待时间等网络中各类静态或动态信息自适应调整路由策略；此外，还有一类方法通过极值优化方法迭获得最优路由策略，例如通过更改网络中边的权值以降低网络中最大介数值的最优路由优化策略，以及规避网络中最大介数节点以找 到次最短路径的路由策略等。最近，我们在对随机行走过程的研究中发现单个粒子通过某条特定路径的时间正比于该路径上所有节点度的连乘积。该结果揭示了网络传输路径与节点度之间的内在联系。在此基础上，我们提出一类基于随机行走机制的优化路由策略(简写为OR)。该策略以节点度连乘积最小化为原则，研究表明，在路由策略下，网络中的负载分布与节点的度呈正t匕。当网络各个节点处理能力正比于节点度时，较之于最短路径路由策略和有效路由策略，该策略在平均路径长度上基本接近于最短路径的前提下，可以充分发挥各个节点的处理能力，最大限度地提高网络的承载能力，从而使得网络具有较高传输容量的同时拥有较短的负载传递时间。
发明内容
本发明的所要解决的技术问题是提供一种泛化最小信息路径路由算法，在保证较小的路径延展前提下，可以使网络的传输能力获得较大幅度提升。本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案
一种泛化最小信息路径的路由方法，包括如下步骤步骤A，设V为网络节点集，网络规模为N，deg为网络邻接矩阵，若边<Vi，Vj>存在,则deg[i, j]等于节点Vj的度kj,反之为;其中Vp Vj分别代表网络节点；步骤B,设 D 初始值为空,令 pdt[i] = (Ln(kn)) a+deg[n, i], Vi G V-IvJ ;其中 a=I. 8,、表示节点vn的数据包传送的选择次数，D表示已经找到的以节点Vn为原点的路由路径的终点集，pdt[i]表示节点Vn到节点Vi路由路径上节点度对数的指数之和，n表示从节点i到节点j之间的路径中除去源节点和目标节点之外的所有节点，且n古i ；步骤C,选择节点Vj,使得pdt[j] = min{pdt[i] I Vi G V-D-{vn}},令D = D U {v」}；步骤D,对于V-D-{vJ中任意项点vk,如果pdt[j]+deg[j, k] <pdt[k],则修改pdt[k] = pdt[j]+deg[j, k]；步骤E，将步骤C-步骤D重复N-I次，得到从节点Vn到其余各点的路由路径；步骤F，选取不同源点vn，将步骤B-步骤E重复N次，得到网络中任意节点之间的路由路径。本发明采用上述技术方案具有如下有益效果I.本发明所提出的优化路由该策略可以充分发挥各个节点的处理能力，最大限度地提高网络的承载能力，从而使得网络具有较高传输容量的同时拥有较短的负载传递时间。2.当网络负载呈均匀分布时，本发明所提出的泛化路由策略，较之于最短路径路由策略和有效路由策略，该策略在平均路径长度上基本接近于最短路径的前提下，可以充分发挥各个节点的处理能力，最大限度地提高网络的承载能力，从而使得网络具有较高传输容量的同时拥有较短的负载传递时间。综上所述，本发明以基于随机行走机制的优化路由策略为基础，同样以节点度连乘积最小化为原则，通过调节可变参数，建立节点处理能力均匀分布的情况下最佳路由策略(简写为IR)。通过分析比较不同路由策略条件下平均路由介数中心度，网络的临界负载量，平均路径长度以及平均搜索信息量等性能指标，研究结果表明，本改进路由策略在保证网络平均路径长度较少增加前提下，使网络的传输能力获得最大幅度的提升。
图I是不同参数下不同控制参数a条件下，基于式(3)路由规则下平均路由介数中心度与节点度的关系图。图2是BA网络中R。与网络参数a的关系图。图3是BA网络中最大介数中心值与网络规模的关系仿真图。图4是BA网络中临界负载量值与 网络规模的关系仿真图。图5是BA网络中临界负载量值与网络平均度的关系仿真图。图6是网络平均路径长度与网络规模的关系仿真图。图7是BA网络中平均路径长度与网络平均度的关系仿真图。具体实施方案下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述复杂网络路由问题可以通过将搜索信息量S用于衡量在网络中搜寻目标节点的难易程度。假设节点传递数据包时随机选择下一个目标节点，且不会将数据包传递回上一个节点，那么对于节点i与节点j之间的某条路径P(i — j)被搜索到的概率就为P{PQ j)} = J- fl T~T⑴其中，n表示从节点i到节点j之间的路径中除去源节点和目标节点之外的所有
节点，kn-l表示数据包传到节点n点时，由于不回传上一个节点，故只有kn-l个选择。如果
节点i到节点j之间有多条路径可以传递，节点i到节点j的搜索信息量便定义为
( \^0'^ 7') =-Iog2 Yj⑵
J式⑵求和部分是对节点i到节点j之间的所有路径计算的概率求和。假设两节点之间有且仅有一条路径可以传递信息，s a — j)值越小说明从节点i到节点j之间需要作出的选择越少，即节点j也就更易被发现。因此可以得到生成整个网络的路由表所需要的平均信息量，即平均搜索信息量Sme =J^YjYjSiI ^J)(3)其中N为网络规模，故网络路由表中总共有N(N-I)条路径。显然S■值越小，表明搜索网络中的全部节点所需要的信息量越小，路由策略的传输效率越高。式⑴表明节点被搜索到的概率是与搜索路径中节点度的连乘积相关，我们从网络随机行走发现特定路径的首达时间角度给出了平均搜索信息量的理论基础，并以此为基础形成泛化最小信息路径路由算法。针对简单连通网络G(V，E)，其中|V| =n为网络中节点个数，Ie I = m为网络中边的个数，网络邻接矩阵为A = (Bij)nxn,转移概率为P = DA,考虑随机行走发现长度为I的路径R (u — V)问题,其中u = e 0, V = e p e i e i+1(0彡i彡1-1)为属于集合E的边。设粒子行走t步的轨迹为W(t) = O Q O J O t ( O i G V，0彡i彡t),可获得平均首达时间= f(t)
t=o
权利要求
1. 一种泛化最小信息路径的路由方法，其特征在于，包括如下步骤 步骤A，设V为网络节点集，网络规模为N，deg为网络邻接矩阵，若边<Vi，Vj>存在，则deg[i, j]等于节点Vj的度kj,反之为;其中Vp Vj分别代表网络节点； 步骤 B,设 D 初始值为空,令 pdt[i] = (Ln(kn)) a+deg[n, i], Vi e V-{vj ;其中 a =I.8,kn表示节点vn的数据包传送的选择次数,D表示已经找到的以节点Vn为原点的路由路径的终点集，pdt[i]表示节点Vn到节点Vi路由路径上节点度对数的指数之和，η表示从节点i到节点j之间的路径中除去源节点和目标节点之外的所有节点，且ηデi ； 步骤 C,选择节点 Vj,使得 pdt[j] = min{pdt[i] Vi e V-D-{vj },令 D = DU {v」}；步骤D,对于V-D-{vn}中任意项点丫15，如果ロ(11:[」]+(16区[_]_,10 < pdt[k],则修改pdt[k]=pdt[j]+deg[j, k]； 步骤E，将步骤C-步骤D重复N-I次，得到从节点Vn到其余各点的路由路径； 步骤F，选取不同源点vn，将步骤B-步骤E重复N次，得到网络中任意节点之间的路由路径。
全文摘要
本发明提供一种泛化最小信息路径的路由方法，涉及复杂网络路由领域；本发明根据迪杰斯特拉(Dijkstra)最短路径算法基础上，形成泛化最小信息路径路由算法，当网络参数α＝1.8时，网络传输能力最强，采用作为节点处理能力均匀分布的情况下最优路由策略。本发明所提出的优化路由该策略可以充分发挥各个节点的处理能力，最大限度地提高网络的承载能力，从而使得网络具有较高传输容量的同时拥有较短的负载传递时间。
文档编号H04L12/56GK102684981SQ20111006144
公开日2012年9月19日 申请日期2011年3月15日 优先权日2011年3月15日
发明者叶小松, 吴振飞, 周思源, 王开, 裴文江, 邢鸣, 郑建勇 申请人:东南大学, 江苏镇安电力设备有限公司