专利名称：基于gshlpn的网络数据传输建模及性能分析方法
技术领域：
本发明属于互联网中的网络分析和网络管理控制领域，具体涉及一种基于GSHLPN的网络数据传输建模及性能分析方法。
背景技术：
计算机网络的应用已遍及到社会的各个领域，成为国家发展和社会进步的基本需求。在计算机网络的设计、部署和应用的过程中，需要根据目标网络的拓扑结构、设备能力以及运行负载，分析网络数据传输的性能，根据分析的结果，优化系统的设计。现有的网络系统在性能分析过程中，主要有根据经验估计方法，搭建原型系统实验的方法，以及数值仿真实验的方法。根据经验设计准确性低、可靠性差；搭建原型系统消耗大，准备时间长；现有的数值仿真系统或价格昂贵(如网络仿真技术软件包0ΡΝΕΤ)、或使用非常难以掌握(如网络模拟平台NS2)。Petri网是对离散并行系统的数学表示，适合于描述异步的、并发的计算机系统模型。Petri网既有严格的数学表述方式，也有直观的图形表达方式。随机Petri网SPN、随机高级Petri网SHLPN、广义随机Petri网GSPN等相关Petri网理论的发展进一步增强了Petri网的描述和分析能力。广义随机高级Petri网GSHLPN在一般Petri网的基础上，引入了变迁的随机特性和标识的颜色特性，变迁的随机特性可用于表达网络数据传输的随机特性，标识的颜色特性可用于区分不同的负载数据。另外，GSHLPN还引入了瞬时变迁和禁止弧，进一步增强了其描述能力。因此GSHLPN可以应用到计算机网络数据传输的建模与分析中。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于GSHLPN的网络数据传输建模及性能分析方法，可以建立起基于GSHLPN的计算机网络数据传输模型，解算建立的GSHLPN模型，根据解算结果得到网络数据传输性能与系统结构、系统负载之间的关系。为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是基于GSHLPN的网络数据传输建模方法，首先，在进行建模之前，获取目标网络状态；将网络中的节点分为终端节点和交换节点，目标网络状态包含网络拓扑；交换节点的路由选择能力、接收转发能力；负载数据包的包长特性和数据包发送间隔特性；每一个负载流从数据源到数据目标的全程链路；其次，进行基于GSHLPN的网络数据传输建模，包括网络终端节点的GSHLPN建模和网络交换节点的GSHLPN建模；所述网络终端节点的GSHLPN建模包括开环模型建模和闭环模型建模，开环模型的建模为
对于一个已知的从源终端S到目标终端T的负载流，由一个时间变迁“数据包生产”表达数据包的产生过程，该时间变迁的时间特性为相应的数据包发送时间间隔分布特性，产生的标识颜色为s-τ，不同颜色的标识对应不同的负载，具有不同的包长分布特性，该时间变迁产生数据包后将产生的数据包注入到网络中，标识通过网络到达由位置“目标终端”表达的目标节点T后，通过一个立即变迁“数据包消费”将其丢弃；闭环模型的建模为在初始状态下，在源终端位置中放入N个标识，通过变迁“数据包发送”按数据包时间间隔特性送出，目标终端接收到该标识后，再将其传回源终端；所述网络交换节点的GSHLPN建模为每个交换节点的GSHLPN模型包含一个输入子结构和一个输出子结构，输入子结构包含每个交换节点包含一个“等待队列”位置，一个“队长控制器”位置，针对每个流入该节点的负载，有一个“抵达”位置、一个“入队列”变迁、一个“抛弃”变迁，“队长控制器”初始状态中放入L个标识，L为该交换节点存储的数据队列长度；等待队列中每增加一个标识，“队长控制器”中减少一个标识；当“队长控制器”为空时，“入队列，，被禁止，“抵达”中数据包的到来会触发“抛弃”；当输出子结构中的“转发”实施时，“队长控制器”中增加一个标识；输出子结构包含每个交换节点包含一个“转发”变迁，一个“输出队列”位置，针对每个流出该节点负载，有一个“延迟”变迁，时间变迁“转发”表达交换设备的路由选择速率，时间变迁“延迟”表达不同负载的包长特性。其中，所述网络终端节点是指网络中的数据源和数据目标，所述网络交换节点以存储-转发的方式接收-分发数据包。基于上述模型，对网络性能进行分析，方法如下对所述基于GSHLPN的网络数据传输建模进行解算，结果包括每个位置的非空概率、满概率、其中各类标识的平均数量；每个变迁的可实施概率、吞吐量；交换节点的性能指标计算方法，包括交换节点的利用率URi,其值为网络中第i个交换节点对应的GSHLPN模型的“等待队列”的非空概率；交换节点的丢包率LRi,其值为网络中第i个交换节点对应的GSHLPN模型的“等待队列”的满概率；交换节点的吞吐量Thi,其值为网络中第i个交换节点对应的GSHLPN模型的“转发”变迁的吞吐量；交换节点的排队延迟Dei,其值为=ATiZthi,其中ATi网络中第i个交换节点对应的SHLPN模型的“等待队列”的平均标识数，Thi网络中第i个交换节点对应的GSHLPN模型的“转发”变迁的吞吐量；对负载提供的服务性能指标计算方法，包括链路延迟，对给定数据链路，其延迟值为
权利要求
1.基于GSHLPN的网络数据传输建模方法，其特征在于，包括以下步骤首先，在进行建模之前，获取目标网络状态；将网络中的节点分为终端节点和交换节点，目标网络状态包含网络拓扑；交换节点的路由选择能力、接收转发能力；负载数据包的包长特性和数据包发送间隔特性；每一个负载流从数据源到数据目标的全程链路；其次，进行基于GSHLPN的网络数据传输建模，包括网络终端节点的GSHLPN建模和网络交换节点的GSHLPN建模；所述网络终端节点的GSHLPN建模包括开环模型建模和闭环模型建模，开环模型的建模为对于一个已知的从源终端S到目标终端T的负载流，由一个时间变迁“数据包生产”表达数据包的产生过程，该时间变迁的时间特性为相应的数据包发送时间间隔分布特性，产生的标识颜色为S-T，不同颜色的标识对应不同的负载，具有不同的包长分布特性，该时间变迁产生数据包后将产生的数据包注入到网络中，标识通过网络到达由位置“目标终端”表达的目标节点T后，通过一个立即变迁“数据包消费”将其丢弃；闭环模型的建模为在初始状态下，在源终端位置中放入N个标识，通过变迁“数据包发送”按数据包时间间隔特性送出，目标终端接收到该标识后，再将其传回源终端；所述网络交换节点的GSHLPN建模为每个交换节点的GSHLPN模型包含一个输入子结构和一个输出子结构，输入子结构包含每个交换节点包含一个“等待队列”位置，一个“队长控制器”位置，针对每个流入该节点的负载，有一个“抵达”位置、一个“入队列”变迁、一个“抛弃”变迁，“队长控制器”初始状态中放入L个标识，L为该交换节点存储的数据队列长度；等待队列中每增加一个标识，“队长控制器”中减少一个标识；当“队长控制器”为空时，“入队列”被禁止，“抵达”中数据包的到来会触发“抛弃”；当输出子结构中的“转发”实施时，“队长控制器”中增加一个标识；输出子结构包含每个交换节点包含一个“转发”变迁，一个“输出队列”位置，针对每个流出该节点负载，有一个“延迟”变迁，时间变迁“转发”表达交换设备的路由选择速率，时间变迁“延迟”表达不同负载的包长特性。
2.根据权利要求1所述的基于GSHLPN的网络数据传输建模方法，其特征在于，所述网络终端节点是指网络中的数据源和数据目标。
3.根据权利要求1所述的基于GSHLPN的网络数据传输建模方法，其特征在于，所述网 络交换节点以存储-转发的方式接收-分发数据包。
4.根据权利要求1所述基于GSHLPN的网络数据传输建模对网络性能进行分析的方法，其特征在于对所述基于GSHLPN的网络数据传输建模进行解算，结果包括每个位置的非空概率、满概率、其中各类标识的平均数量；每个变迁的可实施概率、吞吐量；交换节点的性能指标计算方法，包括交换节点的利用率URi,其值为网络中第i个交换节点对应的GSHLPN模型的“等待队列”的非空概率；交换节点的丢包率LRi,其值为网络中第i个交换节点对应的GSHLPN模型的“等待队列”的满概率；交换节点的吞吐量Thi,其值为网络中第i个交换节点对应的GSHLPN模型的“转发”变迁的吞吐量；交换节点的排队延迟Dei,其值为=ATiZthi,其中ATi网络中第i个交换节点对应的GSHLPN模型的“等待队列”的平均标识数，Thi网络中第i个交换节点对应的GSHLPN模型的“转发”变迁的吞吐量；对负载提供的服务性能指标计算方法，包括链路延迟，对给定数据链路，其延迟值为
5.根据权利要求4所述对网络性能进行分析的方法，其特征在于，所述解算是指当数据包的生产消费采用开环模型时，用仿真法得到系统运行各项指标；当数据包的生产消费采用闭环模型时，用分析法或仿真法解算得到系统运行各项指标；算出的指标包含每个位置的非空概率、满概率、其中各类标识的平均数量；每个变迁的可实施概率、吞吐量。
6.根据权利要求5所述对网络性能进行分析的方法，其特征在于，当数据包的生产消费采用闭环模型时，预先设定源终端的非空概率值，模型解算后，如果解算结果非空概率值小于预先设定的概率值，则将源终端中的标识数量增加一个，迭代进行建模和解算的过程，直至满足设计要求。
全文摘要
基于GSHLPN的网络数据传输建模及性能分析方法，属于互联网中的网络分析和网络管理控制领域，由“获取目标网络状态”、“构建目标网络的GSHLPN模型”、“解算建立的GSHLPN模型”和“根据GSHLPN模型解算结果计算目标网络的性能参数”四个步骤组成建模与分析过程；将网络终端节点和数据包生产消费映射为一个GSHLPN网子结构；然后将交换节点的等待队长、路由能力、转发能力映射为一个GSHLPN网子结构；再根据解算的GSHLPN网的位置和变迁的状态计算网络交换节点的利用率、丢包率、吞吐量和延迟；最后根据网络交换节点的性能指标和网络拓扑计算网络对指定的负载流所提供的服务的延迟特性、丢包率和网络可用性。
文档编号H04L12/56GK102571423SQ20111044983
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者孔祥震, 林闯, 董扬威, 魏兵 申请人:清华大学