一種綜合拓?fù)鋬?yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)計(jì)一種綜合拓?fù)鋬?yōu)化方法，特別是一種基于節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵度、可信度和加權(quán) 負(fù)載流量的綜合拓?fù)鋬?yōu)化方法，屬于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 近些年來(lái)，拓?fù)鋬?yōu)化在網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用越來(lái)越受到關(guān)注。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化的由來(lái)主要原 因如下：網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)節(jié)點(diǎn)，降低節(jié)點(diǎn)通信時(shí)的能量開(kāi)銷，能夠有效的延長(zhǎng)網(wǎng)絡(luò)生存期，同時(shí) 還能有效的處理由于節(jié)點(diǎn)失效而造成的網(wǎng)絡(luò)擁塞等現(xiàn)象。拓?fù)鋬?yōu)化控制機(jī)制是實(shí)現(xiàn)一個(gè)良 好的網(wǎng)絡(luò)能源效率的基礎(chǔ)，作為路由層協(xié)議和MAC協(xié)議的運(yùn)行平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)滹@然是實(shí)現(xiàn) 網(wǎng)絡(luò)連通性最高的必要條件。因此只有采用合理的拓?fù)鋬?yōu)化機(jī)制適時(shí)調(diào)整節(jié)點(diǎn)的通信功 率，網(wǎng)絡(luò)才能有效地平衡拓?fù)溥B通性、稀疏性、能量特性、干擾特性等方面的關(guān)系，在保證連 通性的基礎(chǔ)上構(gòu)建具有高可靠性、高連通性的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
[0003] 另外，有學(xué)者從網(wǎng)絡(luò)抵御破壞的能力方面探討了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)魯棒性和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征 之間的關(guān)系，即網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點(diǎn)在遭受攻擊后，剩余的節(jié)點(diǎn)間仍能保持連通的能力，剩余節(jié) 點(diǎn)連通性越弱則說(shuō)明該節(jié)點(diǎn)越重要。還有學(xué)者意識(shí)到單用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來(lái)刻畫(huà)節(jié)點(diǎn)重要度是不 足的，網(wǎng)絡(luò)上的流量以及相對(duì)應(yīng)的費(fèi)用也是不可忽視的重要因素，為此提出以流量作為權(quán) 重給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)加權(quán)重的加權(quán)網(wǎng)絡(luò)研究方式來(lái)獲取更多的網(wǎng)絡(luò)信息。很多研究學(xué)者將冗余機(jī) 制作為提高網(wǎng)絡(luò)可靠性的重要手段。主要從節(jié)點(diǎn)度出發(fā)，來(lái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化，對(duì)節(jié)點(diǎn)度 數(shù)比較高的進(jìn)行冗余備份。有些學(xué)者為保證網(wǎng)絡(luò)的可靠數(shù)據(jù)傳輸，提供了一種在節(jié)點(diǎn)突然 失效狀態(tài)下通過(guò)掃描和查找節(jié)點(diǎn)路由表而緊急發(fā)現(xiàn)和建立新的路由通路的機(jī)制。有學(xué)者根 據(jù)無(wú)尺度網(wǎng)絡(luò)中集散節(jié)點(diǎn)的存在與網(wǎng)絡(luò)脆弱性之間的關(guān)系，通過(guò)控制集散節(jié)點(diǎn)的形成并在 一定程度上改變網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，從而可以增強(qiáng)無(wú)尺度網(wǎng)絡(luò)抗協(xié)同攻擊的能力。還有些學(xué) 者中提出了非結(jié)構(gòu)化P2P網(wǎng)絡(luò)下的拓?fù)潢P(guān)鍵點(diǎn)消除算法，也就是將拓?fù)潢P(guān)鍵點(diǎn)轉(zhuǎn)化為一般 節(jié)點(diǎn)。文中對(duì)兩種已有的消除算法（線性連接消除算法和帶弦環(huán)消除算法）進(jìn)行詳細(xì)分析， 并提出一種基于熱點(diǎn)連接的拓?fù)潢P(guān)鍵點(diǎn)消除算法。
[0004] 以上對(duì)節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵評(píng)價(jià)一般只考慮節(jié)點(diǎn)度，并沒(méi)有考慮節(jié)點(diǎn)的其他屬性，而且這 些算法只是單獨(dú)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)運(yùn)行后或者運(yùn)行前進(jìn)行優(yōu)化，沒(méi)有每個(gè)階段都有的全面優(yōu)化設(shè) 置。
[0005] 所以，為了保證應(yīng)用系統(tǒng)的高可用性，構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有良好的彈性，避免 因某個(gè)節(jié)點(diǎn)失效造成系統(tǒng)崩潰和服務(wù)質(zhì)量的明顯下降，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的薄弱環(huán)節(jié)，有針對(duì)性 的加強(qiáng)和優(yōu)化，是維護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的重要手段。網(wǎng)絡(luò)連通性是對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化 的前提，為了確保網(wǎng)絡(luò)中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的相互連通，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目煽啃?、健壯性和抗?性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種綜合拓?fù)鋬?yōu)化方法， 拓?fù)溥\(yùn)行前定量分析網(wǎng)絡(luò)各單元的拓?fù)潢P(guān)鍵度來(lái)選取合適的拓?fù)鋬?yōu)化方法；拓?fù)溥\(yùn)行后， 通過(guò)收集每個(gè)節(jié)點(diǎn)的可信度和加權(quán)負(fù)載流量來(lái)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。解決了當(dāng)前普遍以節(jié)點(diǎn)的度 為基準(zhǔn)的單一化優(yōu)化算法的不足，更好的保障運(yùn)行中的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞目煽啃砸约柏?fù)載均衡， 在運(yùn)行前可以有效的降低各個(gè)節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵程度，在運(yùn)行時(shí)可以從拓?fù)溥\(yùn)行角度處理節(jié)點(diǎn)和 鏈路的突然損壞情況，實(shí)時(shí)有效的避免對(duì)整個(gè)拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)的影響，提高了整個(gè)拓?fù)涞目煽啃?和抗毀性。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種綜合拓?fù)鋬?yōu)化方法，用于對(duì)導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)中的網(wǎng) 絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化，包括以下步驟：
[0008] (1)判讀當(dāng)前系統(tǒng)是否處于運(yùn)行狀態(tài)，若當(dāng)前系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)，則進(jìn)入步驟 ⑷；否則，進(jìn)入步驟⑵；
[0009] ⑵計(jì)算系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵度，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)的灰度關(guān)聯(lián)值；
[0010] (3)判斷步驟（2)計(jì)算的節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵度的方差是否小于預(yù)先設(shè)定的閾值，若小于預(yù) 先設(shè)定的閾值，則進(jìn)入步驟（4);否則，采用環(huán)網(wǎng)等效的方法對(duì)網(wǎng)絡(luò)中關(guān)鍵度最大的節(jié)點(diǎn)進(jìn) 行優(yōu)化，優(yōu)化完成后返回步驟（2);
[0011] (4)判斷是否進(jìn)行系統(tǒng)運(yùn)行后優(yōu)化，若是，則進(jìn)入步驟（5);否則，拓?fù)鋬?yōu)化算法結(jié) 束；
[0012] (5)進(jìn)行基于節(jié)點(diǎn)可信度的拓?fù)鋬?yōu)化，進(jìn)入步驟（6)，同時(shí)進(jìn)行基于加權(quán)負(fù)載流量 的拓?fù)鋬?yōu)化，進(jìn)入步驟（8);
[0013] (6)實(shí)時(shí)計(jì)算各個(gè)節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)之間的可信度，具體由公式：
[0014]
[0015] 給出，其中心為節(jié)點(diǎn)i對(duì)j的可信度，v為節(jié)點(diǎn)i與j之間j通信成功的次數(shù)，f 為節(jié)點(diǎn)i與j之間通信失敗的次數(shù)；
[0016] (7)若某個(gè)節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)之間的可信度小于預(yù)先給定的閾值；則判斷這兩個(gè)節(jié) 點(diǎn)之間是否存在備用路徑，若存在備用路徑，則增加兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的路徑并平衡兩個(gè)節(jié)點(diǎn) 之間的流量；若不存在備用路徑，則無(wú)法對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，結(jié)束優(yōu)化算法；
[0017] 若某個(gè)節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)之間的可信度大于等于預(yù)先給定的閾值，則當(dāng)前節(jié)點(diǎn)無(wú)需 優(yōu)化，返回步驟（6)，重新計(jì)算該節(jié)點(diǎn)與相鄰節(jié)點(diǎn)之間的可信度；
[0018] (8)實(shí)時(shí)計(jì)算各條鏈路的加權(quán)負(fù)載流量F，具體由公式：
[0019]
[0020] 給出，其中η為節(jié)點(diǎn)總數(shù)，為由節(jié)點(diǎn)i流向節(jié)點(diǎn)j的加權(quán)負(fù)載流；
[0021] (9)若某條鏈路的加權(quán)負(fù)載流量大于預(yù)先給定的閾值；則判斷這兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間是 否存在備用路徑，若存在備用路徑，則增加兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的路徑用于平衡兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的 流量，并返回步驟（8)重新計(jì)算加權(quán)負(fù)載流量F;若不存在備用路徑，則無(wú)法對(duì)該節(jié)點(diǎn)進(jìn)行 優(yōu)化，結(jié)束優(yōu)化算法；若某條鏈路的加權(quán)負(fù)載流量小于預(yù)先給定的閾值，則返回步驟（8)重 新計(jì)算加權(quán)負(fù)載流量F。
[0022] 所述計(jì)算系統(tǒng)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵度，即每個(gè)節(jié)點(diǎn)的灰度關(guān)聯(lián)值；具體步驟為：
[0023] (2-1)選定節(jié)點(diǎn)的度，節(jié)點(diǎn)的接近度，節(jié)點(diǎn)的介數(shù)，節(jié)點(diǎn)的核度積和節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)效 率作為節(jié)點(diǎn)關(guān)鍵度的計(jì)算指標(biāo)；
[0024] (2-2)計(jì)算步驟（2-1)選取的各個(gè)指標(biāo)的值；
[0025] (2-3)對(duì)計(jì)算指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理；
[0026] (2-4)計(jì)算出每個(gè)指標(biāo)的權(quán)重；
[0027](2-5)選定每個(gè)指標(biāo)歸一化的理想值b'j，計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的灰度關(guān)聯(lián)值，即為每個(gè) 節(jié)點(diǎn)的關(guān)鍵度。
[0028] 所述節(jié)點(diǎn)j的度Dj為直接與節(jié)點(diǎn)j連接的其他節(jié)點(diǎn)的個(gè)數(shù)；
[0029] 節(jié)點(diǎn)j的接近度是指節(jié)點(diǎn)j到網(wǎng)絡(luò)中其他所有節(jié)點(diǎn)的距離之和的倒數(shù)，由公式：
[0030]
[0031] 給出，其中CC,為節(jié)點(diǎn)j的接近度，cU為節(jié)點(diǎn)j與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淦渌?jié)點(diǎn)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)的 最短距離，N是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲泄?jié)點(diǎn)的總個(gè)數(shù)；
[0032] 節(jié)點(diǎn)j的介數(shù)是指網(wǎng)絡(luò)中所有最短路徑中經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)j的比例，由公式：
[0033]
[0034] 給出，其中Bj為節(jié)點(diǎn)j的介數(shù)，nik為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)k之間最短路徑的條數(shù)，n ik (j) 為節(jié)點(diǎn)i與節(jié)點(diǎn)k之間最短路徑中經(jīng)過(guò)節(jié)點(diǎn)j的條數(shù)；
[0035] 節(jié)點(diǎn)j的核度積是指節(jié)點(diǎn)j孤立后，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)相互通信的最短路徑總長(zhǎng)度 以及網(wǎng)絡(luò)中的鏈路數(shù)目，由公式：
[0036] Tj= (SG_Vj- 5C) x (/G -lG_Vj)
[0037] 給出，其中T,為節(jié)點(diǎn)j被孤立后的核度積，為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn) 相互通信的最短路徑長(zhǎng)度總和，心為節(jié)點(diǎn)j被孤立后網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)相 互通信的最短路徑長(zhǎng)度總和，為網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中的鏈路數(shù)，為節(jié)點(diǎn)j被孤立后網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中的鏈路數(shù)；
[0038] 節(jié)點(diǎn)j的網(wǎng)絡(luò)效率η為節(jié)點(diǎn)j被孤立后網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間距離 的倒數(shù)的平均值，由公式：
[0039] nJ=MEAN(l/dχ?), 1^i,j ^Ν&&?^ j
[0040] 給出，其中η,為節(jié)點(diǎn)j的網(wǎng)絡(luò)效率，MEAN為進(jìn)行取平均值運(yùn)算的函數(shù)，cU,表示節(jié) 點(diǎn)j被孤立后網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中任意兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間的距離，N是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)G中節(jié)點(diǎn)的總 個(gè)數(shù)。
[0041] 所述對(duì)計(jì)算指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理；具體由公式：
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