一种基于引力场的复杂网络路由方法技术

研究高效的动态路由选择方法对提高网络吞吐量及缓解交通拥塞程度至关重要。为此，从引力理论角度，本发明专利技术深入分析了网络交通传输过程中节点对交通流的聚集作用，考虑节点自身及其邻居节点的畅通程度及传输路径长度，建立节点对交通流的引力模型，进而提出一种顾及节点聚集能力的引力场动态路由方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于引力场的复杂网络路由方法
本专利技术涉及通信领域，具体涉及一种基于引力场的复杂网络路由方法。
技术介绍
目前，利用复杂网络研究现实复杂系统的结构和动力学特征已经成为各个领域研究的热点和重点问题。网络交通拥塞作为一种常见的、复杂的动力学现象，广泛存在于各种现实系统，其表现为网络上交通流状态的相变，即由自由流变为拥塞相。研究发现，对于给定的路由选择策略，当单位时间内产生的交通负载量大于某个确定值时，网络交通流状态会立即从自由流陷入拥塞状态。同时，对于任意复杂网络，当网络结构和相关功能指标保持不变时，则该网络必然存在一个最大网络吞吐量。交通拥塞的产生取决于所采用的网络路由策略，对于传输性能较低的路由算法，网络极易陷入拥塞且拥塞程度非常严重。所以，如何通过探索高效的路由选择策略以提高网络的吞吐量及缓解网络交通拥塞程度，是解决交通拥塞问题的关键途径之一。为此，学者们对路由选择策略进行了深入研究并提出了很多有效的路由方法。随机行走是一种著名的局部路由方法，其揭示了一些基本的动力学特征。然而，该路由方法难以反映现实复杂系统的交通流特性，其路由性能较低。为此，本专利技术利用引力场理论研究网络传输过程，顾及节点自身及邻居节点的聚集能力建立节点在传输过程中对流量的引力模型，进而提出一种顾及节点聚集能力的引力场动态路由方法。
技术实现思路
在此基础上，本申请提出一种基于引力场的复杂网络路由方法，所述方法包括：1)每个时间步，针对任意节点v，如果其缓存队列不为空，说明有数据包等待传递，故获取所述节点v的所有邻居节点；2)对于v的每个邻居节点i，计算节点i到所述节点v的目标节点t的最短路径并得到路径上的节点集合P(i,t)，且3)计算所述节点v的所有邻居节点对应的最短路径对所述节点v的吸引力Git，如下式所述：其中，n表示该路径上的节点数量，j＝1,2,...n，Fjv表示该路径上节点j对节点v数据包的引力，公式如下：其中，cj表示节点j的传输能力，即单位时间内能发送的最大数据包个数；qj表示节点j的缓存队列中存放的数据包个数，由此反映了节点j的畅通程度；djv表示节点j与节点v之间的最短距离；α与γ为可调节参数；hj表示节点j的邻居节点的平均畅通程度，对于节点j的u个邻居节点，其平均畅通程度即为:4)按照路径引力的大小降序排列得到路径的集合L＝[L1L2...Li]，其中i为节点v的邻居节点的个数，其中路径引力最大的路径L1中对应节点v的邻居节点为e；5)若同一时刻，没有其他路径的数据包准备进入节点e，则以节点e作为节点v数据包传递的下一个路由节点；6)若同一时刻，有其他路径节点m的数据包准备进入节点e，则分别计算节点v和节点m的重量系数M，计算公式如下：其中，k为一个可调节的参数，0≤k≤1，用来平衡路径的长短和等待时间之间的权重；l为当前节点到目标节点的最短路径长度；q为当前节点所储存的数据包的个数；ce为节点e单位时间内能发送的最大数据包个数；通过重量系数M的计算公式分别得到节点v和节点m的重量系数Mv和Mm；7)比较Mv和Mm的大小，重量系数大的节点作为优先节点进入该路径，并以节点e作为所述优先节点数据包传递的下一个路由节点；8)重量系数小的节点返回步骤4)选择进入路径引力第二大的路径L2。优选的，所述步骤3)中的α与γ为大于等于1的常数。优选的，所述步骤6)中的系数k的取值范围为0≤k≤1。附图说明图1为实施例一中的路由方法过程。图2为本专利技术算法的路由性能曲线。具体实施方式现结合实施例、附图对本专利技术作进一步描述。在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本专利技术，但并不构成对本专利技术的限定。实施例一：节点的聚集能力是由节点自身交通状态及其邻居节点交通状态共同作用的结果。每个节点都存在一定的聚集能力，其表现为对网络上交通流的吸引力，由此节点可以激发对交通流的引力场模型。假设当前待发送数据包所在节点为v，则节点j对节点v处数据包的吸引力定义如下：其中，Fjv表示节点j对节点v处数据包的吸引力；cj表示节点j的传输能力，即单位时间内能发送的最大数据包个数；qj表示节点j的缓存队列中存放的数据包个数，由此反映了节点j的畅通程度；djv表示节点j与节点v之间的最短距离；α与γ为可调节参数，且α与γ为大于等于1的常数；hj表示节点j的邻居节点的平均畅通程度，对于节点j的u个邻居节点，其平均畅通程度即为：公式(1)表明，节点j对节点v处数据包的吸引力与该节点的畅通程度与其邻居节点的畅通程度呈正比，而与节点j、v之间的最短距离呈反比，表达了显著的物理意义。数据包的传递不是由单个节点的交通状态所能决定，高效的路由策略必须顾及更多节点的交通状态。对于任意数据包，其在传输过程中都是尽量选择可靠的路径传递，故路径才是路由策略的研究对象。为此，设数据包当前所在节点为v，用P(i,t)表示其邻居节点i到目标节点t的最短路径上所有节点的集合且由此可以定义如下该路径对节点v中数据包的引力模型：上式表明，路径对数据包的引力即为该路径上所有节点对数据包的引力的平均值。由此，本文提出一种顾及节点聚集能力的引力场动态路由策略，具体路由过程如下：1)每个时间步，针对任意节点v，如果其缓存队列不为空，说明有数据包等待传递，故获取该节点的所有邻居节点；2)对于v的每个邻居节点i，计算i到该数据包目标节点t的最短路径并得到路径的节点集合P(i,t)；3)根据公式(1)和(2)，计算所有邻居节点对应的最短路径对该数据包引力Git；4)按照路径引力的大小降序排列得到路径的集合L＝[L1L2...Li]，其中i为节点v的邻居节点的个数，其中路径引力最大的路径L1中对应节点v的邻居节点为e；并以所述路径L1对应节点v的邻居节点e作为当前数据包传递的下一个路由节点。实施例二：实施例一中的技术方案也不是没有缺陷的，从公式(1)-(2)可见，在整个节点网络中，引力最大的路径L一定是较为“空旷”和“通畅”的路径，这条路径在整个节点网络中相当于一条“高速公路”。因此，根据公式(1)-(2)的计算结果，当前节点v周边的所有的携带数据包的节点都会选择从路径L传输，因此，所述路径L会瞬间成为一条高度拥塞的路径，而其他路径反而会暂时“空旷”，造成节点路径的浪费。这也就意味着，实施例一中计算得到的对应节点v的邻居节点e可能同时会成为两个、三个或者更多个节点的下一个路由节点，这反而会成为造成进一步的拥堵。为解决上述缺陷，若在同一时刻，有其他路径节点m的数据包准备进入节点e，需要对节点e处进行“限流”，以避免造成拥塞，引入一个重量系数M，计算公式如下所示：其中，k为一个可调节的参数，0≤k≤1，用来平衡路径的长短和等待节点e处理数据包时间之间的权重；l为当前节点到目标节点的最短路径长度；q为当前节点所储存的数据包的个数；ce为节点e单位时间内能发送的最大数据包个数。上述计算式表明重量系数M越大，则表明该节点e属于需要优先传递的所携带的数据包长距传送或者数据包量较大的节点，传送距离和数据包量的平衡通过参数k来调节。在上述基础上，若同一时刻，有其他路径节点m的数据包准备进入节点e，则分别计算节点v和节点m的重量系数Mv和Mm；比较Mv和Mm的大小，重量系数大的节点作为优先节点进入本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于引力场的复杂网络路由方法，其特征在于，所述方法包括：1)每个时间步，针对任意节点v，如果其缓存队列不为空，说明有数据包等待传递，故获取所述节点v的所有邻居节点；2)对于v的每个邻居节点i，计算节点i到所述节点v的目标节点t的最短路径并得到路径上的节点集合P(i,t)，且

【技术特征摘要】
1.一种基于引力场的复杂网络路由方法，其特征在于，所述方法包括：1)每个时间步，针对任意节点v，如果其缓存队列不为空，说明有数据包等待传递，故获取所述节点v的所有邻居节点；2)对于v的每个邻居节点i，计算节点i到所述节点v的目标节点t的最短路径并得到路径上的节点集合P(i,t)，且3)计算所述节点v的所有邻居节点对应的最短路径对所述节点v的吸引力Git，如下式所述：其中，n表示该路径上的节点数量，j＝1,2,...n，Fjv表示该路径上节点j对节点v数据包的引力，计算公式如下：其中，cj表示节点j的传输能力，即单位时间内能发送的最大数据包个数；qj表示节点j的缓存队列中存放的数据包个数，由此反映了节点j的畅通程度；djv表示节点j与节点v之间的最短距离；α与γ为可调节参数；hj表示节点j的邻居节点的平均畅通程度，对于节点j的u个邻居节点，其平均畅通程度即为：4)按照路径引力的大小降序排列得到路...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐勇，
申请(专利权)人：四川中大云科科技有限公司，
类型：发明
国别省市：四川,51