基于人工蛛网的网络拓扑结构及其构建方法技术

本发明专利技术涉及基于人工蛛网的网络拓扑结构及其构建方法，构建人工蛛网拓扑结构模型，并对所述人工蛛网拓扑结构模型进行单因素破坏实验和多因素破坏实验，根据记录的单因素破坏实验和多因素破坏实验对应的各个辅助节点与中心节点传输数据时的可用路径数以及各层辅助节点、辐链、弦链的使用次数计算对应组件在人工蛛网拓扑结构中的抗毁性的权重；根据权重大小确定网络拓扑中组件的重要程度，权重越大，网络拓扑中组件的重要程度越高，对于权重值较大的人工蛛网无线传感器网络内层各组件，可以设置质量、性能较好的传感器采集装置，对于权重值较小的外层各组件可以设置一般质量、性能的传感器采集装置，节省开销。

【技术实现步骤摘要】
基于人工蛛网的网络拓扑结构及其构建方法
本专利技术涉及网络信息传输领域，特别是基于人工蛛网的网络拓扑结构及其构建方法。
技术介绍
随着监测面积的增大，无线传感器网络技术抗毁性方面的问题也更加突出，由于无线传感器网络连接的拓扑结构和工作环境的不可预测性，部分组件的故障容易产生大面积的传输故障，进而导致网络整体通信工作的瘫痪。无线传感器网络通信故障的主要原因是传统的网络拓扑结构为星型拓扑结构和树形拓扑结构，在此类网络拓扑结构下任何一条链路或者某一个节点失效都会直接导致该节点的整条链路或该节点之后所有节点都将失去通信能力从而导致该片区域的通信瘫痪，而基于生物仿生的人工蛛网拓扑结构与无线传感器网络拓扑结构有极大地相似性，为蜘蛛网优异的抗毁性应用于农田无线传感器网络提供了先决基础。(1)蜘蛛自身大小、对食物的需求量、捕食经验以及环境情况等因素，决定了蜘蛛网的规模和结构特征，而无线传感器网络对信息监测的需求，决定了网络规模、通信容量、性能等参数。(2)蜘蛛网主要由中枢区、放射丝和捕丝组成，蛛网其它部分起辅助作用，中枢区作为蜘蛛网的信息中心，获取放射丝、捕丝的振动信息，而无线传感器网络属于典型的有中心网络，中心节点接收其它节点传输的数据信息。(3)猎物振动信号主要沿放射丝方向传向中枢区，考虑到沿半径方向张力的不同，蜘蛛沿放射丝同股织建加强丝，用来增强蜘蛛网的抗毁能力和信息传递能力，而对于无线传感器网络而言，蜘蛛丝的强度等价于网络数据流量的大小，放射丝加强结构相当于网络主路由性能的差异。(4)当有猎物撞击时，捕丝通过大范围伸展、变形，缓冲、吸收猎物冲击动能，粘住猎物，而对于无线传感器网络来说，捕丝的延展性等效于网络适应通信流量变化的能力，表征局部抗毁能力的强弱。(5)局部破损的蛛网，并不影响猎物的捕获和振动信号的传递，而无线传感器网络中部分网络组件的失效同样不应影响整个网络的正常工作。通过研究人工蛛网的信息传输路径规律可以得出各组件在模型中的重要性程度，进而可以类比得出无线传感器网络中各位置传感器节点在信息传输过程中的重要性，从而为进一步加强重要区域或者重要组件的保护提供指导。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供基于人工蛛网的网络拓扑结构及其构建方法，用以解决网络通信组件研究不充分导致的网络抗毁性能差的问题。为了实现网络拓扑结构的构建，解决网络通信组件研究不充分导致的网络抗毁性能差的问题。本专利技术提供一种基于人工蛛网的网络拓扑结构的构建方法，包括以下步骤：1)构建一个具有中心节点c，f条辐线，n层弦线，辅助节点总数为n×f的人工蛛网拓扑结构模型，记录各个辅助节点与中心节点传输数据时的可用路径数以及各层辅助节点、辐链和弦链的使用次数；2)对所述人工蛛网拓扑结构模型进行单因素破坏实验和多因素破坏实验，单因素破坏实验为任一辅助节点失效、任一辐链失效或任一弦链失效，多因素破坏实验为取任一辅助节点、任一辐链和任一弦链同时失效；3)记录单因素破坏实验和多因素破坏实验对应的各个辅助节点与中心节点传输数据时的可用路径数以及各层辅助节点、辐链、弦链的使用次数；4)根据记录的数据计算每一层的辅助节点、辐链和弦链在人工蛛网拓扑结构中的抗毁性的权重；5)根据权重大小确定网络拓扑中组件的重要程度，根据网络拓扑中组件的重要程度构建网络拓扑结构，其中，权重越大，网络拓扑中组件的重要程度越高。有益效果是，通过分析人工蛛网拓扑结构要用到的参数和指标，通过人工蛛网拓扑结构网络各组件的各个参数，定量地得出了人工蛛网网络拓扑结构中需要重点保护的组件，也可以按照需要设置各个组件，得到的权重值越大，组件越重要，越需要保护，对于权重值较大的人工蛛网无线传感器网络内层各组件，可以设置质量、性能较好的传感器采集装置，对于权重值较小的外层各组件可以设置一般质量、性能的传感器采集装置，节省开销。进一步地，为了计算的简单和精准，任一层各个辅助节点与中心节点传输数据时的可用路径数以及该层辅助节点、辐链和弦链的使用次数为采用分层累计迭代算法并根据前一层的可用路径数、辅助节点使用次数、辐链使用次数和弦链使用次数计算得到。进一步地，为了量化评估人工蛛网的抗毁性，使得精准的得到权重，并根据该权重完成网络的构建，步骤4)具体包括以下步骤：(1)根据记录的数据采用计算每一层ki，i为层数，对各层辅助节点路径数进行统一化调整，其中，为在n层蛛网结构下的完整蛛网结构最外层平均节点路径数，为该人工蛛网结构第i层平均节点路径数；(2)计算破坏第q层辅助节点、辐链或弦链时全网的全网平均节点路径数公式如下：W(j,i)为N(j,i)辅助节点与中心节点通信可选择的路径数；ki表示对第i层节点路径数的统一化调整系数；(3)计算破坏第q层节点或辐链或弦链时全网的损坏率ηq，公式如下：(4)计算节点、弦链和辐链在i层的损坏率，公式如下：ηNi、ηXLi和ηFLi分别表示：节点、弦链和辐链在i层的损坏率；为破坏第i层节点时的平均节点路径数；为破坏第i层弦链时的平均节点路径数；为破坏第i层辐链时的平均节点路径数；(5)计算破坏第q层辅助节点、辐链或弦链时全网的权重Gq，公式如下：本专利技术提供一种基于人工蛛网的网络拓扑结构，该网络拓扑结构通过采用以下步骤进行构建：1)构建一个具有中心节点c，f条辐线，n层弦线，辅助节点总数为n×f的人工蛛网拓扑结构模型，记录各个辅助节点与中心节点传输数据时的可用路径数以及各层辅助节点、辐链和弦链的使用次数；2)对所述人工蛛网拓扑结构模型进行单因素破坏实验和多因素破坏实验，单因素破坏实验为任一辅助节点失效、任一辐链失效或任一弦链失效，多因素破坏实验为取任一辅助节点、任一辐链和任一弦链同时失效；3)记录单因素破坏实验和多因素破坏实验对应的各个辅助节点与中心节点传输数据时的可用路径数以及各层辅助节点、辐链、弦链的使用次数；4)根据记录的数据计算每一层的辅助节点、辐链和弦链在人工蛛网拓扑结构中的抗毁性的权重；5)根据权重大小确定网络拓扑中组件的重要程度，根据网络拓扑中组件的重要程度构建网络拓扑结构，其中，权重越大，网络拓扑中组件的重要程度越高。有益效果是，通过分析人工蛛网拓扑结构要用到的参数和指标，通过人工蛛网拓扑结构网络各组件的各个参数，定量地得出了人工蛛网网络拓扑结构中需要重点保护的组件，也可以按照需要设置各个组件，得到的权重值越大，组件越重要，越需要保护，对于权重值较大的人工蛛网无线传感器网络内层各组件，可以设置质量、性能较好的传感器采集装置，对于权重值较小的外层各组件可以设置一般质量、性能的传感器采集装置，通过该方法设置得到的网络拓扑结构能够有效的保证结构的安全，同时节省开销。进一步地，为了计算的简单和精准，该网络拓扑结构中任一层各个辅助节点与中心节点传输数据时的可用路径数以及该层辅助节点、辐链和弦链的使用次数为采用分层累计迭代算法并根据前一层的可用路径数、辅助节点使用次数、辐链使用次数和弦链使用次数计算得到。进一步地，为了量化评估人工蛛网的抗毁性，使得精准的得到权重，并根据该权重完成网络的构建，该网络拓扑结构的构建步骤4)具体包括以下步骤：(1)根据记录的数据采用计算每一层ki，i为层数，对各层辅助节点路径数进行统一化调整，其中，为在n层蛛网结构下的完整蛛网结构最外层平均节点本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于人工蛛网的网络拓扑结构的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：1)构建一个具有中心节点c，f条辐线，n层弦线，辅助节点总数为n×f的人工蛛网拓扑结构模型，记录各个辅助节点与中心节点传输数据时的可用路径数以及各层辅助节点、辐链和弦链的使用次数；2)对所述人工蛛网拓扑结构模型进行单因素破坏实验和多因素破坏实验，单因素破坏实验为任一辅助节点失效、任一辐链失效或任一弦链失效，多因素破坏实验为取任一辅助节点、任一辐链和任一弦链同时失效；3)记录单因素破坏实验和多因素破坏实验对应的各个辅助节点与中心节点传输数据时的可用路径数以及各层辅助节点、辐链和弦链的使用次数；4)根据记录的数据计算每一层的辅助节点、辐链和弦链在人工蛛网拓扑结构中的抗毁性的权重；5)根据权重大小确定网络拓扑中组件的重要程度，根据网络拓扑中组件的重要程度构建网络拓扑结构，其中，权重越大，网络拓扑中组件的重要程度越高。

【技术特征摘要】
1.一种基于人工蛛网的网络拓扑结构的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：1)构建一个具有中心节点c，f条辐线，n层弦线，辅助节点总数为n×f的人工蛛网拓扑结构模型，记录各个辅助节点与中心节点传输数据时的可用路径数以及各层辅助节点、辐链和弦链的使用次数；2)对所述人工蛛网拓扑结构模型进行单因素破坏实验和多因素破坏实验，单因素破坏实验为任一辅助节点失效、任一辐链失效或任一弦链失效，多因素破坏实验为取任一辅助节点、任一辐链和任一弦链同时失效；3)记录单因素破坏实验和多因素破坏实验对应的各个辅助节点与中心节点传输数据时的可用路径数以及各层辅助节点、辐链和弦链的使用次数；4)根据记录的数据计算每一层的辅助节点、辐链和弦链在人工蛛网拓扑结构中的抗毁性的权重；5)根据权重大小确定网络拓扑中组件的重要程度，根据网络拓扑中组件的重要程度构建网络拓扑结构，其中，权重越大，网络拓扑中组件的重要程度越高。2.根据权利要求1所述的基于人工蛛网的网络拓扑结构的构建方法，其特征在于，任一层各个辅助节点与中心节点传输数据时的可用路径数以及该层辅助节点、辐链和弦链的使用次数为采用分层累计迭代算法并根据前一层的可用路径数、辅助节点使用次数、辐链使用次数和弦链使用次数计算得到。3.根据权利要求2所述的基于人工蛛网的网络拓扑结构的构建方法，其特征在于，步骤4)具体包括以下步骤：(1)根据记录的数据采用计算每一层ki，i为层数，对各层辅助节点路径数进行统一化调整，其中，为在n层蛛网结构下的完整蛛网结构最外层平均节点路径数，为该人工蛛网结构第i层平均节点路径数；(2)计算破坏第q层辅助节点、辐链或弦链时全网的全网平均节点路径数公式如下：W(j,i)为N(j,i)辅助节点与中心节点通信可选择的路径数；ki表示对第i层节点路径数的统一化调整系数；(3)计算破坏第q层节点或辐链或弦链时全网的损坏率ηq，公式如下：(4)计算节点、弦链和辐链在i层的损坏率，公式如下：ηNi、ηXLi和ηFLi分别表示：节点、弦链和辐链在i层的损坏率；为破坏第i层节点时的平均节点路径数；为破坏第i层弦链时的平均节点路径数；为破坏第i层辐链时的平均节点路径数；(5)计算破坏第q层辅助节点、辐链或弦链时全网的权重Gq，公式如下...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊，杜壮壮，李浩然，王茜，胡广，曹亚洲，
申请(专利权)人：河南科技大学，
类型：发明
国别省市：河南,41