【技术实现步骤摘要】
分簇Adhoc网络的网络拓扑动态布局的方法及装置
本专利技术涉及计算机网络领域，尤其涉及一种分簇Adhoc网络的网络拓扑动态布局的方法及装置。
技术介绍
Adhoc网络是时变网络，为了对Adhoc网络进行监控和管理，需要获得Adhoc网络的网络结构及变化特征，因此，需要获得Adhoc网络的网络拓扑结构，进而，将Adhoc网络的网络拓扑及变化特征以图形的方式进行展示，为用户的使用提供支持。时变网络的拓扑结构随时间动态变化，为了便于用户认识和理解其网络拓扑结构，需要保持动态网络拓扑布局的稳定性。但目前对于保持动态网络拓扑布局的稳定性缺少有效的方法，现有技术中对动态网络的拓扑布局，有基于节点相对位置的布局方法、基于增量的布局方法和基于聚类的布局方法。基于节点相对位置的布局方法通过约束节点间相对的位置变化，实现动态网络拓扑布局的相对稳定。该方法的特点是布局效果清晰，适用于规模较小的网络平面结构的网络，无法展示分簇或分层的网络结构。基于增量的布局方法通过处理新增的网络节点来减少节点的剧烈，实现动态网络拓扑布局的相对稳定。该方法使得用户易于感知网络中节点的变化过程，适用于中等规模的平面结构的网络，但无法展示分簇或分层的网络结构。基于聚类的布局方法通过减少相邻布局序列间节点的剧烈，以保持聚类特征的动态稳定性，实现动态网络拓扑布局的相对稳定。该方法的网络拓扑结构以组的形式展示，适用于较大规模的网络，但无法展示组内节点的情况。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术提出了一种分簇Adhoc网络...
【技术保护点】
1.一种
【技术特征摘要】
1.一种Adhoc网络的网络拓扑动态布局方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤S101：基于初始时刻Adhoc网络节点的位置和节点的通信距离信息，获取Adhoc网络节点的物理连接关系，获取初始时刻的Adhoc网络的网络拓扑快照G0；根据G0中节点的位置和连接关系，将初始时刻的Adhoc网络节点划分到k个簇中，使得节点的划分结果达到分簇质量标准，且任意两个簇的节点集相交为空；得到初始时刻Adhoc网络拓扑快照的子图划分；
步骤S102：基于初始时刻的Adhoc网络拓扑快照G0及划分的子图，进行初始布局，得到初始时刻网络拓扑快照的布局L0；
步骤S103：获取当前时刻的网络拓扑快照Gi和前一时刻网络拓扑快照
G
i-1
的布局Li-1，更新节点布局位置，获得当前时刻网络拓扑快照的布局Li。
2.如权利要求1所述的Adhoc网络的网络拓扑动态布局方法，其特征在于，所述步骤S101：基于初始时刻Adhoc网络节点的位置和节点的有效通信距离信息，获取Adhoc网络节点的物理连接关系，获取初始时刻的Adhoc网络的网络拓扑快照G0；根据G0中节点的位置和连接关系，将初始时刻的Adhoc网络节点划分到k个簇中，使得节点的划分结果达到分簇质量标准，且任意两个簇的节点集相交为空；得到初始时刻Adhoc网络拓扑快照的子图划分，具体包括：
步骤S1011：计算Adhoc网络传输效率、边信息中心度；对于G0中两个节点间存在路径的节点对，依据所述Adhoc网络传输效率、边信息中心度，计算节点对的节点关联度，所述节点对的节点关联度表示该节点对的两个节点间连接的紧密程度，具体包括：
G
0
中节点vi、vj之间的传输效率Ɛij定义为节点vi、vj间最短路径长度dij的倒数，所述路径长度即节点vi、vj间的跳数；Adhoc网络的网络传输效率为Adhoc网络中各节点对传输效率的平均值，即
如果节点vi、vj之间不存在路径，则dij=+∞，Ɛij=0；
边eij的信息中心度Ceij为将边eij从G0中移除后，网络传输效率变化的相对量，即
其中，G'表示G0移除边eij后的图；
节点关联度与节点间传递信息的路径相关；
对于G0中两个节点间存在路径的节点对（vi,vj），若vi、vj为相邻节点，则vi、vj的关联度为
对于G0中两个节点间存在路径的节点对（vi,vj），若vi、vj为非相邻节点，则vi、vj的关联度为节点vi到节点vj的最短路径上相邻节点关联度的乘积；如果节点vi、vj之间有多条最短路径，则选择乘积最大的值作为其关联度；
步骤S1012：确定分簇质量的度量标准，定义一个k*k的对称矩阵R=[rij]，其中rij表示连接两个不同族中节点的边数占网络中总边数的比例；
模块度
其中rii为矩阵R=[rij]对角线上的元素，表示连接簇内部节点边数占总边数的比例；，表示簇i中节点与其他所有簇的节点相连的边数占总边数的比例，Q值越大说
明分簇结构越明显；
步骤S1013：对初始时刻的Adhoc网络拓扑快照G0分簇，具体包括：
步骤S10131：初始化聚类中心集Core为空，将G0的节点关联度写入节点关联度矩阵，设置待分簇的节点集Vnode={v1,v2,…，vn}，设置分簇数k，令k=2；
步骤S10132：在Vnode中选取一连接边最多的节点作为第一个聚类中心节点c1；将聚类中心节点c1放入聚类中心集Core，令Vnode=Vnode-c1；
步骤S10133：根据节点关联度矩阵，计算Vnode中各节点vi与Core中各节点的平均关联度，
L
avg
(v
i
)=(Σ|Core|j=1NL(v
i
,c
j
))/|Core|，其中，vi∈Vnode，cj∈Core
其中，NL(vi,cj)为节点vi到聚类中心节点cj的关联度，|Core|为聚类中心的个数；
确定平均关联度的最小值，将平均关联度最小值对应的节点vmin放入聚类中心集Core，令Vnode=Vnode-vmin；
步骤S10134：根据当前聚类中心集Core，应用K-means算法对Vnode中的节点进行聚类；根据聚类结果确定与聚类中心点处于同一分簇的节点；
步骤S10135：根据当前分簇情况，计算模块度Qk，若Qk≥Qk-1，则将k赋值为k+1，进入步骤S10133；否则，输出G0的分簇结果，分簇结束，将分簇结果作为子图划分结果。
3.如权利要求1所述的Adhoc网络的网络拓扑动态布局方法，其特征在于，所述步骤S102：基于初始时刻的Adhoc网络拓扑快照G0及划分的子图，进行初始布局，得到初始时刻网络拓扑快照的布局L0，包括：
步骤S1021：定义力导向布局模型：将初始时刻的Adhoc网络拓扑快照G0划分后，得到k个互不相交的子图，此时Adhoc网络拓扑快照G0中的边分为内边和外边；内边指连接同一子图中两个节点的边，外边指连接两个位于不同子图中节点的边；Adhoc网络拓扑快照G0中同一子图中节点间的力为内力FInt；拓扑快照G0中不同子图中节点间的力为外力FExt；
拓扑快照G0的子图用一称为元节点的矩形区域表示，连接元节点的边称为元边；元节点和元边构成的图为拓扑快照G0的元图GMeta，元图GMeta的布局称为元布局，元节点的位置为其所表示的子图的中心；作用在元节点上的力称为元力FMeta，元力作用于元节点所表示的子图包含的所有节点上；
步骤S1022：定义计算节点v所受内力的斥力FIntr(v)、引力FInta(v)的计算方式：
其中，E为图G0边的集合，pos(u)、pos(v)表示节点u、v的布局位置，kcluster为调节子图内节点间布局距离的常数，kcluster=kglobal/2；kglobal为用于调节全图节点间布局距离的常数，kglobal=（布局空间的像素面积/图中的节点数）1/2，pos(u)、pos(v)表示节点u、v的布局位置；
u、v均∈Ci，表示节点u、v均属于同一个簇Ci，对于同一个簇中的节点，计算内力；
步骤S1023：定义计算节点v所受外力的斥力FExtr(v)、引力FExta(v)的计算方式：
u∈C
j
、v∈C
i
，表示节点u、v属于不同的簇；对于属于不同簇中的节点，计算外力；
步骤S1024：定义计算元布局中元节点Ci所受的斥力FMetar(Ci)、引力FMetaa(Ci)的计算方式：
其中，C为元节点集合，Emeta为元边集合，CG(Ci)表示元节点Ci的位置，为其所表示的子图的中心，计算方式如下：
其中，|Ci|表示簇Ci中节点的个数；
步骤S1025：定义计算节点v的综合合力的计算方式：
F
Comp
(v)=FInt(v)+S(Count)FExt(v)+(1-S(Count))FMeta(v)
其中，FComp(v)为作用在节点v上的综合合力，FInt(v)、FExt(v)、FMeta(v)分别表示节点v受到的内力、外力、元力，FInt(v)=FIntr(v)+FInta(v)、FExt(v)=FExtr(v)+FExta(v)、FMeta(v)=FMetar(v)+FMetaa(v)；S(Count)为一随迭代次数Count变化的函数，S(Count)∈[0,1]；
步骤S1026：对初始时刻的Adhoc网络拓扑快照G0进行布局，包括：
步骤S10261：初始化迭代次数Count=1，对G0中的所有节点，根据其所在簇，设置初始布局位置，同一簇内的节点布局位置相邻；
步骤S10262：计算G0中所有节点的斥力，如果两个节点属于同一子图则计算内斥力，否则计算外斥力；
步骤S10263：计算G0中所有有连接关系的节点间的引力，如果两个节点属于同一个子图则计算内引力，否则计算外引力；
步骤S10264：根据划分的子图，计算所有元节点的元斥力，如果元节点之间具有连接关系，则计算元引力；
步骤S10265：对网络拓扑快照G0中的所有节点计算节点综合合力Fcomp(v)；
步骤S10266：对网络拓扑快照G0中的所有节点依照其综合合力Fcomp(v)大小和方向调整节点的布局位置，pos(v)=pos(v)+Fcomp(v)/节点v的度数；
步骤S10267：判断节点布局的位移是否小于设定的位移，若是，输出布局结果L0，对初始时刻的Adhoc网络拓扑快照G0布局结束；若否，设置Count的值为Count+1。
4.如权利要求1所述的Adhoc网络的网络拓扑动态布局方法，其特征在于，所述步骤S103：获取当前时刻的网络拓扑快照Gi和前一时刻网络拓扑快照Gi-1的布局Li-1，更新节点布局位置，获得当前时刻网络拓扑快照的布局Li，包括：
步骤S1031：获取当前时刻ti的网络拓扑快照Gi以及前一时刻ti-1的网络拓扑快照Gi-1、布局Li-1；
步骤S1032：通过广度优先搜索的方式遍历Gi中的节点，设置其在Li布局中的初始位置坐标；
对于同时存在于Gi及Gi-1中的节点，其在Li中的位置坐标直接采用布局Li-1中的位置坐标；
对于存在于Gi中但不存在于Gi-1的节点v，获取节点v的邻居节点集PN(v)，若邻居节点集只有一个邻居节点u，获取节点v、u所在子图在Li-1布局的中心点，将节点v放置在节点u与该中心点连线的中点位置；若邻居节点集有多于1个的邻居节点，则利用如下公式计算节点v的坐标：
以此得到网络拓扑快照Gi的初始布局；
步骤S1033：为Gi中所有节点在Li中的初始布局位置设置可信度值，包括：
设置节点v的可信度度量函数Γ(v)，具有四档可信度值，分别为1、0.25、0.1、0，节点的初始布局位置越可信，则可信度值越大；对于在Gi与Gi-1中没有变化的节点v，该节点v的可信度值为1；如果节点v的位置是由节点v的两个以上的邻居节点确定的，该节点v的可信度值为0.25；如果节点v的位置是由节点v的一个邻居节点确定的，该节点v的可信度值为0.1；对于无法通过有效信息确定位置的节点v，该节点v的可信度值为0；
步骤S1034：设置稳定度计算策略，即设置基于节点的初始布局位置可信度计算Gi中所有节点位置的稳定度wpin(v)策略，包括：
节点的稳定度wpin(v)用于表征对当前时刻的网络拓扑中各节点是否需要重新布局，如果节点的稳定度wpin(v)=1，表示节点v的位置在接下来的布局过程中保持不变；如果节点的稳定度wpin(v)=0，表示节点v的位置在接下来的布局过程中可以自由；节点v的位置的稳定度由该节点的初始位置的可信度Γ(v)及其邻居节点位置的可信度Γ(u)确定，u∈PN(v)，节点v的稳定度wpin(v)为：
其中，α∈[0,1]；
步骤S1035：设置Adhoc网络分簇结果的调整策略：
在每个簇中设置一预设数量的占位节点；占位节点在布局时与其他节点同等对待；每个簇中设置的占位节点个数为[0,3]；
设置占位空节点的操作规则：当一个节点从某一簇中移出时，该簇中的空节点数加1，新增空节点占据移出节点在该簇中原来所在的位置；当一个簇中移入一个新节点时，该簇中的空节点数减1，新节点占据该簇中原空节点的位置；
对同一个簇中节点的移出和移入操作进行配对，新移入的节点占据移出节点的位置；对于无法配对处理的节点，按所述占位空节点的操作规则进行处理；
步骤S1036：根据当前时刻的网络拓扑快照Gi和前一时刻网络拓扑快照Gi-1的布局Li-1，生成当前时刻网络拓扑快照的布局Li：
步骤S10361：初始化，设置迭代次数Count=1，基于节点的稳定度控制参与合力计算和位置调整节点数的稳定度控制变量frdone=0，；
步骤S10362：获取Li的初始布局；
步骤S10363：根据所述稳定度计算策略获取当前时刻的网络拓扑快照Gi中所有节点的稳定度wpin(v)；
步骤S10364：对网络拓扑快照Gi分簇，运用分簇结构的力导向布局模型调整节点的位置，生成布局Li，包括：
步骤S103641：计算网络拓扑快照Gi中所有frdone≥wpin(v)的节点的斥力，如果两个节点属于同一子图则计算内斥力，否则计算外斥力；
步骤S103642：计算网络拓扑快照Gi中所有有连接关系的节点间的引力，如果两个节点属于同一个子图则计算内引力，否则计算外引力；
步骤S103643：根据网络拓扑快照Gi当前簇结构的子图的划分，计算所有元节点的元斥力；如果元节点之间有连接关系，则计算元引力；
步骤S103644：对网络拓扑快照Gi中所有frdone≥wpin(v)的节点，计算节点v的综合合力Fcomp(v)并根据综合合力Fcomp(v)调整节点v的布局位置pos(v)=pos(v)+Fcomp(v)/节点v的度数；
步骤S103645：frd...
【专利技术属性】
技术研发人员：李强，黄郡，马涛，马春来，王怀习，束妮娜，常超，刘俊，吴一尘，杨静，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43
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