一种基于节点重要度的动态资源分配方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于节点重要度的动态资源分配方法及系统，属于通信网络中的相继故障控制技术领域。方法包括：构建基于数据包发送与接收的相继故障通信网络模型，初始化通信网络的各参数；移除网络中数据包负载最大的节点，作为相继故障的触发条件；根据节点的负载分布，进行超载节点的预判与记录；根据预估结果实行基于节点重要度的资源分配策略；判断通信网络是否存在超载节点，若是，则移除相应节点并重新进行超载预判与资源分配；否则计算网络中剩余最大连通图占原始网络的比例作为鲁棒性衡量指标，相继故障终止。本发明专利技术减小了通信网络的相继故障规模，能够对通信网络中节点数据包负载状态进行灵活预判，并动态调度资源对危险节点加以保护。

【技术实现步骤摘要】
一种基于节点重要度的动态资源分配方法及系统
本专利技术属于通信网络中的相继故障控制
，特别是一种基于节点重要度的动态资源分配方法及系统。
技术介绍
日常生活中的许多关键基础设施皆可以被抽象为复杂网络，近年来，复杂网络理论已被广泛用于建模和分析各种现实世界网络，一个突出的例子是数据通信网络系统。通信网络中，消息通过数据包在节点之间的传输进行传递，重要消息的延迟以及丢失都会对经济、社会造成严重的经济损失。如果网络中节点由于恶意攻击或突发故障导致从全局拓扑中被移除，这将导致失效节点的数据包负载将被重新分布到网络中其他健康节点。这类负载重分配过程可能会触发大量超载，对通信网络造成灾难性的破坏。因此，在不同应用场景下，获取相继故障的研究进展是至关重要的，这有助于保护关键基础设施免受级联故障的影响并将损失降到最低。自网络科学研究取得显著进展以来，网络系统的拓扑和动态特性为揭示真实网络的原理提供了有益的启示。在过去的十年里，人们进行了大量的研究分析相继故障的扩散行为。在以前的研究中提出的级联破坏模型是分为两种主要类型：静态模型和动态模型。静态模型的重点是采用渗流理论来实现拓扑的健壮性，通过比较剩余网络与原始网络，揭示系统的内在弱点。但在实际情况中，网络的严重破坏往往是在初始化故障源头之后网络内相继发生一系列故障，因此上述结构易损性评估方法无法描述系统的失效演化。这种限制促进了许多动态级联失效分析。几十年来通过优化防御资源的分配(例如，额外的节点容量)，已经提出了许多防止级联故障的方法。从网络生存性出发，可以优化网络组件的预期寿命分配。从额外容量分配角度出发：基于程度分配、平均分配和随机分配等方法研究对相继故障鲁棒性的影响。从关键节点的发现与保护角度出发，启发式的进化算法被广泛考虑与应用，特殊地，系统中通常采用粒子群优化算法对防御资源进行优化配置。然而上述优化方法都在寻找资源的最优默认值，容量一旦经过预设分配，再不可进行更改。由于通信网络中数据包的流向具有多变性，因此我们需要一种动态的资源分配方法来满足灵活调度的需求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术存在的问题，提供一种能够控制和减小通信网络中级联故障规模的基于节点重要度的动态资源分配方法，该方法还能够对通信网络中节点数据包负载状态进行灵活预判，并动态调度资源对危险节点加以保护。实现本专利技术目的的技术解决方案为：一种基于节点重要度的动态资源分配方法，所述方法包括以下步骤：步骤1，构建基于数据包发送与接收的相继故障通信网络模型，初始化该通信网络模型的各个参数；步骤2，移除当前网络中数据包负载最大的节点，模拟相继故障的初始触发条件；步骤3，根据当前通信网络剩余拓扑结构，计算广播数据包时每个网络节点应有的流量负载，预判是否有超载节点：若有，转入步骤4，否则转入步骤6；步骤4，将未超载节点的可调度资源通过基于节点重要度的资源分配方法，分发给当前节点的一级邻居；步骤5，网络中的每个节点开始发送数据包，当网络达到稳态后，全局判别网络中是否存在超载节点：若有，则移除超载节点并转入步骤3，否则，转入步骤6；步骤6，计算使用基于节点重要度的动态资源分配方法后的最大连通图占原始网络的比例，作为通信网络鲁棒性的衡量指标。进一步地，步骤1所述构建基于数据包发送与接收的相继故障通信网络模型，具体包括：以Price网络作为网络模型，使用无向图G(V,E)代表通信网络拓扑，构建原始网络邻接矩阵其中V为网络中所有节点的集合，E为网络通讯链路集合，节点和链路的总数目分别对应NG＝|V|以及LG＝|E|；若所述网络邻接矩阵的第i行第j列为1，即A(i,j)＝1，代表节点i与节点j之间存在一条无向连边；反之，若A(i,j)＝0，代表两种情况，一种为节点i与节点j之间不存在连边，另一种情况代表此时i＝j，即矩阵A的对角线元素为0，表示通信网络的所有节点自身不允许同时作为数据包的发送端与接收端，即网络中不存在自环。进一步地，步骤2中网络节点负载的计算公式为：式中，Si表示节点i的负载，x,y分别为网络中任意两个不相同的节点，DG(x,y)为节点x到节点y的所有最短路径数目，DG(x,y|i)为经过节点i的节点x到节点y的所有最短路径数目。进一步地，步骤3所述根据当前通信网络剩余拓扑结构，计算广播数据包时每个网络节点应有的流量负载，预判是否有超载节点，具体包括：步骤3-1，将节点的数据包处理能力作为网络中的可调度资源，即节点对于数据包的承受容量，该容量为：Ci＝(1+α)Si(t0)式中，α为容忍系数，表征通信网络的可支配的数据包处理能力数目，Si(t0)表示在网络初始时刻t0即网络未受到攻击时的时刻节点i的负载；步骤3-2，判断t时刻节点i的负载Si(t)是否满足Si(t)＞Ci，若满足，则表示该节点i为超载节点。进一步地，步骤4所述将未超载节点的可调度资源通过基于节点重要度的资源分配方法，分发给当前节点的一级邻居，具体为：每轮资源分配过程中，未超载节点i流入节点j的资源为Ci→j：Ci→j＝(Ci-Si)δij其中，节点重要度指标δij为：式中，Ω为节点i所有一级邻居范围内节点的集合，θ为可调节参数，决定资源流动的倾向性。进一步地，步骤5中所述移除超载节点具体包括移除超载节点以及与超载节点连接的网络连边，通过对矩阵元素A(i,j)进行1→0转换实现。进一步地，步骤6中计算最大连通图占原始网络的比例具体为：计算最大连通分量中节点数量NG'与初始网络最大连通分量中节点数量NG的占比。一种基于节点重要度的动态资源分配系统，所述系统包括依次执行的：构建模块，用于构建基于数据包发送与接收的相继故障通信网络模型，初始化该通信网络模型的各个参数；初始化模块，用于移除当前网络中数据包负载最大的节点，模拟相继故障的初始触发条件；预判模块，用于根据当前通信网络剩余拓扑结构，计算广播数据包时每个网络节点应有的流量负载，预判是否有超载节点：若有，转入资源分配模块，否则转入指标计算模块；资源分配模块，用于将未超载节点的可调度资源通过基于节点重要度的资源分配方法，分发给当前节点的一级邻居；全局判别模块，用于实现网络中的每个节点开始发送数据包，当网络达到稳态后，全局判别网络中是否存在超载节点：若有，则移除超载节点并转入预判模块，否则，转入指标计算模块；指标计算模块，用于计算使用基于节点重要度的动态资源分配方法后的最大连通图占原始网络的比例，作为通信网络鲁棒性的衡量指标。本专利技术与现有技术相比，其显著优点为：1)采用复杂网络模型构建通信网络，与以往的复杂网络资源分配研究相比，加入了节点数据包的发送以及接收过程，创新性的提出了基于节点重要度的动态资源分配过程；2)区别于单方面对节点数据包流量进行统计并作为负载，采用类似介数中间性的通信网络节点负载定义可以更好的得到网络的全局信息；本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于节点重要度的动态资源分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：/n步骤1，构建基于数据包发送与接收的相继故障通信网络模型，初始化该通信网络模型的各个参数；/n步骤2，移除当前网络中数据包负载最大的节点，模拟相继故障的初始触发条件；/n步骤3，根据当前通信网络剩余拓扑结构，计算广播数据包时每个网络节点应有的流量负载，预判是否有超载节点：若有，转入步骤4，否则转入步骤6；/n步骤4，将未超载节点的可调度资源通过基于节点重要度的资源分配方法，分发给当前节点的一级邻居；/n步骤5，网络中的每个节点开始发送数据包，当网络达到稳态后，全局判别网络中是否存在超载节点：若有，则移除超载节点并转入步骤3，否则，转入步骤6；/n步骤6，计算使用基于节点重要度的动态资源分配方法后的最大连通图占原始网络的比例，作为通信网络鲁棒性的衡量指标。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于节点重要度的动态资源分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
步骤1，构建基于数据包发送与接收的相继故障通信网络模型，初始化该通信网络模型的各个参数；
步骤2，移除当前网络中数据包负载最大的节点，模拟相继故障的初始触发条件；
步骤3，根据当前通信网络剩余拓扑结构，计算广播数据包时每个网络节点应有的流量负载，预判是否有超载节点：若有，转入步骤4，否则转入步骤6；
步骤4，将未超载节点的可调度资源通过基于节点重要度的资源分配方法，分发给当前节点的一级邻居；
步骤5，网络中的每个节点开始发送数据包，当网络达到稳态后，全局判别网络中是否存在超载节点：若有，则移除超载节点并转入步骤3，否则，转入步骤6；
步骤6，计算使用基于节点重要度的动态资源分配方法后的最大连通图占原始网络的比例，作为通信网络鲁棒性的衡量指标。


2.根据权利要求1所述的基于节点重要度的动态资源分配方法，其特征在于，步骤1所述构建基于数据包发送与接收的相继故障通信网络模型，具体包括：
以Price网络作为网络模型，使用无向图G(V,E)代表通信网络拓扑，构建原始网络邻接矩阵其中V为网络中所有节点的集合，E为网络通讯链路集合，节点和链路的总数目分别对应NG＝|V|以及LG＝|E|；若所述网络邻接矩阵的第i行第j列为1，即A(i,j)＝1，代表节点i与节点j之间存在一条无向连边；反之，若A(i,j)＝0，代表两种情况，一种为节点i与节点j之间不存在连边，另一种情况代表此时i＝j，即矩阵A的对角线元素为0，表示通信网络的所有节点自身不允许同时作为数据包的发送端与接收端，即网络中不存在自环。


3.根据权利要求2所述的基于节点重要度的动态资源分配方法，其特征在于，步骤2中网络节点负载的计算公式为：



式中，Si表示节点i的负载，x,y分别为网络中任意两个不相同的节点，DG(x,y)为节点x到节点y的所有最短路径数目，DG(x,y|i)为经过节点i的节点x到节点y的所有最短路径数目。


4.根据权利要求3所述的基于节点重要度的动态资源分配方法，其特征在于，步骤3所述根据当前通信网络剩余拓扑结构，计算广播数据包时每个网络节点应有的流量负载，预判是否有超载节点，具体包括：
步骤3-1，将节点的数据包处理能力作为网络中的可调度资源，即节点对于数据包的承受容...

【专利技术属性】
技术研发人员：王旗，濮存来，李伦波，郭剑辉，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32