通信网络拓扑抗毁性度量模型与算法研究

通信网络拓扑抗毁性度量模型与算法研究

0网络拓扑抗毁性评估技术抗癫痫能力是网络抗癫痫能力的一个重要方面。多年来,网络设计人员用不同的技术手段设计出诸多网络拓扑图,这些拓扑图有些是针对物理拓扑结构的,有些是针对逻辑拓扑结构的。他们有一个共同特性,就是具有一定的抗毁性能。网络拓扑抗毁性对于军事通信网络具有极其重要的意义,因为首先军事通信网络是军事行动的通信保障,可能受到敌方不同方式的打击;其次,网络拓扑抗毁性是网络业务抗毁性的基础。伴随着抗毁网络拓扑设计技术,出现了网络拓扑抗毁性评估技术。研究人员从不同角度,以不同方式提出了一些网络拓扑抗毁性评估方法。研究网络拓扑抗毁性评估的目的就是判断所设计的网络拓扑图是否具有所期望的抗毁性能。1评估模型1.1节点抗毁度的度量值国内外关于网络拓扑抗毁性评估技术方面的研究大致分为以下几个方面:1)基于综合性的单一抗毁性度量的评估技术文献中定义了一种综合性网络拓扑抗毁性度量,即抗毁连通度G,该连通度表示网络中所有节点团之间可能通信路径的平均值,并以此度量值对网络拓扑的抗毁性进行了评估。抗毁连通度G是一个网络拓扑抗毁性综合性指标,该值宏观上表示了被评估网络拓扑的抗毁性,没有反映节点团对之间通信路径数量的个体差异。文献提出了网络拓扑抗毁度g,该值表示网团间可能建立的路径总数p与网团间要建立的通路s之比。该度量值也是一个综合评价全网拓扑抗毁性的指标。有的文献定义了网络凝聚度,即节点数与平均最短路径乘积的倒数,该值表示网络中节点重要程度,也是一个综合性指标。文献中首先定义了节点抗毁度,然后将各个节点抗毁度的平均值作为网络抗毁度来评估网络抗毁性,没有表现出节点抗毁度量值的分散特性。2)基于多抗毁性度量值的评估技术基于多抗毁性度量值的评估技术是指在对网络拓扑抗毁性进行评估时,给出多个评估指标,例如,对网络中所有(或部分)节点对之间通信路径数量进行评估、对网络中所有(或部分)节点抗毁度量值进行评估、对网络中所有(或部分)链路的抗毁性度量值进行评估等。这种评估技术充分体现了抗毁需求的特殊性要求,但是缺乏对这些度量值的分散程度的评估。从以上描述中可以看出,不管是单一度量值的综合性评估技术,还是多度量值的评估技术,都没有考虑各种度量值的分散性,而仅仅是对度量值进行了均值处理或加权式均值处理。实际上,节点抗毁性度量值的分散特性具有较重要意义,它表示了网络拓扑中是否存在关键节点或链路。对于军事通信网络,如果存在关键(或比较关键)节点或链路,从纯拓扑结构角度考虑,无疑他们将是敌方首选打击目标。因此,在网络资源允许情况下,应当尽量避免出现关键节点或链路,使攻击任何一个节点或链路对网络拓扑造成的损坏程度基本相同。1.2节点抗毁性度值的估计在网络拓扑图中,节点抗毁性度量值的均值体现了度量值取值平均的大小,是度量值的重要数字特征,但是只是知道平均值是不够的,还应该知道度量值的取值如何在其均值周围变化,即刻划度量值的分散程度。对于节点抗毁性度量值均值相同的两个网络拓扑,其度量值的波动程度可能是不同的。波动较小的网络拓扑中节点的重要性差别较小,拓扑比较稳定,没有特别重要的节点。节点抗毁性度量值的均方差可以完全表示网络拓扑中各个度量值的波动特性。定义D(S)为网络拓扑图抗毁性量度,则:Ci,j,k表示对应于节点i的节点对(j,k)之间所有穿越节点i的路径数量;n表示网络中节点个数;Si表示第i个节点的抗毁性度量值;V表示节点对集合;(j,k)表示节点编号。2算法和模拟2.1求各个节点路径数量对于给定的连通网络拓扑图,节点抗毁性度量值均方差D(S)的求解过程如下:①对于拓扑图中的每个节点,求所有节点对(不包括该节点)之间所有穿越该节点的路径数量,得到Ai;②这些路径数量的平均值,得到A;③用每个节点求出的路径数量除以路径数量的平均值,得到Si;④求Si的平均值,得到;⑤最后,求解全网拓扑图的节点抗毁性度量均方差D(S)。2.2节点抗毁性分析图1(a)、1(b)、1(c)、1(d)、1(e)、1(f)表示了6个网络拓扑结构图。这6个网络拓扑结构图具有相同的节点数量和链路数量(消耗的网络资源相同)。根据计算机的仿真计算,得到这6个网络拓扑图的节点抗毁性度量均方差值分别是:0.0,0.19,0.53,0.90,1.20和2.72。可以看出他们的均方差数值逐渐增大。比较这6个拓扑图,可以得知拓扑图1(a)具有最好的抗毁特性,其次,分别是图1(b)、1(c)、1(d)、1(e)、1(f)。拓扑图1(a)的节点抗毁性度量均方差值等于0,说明拓扑图1(a)中的6个节点的重要性相同,或者说,该图中6个节点的任何一个被破坏掉时,对网络拓扑的损害程度是相同的,这也是光纤网络拓扑为保证一定抗毁性最起码要构成环形网络的原因。拓扑图1(f)非常接近星形网络,均方差值最大,这说明星形网络拓扑的抗毁性最差。因此,要使网络拓扑具有较好的抗毁性,应当避免采用星形或类似星形结构。由表1可以看出,图1(a)中各个节点抗毁性度量值相同,都等于1。图1(b)、(c)、(d)、(e)和(f)中的节点抗毁性度量值不尽相同。例如,图1(f)中节点2的度量值最大,其次是节点3,这说明节点2是一个至关重要的节点,当它被攻击失效时,除了节点3和7之间还可以通信外,其它节点都将变成孤立节点。图2表示出对应图1的6种网络拓扑图的节点抗毁性度量值的分散特性。由图2可以看出随着网络抗毁性度量值(均方差值)的增加(由0增加到2.72),节点抗毁性度量值分散性加大(以理想值1为中心),节点重要性程度差异变大。这说明均方差值准确度量了网络拓扑的抗毁性,网络拓扑抗毁性越好,其方差值越小。显然,理想方差值是0。3节点抗毁性度量本文首先回顾了目前普遍采用的网络拓扑结构抗毁性评估技术,然后提出了一种新的网络拓扑抗毁性评估算法。该算法可以求出给定的连通网络拓扑图中各个节点的抗毁性度量值,以此为基础进一步得出全网抗毁性度量值(各节点抗毁性度量值均方差)。计算机仿真结果表明:网络拓扑图的节点抗毁性度量均方差值可以准确表达出图中各个节点的抗