CN100403699C - 分布式无线网络关键节点探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式无线网络关键节点探测方法，它涉及通信技术领域。其目的是，针对现有技术存在的问题，用本发明快速、准确地检测出网络中所有的关键节点，以解决分布式无线网络的拓扑分割问题。该方法的具体步骤为：对任意网络进行拓扑平面化，以获得平面化的网络拓扑结构，该过程包括两个方面：通过相关邻近图法，即RNG法对网络进行拓扑平面化；对用RNG法得到的RNG图进行发射功率的调整。在完成网络拓扑平面化处理的基础上进行关键节点的探测，该探测工作分为三步：节点间相互发送数据包；根据收到的数据包进行邻节点和基本回路信息的收集；利用收集到的信息判断出网络中的关键节点。本发明可用在分布式无线网络的拓扑分割探测中。

Description

分布式无线网络关键节点探测方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及分布式网络中的拓扑控制技术，具体地说是一种分布式无线网络关键节点探测方法，可用在分布式无线网络的拓扑分割检测中。

背景技术

分布式无线网络Ad Hoc网络是由一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个多跳的临时性自治系统，高度的动态拓扑是Ad Hoc网络的一个显著特性，它使得Ad Hoc网络的应用面临非常严峻的挑战。然而，目前应用于Ad Hoc网络中的很多研究成果，如QoS保障机制，包括QoS多址接入、QoS路由等，都有一个默认的前提条件：网络是连通的。很显然，由于Ad Hoc网络拓扑结构具有动态变化性，无法确保网络的连通性，从而使以往的研究成果无法真正适用于实际的网络。因此，如何保证Ad Hoc网络在动态可变拓扑环境下不出现网络分割，将成为Ad Hoc网络技术发展的先决条件，也是Ad Hoc网络在未来通信中能够充分发挥其重要作用的基础。

目前，与网络拓扑控制相关的研究集中在如何增强网络的连通性上，其基本思路包括如何通过配置指定位置的额外节点来保证网络的连通性。另一类关于网络拓扑控制的研究称为网络的拓扑分割探测。拓扑分割探测技术的研究一方面体现在如何发现网络已经分割，从而迅速采取相应措施；而另一方面则集中讨论对于一个网络如何发现那些可能使网络分割的节点，从而采取相应措施避免网络出现分割。

Hartmut Ritter等人提出了一种应用于Ad Hoc网络中的拓扑分割探测系统，该系统通过确定边缘节点和交换握手信息等策略完成拓扑分割探测。但是该策略存在明显的漏洞，Hartmut Ritter等将邻节点数少的节点确定为边缘节点，这些节点将成为重点维护对象。而在实际网络中，邻节点数很多的节点反而会成为网络中的核心节点，这些节点的故障将直接导致网络分割。

Michael Hauspie等人提出了一种使用不相交路径集判断网络分割的策略。但是，该策略要求网络中各节点获取完整的网络拓扑信息，以计算网络中任意节点对之间的不相交路径集。显然该策略存在着扩展性问题，在网络规模比较大时，获取网络的完整拓扑信息的代价非常大，因此该算法在大规模网络中并不适用。

利用深度优先搜索DFS提出了一种比较快的检测割点，即关键节点的全局算法，这是一种集中式算法。由于检测割点可在DFS实现的进程中执行，所以工作只花费线性的时间，但是由于算法是全局性的，并不实用于Ad Hoc网络中。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种分布式无线网络关键节点探测方法，用来快速、准确地检测出网络中所有的关键节点，以解决分布式无线网络的拓扑分割问题。

本发明的技术方案是：在一个平面化网络中，对于网络中的任意节点，若其度数N和该点所参与的基本回路的数目M满足N-M≥2，则该节点为关键节点，否则为普通节点，其中节点的度数即为其邻节点的数目。据此，对任意网络进行拓扑控制，得到平面化的网络拓扑结构，然后通过交互信息，收集各个节点的邻节点和基本凹路数目信息，按照关键节点的判断准则，判断出网络中的关键节点，该方法即为分布式无线网络关键节点探测方法，其具体实现步骤如下：

(1)首先进行网络拓扑的平面化，以获得平面化的网络拓扑结构。该过程包括两个方面：通过相关邻近图法，即RNG法对网络拓扑进行平面化；对用RNG法得到的RNG图进行发射功率的调整。其具体步骤如下：

①采用RNG法对网络平面化，其方法是：对于一个数目有限的节点集合V，其相关邻近图RNG(V)是由该集合V和RNG(V)边集组成的，这些边的两个端点i和j必须满足：d(i，j)≤max{d(i，p)，d(p，j)}，其中节点p是i和j的邻节点，d(i，j)表示节点i，j之间的几何距离。

②在得到RNG图后，图中的所有节点根据距其最远邻节点的距离来调整自己的发射功率，从而使网络中的所有回路都成为一个基本回路。其方法是：节点i收集到RNG(i)边集后，选取其中最长的一条边，按照发射功率Pt和接收功率Pr之间的关系：

P_t/P_r＝βmax{d(i，j)|e(i，j)∈RNG(i)}

其中β为常量，d(i，j)表示节点i，j之间的几何距离，e(i，j)表示以节点i，j为端点的一条边，在给定Pr后，根据d(i，j)来调整发射功率；所说的基本回路是指如果一条回路包含的区域内既没有边也不存在点，则称该回路为一个基本回路。

(2)在完成网络拓扑平面化处理的基础上进行关键节点的探测，该探测工作分为三步：发送数据包，收集信息和判断关键节点，其具体步骤如下：

①发送数据包

节点间通过相互发送数据包来获取信息，采用的数据包结构为：发送地址、目的地址、源地址、路径信息、跳数。发送地址是指发送节点的ID号；目的地址为广播地址；源地址是指触发节点的ID号；路径信息是由数据包所走过的所有节点的ID号组成；跳数是指数据包的最大转发次数。

②收集信息

节点收到发送的数据包后，开始信息的收集工作，该信息包括邻节点信息和基本回路信息。根据包的发送地址收集邻节点信息，根据包的路径信息收集基本回路信息。根据包的跳数设定不同，可分别采用全局信息收集法和局部信息收集法收集信息，其中全局信息收集法是任选一个节点作为触发节点，开始全网泛洪数据包，直至信息收集完毕，其包的跳数＝∞；局部信息收集法是任选一个节点作为触发节点，开始以跳数为半径的范围内泛洪数据包，依次让边缘节点进行接续，发起新的局部范围内的泛洪，直至泛洪区域覆盖全网，其包的跳数＜∞。

③关键节点的判断

根据收集到的信息进行关键节点的判断，当收集到各个节点的邻节点和基本回路信息后，求出两者数目间的差值，按照关键节点的判断准则：当邻节点数目N和基本回路数目M的差值≥2时，该节点为关键节点，否则该节点为普通节点。

本发明具有如下的优点：

(1)本发明所提出的关键节点探测方法是分布式的，该方法的判断准则简单，易于实现，并可以快速地完成探测工作，为分布式网络提供了一种有效的检测拓扑分割的方法。

(2)本发明针对不同规模的网络提出了全局和局部两种情形下的关键节点探测方法，故本发明不受网络规模的限制。

附图说明

图1是本发明的实现流程图

图2是RNG法的流程图

图3是本发明全局信息收集法的实现流程图

图4是本发明局部信息收集法的实现流程图

图5是本发明仿真方法准确性时采用的网络拓扑图

图6是本发明全局和局部两种算法的网络业务量仿真曲线图

图7是本发明仿真可变跳数时采用的网络拓扑图

图8是本发明跳数K对查找结果的影响仿真曲线图

图9是本发明仿真网络拓扑平面化时采用的网络拓扑图

图10是本发明得到的RNG图

图11是本发明对RNG图调整发射功率后的网络拓扑图

具体实施方式

参照图1，它是本发明的实现流程图，结合附图说明其实现步骤。

本发明首先对变量进行初始化。令节点i的邻节点表、基本回路矩阵、单位圆图Eudg(i)、RNG边集Erng(i)为空，邻节点数目、基本回路数目为零，初始时网络中所有节点的最大覆盖半径均为R。在初始化后，开始具体的实现步骤：

(1)首先进行网络拓扑的平面化，以获得平面化的网络拓扑结构。该过程包括两个方面：通过相关邻近图法，即RNG法对网络拓扑进行平面化；对用RNG法得到的RNG图进行发射功率的调整。其具体步骤如下：

①采用RNG法对网络拓扑进行平面化。

图2是RNG法的流程图。平面化的网络拓扑结构是指网络的拓扑结构中不含相互交叉的链路。Lune(i，j)表示以节点i，j为中心，半径为R的两个圆的交集，e(i，j)表示以节点i，j为端点的一条边。首先节点i广播含有自己节点标号和位置信息的数据包给通信范围内的节点，然后等待数据包的到达，若没有数据包到达，则继续等待；若收到来自节点j的数据包，节点i做如下处理：

a)将e(i，j)添加到Eudg(i)中。

b)节点i检查Eudg(i)中是否含有e(i，w)，其中w在Lune(i，j)中，若不存在这样的边，将e(i，j)添加到Erng(i)中。

c)节点i检查j是否在Erng(i)的任意e(i，x)的Lune(i，x)中，若在，则从Erng(i)中消除e(i，j)。

处理完毕后，节点i继续等待新数据包到达，若一段时间内没有数据包到达，则算法结束，否则重复以上步骤。

②调整节点的发射功率。网络中的所有节点根据收集到的RNG边集，选取距离最长的边，按照发射功率Pt和接收功率Pr之间的关系：

P_t/P_r＝βmax{d(i，j)|e(i，j)∈RNG(i)}

其中β为常量，d(i，j)表示节点i，j之间的几何距离，在给定Pr后，根据d(i，j)来调整发射功率。

(2)在完成网络拓扑平面化处理的基础上进行关键节点的探测，该探测工作分为三步：发送数据包，收集信息和判断关键节点，其具体步骤如下：

①在网络的拓扑平面化后，节点间开始发送数据包。首先构造由发送地址、目的地址、源地址、路径信息、跳数组成的数据包。然后任选一个节点作为触发节点，开始数据包的广播工作。此时令发送地址为触发节点ID号；目的地址为广播地址；源地址为触发节点ID号；路径信息为空；跳数在全局时为∞，局部时为有限值K。

②节点根据收到的数据包，进行信息的收集工作。在全局和局部信息收集法中，邻节点信息的收集均是根据包的发送节点查找邻节点表，若表中已存在该节点，则不更新，否则将其添加到邻节点表中，并令邻节点数目N++。而全局和局部信息收集法中，基本回路的收集处理是不同的。本发明中所说的基本回路是指如果一条回路包含的区域内既没有边也不存在点，则称该回路为一个基本回路。

③根据收集到的信息，按照本发明的关键节点判断准则，进行关键节点的判断。若节点的邻节点数目N和基本回路数目M间的差值≥2，则该节点是关键节点，否则该节点是普通节点。关键节点是指当移走某个节点和与之相连的所有边后，网络会断开为几部分，这样的节点称为关键节点；网络中除关键节点外的其它所有节点称为普通节点。

参照图3，它是全局信息收集法的流程图。从网络中任选一个节点作为触发节点，开始广播数据包。网络中任意节点i等待数据包的到达，若没有则继续等待，若收到节点j广播的数据包做如下处理：

①节点i获取数据包的发送节点j的信息，检查节点j是否已经在节点i的邻节点表中，若存在则执行下述步骤②；否则节点i更新其邻节点表，并令邻节点数目N++。

②节点i检查数据包中的路径信息，并判断该路径信息中是否存在节点i的邻节点。若节点i的邻节点个数≥2，则将其中的任意两个邻节点两两组合，并将这两个节点作为起点和终点的路径提取出来，加入节点i组成基本回路。节点i依次检查上述新构成的基本回路是否已存在于节点i的基本回路矩阵中，若存在，则直接执行步骤③；若不存在，则更新基本回路矩阵，令基本回路数目M++，再执行步骤③；

③节点i检查该数据包是否为第一次到达，若是，则将自己写入到包的路径信息中，继续广播数据包，若不是，则销毁该数据包。

参照图4，它是局部信息收集法的流程图。在局部情形下，数据包的广播将被限制在一个转发次数K内，数据包每中转一次，转发次数就减少一次，当转发次数减少到0时，该包将被销毁，从而限制了包的发送范围。当某一节点m收到一个转发次数减少到0的数据包，并且该节点没有进行过任何发送，则节点m将重新发起一次广播，节点m即为一个边缘节点。在局部广播情形下，任选一个节点作为触发节点，开始广播数据包。网络中的节点i等待数据包的到达，若没有则继续等待，若收到来自节点j的数据包则做如下处理：

①节点i获取数据包的发送节点j的信息，检查节点j是否已经在节点i的邻节点表中，若存在则执行下述步骤②；否则节点i更新其邻节点表，并令邻节点数目N++。

②节点i检查数据包中的路径信息，并判断该路径信息中是否存在节点i的邻节点：

a)路径信息中的邻节点个数＝1：在节点i记录的路径信息中查找仅含有一个邻节点的路径信息，并判断是否已记录有含该邻节点的路径，若是，销毁该数据包，转④；否则将该路径信息添加到节点i的路径表中，并与路径表原来的路径两两结合，从新路径中提取基本回路，检查新构成的基本回路是否已存在于节点i的基本回路矩阵中，若存在，则直接执行步骤③；若不存在，则更新基本回路矩阵，令基本回路数目M++，再执行步骤③。

b)路径信息中的邻节点个数≥2：则将其中任意两个邻节点两两组合，并将以这两个邻节点作为起点和终点的路径提取出来，加入节点i组成基本回路。节点i依次检查上述新构成的基本回路是否已存在于的基本回路矩阵中，若存在，则直接执行步骤③；若不存在，则更新基本回路矩阵，令基本回路数目M++，再执行步骤③。

③节点i判断数据包是否已达到转发次数，若没达到，则执行第④步；若到达则节点i检查自己在此之前有没有进行过任何发送，若没有，则销毁该数据包，并开始一次新的广播，若节点i已进行过发送，则销毁该数据包。

④将数据包的转发次数减一，并检查该数据包是否第一次到达，若是，则将节点i写入在该数据包的路径信息中，继续广播数据包，若不是，则销毁该数据包。

为了检验方法的准确性和参数的影响，本发明使用OPNET 10.0.5作为仿真工具，对本发明提出的方法和DFS算法进行了仿真，研究了在不同网络规模下方法的性能，进一步讨论了网络的主要参数对其性能的影响。

(1)为了检验方法的准确性，本发明首先在一个平面化网络中运行全局和局部两种算法，设置了仿真序列。采用全局信息收集法的探测方法称为全局算法，类似的，采用局部信息收集法的探测算法称为局部算法。在这个仿真中，网络规模选为500×500m²，节点不移动，为静态网络下的仿真，共仿真了四种网络规模，局部算法的跳数选取8。

参照图5，它是四种网络规模的的拓扑结构图，对这组网络分别采用全局算法、局部算法和DFS算法进行关键节点探测，探测结果如表1所示。从表1中可以看到，两种关键节点查找算法均可准确的查找到网络的关键节点。由于此网络规模较小，里面没有出现跳数很多的基本回路，故局部算法时，跳数K＝8可以查找到所有的基本回路。

表1两种算法的查找结果

参照图6，它是全局和局部算法下的网络业务量图。从图中可以看到，局部算法的网络业务量明显比全局算法的网络业务量要小很多。并且网络规模越大，这种优势越明显，但由于局部算法受跳数K的限制，因此可以根据网络规模，酌情选择合适的算法：当规模较小时，可采用全局算法；当规模较大时，可采用局部算法，从而到达探测方法不受网络规模限制的目的。

(2)跳数K对局部算法来说是个十分重要的参数，为了研究跳数K对关键节点探测方法性能的影响，本发明对同一个网络，通过设置不同的跳数，进行了多组仿真。参照图7，它是仿真可变跳数的网络拓扑结构图，本发明对图7所示的网络仿真6次，分别选取不同的跳数K值，探测结果见表2。

表2不同跳数的查找结果

参照图8，它是从上述仿真中得到的关键节点个数和跳数K的关系曲线图。这个网络中，最大基本回路的跳数为12，其次为9，结合图8和表2可以看出，当跳数K≥7时，能够准确的查找到网络中所有的关键节点，随着K的递减，查找到的关键节点数目越来越多，但均包含了正确的关键节点，这主要是因为跳数的限制，导致无法收集到跳数多的基本回路。故跳数的选择应考虑网络中最大基本回路的跳数，一般应该大于最大基本回路跳数的一半，但跳数也不应该选的太大，因为跳数越大，网络的业务量也随之增加，故选取能正确探测到网络中所有基本回路的最小跳数值即可。

(3)为了得到平面化的网络拓扑结构，本发明对任意网络进行了仿真，参照图9、10、11，它们分别是原始网络拓扑图、相应的RNG图、调整发射功率后的网络拓扑图。从图9、10和11可以看到，经过RNG法及功率调整后，可以得到平面化的网络拓扑图。

Claims (1)

1.分布式无线网络关键节点探测方法，该方法的实施步骤如下：

(1)首先进行网络拓扑的平面化，以获得平面化的网络拓扑结构，该过程包括两个方面：通过相关邻近图法，即RNG法对网络拓扑进行平面化；对用RNG法得到的RNG图进行发射功率的调整，其具体步骤如下：

①采用RNG法对网络平面化，其方法是：对于一个数目有限的节点集合V，其相关邻近图RNG(V)是由该集合V和RNG(V)边集组成的，这些边的两个端点i和j必须满足：d(i，j)≤max{d(i，p)，d(p，j)}，其中节点p是i和j的邻节点，d(i，j)表示节点i，j之间的几何距离；

②在得到RNG图后，图中的所有节点根据距其最远邻节点的距离来调整自己的发射功率，从而使网络中的所有回路都成为一个基本回路，其方法是：节点i收集到RNG(i)边集后，选取其中最长的一条边，按照发射功率Pt和接收功率Pr之间的关系：

P_t/P_r＝βmax{d(i，j)∈RNG(i)}

其中β为常量，d(i，j)表示节点i，j之间的几何距离，e(i，j)表示以节点i，j为端点的一条边，在给定Pr后，根据d(i，j)来调整发射功率；所说的基本回路是指如果一条回路包含的区域内既没有边也不存在点，则称该回路为一个基本回路；

(2)在完成网络拓扑平面化处理的基础上进行关键节点的探测，该探测工作分为三步：发送数据包，收集信息和判断关键节点，其具体步骤如下：

①发送数据包

节点间通过相互发送数据包来获取信息，采用的数据包结构为：发送地址、目的地址、源地址、路径信息、跳数；发送地址是指发送节点的ID号，目的地址为广播地址，源地址是指触发节点的ID号，路径信息是由数据包所走过的所有节点的ID号组成，跳数是指数据包的最大转发次数；

②收集信息

节点收到发送的数据包后，开始信息的收集工作，该信息包括邻节点信息和基本回路信息，根据包的发送地址收集邻节点信息，根据包的路径信息收集基本回路信息，根据包的跳数设定不同，可分别采用全局信息收集法和局部信息收集法收集信息，其中全局信息收集法是任选一个节点作为触发节点，开始全网泛洪数据包，直至信息收集完毕，其包的跳数＝∞；局部信息收集法是任选一个节点作为触发节点，开始以跳数为半径的范围内泛洪数据包，依次让边缘节点进行接续，发起新的局部范围内的泛洪，直至泛洪区域覆盖全网，其包的跳数＜∞；

③关键节点的判断

根据收集到的信息进行关键节点的判断，当收集到各个节点的邻节点和基本回路信息后，求出两者数目间的差值，按照关键节点的判断准则：当邻节点数目N和基本回路数目M的差值≥2时，该节点为关键节点，否则该节点为普通节点。

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