CN101114983B - 一种提高网络容量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种提高网络容量的方法，包括：A、在网络中不存在连接的两节点之间增加一条边，计算整个网络Betweenness值之和，以及整个网络Betweenness值的标准差；B、重复执行步骤A，对每一种在不存在连接的两节点之间增加一条边的方式，分别计算整个网络Betweenness值之和，以及整个网络Betweenness值的标准差；C、判断是否存在一种加边的方式，如果存在，则执行步骤D，并结束；否则，执行步骤E；D、按照该整个网络Betweenness值之和，以及整个网络Betweenness值的标准差均为最小的增加边的方式，在网络中增加一条边；E、选择一种实际网络容量大的增加边的方式，按照该增加边的方式在网络中增加一条边。利用本发明，提高了网络容量，避免了不必要的网络设备升级，降低了提高网络容量的成本。

Description

一种提高网络容量的方法

技术领域

本发明涉及网络的拓扑容量技术领域，尤其涉及一种提高网络容量的方法。

背景技术

随着互联网的普及和发展，各种新兴的Internet业务不断涌现，对带宽和网络设备的要求越来越高。为了获得令人满意的服务质量，缓解拥塞状况，大多数网络运营决策人员会选择扩容或者更换网络设备，而很少尝试对已有的网络拓扑作些小小的改变来提高网络性能。这样一来，导致提高网络容量的成本大幅增加。

而事实上，系统的动态特征与网络的静态结构之间的关系非常密切，例如系统的网络流量与网络的拓扑结构之间关系就非常密切。

传统的提高网络容量的方法是应用组合优化方法求解。对网络容量问题的研究主要集中在最大流最小割定理的应用和扩展。定义网络最大流为网络容量，利用最小割找出网络瓶颈部位。采用的方法没有考虑通信网络的路由问题。据此提出的网络扩容算法，实用性不强，操作复杂。

目前流行的方法是研究拓扑结构特征参数和网络容量的关系。网络拓扑容量为网络中路由器排队系统的缓冲队列长度从有限到无限增加转变时或者路由器平均吞吐量由升转降时系统的临界载荷。网络拓扑结构特征参数包括：节点度、网络直径、中心度等。

其中，节点度是指进入或离开某一节点的边数，在无向图中即是与某一节点相连的边数。而中介中心性(Betweenness Centrality，简称Betweenness)比其它特征参数更好地描述了一个网络中节点可能需要承载的流量。Betweenness的具体定义如下：

如果记网络拓扑图中任意两点s、d之间的最短路径条数为σ_sd，而这些最短路径中经过节点w的条数为σ_sd(w)，那么节点s、d之间经过w的最短路径条数占s、d间总的最短路径条数的比例为σ_sd(w)/σ_sd，在此基础上，节点w的Betweenness定义为：

$C_B\left(w\right)=\underset{s\∈V}{\mathrm{\Σ}}\underset{d\≠s\∈V}{\mathrm{\Σ}}\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sd}}\left(w\right)}{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{sd}}}$

一个节点的Betweenness值越大，流经它的数据分组越多，意味着它更容易拥塞，成为网络的瓶颈。因此，研究Betweenness和网络容量的关系，对缓解网络瓶颈压力，提高网络容量有着重要意义。

但是，目前还没有一种基于Betweenness的提高网络容量的方法。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种提高网络容量的方法，以缓解网络拥塞，提高网络容量，并避免不必要的网络设备升级，降低提高网络容量的成本。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种提高网络容量的方法，网络中任意两节点之间的连接为边，该方法包括：

A、在网络中不存在连接的两节点之间增加一条边，计算整个网络中介中心性Betweenness值之和，以及整个网络Betweenness值的标准差；

B、重复执行步骤A，对每一种在不存在连接的两节点之间增加一条边的方式，分别计算整个网络Betweenness值之和，以及整个网络Betweenness值的标准差；

C、判断是否存在一种加边的方式，使得整个网络Betweenness值之和，以及整个网络Betweenness值的标准差均为最小，如果存在，则执行步骤D，并结束；否则，执行步骤E；

D、按照该整个网络Betweenness值之和，以及整个网络Betweenness值的标准差均为最小的增加边的方式，在网络中增加一条边；

E、在使得整个网络Betweenness值之和最小，以及使得整个网络Betweenness值的标准差最小的两种加边方式中，选择一种实际网络容量大的增加边的方式，按照该增加边的方式在网络中增加一条边。

步骤A中所述在网络中不存在连接的两节点之间增加一条边之后进一步包括：计算网络中各节点的Betweenness值；步骤A中所述计算整个网络中介中心性Betweenness值之和，以及整个网络Betweenness值的标准差，均根据计算出的各节点的Betweenness值进行。

步骤A中所述在网络中不存在连接的两节点之间增加一条边包括：在网络中不存在连接的任意两个节点之间增加一条边；步骤B中所述不存在连接的两节点为：网络中不存在连接的且任意的两个节点。

步骤A中所述在网络中不存在连接的两节点之间增加一条边包括：在网络中不存在连接的且对提高网络容量影响大的两个节点之间增加一条边；步骤B中所述不存在连接的两节点为：网络中不存在连接的且对提高网络容量影响大的两个节点。

当网络中所有节点的Betweenness值按照由大到小的顺序排成一个序列时，所述对提高网络容量影响大的节点为：所述Betweenness值位于所述序列中排在前5％至前10％范围内的节点。

当网络中所有节点的Betweenness值按照由大到小的顺序排成一个序列时，所述对提高网络容量影响大的节点为：所述Betweenness值位于所述序列中排在前10％至前30％范围内的节点。

步骤A中所述在网络中不存在连接的两节点之间增加一条边之前进一步包括：判断网络中节点的数目是否大于经验值，如果大于，则去掉对提高网络容量影响小的节点，直至网络中节点的数目不大于经验值，或者去掉网络中的任何一个节点都会对网络容量造成很大影响而无法再去掉节点为止，并继续执行步骤A；否则，继续执行步骤A。

所述经验值为500至1000之间的整数。

所述对提高网络容量影响小的节点为节点度为1的节点，即只有一条边与其他节点相连的节点。

步骤E中所述选择一种实际网络容量大的增加边的方式采用仿真或实际测试的方法进行。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1、利用本发明，利用网络静态结构特征参数，改变网络动态流量分布，对网络容量能方便地进行定量和定性分析，选择在不存在连接的两节点之间增加一条边，提高了网络容量，缓解了网络拥塞。

2、本发明操作简单，效果明显，不但能够大幅提高网络容量，缓解网络拥塞，而且避免了不必要的网络设备升级，降低了提高网络容量的成本。

3、本发明不同于现有的提高网络容量的方法，可操作性强，便于广泛的推广和应用。

附图说明

图1为本发明提供的提高网络容量总体技术方案的实现流程图；

图2为依照本发明实施例在未加边时网络拓扑结构示意图；

图3为本发明实施例中提供的提高网络容量的方法流程图；

图4为依照本发明实施例在节点0与节点7之间加边时网络拓扑结构示意图；

图5为依照本发明实施例在节点0与节点8之间加边时网络拓扑结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

如图1所示，图1为本发明提供的提高网络容量总体技术方案的实现流程图，该方法具体包括以下步骤：

步骤101：在网络中不存在连接的两节点之间增加一条边，计算整个网络Betweenness值之和，以及整个网络Betweenness值的标准差；

步骤102：重复执行步骤101，对每一种在不存在连接的两节点之间增加一条边的方式，分别计算整个网络Betweenness值之和，以及整个网络Betweenness值的标准差；

步骤103：判断是否存在一种加边的方式，使得整个网络Betweenness值之和，以及整个网络Betweenness值的标准差均为最小，如果存在，则执行步骤104，并结束；否则，执行步骤105；

步骤104：按照该整个网络Betweenness值之和，以及整个网络Betweenness值的标准差均为最小的增加边的方式，在网络中增加一条边，提高网络容量；

步骤105：在使得整个网络Betweenness值之和最小，以及使得整个网络Betweenness值的标准差最小的两种加边方式中，选择一种实际网络容量大的增加边的方式，按照该增加边的方式在网络中增加一条边，提高网络容量。

上述步骤101中所述在网络中不存在连接的两节点之间增加一条边之后进一步包括：计算网络中各节点的Betweenness值；所述计算整个网络中介中心性Betweenness值之和，以及整个网络Betweenness值的标准差，均是根据计算出的各节点的Betweenness值进行的。

上述步骤101中所述在网络中不存在连接的两节点之间增加一条边，可以在网络中不存在连接的任意两个节点之间增加一条边，也可以在网络中不存在连接的且对提高网络容量影响大的两个节点之间增加一条边。

当在网络中不存在连接的任意两个节点之间增加一条边时，步骤102中所述不存在连接的两节点为网络中不存在连接的且任意的两个节点。

当在网络中不存在连接的且对提高网络影响大的两个节点之间增加一条边时，步骤102中所述不存在连接的两节点为网络中不存在连接的且对提高网络容量影响大的两个节点。

所述对提高网络影响大的节点，一般情况下，当网络中所有节点的Betweenness值按照由大到小的顺序排成一个序列时，位于所述序列中排在前5％至前10％范围内的节点即为对提高网络容量影响大的节点。

例如，假设网络中共有1至100共100个节点，各节点的Betweenness值分别为1至100，则Betweenness值排在前5％至前10％范围内的节点，即Betweenness值为91至95范围内的节点为对提高网络容量影响大的节点。

上述仅为在一般情况下对提高网络容量影响大的节点的取值范围。在某些情况下，对提高网络容量影响大的节点也可能位于其他的范围内，例如Betweenness值位于所述序列中排在前10％至前30％范围内的节点等，一般还要根据具体情况具体分析，这里就不再赘述。

如果网络的规模太大，节点的数目太多，则计算量将会非常大。为了提高效率，上述步骤101中所述在网络中不存在连接的两节点之间增加一条边，计算网络中各节点的Betweenness值之前还可以进一步包括：判断网络中节点的数目是否大于经验值，如果大于，则去掉对提高网络容量影响小的节点，直至网络中节点的数目不大于经验值，或者去掉网络中的任何一个节点都会对网络容量造成很大影响而无法再去掉节点为止，并继续执行步骤101；否则，继续执行步骤101。

所述经验值一般为500至1000之间的整数，可以为500、600、……、1000等。所述对提高网络容量影响小的节点为节点度为1的节点，即只有一条边与其他节点相连的节点。

步骤105中所述选择一种实际网络容量大的增加边的方式采用仿真或实际测试的方法进行。

基于图1所述的提高网络容量总体技术方案的实现流程图，以下结合具体的实施例对本发明提高网络容量的方法进一步详细说明。

实施例一

在本实施例中，为简明起见，采用了图2所示的包括12个节点和12条边的网络拓扑图。

如图2所示，图2为依照本发明实施例在未加边时网络拓扑结构示意图。在图2中的黑点表示实际网络中的路由器、交换机等交换节点，与其连接的终端与本方案的实施无关，故略去。旁边括号中左边的数字代表节点号，右边的数字是通过计算得到的该节点的Betweenness值，两节点之间的连线表示节点与节点之间的边。应该说明的是，图2所示的网络拓扑结构示意图仅用于对本发明提供的技术方案进行举例说明，并不用于限制本发明，实际情况下网络的拓扑结构一般都将远比此复杂。

如图3所示，图3为本发明实施例中提供的提高网络容量的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤301：在网络中不存在连接的任意两个节点之间增加一条边，分别计算各节点的Betweenness值，并根据计算出的各节点的Betweenness值计算整个网络Betweenness值之和，以及整个网络Betweenness值的标准差，直至穷尽在原网络中不存在连接的任意两个节点之间都增加一条边的情况为止。

另外，计算网络中各节点的Betweenness值的方法为现有技术，具体可以参考《计算机研究与发展》Vol.43.2006中《基于回溯机制的互联网AS拓扑的Betweenness算法》。

步骤302：判断是否存在一种增加边的方式，在该方式下计算出的整个网络Betweenness值之和，以及整个网络Betweenness值的标准差均为最小，如果存在，则执行步骤303；否则，执行步骤304。

步骤303：按照加一条边之后整个网络Betweenness值之和，以及整个网络Betweenness值的标准差均为最小的增加边的方式，在网络中增加一条边，提高网络容量，并结束。

步骤304：选择一种整个网络Betweenness值之和最小的增加边的方式，和一种整个网络Betweenness值的标准差最小的增加边的方式；

经过步骤301得到本实施例中，在节点0与节点7之间增加一条边，整个网络各节点的Betweenness值之和最小，为438.0，而整个网络Betweenness值的标准差为19.805；

在本步骤中，具体在节点0与节点7之间增加一条边后网络拓扑结构示意图如图4所示；

经过步骤301得到本实施例中，在节点0与节点8之间增加一条边，整个网络各节点的Betweenness值的标准差最小，为18.550，而整个网络各节点的Betweenness值之和为458.0；

在本步骤中，具体在节点0与节点8之间增加一条边后网络拓扑结构示意图如图5所示。

步骤305：采用仿真或实际测试的方法，从上述选择的两种增加边的方式中选择一种实际网络容量大的增加边的方式，按照该增加边的方式在网络中增加一条边，提高网络容量。

在本发明所举这个实施例中，为简明起见，网络中仅有12个节点，远小于实际网络拓扑中节点的数目，也远小于针对实际网络拓扑所设定的经验值，所以在执行步骤301之前，并未判断网络中节点的数目是否大于经验值。在实际应用中，由于网络中的节点数目较多，一般远大于针对实际网络拓扑所设定的经验值，因此，需要进一步在执行所述在网络中不存在连接的任意两个节点之间增加一条边，分别计算各节点的Betweenness值，并根据计算出的各节点的Betweenness值计算整个网络Betweenness值之和，以及整个网络Betweenness值的标准差之前，判断网络中节点的数目是否大于经验值。这样的技术方案与本发明提供的技术方案在技术思路上是一致的，应包含在本发明的保护范围之内。

在本发明所举这个实施例中，在不存在连接的两个节点之间增加一条边时，是在不存在连接的任意两个节点之间增加一条边，然后从所有增加边的方式中选择一种最优的增加边的方式，并按照该方式在网络中增加一条边，以提高网络的容量。在实际应用中，为了减少计算的工作量，提高效率，也可以在网络中不存在连接的且对提高网络容量影响大的两个节点之间增加一条边。这样的技术方案与本发明提供的技术方案在技术思路上是一致的，应包含在本发明的保护范围之内。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种提高网络容量的方法，网络中任意两节点之间的连接为边，特征在于，该方法包括：

A、在网络中不存在连接的两节点之间增加一条边，计算整个网络中介中心性Betweenness值之和，以及整个网络Betweenness值的标准差；

B、重复执行步骤A，对每一种在不存在连接的两节点之间增加一条边的方式，分别计算整个网络Betweenness值之和，以及整个网络Betweenness值的标准差；

C、判断是否存在一种加边的方式，使得整个网络Betweenness值之和，以及整个网络Betweenness值的标准差均为最小，如果存在，则执行步骤D，并结束；否则，执行步骤E；

D、按照该整个网络Betweenness值之和，以及整个网络Betweenness值的标准差均为最小的增加边的方式，在网络中增加一条边；

E、在使得整个网络Betweenness值之和最小，以及使得整个网络Betweenness值的标准差最小的两种加边方式中，选择一种实际网络容量大的增加边的方式，按照该增加边的方式在网络中增加一条边。

2.根据权利要求1所述的提高网络容量的方法，其特征在于，

步骤A中所述在网络中不存在连接的两节点之间增加一条边之后进一步包括：计算网络中各节点的Betweenness值；

步骤A中所述计算整个网络中介中心性Betweenness值之和，以及整个网络Betweenness值的标准差，均根据计算出的各节点的Betweenness值进行。

3.根据权利要求1所述的提高网络容量的方法，其特征在于，

步骤A中所述在网络中不存在连接的两节点之间增加一条边包括：在网络中不存在连接的任意两个节点之间增加一条边；

步骤B中所述不存在连接的两节点为：网络中不存在连接的且任意的两个节点。

4.根据权利要求1所述的提高网络容量的方法，其特征在于，

步骤A中所述在网络中不存在连接的两节点之间增加一条边包括：在网络中不存在连接的且对提高网络容量影响大的两个节点之间增加一条边；

步骤B中所述不存在连接的两节点为：网络中不存在连接的且对提高网络容量影响大的两个节点。

5.根据权利要求4所述的提高网络容量的方法，其特征在于，当网络中所有节点的Betweenness值按照由大到小的顺序排成一个序列时，所述对提高网络容量影响大的节点为：

所述Betweenness值位于所述序列中排在前5％至前10％范围内的节点。

6.根据权利要求4所述的提高网络容量的方法，其特征在于，当网络中所有节点的Betweenness值按照由大到小的顺序排成一个序列时，所述对提高网络容量影响大的节点为：

所述Betweenness值位于所述序列中排在前10％至前30％范围内的节点。

7.根据权利要求1所述的提高网络容量的方法，其特征在于，步骤A中所述在网络中不存在连接的两节点之间增加一条边之前进一步包括：

判断网络中节点的数目是否大于经验值，如果大于，则去掉对提高网络容量影响小的节点，直至网络中节点的数目不大于经验值，并继续执行步骤A；否则，继续执行步骤A。

8.根据权利要求7所述的提高网络容量的方法，其特征在于，所述经验值为500至1000之间的整数。

9.根据权利要求7所述的提高网络容量的方法，其特征在于，所述对提高网络容量影响小的节点为节点度为1的节点，即只有一条边与其他节点相连的节点。

10.根据权利要求1所述的提高网络容量的方法，其特征在于，步骤E中所述选择一种实际网络容量大的增加边的方式采用仿真或实际测试的方法进行。

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