CN101483935B - 无线自组织网络的拓扑绘制算法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种适用于无线自组织网络的分布式网络拓扑图绘制算法。该算法依据网络中各个节点的邻居信息来绘制整个网络的拓扑图。以邻居个数最多的节点(或者指定节点)为中心节点，中心节点位于图的中心，其余节点均位于以中心节点所在位置为圆心的同心圆上，圆的半径随着距离中心节点跳数的增加而增大。该算法简单准确地再现网络的拓扑连接状况，为高效实现如路由、网络管理等网络的基本功能提供了依据。

Description

无线自组织网络的拓扑绘制算法

技术领域

本发明属于通信技术领域，涉及无线自组织网络，即Ad hoc网络。具体的说是一种无线自组织网络的拓扑图绘制算法，能够直观地动态地反映网络拓扑多变的Ad hoc网络的拓扑连接状况和大致准确的位置关系。 

背景技术

Ad hoc网络是一种由静止或者移动节点组成的临时性自治无线系统。它不依赖于现有的网络基础设施，依靠节点间的相互协作来完成节点彼此间的网络互联。Ad hoc网络主要应用于军方以及紧急突发场合和不易布线的临时场合。目前，Ad hoc网络正逐步向商业环境发展，如传感器网络、虚拟教室和家庭网络等。 

Ad hoc网络的特点主要体现在以下几个方面：(1)动态变化的网络拓扑结构：Ad hoc网络中没有固定的通信设施和中央管理设备，网络节点可以随机地以任何速度朝任何方向移动，造成网络拓扑的动态变化。(2)有限的资源：提供给Ad hoc网络中移动主机的工作能量是有限的；另一方面，网络本身提供带宽有限以及信号之间的冲突和干扰，使移动主机可得到的有限的传输带宽将远远小于理论上的最大带宽。(3)网络的分布式特性：Ad hoc网络中没有中心控制节点，主机通过分布式协议互联，某节点有故障，其余节点仍可正常工作，抗毁性强。(4)较低的安全性：Ad hoc网络节点之间通信通过无线信道，传输的信息非常容易受到监听、重发、篡改、伪造等各种攻击。(5)多跳通信：两个网络节点由于受到可用资源的限制，不能处在同一个覆盖网络内，可采用Adhoc网络多跳通信，实现不同覆盖网络之间源主机与目的主机的通信。 

目前对于Ad hoc网络研究最多的是路由协议，而对Ad hoc的网络管理和拓 扑绘制方面的研究尚少。随着网络技术的迅速发展，网络规模的不断扩大，网络结构更加复杂，网络功能更加强大，网络管理将成为网络系统运行好坏的关键，而对网络拓扑图的感知和绘制是其他网络管理如配置、性能、故障管理的基础，因此绘制网络拓扑图对于监视整个网络，保证网络高效稳定的运行是非常重要的。现有的Ad hoc网络拓扑图绘制大都依赖于一定的定位技术，如GPS或者UWB技术，需要额外设备且引入一定时延。由于Ad hoc网络拓扑的多变性，大多数情况下不需要知道网络节点的具体物理位置，而只需要知道它在网络中的大体相对位置以及与其他节点的邻接关系即可。因此需要一种简单有效且不依赖于其他技术的能够反映网络拓扑连接状况的拓扑绘制算法。 

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于无线自组织网络的简单有效地反映网络拓扑连接状况和大致位置关系的拓扑绘制算法。根据收集到的网络中各个节点的邻居信息，采用该算法绘制出反映节点邻接关系和相对位置的拓扑图，以方便对无线自组织网络进行网络管理。 

为了实现上述目的，本发明的具体步骤如下： 

第一步骤：判断邻居信息的有效性和完整性； 

首先确定所收集的邻居信息是完整有效的，否则后面的算法将无法正确地进行下去。这主要包括两部分内容：将失效的节点从邻居列表中剔除和将单向链路的情况进行特殊标记。 

第二步骤：对各节点邻居列表中的邻居节点进行排序，使之按照邻居个数由大到小降序排列； 

由于节点邻居个数越多，其参考价值就越大，所以在确定节点在图中的位置时先确定邻居个数比较多的节点，因此需要对节点邻居列表中的邻居节点进 行降序排列。 

第三步骤：确定中心节点的位置，并依次确定中心节点一跳邻居节点的位置； 

中心节点位于整个拓扑图的中心，其余节点位于以中心节点为圆心的同心圆上。首先确定中心节点的位置，然后根据其一跳邻居节点之间的邻接关系确定一跳邻居节点的位置。所有一跳邻居节点的位置均在以中心节点为圆心，R为半径的圆上，并且均分整个圆周。 

第四步骤：根据邻接关系确定中心节点多跳邻居节点的位置； 

根据多跳节点与位置已经确定的前一跳节点的邻接关系，确定其位置。根据其跳数，确定其所在圆周半径为跳数*R。 

附图说明

图1为拓扑绘制算法总流程图。 

图2为寻找邻居算法流程图。 

图3为使用拓扑绘制算法绘制的拓扑图实例。 

具体实施方式

下面结合算法的实施过程对本发明作进一步的描述，但该实施过程不应理解为对本发明的限制。 

该算法的目的是仅根据获知的邻居信息来绘制出能够反映网络连接关系和相对位置的拓扑图，以方便对网络进行管理。拓扑图的结构按如下思想设计：中心节点位于中心，其余节点均位于以中心节点为圆心的同心圆上，半径为其跳数乘以R。距离中心节点一跳的节点位于第一圈圆周上，且所有一跳节点平分整个圆周。首先确定邻居个数比较多的节点的位置，其余节点的具体位置使用寻找邻居算法(具体见图2)，根据与位置已确定节点之间的邻接关系来确定。 距中心节点多跳的邻居则根据其与跳数较少的内圈节点的邻接关系来确定。确定所有节点的坐标之后，再根据邻居列表信息连线完成整个拓扑图的绘制。算法总流程图见图1。 

在得到网络各节点的邻居信息后，首先检验这些信息的有效性和完整性，防止一些无效的内容影响后面算法的运行。经常会出现的问题有：节点失效问题和单向链路问题。由于无线自组织网络的终端经常是笔记本、PDA等设备，容易因为电量耗尽或者出现故障而导致节点失效。在这种情况下，其他节点可能没有来得及更新自己的邻居列表，因此仍把失效节点视为邻居。这种情况会导致在查询邻居信息时，由于找不到失效节点的信息而无法正常判断。因此首先要检测并从其他节点的邻居列表中剔除这种失效节点。由于无线信道的多变性和不稳定性，在运动或者有遮挡等情况下，经常会出现单向链路，需要对其进行特殊标记。该算法对单向链路进行检测并且记录。在确定节点位置时，由于此单向链路信息仍然有价值，故而将其视为双向链路来计算；而在绘图时，对单向链路以特殊颜色或者特殊类型的线表示。 

由于所有节点都分布在以中心节点为中心的同心圆上。所以中心节点的选择对拓扑图的结构有很大影响。一般来说，选择邻居个数最多的节点为中心节点，或者预先指定一个位于网络中心位置且运行比较稳定的节点作为中心节点。根据其他节点与中心节点之间的连接关系，确定各个节点距中心节点的跳数，即确定其应该位于哪个圆周上。节点的邻居个数越多，其参考价值越大，故而需要先计算邻居个数多的节点的坐标，因此将节点的邻居列表中的邻居节点按照邻居个数由多到少降序排列，依次确定节点的坐标位置。算法具体执行过程如下： 

1、确定中心节点的坐标，并依次确定中心节点的邻居即位于第一个圆 周上的一跳节点的坐标。 

中心节点O位于原点(0，0)。中心节点O的一跳邻居(为简便起见，之后“n跳邻居”等描述，均是指相对于中心节点O为n跳)位于以中心节点为圆心，半径为R的圆周上，且平分该圆周。第一步，计算出中心节点一跳邻居的总数n，则一跳邻居平分圆周的圆周角度数均为(2π/n)。一般将第一个被绘制的节点的角度α设为0，作为起始节点。可以根据半径R和各个节点的角度α(α＝m×(2π/n)，m≤n)来计算所有一跳节点的坐标，坐标为(R×cosα，R×sinα)。第二步，使用“寻找邻居算法”确定一跳邻居的具体摆放位置。首先说明两个主要变量：cur_angle_u和cur_angle_d。cur_angle_u和cur_angle_d分别代表逆时针和顺时针两个方向的可填补节点的位置的角度值，取值范围分别为(0，π]和(0，-π]，初始值分别为β和-β(β＝2π/n)。即以角度α为0的起始节点为比照点，每当在逆时针方向上绘制一个节点，则cur_angle_u的值加(2π/n)，cur_angle_d不变；同理，每当在顺时针方向上绘制一个节点，则cur_angle_d的值减(2π/n)，cur_angle_u不变。算法具体步骤如下：中心节点O的邻居列表中的节点即为所有一跳节点，且其顺序是按照邻居个数由大到小排列的。依次查询中心节点O的邻居列表，得到待确定节点tmp1，并再次在O的邻居列表中寻找出和tmp1有邻居关系的位置未确定且自身邻居个数最大的邻居节点tmp2，然后根据这两个节点与已经确定的一跳节点的相邻关系，分别确定其角度α。若tmp1没有位置未确定的一跳邻居，则按照以下方法计算tmp1的坐标。首先，计算与tmp1有邻接关系的已确定节点的角度的平均值comp_angle0。比较comp_angle0与cur_angle_u和cur_angle_d两个变量的差值的绝对值，并将tmp1节点的角度α设为与comp_angle0差值的绝对值较小的变量值(cur_angle_u或cur_angle_d)。同时将cur_angle_u或cur_angle_d的值增加或 减少β，使可填补节点的位置移到下一个节点处，为确定下一个节点的位置做好准备。至此，由于R已知，tmp1的坐标得到确定。若找到tmp1的一跳待确定邻居tmp2，则首先比较两个节点的位置已确定一跳节点的邻居关系数，以决定确定两个节点位置的先后顺序。邻居关系数较大的节点的坐标将首先被计算，然后计算关系数较小的节点坐标(注意此时关系数较小的节点的位置已确定邻居关系数应该加一)。坐标计算方法同以上计算tmp1节点坐标的方法相同。按照上述方法，依照邻居列表的顺序依次确定各个节点的角度值和坐标值。详细的寻找邻居算法见图2。 

2、根据邻接关系确定中心节点多跳邻居的位置； 

多跳邻居节点的坐标基本上是根据其与上一跳节点的邻接关系来确定的。所以绘制多跳邻居节点时需要先确定第n圈节点位置，然后才能确定第n+1圈节点位置。中心节点O的n跳邻居位于以中心节点O为圆心，半径为n*R的圆周上。可以根据半径n*R和各个节点的角度θ来计算所有n跳节点的坐标，坐标为(n*R×cosθ，n*R×sinθ)。首先根据第一圈节点的位置来确定距中心节点跳数为2的节点C的位置。若C只与第一圈的一个节点A有邻接关系，则C的角度θ就是A的角度值，若C与第一圈的多个节点都有邻接关系，则其角度θ为这些邻居节点角度的平均。若多个跳数为2的节点有完全相同的邻接关系，则根据绘制的先后顺序在原来计算结果的基础上偏移一个较小的角度 

(例如 

来防止节点重叠在一起。 

距离中心节点跳数大于2的节点也按照相同的方法来计算角度值并确定坐标值。最后根据邻接关系将各个节点使用带箭头的线连接起来形成最终的拓扑图。将其中的单向链路以特殊的颜色或者特殊类型的线表示。 

下面通过具体的实施例来阐述本发明提出的算法： 

表1中给出的是收集到的网络中节点的邻居列表。对其按照邻居个数由大到小进行排序后，得到的邻居列表由表2给出。使用该拓扑绘制算法，首先确定第一圈节点坐标：第一步，计算出平分圆心角度数为(2π/7)。第二步，使用“寻找邻居算法”确定一跳邻居的具体摆放位置。从4的邻接列表中依序取出邻居个数最多的节点5，并再次从4的邻接列表中依序找到5的一跳未确定邻居节点3，比较两点已确定邻居关系数(均为0)，选择首先确定5的位置为角度等于0的起始节点，并将其摆放在圆周相应位置上。然后计算3的位置，此时3的已确定邻居关系数为1，comp_angle0为0，cur_angle_u和cur_angle_d分别为(2π/7)和(-2π/7)。comp_angle0与cur_angle_u和cur_angle_d的差值的绝对值均为(2π/7)，则确定3的角度为(2π/7)，同时cur_angle_u的值加(2π/7)变为(4π/7)。之后依次确定6、1、9、8、2的位置，完成第一圈节点的坐标确定。接着确定第二圈节点7的坐标：因为7和一跳节点2、8有邻接关系，则7的角度为2和8角度的平均值。然后确定第三圈节点10的坐标：因为10只和两跳节点7有邻接关系，则10的角度为7的角度。终绘制出的拓扑图见图3。 

1	4  5  3  6  9
		2	4  5  8  7
3	4  5  1  6  9
		4	5  3  6  1  9  8  2
5	4  1  6  3  8  2
		6	4  5  1  3  9
7	8  2  10
		8	4  5  2  7
9	4  1  6  3
		10	7

表1邻居列表 

4	5 3 6 1 9 8 2
		5	4 1 6 3 8 2
1	4 5 3 6 9
		3	4 5 1 6 9
6	4 5 1 3 9
		2	4 5 8 7
8	4 5 2 7
		9	4 1 6 3
7	8 2 10
		10	7

表2排序后的邻居列表 

以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。 

通过本发明的拓扑绘制算法，能简单有效地绘制出反映网络连接关系和相对位置的拓扑图，方便对网络进行管理。 

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。 

以上所述仅为本发明的较佳实施而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种用于无线自组织网络的拓扑图绘制算法，其步骤如下：

A)获取网络中各节点的邻居信息并判断其有效性和完整性；

B)对各节点邻居列表中的邻居节点进行排序，使之按照邻居个数由大到小降序排列；

C)确定中心节点的位置，并依次确定中心节点一跳邻居节点的位置：中心节点位于原点(0，0)，中心节点的一跳邻居位于以中心节点为圆心，半径为R的圆周上，且平分该圆周；根据半径R和各个节点的角度α(α＝m×(2π/n)，n为一跳邻居的总数，m≤n)，计算一跳节点的坐标为(R×cosα，R×sinα)；中心节点的邻居列表中的节点即为所有一跳节点，确定一跳节点的位置时采用的是寻找邻居法：查询待确定节点A，并寻找出其邻居列表中邻居个数最大且位置未确定的邻居节点B，根据这两个节点与已经确定的一跳节点的相邻关系，分别确定其角度α；cur_angle_u和cur_angle_d两个变量分别代表逆时针和顺时针两个方向的可填补节点的位置的角度值，其初始值分别为β和-β(β＝2π/n)；若待确定节点A没有位置未确定的一跳邻居，则按照以下方法计算A的坐标：首先，A节点与已确定节点的邻接关系被转化为角度值comp_angle0，即与待确定节点A有邻接关系的已确定节点的角度的平均值，比较comp_angle0与cur_angle_u和cur_angle_d两个变量的绝对差值，并将A节点的角度α设为与comp_angle0绝对差值较小的变量值(cur_angle_u或cur_angle_d)，同时将cur_angle_u或cur_angle_d的值增加或减少β，使可填补节点的位置移到下一个节点处，为确定下一个节点的位置做好准备；若找到待确定节点A的一跳邻居B，则首先比较两个节点与位置已确定的一跳节点的邻居关系数，邻居关系数较大的节点的坐标将首先被计算，然后将关系数小的节点的位置已确定的邻居个数加一，并计算其坐标值，计算方法同以上计算A节点坐标的方法相同；一般将中心节点的邻居列表中第一个节点的角度α设为0，作为起始节点；按照上述方法，依照邻居列表的顺序依次确定各个节点的角度值和坐标值；

D)根据邻接关系确定中心节点多跳邻居节点的位置：多跳邻居节点的坐标是根据其与上一跳节点的邻接关系来确定的：首先根据第一圈节点的位置来确定距中心节点跳数为2的节点的位置，若与第一圈的多个节点都有邻接关系，则其角度θ为这些邻居节点角度的平均，若多个跳数为2的节点有完全相同的邻接关系，则在原来计算结果的基础上偏移一个较小的角度

来防止节点重叠在一起；距离中心节点跳数大于2的节点也按照相同的方法来计算角度值并确定坐标值；最后根据邻接关系将各个节点使用带箭头的线连接起来形成最终的拓扑图，将其中的单向链路以特殊的颜色或者特殊类型的线表示。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在拓扑结构变化频繁的无线自组织网络中，动态的绘制网络的拓扑图。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，拓扑图的绘制不依赖于任何其它定位技术，仅根据网络中节点间的邻居信息得到网络的拓扑图。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，网络中各节点均分布在以中心节点为圆心的同心圆上，圆的半径随着距离中心节点跳数的增加而增加，可以直观的反映各节点到中心节点的跳数。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，拓扑绘制算法可以对收集到的信息进行检验，剔除无效的节点，并且可以判断和显示单向链路。

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