CN102457425A - 大规模虚拟网络拓扑生成方法 - Google Patents

Abstract

大规模虚拟网络拓扑生成方法，本发明涉及一种能够生成符合层次性、度分布特征并包含带宽、IP等网络属性信息的网络拓扑建模方法，其特征在于将网络拓扑分成自治域、路由器和端系统三个层次，所述网络拓扑建模方法包含以下步骤：在自治域级采用幂率模型生成网络拓扑，其中每个节点代表一个自治域；为自治域间的连接(即边)分配带宽；为各自治域分配IP地址；将每个自治域节点扩展成路由器级拓扑结构；为该自治域添加端系统级拓扑；为路由器-路由器间、路由器-端系统间的连接(即边)分配带宽；为路由器和端系统分配IP地址；重新确定边界路由节点并连接以作为新的自治域间连接；将原有自治域间的连接带宽作为相应边界路由器间的连接带宽。

Description

大规模虚拟网络拓扑生成方法

技术领域

本发明属于网络拓扑领域，具体涉及一种能够生成具有大量节点且符合层次性、度分布特征并包含带宽、IP等网络属性信息的大规模网络拓扑建模和生成方法。

背景技术[DU3]

大规模网络拓扑生成技术能够生成具有大量节点且符合层次性、度分布特征并包含带宽、IP等网络属性信息的拓扑结构，是研究评估新协议、新应用以及探索蠕虫传播机制的重要基础。拓扑建模和拓扑生成器是大规模网络拓扑生成技术的两个主要研究领域。

根据现有研究进展可知，大规模网络拓扑生成技术主要分为随机型、层次型和幂率型三类，每类均包含相应的拓扑模型以及拓扑生成器。其中，随机型拓扑模型和拓扑生成器使用简便，但缺点在于无层次性特征，且出度频率呈泊松分布，不符合幂率特性。而层次型拓扑模型和拓扑生成器虽然较好地体现了大规模网络所具备的层次性特征，但由于来自同一层的节点出度接近，不同层间节点出度差别很大，故其缺点在于不能反映网络拓扑中存在的幂率等结构特性。随着研究人员发现Internet拓扑结构中所存在的幂率特性，体现大规模网络高度非均一性的拓扑模型成为研究热点，许多遵循幂率的拓扑生成模型以及拓扑生成器被开发了出来，为大规模网络拓扑生成提供了有力支持。

现有技术主要考虑的是网络拓扑结构中的自治域级和路由器级，并未加入端系统级，无法用于大规模网络拓扑的自动生成，且对带宽分配机制、IP地址自动生成策略涉及较少。本发明提出的大规模虚拟网络拓扑生成方法针对以上问题进行了改进，包含了自治域、路由器和端系统三个层次，并为其中各层均提供了可选的带宽分配机制和IP地址分配策略，使得网络结构和属性信息更为完整。

发明内容

本发明提供了一种能够生成符合层次性、度分布特征并包含带宽、IP等网络属性信息的网络拓扑建模方法，其特征在于将网络拓扑分成自治域、路由器和端系统三个层次，所述网络拓扑建模方法包含以下步骤：步骤1：在自治域级采用幂率模型生成网络拓扑，其中每个节点代表一个自治域；步骤2：为自治域间的连接(即边)分配带宽；步骤3：为各自治域分配IP地址；步骤4：将每个自治域节点扩展成路由器级拓扑结构；步骤5：为该自治域添加端系统级拓扑；步骤6：为路由器-路由器间、路由器-端系统间的连接(即边)分配带宽；步骤7：为路由器和端系统分配IP地址；步骤8：重新确定边界路由节点，并建立连接以作为新的自治域间连接[DU4]；步骤9：将原有自治域间的连接带宽作为相应边界路由器间的连接带宽。

优选地，步骤1中，首先，由m₀(m₀＞1)个起始节点组成一个连通图；然后，按时间顺序依次增添新节点，并将新节点连接到m(≤m₀)个不同的、已存在的节点上。新节点连接到节点i的概率∏取决于其出度k_i，即

优选地，步骤2和步骤6中，可选择四种带宽分配类型：恒定型，为所有连接指定一个固定的带宽数值；均匀型，带宽按照均匀分布规律在一个给定数值区间内取值；指数型，带宽数值符合指数分布规律；重尾型，带宽数值符合重尾分布规律。

优选地，步骤3中，根据网络规模、每个自治域内节点数量以及用户输入地址范围确定自治域网络地址，通常每个自治域分配1个A类地址。

优选地，步骤4中，用Waxman算法产生一个连通图作为当前自治域节点对应的路由器级拓扑结构。

优选地，步骤5中，采用星型网络结构；首先，根据网络规模和IP地址容量以及输入参数，随机选择路由器级拓扑结构中的路由器节点[DU5]，且需保证所选路由器节点不可为边界路由节点；然后，为该路由器节点随机生成一定数量的端系统，并以星型拓扑的形式将这些端系统连接到该路由器节点上。

优选地，步骤7中，首先，根据对应自治域节点网络地址，为路由器级拓扑中的节点分配IP地址，其网络地址与相应自治域地址相同，点分结构最后一段值为1，中间的地址根据节点数量依次递增；然后，根据接入路由器的地址生成对应端系统IP地址，其基本原则是端系统的网络地址与接入路由器的网络地址相同，其地址在接入路由器地址的基础上依次递增。

优选地，步骤8中，以每个自治域内的路由器节点作为备选边界路由器，可选择以下四种方式：随机法，随机选择路由器节点作为边界路由节点；最小度数法，选择出度最小的路由器节点，若满足条件的节点数＞1，则从中随机选择；非叶节点最小度数法，选择出度最小且不为0的路由器节点，若满足条件的节点数＞1，则从中随机选择；最小k度法，选择出度不小于k的最小出度路由器节点，若满足条件的节点数＞1，则从中随机选择。

附图说明

图1是本发明所述大规模网络拓扑生成算法基本流程示意图；

图2是本发明所述生成大规模网络层次结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。

本方法根据大规模网络的特点，将网络拓扑分为自治域、路由器和端系统三个层次，采用自上而下的方式，首先按照幂率模型生成自治域级拓扑结构，然后将每个自治域节点扩展为路由器级拓扑结构并选择路由器节点作为接入路由器以连接端系统级拓扑，最后选定边界路由节点并相连，从而构建出分层的网络拓扑模型。算法基本流程如图1所示，生成的分层大规模网络如图2所示。

在图2中，自治域级的黑色实心节点为自治域节点，路由器级的白色节点为路由器节点。每个自治域节点都被扩展成路由器级中的一组路由器节点，每组路由器节点用一个椭圆包围起来作为示意，各组路由器节点间互连时所涉及到的白色节点为边界路由节点。端系统级中的端系统节点以星型形式连接在路由器节点上，连接有端系统节点的路由器节点也可称为接入路由器。这里需要注意：端系统级结构中，电脑状的节点即为端系统节点，长条状的节点和与其相连的白色路由器节点其实就是同一个节点，主要是为了显示星型结构和拓扑的层次性才如此示意。

算法具体实现流程描述如下：

1.自治域级拓扑结构

步骤1：在自治域级采用幂率模型生成网络拓扑，其中每个节点代表一个自治域。首先，由m₀(m₀＞1)个起始节点组成一个连通图。然后，按时间顺序依次增添新节点，并将新节点连接到m(≤m₀)个不同的、已存在的节点上。新节点连接到节点i的概率∏取决于其出度k_i，即

$\mathrm{\Π}\left(k_i\right)=\frac{k_i}{{\mathrm{\Σ}}_j{k}_j}$ 从而保证了新节点优先与原有网络中出度较大的节点相连，使得自治域间拓扑的演进满足增长性和连接优先性。具体实现时，可生成一个(0，1)区间内的随机数d，并依次累加各个已存在节点的连接概率∏得到c，当c＞d时，即可将当前对应节点与新节点相连。注意，该节点不能与新节点相同且两点间不存在已连边。经过时间间隔t后，就会得到一个具有N＝t+m₀个节点、t×m条边的网络。

步骤2：为自治域间的连接(即边)分配带宽，提供四种带宽分配类型供用户选择：

恒定型(Constant)：为所有连接指定一个固定的带宽数值；

均匀型(Uniform)：带宽按照均匀分布规律在一个给定数值区间内取值；

指数型(Exponential)：带宽数值符合指数分布规律；

重尾型(Heavy-tailed)：带宽数值符合重尾分布规律。

其中，重尾分布是指大量的概率质量集中在分布带的尾部，其分布规律符合下式：

P[X＞x]～x^-α，as x→∞，0＜α＜2

步骤3：为各自治域分配IP地址。具体实现时需根据网络规模、每个自治域内节点数量以及用户输入地址范围确定自治域网络地址，通常每个自治域分配1个A类地址，可连接16387064个节点。

2.将每个自治域节点扩展为路由器端系统双层结构

步骤1：将每个自治域节点扩展成路由器级拓扑结构。在该拓扑结构中，任意两点间是否相连的概率π＝αexp(-d/βL)，其中0＜α、β≤1，由用户指定，d是该两点间的欧氏距离，L是平面内相距最远两节点间的距离。在具体实现时，首先根据需要在平面内生成一定数量的节点，节点在平面内的位置随机；然后将这些节点依次作为源节点，并计算与其余各节点的连接概率π，同时生成一个(0，1)区间内的随机数rand，当π＞rand且两点间不存在已连边时，当前节点即为目的节点，将源节点与目的节点相连即可；最后，当所有节点依次作为源节点遍历完成后得到的连通图，即为路由器级拓扑结构，其中的节点为路由器节点。

步骤2：为步骤1中生成的路由器级拓扑结构添加端系统。首先，根据网络规模和IP地址容量，随机选择路由器级拓扑结构中的路由器节点。然后，为该路由器节点随机生成一定数量的端系统节点，并以星型拓扑的形式将这些端系统节点连接到该路由器节点上。注意，所选路由器节点不可为边界路由节点。

步骤3：为路由器-路由器间、路由器-端系统间的连接(即边)分配带宽，提供四种带宽分配类型供用户选择：

恒定型(Constant)：为所有连接指定一个固定的带宽数值；

均匀型(Uniform)：带宽按照均匀分布规律在一个给定数值区间内取值；

指数型(Exponential)：带宽数值符合指数分布规律；

重尾型(Heavy-tailed)：带宽数值符合重尾分布规律。

步骤4：为路由器和端系统分配IP地址。首先，根据对应自治域节点的网络地址，为路由器级拓扑中的路由器节点分配IP地址。其网络地址与相应自治域地址相同，点分结构最后一段值为1，中间的地址根据节点数量依次递增。例如，若自治域地址为10.0.0.0/8，则路由器级网络拓扑中路由器节点的地址依次为10.0.0.1、10.0.1.1直至10.255.255.1。然后，根据接入路由器的地址生成对应端系统IP地址。其基本原则是端系统的网络地址与接入路由器的网络地址相同，其地址在接入路由器地址的基础上依次递增。例如，若接入路由器地址为10.0.0.1，则端系统地址依次为10.0.0.2直至10.0.0.254。

3.重新确定自治域间连接

步骤1：原有自治域间连接关系是基于自治域节点选定，当扩展为路由器-端系统双层结构后需确定边界路由节点并建立连接以作为新的自治域间连接。在这里，以每个自治域内的路由器节点作为备选边界路由器，有以下四种方式供用户选择：

随机法：随机选择路由器节点作为边界路由节点；

最小度数法：选择出度最小的路由器节点，若满足条件的节点数＞1，则从中随机选择；

非叶节点最小度数法：选择出度最小且不为0的路由器节点，若满足条件的节点数＞1，则从中随机选择；

最小k度法：选择出度不小于k的最小出度路由器节点，若满足条件的节点数＞1，则从中随机选择。

选定边界路由节点后，按照原先的自治域间连接关系相连即可。

步骤2：将原有自治域间的连接带宽作为相应边界路由器间的连接带宽。

至此，整个大规模网络拓扑生成算法的具体实现流程描述完毕。

需要注意的是，在IP地址自动生成过程中，需处理超大规模自治域和用户网两类特殊情况。即若自治域节点数量大于16387064或连接同一个接入路由器的端系统数量大于253时，需根据节点数量为自治域或用户网分配多个IP地址段。例如，若连接同一接入路由器的端系统数量为600，则需分配三个C类网地址；假设接入路由器地址为10.0.0.1，则10.0.0.1直至10.0.2.1均为该用户网的地址段。

以上所述的实施例，只是本发明较优选的具体实施方式，本领域的技术人员在本发明技术方案范围内进行的通常变化和替换都应包含在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种能够生成符合层次性、度分布特征并包含带宽、IP等网络属性信息的网络拓扑建模方法，其特征在于将网络拓扑分成自治域、路由器和端系统三个层次，所述网络拓扑建模方法包含以下步骤：

步骤1：在自治域级采用幂率模型生成网络拓扑，其中每个节点代表一个自治域。

步骤2：为自治域间的连接(即边)分配带宽；

步骤3：为各自治域分配IP地址：

步骤4：将每个自治域节点扩展成路由器级拓扑结构；

步骤5：为该自治域添加端系统级拓扑；

步骤6：为路由器-路由器间、路由器-端系统间的连接(即边)分配带宽；

步骤7：为路由器和端系统分配IP地址；

步骤8：重新确定边界路由节点，并建立连接以作为新的自治域间连接

步骤9：将原有自治域间的连接带宽作为相应边界路由器间的连接带宽。

2.如权利要求1所述的网络拓扑建模方法，其特征在于：步骤1中，首先，由m₀(m₀＞1)个起始节点组成一个连通图；然后，按时间顺序依次增添新节点，并将新节点连接到m(≤m₀)个不同的、已存在的节点上。新节点连接到节点i的概率∏取决于其出度k_i，即

3.如权利要求1所述的网络拓扑建模方法，其特征在于：步骤2和步骤6中，可选择四种带宽分配类型：恒定型，为所有连接指定一个固定的带宽数值；均匀型，带宽按照均匀分布规律在一个给定数值区间内取值；指数型，带宽数值符合指数分布规律；重尾型，带宽数值符合重尾分布规律。

4.如权利要求1所述的网络拓扑建模方法，其特征在于：步骤3中，根据网络规模、每个自治域内节点数量以及用户输入地址范围确定自治域网络地址，通常每个自治域分配1个A类地址。

5.如权利要求1所述的网络拓扑建模方法，其特征在于：步骤4中，用Waxman算法产生一个连通图作为当前自治域节点对应的路由器级拓扑结构。

6.如权利要求1所述的网络拓扑建模方法，其特征在于：步骤5中，采用星型网络结构；首先，根据网络规模和IP地址容量以及输入参数，随机选择路由器级拓扑结构中的路由器节点[DU2]，且需保证所选路由器节点不可为边界路由节点；然后，为该路由器节点随机生成一定数量的端系统，并以星型拓扑的形式将这些端系统连接到该路由器节点上。

7.如权利要求1所述的网络拓扑建模方法，其特征在于：步骤7中，首先，根据对应自治域节点网络地址，为路由器级拓扑中的节点分配IP地址，其网络地址与相应自治域地址相同，点分结构最后一段值为1，中间的地址根据节点数量依次递增；然后，根据接入路由器的地址生成对应端系统IP地址，其基本原则是端系统的网络地址与接入路由器的网络地址相同，其地址在接入路由器地址的基础上依次递增。

8.如权利要求1所述的网络拓扑建模方法，其特征在于：步骤8中，以每个自治域内的路由器节点作为备选边界路由器，可选择以下四种方式：随机法，随机选择路由器节点作为边界路由节点；最小度数法，选择出度最小的路由器节点，若满足条件的节点数＞1，则从中随机选择；非叶节点最小度数法，选择出度最小且不为0的路由器节点，若满足条件的节点数＞1，则从中随机选择；最小k度法，选择出度不小于k的最小出度路由器节点，若满足条件的节点数＞1，则从中随机选择。

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