CN106571947A - 一种支持复杂多元网络构造的网络元模型实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种支持复杂多元网络构造的网络元模型实现方法，首先描述网络的组网方式和方向性，然后定义节点能力属性，最后建立链路关系和链路的时变函数。本发明对网络节点的核心特征进行抽象，在此基础上充分考虑了网络的层次性、节点运动属性、应用特性、链路方向性和链路时变性。采用G(V,E,H)对网络进行建模，在链路E的描述中，引入与两端节点v_i和v_j运动特性相关的时变关系函数，可附加方向和权重信息W等，便于对组网策略进行表达；本发明以适合路由计算的节点为同一参考平面，将网络分割为多个层次，利用网络层次属性H描述网络的层次结构，特别适用于在动态组网、混合组网形式下的卫星网络、无线网络、有线网络的形式化描述。

Description

一种支持复杂多元网络构造的网络元模型实现方法

技术领域

本发明公开了一种支持复杂多元网络构造的网络元模型实现方法，它涉及通信技术领域，特别适用于在动态组网、混合组网形式下的卫星网络、无线网络、有线网络的形式化描述。

背景技术

随着通信网络的不断发展，网络规模不断扩大，网络结构更加复杂，然而用户的需求也随着网络服务商与网络应用的增多而不断细化，用户对网络服务质量(QoS：Qualityof Service)的要求也越来越高。卫星网络、无线网络技术的发展使得用户能够随时随地进行网络应用，但是其复杂无线信道特征、动态变化的通信环境和节点位置、信道条件等的时变性导致了传统的层次分明的协议，如只考虑网络层状态的路由协议等，已经不能很好的满足业务需求，灵活可控的跨层协议设计方式是应对网络动态性的很好的技术手段。网络拓扑抽象是分析网络动态性，为跨层协议提供网络动态参数的重要保障手段。传统的网络模型G(V,E)不能很好的描述网络的动态性，在对无线网络或混合组网时，不能很好的描述网络本质特性。

分析网络状态信息为网络中路由选择、网络流量控制等应用提供了参数依据，是排除网络事故、提高网络性能、增大网络可用价值的重要手段。现有的网络抽象模型更注重于对单一网络的节点间物理连接的抽象描述，很少考虑混合组网下网络的层次性，动态组网下节点状态信息的动态性，不同任务背景下网络的应用特性。

本发明针对这点，在网络模型中考虑了网络组网形式和方向性，引入了网络层次属性，对网络为单一技术还是异构技术的混合组网进行了划分，利用网络链路属性的对称性对网络为有向网还是无向网进行了划分。对网络节点的本质特性进行了抽象，划分为五种一级属性，根据节点类型不同，划分出不同的二级属性，在网络节点属性的描述中，引入时变函数，既可表达静态属性，也可表达动态属性；在网络链路关系的描述中，引入与两端节点v_i和v_j运动特性相关的时变关系函数，配合权重信息W，便于对固定和移动链路关系进行描述，同时可对组网策略进行表达。该模型能够对现有大部分网络进行抽象描述。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供了一种支持复杂多元网络构造的网络元模型描述方法。

本发明所采用的技术方案是：一种支持复杂多元网络构造的网络元模型描述方法，充分考虑了网络的方向性、层次性、节点运动特性、链路关系的时变性和应用特性。包括以下步骤：

步骤一：描述网络的组网方式和方向性。定义时刻t内网络模型为图G(V,E,H)，G是一个图，包含网络节点集合V、网络链路集合E和网络层次属性H。

以适合路由计算的节点为同一参考平面，将网络分割为多个层次，利用网络层次属性H描述网络的层次结构，当H＝1，网络为单层网络，当H为大于1的整数时，表示该网络为H层网络。

e_ij表示节点i与节点j之间的链路关系，e_ij为链路连通状态与链路权重值的乘积。当链路e_ij＝e_ji时，网络为无向网络，G(V,E,H)为无向图，若e_ij≠e_ji，网络为有向网络，G(V,E,H)为有向图。

步骤二：定义网络节点属性。根据节点本质特性，将节点属性划分为：标识(I：Identification)，类型(T：Type)，位置(L：Location)，能力(C：Capability)，所属机构(O：Organization)五个一级属性。详细描述如下：

(1)标识I：作为网络中节点的唯一标识，用于存储节点网络编号。

(2)类型T：将网络中的节点分为子网和实体设备两种。若T＝0，则该节点为子网节点，若T＝1，该节点为实体设备节点。

(3)位置L：对于实体设备节点，其位置信息为所在经纬度，记为:L(t)＝(lon(t)，lat(t))；对于子网节点，其位置信息用于记录其覆盖范围，可记为：

L(t)＝(lon_left(t)，lon_right(t)，lat_up(t)，lat_down(t))

(4)能力C：实体设备节点包括：包括运动能力MC、处理能力PC和通信能力CC三种二级属性，子网节点包括：运动能力MC、通信能力CC两种二级属性。

对于子网节点，其运动能力用于记录网络是有线网络、无线网络还是混合网络，对于实体设备节点，其运动能力可表示该节点为移动节点还是固定节点，若为移动节点，则为节点运动状态的时变函数。即：

其中f(t)为t时刻节点的运动状态。

实体设备节点的通信能力包括：工作频率F，调制方式M、信号复用方式SM、设备剩余能量E、可用带宽EB和队列等待长度QL。子网节点的通信能力为：最小容量Cmin，最大容量Cmax。

实体设备节点的处理能力为：单位时间内处理任务数Ntask/t

(5)所属机构O：对节点结构进行编号，用于标识节点所属机构，当O＝a时，节点属于编号为a的机构，当O＝a&b时，节点同时属于a机构和b机构。根据实际业务需求，确定参加通信的节点是属于同一机构还是不同结构。不同机构的节点之间进行通信需要机构间授权后完成。如卫星网络中，如需要不同机构的卫星作为中继辅助完成通信时，则需要机构授权。

步骤三：建立网络链路关系。根据用于对网络业务的质量体验要求，设定基于业务的网络链路的权值，权值可根据(2)中的网络节点属性综合考虑。根据业务需求，可预设门限值，通过对比权值与预设阈值，判定节点之间是否建立链路。定义链路连接时变函数，结合权值设定网络链路关系。

本发明与现有技术相比，具有如下显著特点：

(1)综合考虑了网络组网方式，在网络模型中加入了网络层次属性，以适合路由计算的节点为同一参考平面，将网络分割为多个层次，利用网络层次属性H描述网络的层次结构，便于一体化的刻画单层、多层覆盖、单一技术和异构技术的混合组网。

(2)在描述网络节点属性时，将节点的本质特征抽象为：标识、类型、位置、能力和所属机构五个一级属性信息。将网络节点类型划分为实体设备节点和子网节点两种，这种分类方式使得本模型能够更好的一体化、层次化地描述网络组网方式，根据节点类型，又将一级属性中的节点能力属性分为两类二级能力属性，针对实体设备节点，将其能力属性分为：运动能力、处理能力和通信能力三种二级能力属性，针对子网，将其能力属性分为：运动能力、通信能力两种。节点能力属性能够很好地刻画当前时刻节点具体状态信息，并且，引入时变函数，能够很好地表征节点状态的动态变化特性。

(3)考虑网络动态性，并将网络动态性划分为节点动态性和链路动态性。

在节点状态信息描述中，引入了时变函数，既可表达静态属性，也可表达动态属性。在节点属性刻画中，利用节点的能力属性区分了网络是动态网络还是静态网络，若节点为实体设备节点，且网络是动态网络，该参数能够很好的表征节点的地理位置信息变换及运动速度等特征。如卫星网络，其节点运动能力属性可以表示为节点位置的时变函数。即MC_i(t)＝(x_i(t),y_i(t),z_i(t))，式MC_i(t)表示t时刻节点i的运动能力属性，x_i(t),y_i(t),z_i(t)表示t时刻节点i在坐标系中的坐标位置。若为网络为静态网络，该属性可设置为0。若节点为子网，则MC_i(t)＝0表示子网i为静态网络，MC_i(t)＝1表示子网i为动态网络。子网中节点的具体运动能力通过定义G_i(V,E,H)具体定义，这种嵌套式分层描述方式能够很好的把网络本质特性表征出来。

在链路连接动态性方面，将链路定义为与时间相关的函数，根据网络具体应用需求，结合组网结构，在节点链路集合中加入了权重信息，引入与两端节点v_i和v_j运动特性相关的时变关系函数，配合权重信息W，便于对固定和移动链路关系进行描述，同时可对组网策略进行表达。

该发明适合大规模复杂层次网络的形式化描述，利用层次属性将复杂网络层次化，对每一层次中的节点与链路关系进行具体描述，抽象节点本质特征为标识、类型、位置、能力和所属机构五个一级属性，将节点划分为实体设备和子网两种类型，根据节点类型，又将一级属性中的节点能力属性分为两类二级能力属性，充分考虑网络动态性，并将网络动态性划分为节点动态性和链路动态性。通过对节点、链路的描述形成每一层次的网络形式化描述，多个层次综合描述整个复杂网络的具体状态。在节点状态信息描述中，引入了时变函数，既可表达静态属性，也可表达动态属性。

随着通信网络的不断发展，网络规模不断扩大，网络结构不断复杂，采用更清晰全面的网络描述方式有着迫切需求，本发明具有广泛的应用前景。

附图说明

图1是本发明的网络模型描述步骤示意图。

图2是一种混合组网示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种支持复杂多元网络构造的网络元模型实现方法，该模型充分考虑了网络的链路方向性、异构性、层次性、应用特性、节点属性和链路时变性。其基本原理如下：采用G(V,E,H)对网络进行建模，其中V表示网络节点集合，E表示网络链路集合，H表示网络的层次属性，通过H属性定义网络的层次划分。在描述网络节点属性时，将节点的本质特征抽象为：标识、类型、位置、能力和所属机构五个一级属性信息。将网络节点类型划分为实体设备节点和子网节点两种，根据节点类型，又将一级属性中的节点能力属性分为两类二级能力属性，针对实体设备节点，将其能力属性分为：运动能力、处理能力和通信能力三种二级能力属性，针对子网，将其能力属性分为：运动能力、通信能力两种。将链路定义为与时间相关的函数，以描述链路连接动态性。该模型与传统模型G(V,E)相比，更全面地抽象了网络的特性，便于一体化的刻画单层、多层覆盖、单一技术和异构技术的混合组网。

本发明的基本方法是：首先，描述网络的组网方式和方向性，通过定义G(V,E,H)对网络进行建模，其中V表示网络节点集合，E表示网络链路集合，H表示网络的层次属性。然后，描述网络中节点属性，根据节点本质特性，将节点属性划分为：标识，类型，位置，能力，所属机构五个一级属性。根据网络的层次特性，将网络划分为：实体设备节点与子网节点两种类型，根据节点类型，定义不同节点能力属性下的二级能力属性，针对实体设备节点，将其能力属性分为：运动能力、处理能力和通信能力三种二级能力属性，针对子网，将其能力属性分为：运动能力、通信能力两种。最后，描述网络中链路关系，根据用于对网络业务的质量体验要求，设定基于业务的网络链路的权值，权值可根据(2)中的网络节点属性综合考虑。根据业务需求，可预设门限值，通过对比权值与预设阈值，判定节点之间是否建立链路。定义链路连接时变函数，结合权值设定网络链路关系。

本发明的技术方案主要分为以下三步：

步骤一：定义网络结构信息，以适合路由计算的节点为同一参考平面，将网络分割为多个层次，利用网络层次属性H描述网络的层次结构，利用网络中节点链路关系，定义网络方向性。

步骤二：定义网络节点属性，将节点的本质特征抽象为：标识、类型、位置、能力和所属机构五个一级属性信息。将网络节点类型划分为实体设备节点和子网节点两种，根据节点类型，又将一级属性中的节点能力属性分为两类二级能力属性，针对实体设备节点，将其能力属性分为：运动能力、处理能力和通信能力三种二级能力属性，针对子网，将其能力属性分为：运动能力、通信能力两种。

步骤三：定义网络链路关系，根据用户对网络业务的质量体验要求，定义网络权重信息，根据权重信息和阈值可确定链路连接信息，最后得到网络链路关系集合。

下面结合附图，对本发明进一步详细描述。

结合图1，本发明描述过程示意图。包括：定义网络结构信息、定义网络节点属性和定义网络链路关系三个步骤。其中网络结构信息包括定义网络层次属性和网络是否有向。网络节点属性包括标识、类型、位置、能力和所属机构五个属性信息。在定义网络链路关系时，需要先定义网络权重信息，根据权重信息和阈值可确定链路连接信息，最后得到网络链路关系集合。

结合图2，本发明适用的一种混合组网示意图。该网络为无向网络，分为三个层次，第一层为有线网络，第二层为无线网络，第三层为有线、无线混合网络。利用本发明模型描述该网络。定义网络为G(V,E,3)。根据网络业务性，假设第一层网络中任务为时延敏感任务，要求传输时小于50ms，第二层网络中的任务要求丢包率低于5％，第三层网络中的任务要求自定义的cost函数小于0.6。该网络模型描述具体步骤如下：

步骤一：描述网络的组网方式和有向性。定义周期t内网络模型为图G(V,E,H)，G是一个图，包含网络节点集合V、网络链路集合E和层次属性H的。结合附图2，定义网络模型为：

G(V(t),E(t),3)

式中，V(t)表示时刻t内有限的网络节点集，E(t)表示时刻t内有限的网络边集，二者均是以时间t为变量的函数。该网络为无向网络，则e_ij(t)＝e_ji(t)。网络层次属性H＝3。

步骤二：定义网络节点属性。根据网络中节点状态信息的变化，设定更新网络节点集，结合附图2，定义V_i(t)表示第t时刻第i个节点的状态，每个节点包括：标识I，类型T，位置L，能力C，所属机构O五个一级属性，能力C又根据节点类型不同划分为两类，如图所示，网络第一层中，节点a1为子网节点，即网络第二层G_a1(V,E,2)，则：

V_a1(t)＝(I_a1(t),T_a1(t),L_a1(t),C_a1(t),O_a1(t))

其中更新的状态信息包括：

标识：I_a1(t)＝a1。

类型：T_a1(t)＝0。

位置：L_a1(t)＝(lon_left(t),lon_right(t),lat_up(t),lan_down(t))。

能力：子网节点的能力属性包括:运动能力和通信能力两类，通信能力又包括：最小容量Cmin和最大容量Cmax。定义如下：

C_a1(t)＝(MC_a1(t),CC_a1(t))

子网a1为无线网络，所以MC_a1(t)＝1。

CC_a1(t)＝(Cmin_a1(t),Cmax_a1(t))

所属机构：O_a1(t)＝a。

网络中节点a2为实体设备节点。定义

V_a2(t)＝(I_a2(t),T_a2(t),L_a2(t),C_a2(t),O_a2(t))

其中更新的状态信息包括：

标识：I_a2(t)＝a2。

类型：T_a2(t)＝1。

位置：L_a2(t)＝(lon(t),lat(t))。

能力：实体设备节点的能力属性包括:运动能力、处理能力和通信能力三类，处理能力为单位时间处理任务数Ntask/t。实体设备节点的通信能力包括：工作频率F，调制方式M、信号复用方式SM、设备剩余能量E、可用带宽EB和队列等待长度QL，由于该设备为有线设备，故在通信能力中只记录EB和QL，其余值为0。定义如下：

C_a2(t)＝(MC_a2(t),PC_a2(t),CC_a2(t))

第一层网络为有线网络，节点为有线节点，所以定义时变函数如下：

MC_a2(t)＝(x_a2(t),y_a2(t),z_a2(t))

PC_a2(t)＝Ntask_a2/t

CCa2(t)＝(0,0,0,0,EB_a2(t),QL_a2(t))

所属机构：O_a2(t)＝a。

步骤三：建立网络链路关系。根据时刻t内的网络拓扑状态，定义网络链路集合，用于标示网络节点与节点之间链路关系。定义E(t)表示时隙t内网络链路关系集合，用a_ij(t)表示连接节点i与节点j之间的链路连接状态，

其中1表示节点i与节点j之间建立链路，0表示节点i与节点j之间不存在链路。

根据用于对网络业务的质量体验要求及组网策略，设定基于业务的网络链路的权值信息，权值可根据步骤二中节点状态信息、节点之间的距离、代价等综合考虑。根据业务需求，可预设门限值，通过对比权值信息与预设阈值，判定节点之间是否建立链路。

在第1层网络中定义权重值W_ij(t)，

W_ij(t)＝f(v_i(t),v_j(t))

其中f(v_i(t),v_j(t))表示节点i与节点j之间的端到端时延，s为预设的门限值50ms，当f(v_i(t),v_j(t))大于s的时候，i与j之间建立链路，反之则不存在链路，即：

定义i与j之间的链路关系为：

e_ij(t)＝a_ij(t)*W_ij(t)

第二层网络G_a1(V,E,2)及第三层网络G_b5(V,E,1)定义重复步骤一、二、三，得出网络模型，以上就是利用本发明的网络元模型描述图2所示网络的完整步骤。

Claims (1)

1.一种支持复杂多元网络构造的网络元模型实现方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：描述网络的组网方式和方向性：

定义时刻t内网络模型为图G(V,E,H)，G是一个图，包含网络节点集合V、网络链路集合E和网络层次属性H；

以适合路由计算的节点为同一参考平面，将网络分割为多个层次，利用网络层次属性H描述网络的层次结构，当H＝1，网络为单层网络，当H为大于1的整数时，表示该网络为H层网络；

e_ij表示节点i与节点j之间的链路关系，e_ij为链路连通状态与链路权重值的乘积；当链路e_ij＝e_ji时，网络为无向网络，G(V,E,H)为无向图，若e_ij≠e_ji，网络为有向网络，G(V,E,H)为有向图；

步骤二：定义网络节点属性：

根据节点本质特性，将节点属性划分为：标识(I：Identification)，类型(T：Type)，位置(L：Location)，能力(C：Capability)，所属机构(O：Organization)五个一级属性；详细描述如下：

(1)标识I：作为网络中节点的唯一标识，用于存储节点网络编号；

(2)类型T：将网络中的节点分为子网和实体设备两种；若T＝0，则该节点为子网节点，若T＝1，该节点为实体设备节点；

(3)位置L：对于实体设备节点，其位置信息为所在经纬度，记为:L(t)＝(lon(t)，lat(t))；对于子网节点，其位置信息用于记录其覆盖范围，可记为：

L(t)＝(lon_left(t)，lon_right(t)，lat_up(t)，lat_down(t))

(4)能力C：实体设备节点包括：包括运动能力MC、处理能力PC和通信能力CC三种二级属性，子网节点包括：运动能力MC、通信能力CC两种二级属性；

对于子网节点，其运动能力用于记录网络是有线网络、无线网络还是混合网络，对于实体设备节点，其运动能力可表示该节点为移动节点还是固定节点，若为移动节点，则为节点运动状态的时变函数；即：

其中f(t)为t时刻节点的运动状态；

实体设备节点的通信能力包括：工作频率F，调制方式M、信号复用方式SM、设备剩余能量E、可用带宽EB和队列等待长度QL；子网节点的通信能力为：最小容量Cmin，最大容量Cmax；

实体设备节点的处理能力为：单位时间内处理任务数Ntask/t；

(5)所属机构O：对节点结构进行编号，用于标识节点所属机构，当O＝a时，节点属于编号为a的机构，当O＝a&b时，节点同时属于a机构和b机构；根据实际业务需求，确定参加通信的节点是属于同一机构还是不同结构；不同机构的节点之间进行通信需要机构间授权后完成；如卫星网络中，如需要不同机构的卫星作为中继辅助完成通信时，则需要机构授权；

步骤三：建立网络链路关系：

根据用于对网络业务的质量体验要求，设定基于业务的网络链路的权值，权值可根据步骤二中的网络节点属性综合考虑；根据业务需求，可预设门限值，通过对比权值与预设阈值，判定节点之间是否建立链路；定义链路连接时变函数，结合权值设定网络链路关系。