CN107438080A - 一种复杂网络效能评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种复杂网络效能评估方法，包括以下步骤：S10.选取合适的评估指标；S20.分别在主观赋权法和客观赋权法中各选定一种方法，为后面组合赋权法的计算做铺垫；S30.针对主观赋权法中的专家评分，进行数据矩阵初始化并建立相应的节点；S40.通过数据矩阵的初始化，建立起互联网拓扑矩阵的初始化；S50.进行硬件摧毁；S60.通过组合赋权法对各复杂网络模型进行指标的权重确定。本发明能够对网络各项参数进行综合测评。

Description

一种复杂网络效能评估方法

技术领域

本发明涉及网络，具体的是一种复杂网络效能评估系统与方法。

背景技术

互联网研究已属当今最为火热的研究领域，也是当今社会生活、生产能力与经济流通不可或缺的重要平台。互联网宏观拓扑模型是基于典型复杂网络的结构研究，其研究内容也都是在复杂网络研究基础上对其进行拓展后应用到互联网络中。它不仅体现在军事的指挥控制上，还表现在和我们周围人的联系而自然形成的网络方面上。因此正确的理解网络结构特征，可以在网络优化中对数据资源的分配与调用变得更加合理。科学的认知网络体系结构，根据复杂网络的结构特性，选取的关键指标进行赋权计算，最终依靠权重的大小来反映复杂网络的综合效能。

目前对复杂网络系统的评估方法主要有主观赋权法和客观赋权法两类。也是用于进行网络评估的主要方法。主观赋权法是根据人们从日常生活中不断积累的经验中获取而来，当熟悉某一种网络特性以后，就可以根据以往的经验对所需要评测的网络直接确定属性指标，并对该网络的各指标进行赋权。客观赋权法是完全依靠了数学规律，进行数据的计算给出对应的指标权重，客观赋权法具有严谨的逻辑性和较强的数学理论依据，其评估结果具有很好的说服性。

随着人们对复杂网络不断的深入了解，发现主观赋权法和客观赋权法这两种方法并不能很好的反映网络的综合效能。主观赋权法的缺点表现在随着外界环境的不断变化，人们的经验总是跟不上变化的节奏。所以这种方法会受到决策者主观意识的限制和知识范围的局限。在实际的应用中，这种方法具有很大的局限性。客观赋权法的缺点表现在不关注人为在意的指标差异性，并且具有庞大的计算量，计算方法复杂繁琐，不易被人们读懂与应用。另外由于完全不考虑人的主观判断，这也就造成了所得到的权重结果与我们实际情况不符的情况，甚至会产生与我们所期望的结果相违背的现象。因此针对这两类方法的缺点进行改进，提出新的关于网络评估的效能的方法，并用四种经典网络模型进行科学验证。对效能方法的深入研究具有很高的理论研究价值和广阔的应用前景。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提供了一种复杂网络效能评估系统与方法。

一种复杂网络效能评估方法，包括以下步骤：S10.进入选定评估指标模块，选取合适的评估指标；S20.分别在主观赋权法和客观赋权法中各选定一种方法，为后面组合赋权法的计算做铺垫；S30.针对主观赋权法中的专家评分，进行数据矩阵初始化并建立相应的节点；S40.通过数据矩阵的初始化，建立起互联网拓扑矩阵的初始化；S50.进行硬件摧毁；i)如果是步骤S40产生的初始节点，则进行随机性攻击；ii)如果是节点指定产生的初始节点，则进行确定性攻击；iii)改变网络的宏观参数，即网络的负载和网络的冗余，根据网络参数的改变，进一步探究网络参数对于网络各评估指标的影响；S60.通过组合赋权法对各复杂网络模型进行指标的权重确定，当被硬摧毁后的网络最大连通子图为原图的10％时，认为网络完全奔溃，结束，否则返回步骤S50，重复上述步骤，直至评估结束。

一种复杂网络效能评估系统，包括软件仿真单元和故障分析与传输单元，所述软件仿真单元，用于拓扑分析，对现有的互联网拓扑进行拓扑测量和分析；网络攻击，对网络节点或边进行不同类型的攻击，可分为确定性攻击和随机性攻击；评测指标分析，对四种经典复杂网络进行不同类型的攻击之后，得到各复杂网络模型的评测指标的权重值大小；综合权重分析，针对攻击后的网络处于分裂状态，对各评测指标在主客观赋权方法下所得到的权重值，按照组合赋权法进行处理分析；所述故障分析与传输单元，用于故障检测，在网络中一些节点部署为具有发送探测能力的监测探针，监测探针通过发送探针包探测网络故障节点及故障节点的负荷重分配引发的相继故障，返回包括分析定位网络中出现故障的节点的位置信息和相继故障产生的节点位置信息；信息处理，信息经由探针首先进行A/D转换，输出数字信号存放在存储器中，可使用SPI总线读取数据，ARM处理器定时采集存储器中的数据，对ARM芯片进行编程，ARM通过串口连接GSM模块，再通过向串口发送AT+CMGF、AT+CMGS命令与GSM模块实现相互通信；短信发送，利用支持短消息业务的GSM引擎模块发送节点故障信息。

本发明的有益效果是：选取复杂网络中的规则网络、小世界网络、随机网络和BA无标度网络四种经典复杂网络模型进行分析研究。根据网络鲁棒性、可靠性、适应性和品质因素四个方面，并结合综合组合赋权法设计软件，使其能够对网络各项参数进行综合测评。

附图说明

图1是复杂网络效能分析总体结构图。

图2评估指标模块分析流程图。

图3是评估体系硬件工作图。

图4是软件设计流程图。

图5是手机收发短信流程图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明，使本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按比例绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

本发明的复杂网络效能评估系统，包括软件仿真单元和故障分析与传输单元。软件仿真单元用于执行：(1)拓扑分析，对现有的互联网拓扑进行拓扑测量和分析；(2)网络攻击，对网络节点或边进行不同类型的攻击，可分为确定性攻击和随机性攻击；(3)评测指标分析，对四种经典复杂网络进行不同类型的攻击之后，得到各复杂网络模型的评测指标的权重值大小；(4)综合权重分析，针对攻击后的网络处于分裂状态，对各评测指标在主客观赋权方法下所得到的权重值，按照组合赋权法进行处理分析。

故障分析与传输单元，用于执行：(1)故障检测，在网络中选择一些节点部署为具有发送探测能力的监测探针，监测探针通过发送探针包探测网络故障节点及故障节点的负荷重分配引发的相继故障，返回包括分析定位网络中出现故障的节点的位置信息和相继故障产生的节点位置信息；(2)信息处理，信息经由探针首先进行A/D转换，输出数字信号存放在存储器中，可使用SPI总线读取数据，ARM处理器定时采集存储器中的数据，对ARM芯片进行编程，ARM通过串口连接GSM模块，再通过向串口发送AT+CMGF、AT+CMGS命令与GSM模块实现相互通信；(3)短信模块，利用支持短消息业务的GSM引擎模块发送节点故障信息，利用现有的900M或者1800M的GSM网络，将经过处理的信息通过GSM模块发送到管理员的手机上，短信模块发送短信由AT指令控制，采用PDU格式或者文本格式。

本发明的复杂网络效能评估系统，适用于经典复杂网络以及大规模互联网。其包括互联网的建模，建立四种典型的复杂网络模型。选取网络评估的四个评估指标，对四种不同的复杂网络进行网络攻击。研究在复杂网络受到攻击下四个评估指标的评估结果，并对评估结果进行量化处理。最后根据本发明的主客观赋权法，对的得到的量化结果进行相关计算，最终得到该复杂网络的综合网络效能，并把该结果通过计算机发到手机上，方便研究人员直观看到评估结果。

评估流程包括软件测试部分与硬件测试部分。软件测试部分，(1)互联网数据矩阵化。(2)互联网初始化。(3)开始对四种经典复杂网络模型进行点和边的攻击。对网络节点分别进行随机性攻击和确定性攻击等。(4)计算网络在各指标下的相关参数。包括度分布，平均路径长度，节点最大承受负载，网络效率比，连通系数，吞吐量等等。(5)对各指标参数的评估结果进行量化处理。(6)通过主客观组合赋权法对量化结果进行计算，得到最终网络的综合效能。并将结果输出到手机终端上，以图形化界面的形式反应出来。硬件测试部分：(1)基站信息采集。基站数据采集通过外部传感器连接目的节点，实时采集节点的位置以及负荷信息。信号通过传感器首先进行A/D转换，输出数字信号存放在存储器中。使用SPI总线读取数据。(2)信息处理。单片机定时采集存储器中的数据，对单片机进行编程。单片机通过串口连接GSM模块，通过向串口发送AT命令与GSM模块实现相互通信。(3)短信模块。利用支持短消息业务的GSM引擎模块发送节点故障信息，还有利用现有的900M或者1800M的GSM网络。监控终端为手机。短信模块发送短信是有AT指令控制，采用PDU格式或者文本格式。

如图1所示，本发明的网络效能评估方法包括如下步骤：

(1)互联网拓扑矩阵初始化。对所有节点的度值进行计算，得到互联网拓扑中度最大的节点或是那一部分节点，得到网络拓扑的最大连通子图；设置网络的初始负荷，即在加上备份的情况下网络所能承受的最大负荷。

(2)开始攻击。进入鲁棒性、可靠性、适应性、品质因素四个分析模块3、4、5、6，确定对网络节点分别进行随机性攻击8和确定性攻击9，可以根据更改参数τ确定是何种攻击，当τ＝0时，为完全确定性攻击，当τ＝1时，为随机性攻击。

(3)初始化网络。在相同的外界攻击下，记录四个模块中内部的各参数变化。重复步骤(2)(3)逐步研究网络参数对于网路综合效能的影响。

(4)对网络的边进行攻击。攻击类型依然为随机性攻击和确定性攻击，探究网络的鲁棒性，可靠性，适应性和品质因素四个模块。工作步骤同点攻击。

(5)对网络边和节点进行混合型攻击。攻击类型依然为随机性攻击和确定性攻击，探究网络的综合效能与四个模块的性能。工作步骤同点攻击。

(6)网络综合效能的确定。攻击后的网络处于分裂状态，探究在这种情况下四种经典复杂网络模型的综合效能。

本发明的复杂网络效能评估系统的硬件集成包括：

(1)基站信息采集。基站数据采集通过外部传感器连接目的节点，实时采集节点的位置以及负荷信息。信号通过传感器首先进行A/D转换，输出数字信号存放在存储器中。使用SPI总线读取数据。

(2)信息处理。单片机定时采集存储器中的数据，对单片机进行编程。单片机通过串口连接GSM模块，通过向串口发送AT命令与GSM模块实现相互通信

(3)短信模块。利用支持短消息业务的GSM引擎模块发送节点故障信息，还有利用现有的900M或者1800M的GSM网络。监控终端为手机。短信模块发送短信是有AT指令控制，采用PDU格式或者文本格式。

建立复杂网络模型之前，进入选定评估指标模块1，选取合适的评估指标是正确评估网络综合效能的关键；在模块2中，分别在主观赋权法和客观赋权法中各选定一种方法，为后面组合赋权法的计算作铺垫；进入模块3，进行数据矩阵的初始化工作；进入模块4，互联网拓扑矩阵初始化；进入模块5，根据条件进行硬件摧毁符合条件进入随机条件摧毁6，反之进行指定条件模块摧毁7；之后在模块8，通过组合赋权法对不同复杂网络模型的指标条件进行指标权重赋值，然后进行连通子图的比较，不符合条件的重新进入摧毁模块5；模块9实验结束。

如图2所示，本发明的网络效能评估方法工作流程包括以下步骤：

S10.进入选定评估指标模块，选取合适的评估指标；

S20.分别在主观赋权法和客观赋权法中各选定一种方法，为后面组合赋权法的计算做铺垫；

S30.针对主观赋权法中的专家评分，进行数据矩阵初始化并建立相应的节点。

S40.通过数据矩阵的初始化，建立起互联网拓扑矩阵的初始化。

S50.进行硬件摧毁。

i)如果是步骤S40产生的初始节点，则进行随机性攻击；

ii)如果是节点指定产生的初始节点，则进行确定性攻击；

iii)改变网络的宏观参数，即网络的负载和网络的冗余，根据网络参数的改变，进一步探究网络参数对于网络各评估指标的影响；

S60.通过组合赋权法对各复杂网络模型进行指标的权重确定，当被硬摧毁后的网络最大连通子图为原图的10％时，认为网络完全奔溃，结束，否则返回步骤S50，重复上述步骤，直至评估结束。

通过上述工作流程，本发明将根据选定的主客观赋权法计算的各指标权重结果，利用组合赋权法进行最终网络模型的权重确定。对于网络模型效能的评估提供了一种新的方法。可以利用计算机程序实现组合赋权法的计算思想，将计算结果直接传递给用户终端。

硬件集成部分的工作原理如图3所示，硬件系统主要由网络数据采集模块、Intel机处理运算模块和GSM通信模块等三个模块组成。数据采集模块作为整个系统数据来源的首要，将Intel处理机中的网卡模块，通过以太网或无线网络连接的方式接入待测网络中并向网络发送探针。等到数据包在网络节点传回后，由计算机存储器保存数据并告知网卡模块继续发送，直到数据全部采集完毕。Intel处理模块将读取存储器数据进行运算，并将运算评估结果通过计算机外接GSM模块发送给移动终端。在这里GSM模块同时负责接收移动终端发送的指令，并将指令传输给处理器。移动终端所发指令必须符合软件指令符，否则计算机将无法进行参数更改。

系统中模块与模块之间相互独立又相互依赖，共同完成数据的传输。该模块直接以Intel计算机为核心，以RS232通信接口，在物理层上实现与GSM模块的连接。

具体实施方案如下：

I系统初始化。打开串口，测试通信模块与开发板的连接以及短信模块与手机模块的连接受否正常。一切正常，系统准备就绪。

II采集数据。探针在网络路由中不断传递，记录所经过路由器数目并将数据包传送回计算机网卡模块。

III数据转换。Intel处理器将所采集的信息经过运算后得出矩阵模型以供网络评估程序读取。

IV存储和读取。网络模块将数据自动保存在存储器中，以备矩阵转换程序进行数据转换。

V数据处理。计算机通过向串口发送AT命令与GSM模块形成回路。同时计算机接收GSM模块发回的参数设定，将其转换成软件指令符以更改评估参数。

其工作流程如图4所示，包括：

首先进入系统初始化。初始化包括单片机初始化、鲁棒性分析模块初始化、可靠性分析模块初始化、适应性分析模块初始化、品质因素分析模块分析初始化。

打开串口，测试短信模块是否与开发板连接成功。如果否，则重新打开串口。如果是，进入PDU设置模块。如退出系统则结束软件程序流程，终止程序运行。

PDU设置模块设置GSM发送短信属性，包括字符集、信息中心号码与文本模式设定。

测试短息模块是否连接到手机网络，如果否则重新设置PDU模式。如果是则进入发送第一条短信。

如不发送第一条短信则需要重新进入测试短息模块是否连接到手机网络，重新进入发送第一条短信模块。

发送短信前先设置App unit协议(应用程序的数据单元格式协议)，定义复杂网络效能评估系统程序可识别的数据格式。

然后将要发送信息按App unit协议格式封装在消息中，存储在SIM卡中。

接下来使用AT+CMGF、AT+CMGS等命令发送短信。

短信如发送成功，则重新进入发送短信模块。如果发送失败，则返回系统检查串口状态模块，重新打开串口，执行上述流程。

网络模型构建主要由网卡模块，计算机，存储器三部分组成。以Intel处理机为主控制器，外围电路主要由UART通信模块，电源模块，网卡模块，flash存储模块和短信模块

处理机外接GSM模块采用串行异步通信接口，串口通讯遵循RS232标准。RS232接口方式通过串行接口集成电路和电平转换电路与GSM模块连接。

GSM网特有的利用信道进行传输数据，可以不用事先进行拨号，对所发信息进行编辑并输入目的地址即可将消息发送到信息服务中心，服务中心会将消息转发给目的信主。当移动终端没有接收到信息时，信息服务中心会将其保存起来。多数移动终端均支持GSM07.05规定的AT指令集。计算机通过穿行端口会向手机发送一系列的AT命令，相反手机向计算机发送的文本信息也会相应的转换成计算机命令字符。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。对于本申请的方法实施例而言，由于其与装置实施例基本相似，所以描述的比较简单，相关之处参见装置实施例的部分说明即可。

在以上的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是以上描述仅是本发明的较佳实施例而已，本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受上面公开的具体实施的限制。同时任何熟悉本领域技术人员在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种复杂网络效能评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S10.进入选定评估指标模块，选取合适的评估指标；

S20.分别在主观赋权法和客观赋权法中各选定一种方法，为后面组合赋权法的计算做铺垫；

S30.针对主观赋权法中的专家评分，进行数据矩阵初始化并建立相应的节点；

S40.通过数据矩阵的初始化，建立起互联网拓扑矩阵的初始化；

S50.进行硬件摧毁；

i)如果是步骤S40产生的初始节点，则进行随机性攻击；

ii)如果是节点指定产生的初始节点，则进行确定性攻击；

iii)改变网络的宏观参数，即网络的负载和网络的冗余，根据网络参数的改变，进一步探究网络参数对于网络各评估指标的影响；

S60.通过组合赋权法对各复杂网络模型进行指标的权重确定，当被硬摧毁后的网络最大连通子图为原图的10％时，认为网络完全奔溃，结束，否则返回步骤S50，重复上述步骤，直至评估结束。

2.根据权利要求1所述的效能评估方法，其特征在于，所述步骤S40具体包括：对所有节点的度值进行计算，得到互联网拓扑中度最大的节点或是那一部分节点，得到网络拓扑的最大连通子图；设置网络的初始负荷，即在加上备份的情况下网络所能承受的最大负荷。

3.根据权利要求1所述的效能评估方法，其特征在于，所述步骤S50具体包括：计算网络在各指标下的相关参数，包括度分布，平均路径长度，节点最大承受负载，网络效率比，连通系数，和/或吞吐量。

4.一种复杂网络效能评估系统，包括软件仿真单元和故障分析与传输单元，其特征在于：

所述软件仿真单元，用于拓扑分析，对现有的互联网拓扑进行拓扑测量和分析；网络攻击，对网络节点或边进行不同类型的攻击，可分为确定性攻击和随机性攻击；评测指标分析，对四种经典复杂网络进行不同类型的攻击之后，得到各复杂网络模型的评测指标的权重值大小；综合权重分析，针对攻击后的网络处于分裂状态，对各评测指标在主客观赋权方法下所得到的权重值，按照组合赋权法进行处理分析；

所述故障分析与传输单元，用于故障检测，在网络中一些节点部署为具有发送探测能力的监测探针，监测探针通过发送探针包探测网络故障节点及故障节点的负荷重分配引发的相继故障，返回包括分析定位网络中出现故障的节点的位置信息和相继故障产生的节点位置信息；信息处理，信息经由探针首先进行A/D转换，输出数字信号存放在存储器中，可使用SPI总线读取数据，ARM处理器定时采集存储器中的数据，对ARM芯片进行编程，ARM通过串口连接GSM模块，再通过向串口发送AT+CMGF、AT+CMGS命令与GSM模块实现相互通信；短信发送，利用支持短消息业务的GSM引擎模块发送节点故障信息。