CN113329351B - 一种消息传输的方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种消息传输的方法及其设备，包括：设置每个站点的等级，使得其满足：当任意一个站点v属于站点集合G_i时，则站点集合G_i中至少有i+p个站点v的邻接站点，且站点集合G_j中至少有i个站点v的邻接站点；其中，G_i为等级不小于整数i的所有站点构成的站点集合，G_j为等级不小于整数j的所有站点构成的站点集合；j为0和i+t当中的较大值；t和p为两个整数；i＝0，1，...，k；根据站点的等级来确定待接收消息的站点，从而将消息发送给所确定的待接收消息的站点。本发明在系统站点众多或系统全局结构不可知、不能准确维护时，能保证消息传输的可靠性。

Description

一种消息传输的方法及其设备

技术领域

本发明属于计算机和通信系统里传输消息的方法，具体地为一种消息传输路径的获取方法及设备。

背景技术

计算机和通信系统中，消息传输要考虑的主要问题之一就是确定消息的传输路径。不同的场景需求下，最佳的传输路径标准不相同。例如，有时需要沿短路径传输，有时需要沿长路径传输。本发明主要解决后者中的问题。

在研究分析这类问题时，为了方便起见，具体的计算机和通信系统经常被抽象成逻辑上的网络，由节点和节点之间的连接(或称为边)构成。其中，节点代表系统中的站点(比如路由器、传感器、物联网中的设备等)，两个站点若有联系，则对应节点之间就有一条边。这里站点间的联系，可以物理上的连接关系，也可以是逻辑上的连接关系。如果两个节点之间有连接关系，这两个节点称为相邻；且其中一个节点称为另一个的邻接点。一个节点的邻接点的个数称为该节点的度数。本发明描述中，若无特别说明，站点和节点意思相同，连接和边意思相同，系统和网络意思相同。

两个不一定有直接连接的节点A和B可能通过中间节点v₁，v₂，…，v_k从一个节点A沿着一系列连接到达另一个节点B，其中所有涉及的节点两两不同，并且A和v₁有连接，v₁和v₂有连接，依次类推，最后v_k和B有连接。这样的一系列连接确定A和B之间的一条路径。参见图1所示的例子，A,C,B为节点A和B之间的一条路径。一个消息可以节点A出发，沿着该路径(被转发或传播)可以最后到达节点B。

当一个网络包含的节点很多时，搜索其中的最长路径，其实现复杂度很高；还有一些情形下，可能没有一个中心(处理器或管理端)维护整个网络的结构信息，因此也不可能搜索出最优的路径。针对这些情形，现有技术的方法主要有两种。现有技术一：当前站点随机选择一个不在之前已有路径上的邻接站点传输消息；现有技术二：当前站点随机选择一个度数最大的、不在之前已有路径上的邻接站点传输消息。现有技术主要问题是对选取出来的传输路径的长度没有任何保证，可能很长，也可能很短，其长度信息是随机的、不能预测的，从而不能保证信息传输的可靠性。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术存在的不足之处，提出了一种消息传输的方法及其设备，以期能在大规模网络或整个网络信息不清楚、不方便维护时，能预测从网络中任意站点出发的一条最优传输路径进行消息传输，从而保证消息传输的可靠性。

本发明为达到上述发明目的，采用如下技术方案：

本发明一种消息传输的方法的特点是应用于由M个站点及其站点间连接的传输线路所组成的传输网络中，并将各个相连接的站点互称为邻接站点，所述方法是按如下步骤进行：

步骤1、设置每个站点的等级，使得其满足：

当任意一个站点v属于站点集合G_i时，则站点集合G_i中至少有i+p个站点v的邻接站点，且站点集合G_j中至少有i个站点v的邻接站点；其中，G_i为等级不小于整数i所有站点构成的站点集合，G_j为等级不小于整数j所有站点构成的站点集合；j为0和i+t当中的较大值；t和p为两个整数；i＝0，1，...，k；

步骤2、根据站点的等级来确定待接收消息的站点，从而将消息发送给所确定的待接收消息的站点。

本发明所述的一种消息传输的方法的特点也在于，所述步骤1中的站点等级是按如下过程设置：

步骤1.1、每个站点的等级设置一个初始值；

步骤1.2、对于当前站点v，获取其邻接站点的当前等级，并用于更新当前站点v的等级为集合S中的最大值；其中，S为满足条件1的若干个非负整数所构成的集合；

条件1：对于非负整数x，当至少存在x个v的邻接站点的当前等级不小于x+t，且至少存在y个v的邻接站点的当前等级不小于x；其中，y为0与x+p中的较大值；

步骤1.3、执行步骤1.2若干次，直到站点v的等级不再变化为止，从而将最终不变的等级设为站点v的等级。

所述步骤1中的站点等级还可以按如下过程设置：

步骤1.1、每个站点的等级设置一个初始值；

步骤1.2、对于当前站点v，获取其邻接站点的当前等级，并用于更新当前站点v的等级为集合S中的最大值；其中，S为满足条件1的若干个非负整数所构成的集合；

条件1：对于非负整数x，当至少存在x个v的邻接站点的当前等级不小于x+t，且至少存在y个v的邻接站点的当前等级不小于x；其中，y为0与x+p中的较大值；

步骤1.3、按照步骤1.2重复N次更新站点v的等级，并将第N次更新的等级设置为站点v的等级；其中，N为预置的次数。

所述步骤2中是按如下步骤确定待接收消息的站点：

步骤2.1、当t取值为r个整数t₁，t₂，...，t_l，...t_r中的任意一个整数时，得到站点v相应的等级为C(v，t₁)，C(v，t₂)，...，C(v，t_l)，...，C(v，t_r)；其中，C(v，t_l)表示当t＝t_l时对应的站点v的等级；

步骤2.2、记g为所述传输网络中从任意一个站点为出发点出发，沿站点间的传输线路能回到所述出发点所经过的站点个数的最小值，并初始化g＝3；

步骤2.3、利用式(1)计算得到以站点v作为出发点的传输路径的预测长度a_l：

式(1)中，

表示向下取整；||表示取绝对值，J(v,t_l)表示从站点v出发，沿着站点间的传输线路能到达的站点的最小可能等级，并有：

式(2)中，l＝1,2，…，r；

步骤2.4、重复步骤2.3，从而得到t取值为r个整数时的所有预测长度，并从中选取最大预测长度所对应的t的取值，记为tmax；

步骤2.5、当t＝tmax时，获取站点v的所有邻接站点中等级最大的邻接站点作为接收消息的站点。

本发明一种消息传播的设备的特点在于，包括：

等级设置单元、站点选择单元和消息发送单元，其中，

等级设置单元，设置每个站点的等级，使得其满足：

当任意一个站点v属于站点集合G_i时，则站点集合G_i中至少有i+p个站点v的邻接站点，且站点集合G_j中至少有i个站点v的邻接站点；其中，G_i为等级不小于整数i所有站点构成的站点集合，G_j为等级不小于整数j所有站点构成的站点集合；j为0和i+t当中的较大值；t和p为两个整数；i＝0,1,…,k；

站点选择单元，用于选择等级较大的站点作为待接收消息的站点；

消息发送单元，用于将所述消息发送给所确定的待接收消息的站点。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明先对站点设置等级，而所设计的等级设置方式使得每个站点所设置的等级隐含了对应站点处的传输路径信息，从而可以利用所设置的等级来预测、计算出从网络中任意站点出发的最长传输路径的下界，并能获取一条长度大于该下界的传输路径进行消息传输，从而保证了消息传输的可靠性。

附图说明

图1为一个网络和消息传输路径的例子图；

图2a为Email网络中以节点开始的传输路径三种技术可靠性比较图；

图2b为Email网络中以节点开始的传输路径现有技术二和本发明可靠性比较图；

图3a为USAir网络中以节点开始的传输路径三种技术可靠性比较图；

图3b为USAir网络中以节点开始的传输路径现有技术二和本发明可靠性比较图；

图4为本发明流程图。

具体实施方式

本实施例中，一种消息传输的方法，是应用于由M个站点及其站点间连接的传输线路所组成的传输网络G中，并将各个相连接的站点互称为邻接站点，如图4所示，该方法是按如下步骤进行：

步骤1、设置每个站点的等级，使得其满足：

当任意一个站点v属于站点集合G_i时，则站点集合G_i中至少有i+p个站点v的邻接站点，且站点集合G_j中至少有i个站点v的邻接站点；其中，G_i为等级不小于整数i所有站点构成的站点集合，G_j为等级不小于整数j所有站点构成的站点集合；j为0和i+t当中的较大值；t和p为两个整数；i＝0,1,…,k；

这样的序列G₀，G₁，…，G_k称为网络G的一个[t,p]-链。记C_i为从G_i中排除包含在G_i+1中的站点后剩下的站点。如果站点v包含在C_i里，那么i称为v的一个[t,p]-阶。一个站点的[t,p]-阶通常跟t和p的取值相关。可以看出，上述给站点设置的等级即为站点的[t,p]-阶。上述站点可以是路由器、传感器、物联网中的设备、手机等等；给站点设置等级，既可以由一个中心处理设备完成，也可以由每个站点自行通过某种计算得到自己的等级。

有些应用里，为了简化，可以通过设置p的值使得节点的[t,p]-阶只跟t的取值相关。例如，假设节点的度数为d，可以理论上证明对同一个t，取p为小于等于-d的任何值对应的[t,p]-阶相同。这种情况下，站点的等级满足的关系可以采用等价的不同描述。例如，可以描述为，选定一个数t，给系统中站点设置等级，使得如果一个站点v包含在集合G_i里，那么v在集合G_j里至少有i个邻接站点，其中G_l表示等级不小于l的站点构成的集合(l＝0,1,…,k)，j为0和i+t当中的最大值。

具体实施中，步骤1中的站点等级是按如下过程设置：

步骤1.1、每个站点的等级设置一个初始值；

步骤1.2、对于当前站点v，获取其邻接站点的当前等级，并用于更新当前站点v的等级为集合S中的最大值；其中，S为满足条件1的若干个非负整数所构成的集合；

条件1：对于非负整数x，当至少存在x个v的邻接站点的当前等级不小于x+t，且至少存在y个v的邻接站点的当前等级不小于x；其中，y为0与x+p中的较大值；

例如，假设t＝-2，p＝-1，节点v有5个邻接点，这些邻接点的当前等级分别为2，4，4，5，3，那么S＝{0，1，2，3，4}，则更新站点v的等级为4，即v有至少4个邻接点的当前值为4+(-2)＝2，且至少有max{0，4+(-1)}＝3个邻接点的当前值为4；大于等于5的值不包含在S中，因为不存在v的5个邻接点的当前值为5+(-2)＝3，且至少有max{0，5+(-1)}＝4个邻接点的当前值为5，即大于等于5的整数不满足条件1。

步骤1.3、执行步骤1.2若干次，直到站点v的等级不再变化为止，从而将最终不变的等级设为站点v的等级。

该更新过程一直持续到网络里任何节点再按步骤1.2规则更新时返回的值不再变化，即网络里节点的值到达一个不动点或者稳定状态。可以证明，此时节点v的值即为满足实施例一步骤1所刻画的节点v的等级或者[t，p]-阶。

注意到，上述持续迭代更新到稳定状态不确定需要多长时间。有时候，为了简化计算过程或信息交互流程，可以用[t，p]-阶的近似值代替真实值设置为站点的等级。近似值的获取，可以通过预先设置一个更新次数，当节点按上述规则更新预设的次数后得到的值作为节点的[t，p]-阶的近似值。当然，需要说明的是，该近似值可能就不能满足步骤1所刻画的节点v的等级关系了。

此处，计算节点的值和[t，p]-阶或其近似值可以由中心处理器完成，也可以由各节点自行计算完成。在节点进行值更新时，如果是节点自行计算，还可以让邻接点将各自的当前值通知给当前节点；如果是中心处理器计算，所有节点可以将当前值通知给中心处理器。

注意到，节点在计算自己的[t，p]-阶时，只需要知道它的邻接点的取值情况，不需要知道网络的整体结构，因此即使没有任何中心处理器清楚整个网络的结构情况，本发明方法仍然可以正常运行。

本实施例中，为了得到节点的[t，p]-阶，还可以按照下面的方法进行：

步骤A、对于不同的k，先得到G_k。

因为可以注意到，C_k里包含的节点是从G_k里排除包含在G_k+1的所有节点后剩下的节点。

而为了得到G_k，可以采用如下节点删除方法：

假设k＝i-mt，其中0≤i＜|t|。

记j取值依次从0到m。对于j＝0，从网络G中删除度数小于i-jt的所有节点与连在所删除节点上的连接(或边)，并在所得到的网络中，迭代地删除度数小于i-jt+p的节点与连在这些所删除节点上的连接(或边)，直到所得到的网络中没有度数小于i-jt+p的节点为止；

对于j＝1，从j＝0结束时得到的网络中删除度数小于i-jt的所有节点与连在所删除节点上的连接(或边)，并在所得到的网络中，迭代地删除度数小于i-jt+p的节点与连在这些所删除节点上的连接(或边)，直到所得到的网络中没有度数小于i-jt+p的节点为止；

依次类推，当j＝m结束时得到的网络里剩下的节点即为G_k里的节点。

步骤B、对于不同的k，从G_k里排除包含在G_k+1的所有节点后剩下的节点即为[t，p]-阶为k的节点。

将节点的[t，p]-阶设置为节点的等级。

步骤2、根据站点的等级来确定待接收消息的站点，从而将消息发送给所确定的待接收消息的站点。

假设待传输的消息已经到达站点v。接下来，选择一个不在之前的传输路径中且等级较大的邻接站点作为接下来待接收消息的站点v1。

同样地，对于v₁，选择它的一个不在之前的传输路径中且等级较大的邻接点，记为v₂；依此类推，直到没有节点可选择为止。记最后一个被选择出来的节点为v_k，则消息从站点v开始的传输路径为v，v₁，v₂，...，v_k。此处，当前站点选择邻接点时，可以由中心处理设备完成并通知当前站点，也可以由当前节点自行选择。

可以看到，上面返回的路径是以节点v为端点或起始点的路径。有些情形下也可以返回经过v的路径。具体地，接着上面的步骤，再回到节点v，选择它的一个之前未被选择的、等级较大的邻接点u₁，即u₁不为任何v_i(i＝1，2，...，k)。对于u₁，选择它的一个之前未被选择的、等级较大的邻接点，记为u₂；依此类推，直到没有节点可选择为止。记最后一个被选择出来的节点为u_l，则返回路径u_l，…，u₂，u₁，v，v₁，v₂，...，v_k。此处，当前节点选择邻接点时，可以由中心处理器完成，也可以由当前节点自行选择。上述选择等级较大的邻接点，通常是选择等级最大的邻接点。

步骤2中还可以具体按如下步骤确定待接收消息的站点：

步骤2.1、当t取值为r个整数t₁，t₂，...，t_l，...t_r中的任意一个整数时，得到站点v相应的等级为C(v，t₁)，C(v，t₂)，...，C(v，t_l)，...，C(v，t_r)；其中，C(v，t_l)表示当t＝t_l时对应的站点v的等级；

步骤2.2、记g为传输网络中从任意一个站点为出发点出发，沿站点间的传输线路能回到出发点所经过的站点个数的最小值，并初始化g＝3；

步骤2.3、利用式(1)计算得到以站点v作为出发点的传输路径的预测长度a_l：

式(1)中，

表示向下取整；||表示取绝对值，J(v，t_l)是一个整数使得整数

为从站点v出发，沿着站点间的传输线路能到达的站点的最小可能等级，并有：

式(2)中，l＝1,2，…，r；

步骤2.4、重复步骤2.3，从而得到t取值为r个整数时的所有预测长度，并从中选取最大预测长度所对应的t的取值，记为tmax；

步骤2.5、当t＝tmax时，获取站点v的所有邻接站点中等级最大的邻接站点作为接收消息的站点。

记T为t可以取的部分值组成的集合，其可以根据不同情况，例如计算复杂度、结果精确度等确定。如果能容忍的计算复杂度高，希望得到的结果精确度高，那么T中可以包含更多的值；反之，T中可以包含少一些的值。

在搜索传输路径时，记当前站点v选择的接收消息的邻接站点为站点v₁。同样地，对于v₁，按照类似方法选择下一个待接收消息的站点v₂；依此类推，直到没有节点可选择为止。记最后一个被选择出来的节点为v_k，则消息从站点v开始的传输路径为v,v₁，v₂，…，v_k。此处，当前站点选择邻接点时，可以由中心处理设备完成并通知当前站点，也可以由当前节点自行选择。

本实施例中，一种计算机或通信系统，系统里包含多个设备，设备里包括如下一个或多个单元：

设备等级设置单元，用于得到设备在系统里的[t,p]-阶或其近似值，并将其设置为设备的等级；且每个站点的等级满足：

当任意一个站点v属于站点集合G_i时，则站点集合G_i中至少有i+p个站点v的邻接站点，且站点集合G_j中至少有i个站点v的邻接站点；其中，G_i为等级不小于整数i所有站点构成的站点集合，G_j为等级不小于整数j所有站点构成的站点集合；j为0和i+t当中的较大值；t和p为两个整数；i＝0,1,…,k；

站点选择单元，用于选择等级较大的站点作为待接收消息的站点；

消息发送单元，用于将消息发送给所选择的待接收消息的站点。

为了验证本发明获取消息传输路径的可靠性，通过计算机仿真实验在具体网络上和现有技术对比。实验结果表明本发明方案可靠性更好。此处，仅通过在Email网络和USAir网络来进行说明，其中Email网络由1133个节点，5451条边构成；USAir网络由332个节点，2126条边构成。实验中，对每一个网络，随机选择100个节点，对每一个节点用每种搜索路径的方法实验1000次，并以1000次里搜索到的路径的平均长度作为对应搜索方法得到的对应节点的路径长度。以下图中，图2a、图3a都是跟现有技术一比较(即当前站点随机选择一个不在已有路径上的邻接点)。具体比较方式如下：现有技术二(即当前站点随机选择一个不在已有路径上的度数最大的邻接点，图中标示为最大度方法)和本发明方法，各自计算每个节点的路径长度与现有技术一方法得到的路径长度的增益百分比，即待比较方法的路径长度与现有技术一的长度差和现有技术一路径长度的比值。图2a中横坐标表示100个随机选择的节点，纵坐标是增益百分比。对于Email网络来讲，从图2a中可以看到，最大度和本发明相对于现有技术一的增益都在差不多200％以上，但本发明的增益总体上更高。为了更明显说明本发明比现有技术二更好，图2b直接比较了现有技术二和本发明。具体比较方法如下：100个随机选择节点中，每个节点分别计算本发明相对于现有技术二的增益百分比，然后再把增益百分比的分布曲线表示出来，其中横坐标为增益百分比，纵坐标为对应的节点个数。从图2b中可以看到，对于以节点开始的传输路径长度来说，Email网络里本发明有大约70％的节点的路径长度比现有技术二更长，即增益大于0；

对于USAir网络的实验结果分析类似，从图3a中可以看到，最大度和本发明相对于现有技术一的增益都在差不多20％以上，但本发明的增益总体上更高。从图3b中可以看到，对于以节点开始的路径长度来说，USAir网络里本发明有100％的节点的路径长度比现有技术二更长，即增益大于0。

因此，本发明比现有技术两种方案消息传输可靠性更高。

Claims (5)

1.一种消息传输的方法，其特征是应用于由M个站点及其站点间连接的传输线路所组成的传输网络中，并将各个相连接的站点互称为邻接站点，所述方法是按如下步骤进行：

步骤1、设置每个站点的等级，使得其满足：

当任意一个站点v属于站点集合G_i时，则站点集合G_i中至少有i+p个站点v的邻接站点，且站点集合G_j中至少有i个站点v的邻接站点；其中，G_i为等级不小于整数i所有站点构成的站点集合，G_j为等级不小于整数j所有站点构成的站点集合；j为0和i+t当中的较大值；t和p为两个整数；i＝0,1,…,k；

步骤2、根据站点的等级来确定待接收消息的站点，即假设待传输的消息已经到达站点v，获取站点v的所有邻接站点中等级最大的邻接站点为待接收消息的站点，从而将消息发送给所确定的待接收消息的站点；

步骤2.1、当t取值为r个整数t₁,t₂,…,t_l,…t_r中的任意一个整数时，得到站点v相应的等级为C(v,t₁),C(v,t₂),…,C(v,t_l),…,C(v,t_r)；其中，C(v,t_l)表示当t＝t_l时对应的站点v的等级；

步骤2.2、记g为所述传输网络中从任意一个站点为出发点出发，沿站点间的传输线路能回到所述出发点所经过的站点个数的最小值，并初始化g＝3；

步骤2.3、利用C(v,t_l)，t_l和g的值计算得到以站点v作为出发点的传输路径的预测长度a_l，l＝1,2,…,r；

步骤2.4、从得到的t取值为r个整数时的所有预测长度中选取最大预测长度所对应的t的取值，记为tmax；

步骤2.5、当t＝tmax时，获取站点v的所有邻接站点中等级最大的邻接站点作为接收消息的站点。

2.根据权利要求1所述的一种消息传输的方法，其特征在于，所述步骤1中的站点等级是按如下过程设置：

步骤1.1、每个站点的等级设置一个初始值；

步骤1.2、对于当前站点v，获取其邻接站点的当前等级，并用于更新当前站点v的等级为集合S中的最大值；其中，S为满足条件1的若干个非负整数所构成的集合；

条件1：对于非负整数x，当至少存在x个v的邻接站点的当前等级不小于x+t，且至少存在y个v的邻接站点的当前等级不小于x；其中，y为0与x+p中的较大值；

步骤1.3、执行步骤1.2若干次，直到站点v的等级不再变化为止，从而将最终不变的等级设为站点v的等级。

3.根据权利要求1所述的一种消息传输的方法，其特征在于，所述步骤1中的站点等级按如下过程设置：

步骤1.1、每个站点的等级设置一个初始值；

步骤1.2、对于当前站点v，获取其邻接站点的当前等级，并用于更新当前站点v的等级为集合S中的最大值；其中，S为满足条件1的若干个非负整数所构成的集合；

条件1：对于非负整数x，当至少存在x个v的邻接站点的当前等级不小于x+t，且至少存在y个v的邻接站点的当前等级不小于x；其中，y为0与x+p中的较大值；

步骤1.3、按照步骤1.2重复N次更新站点v的等级，并将第N次更新的等级设置为站点v的等级；其中，N为预置的次数。

4.根据权利要求1所述的一种消息传输的方法，其特征在于，所述步骤2.3中利用C(v,t_l)，t_l和g的值计算得到以站点v作为出发点的传输路径的预测长度a_l具体包括

利用式(1)计算得到以站点v作为出发点的传输路径的预测长度a_l：

式(1)中，

表示向下取整；||表示取绝对值；l＝1,2,…,r。

5.一种消息传输的设备，其特征在于，包括：

等级设置单元、站点选择单元和消息发送单元，其中，

等级设置单元，设置每个站点的等级，使得其满足：

当任意一个站点v属于站点集合G_i时，则站点集合G_i中至少有i+p个站点v的邻接站点，且站点集合G_j中至少有i个站点v的邻接站点；其中，G_i为等级不小于整数i所有站点构成的站点集合，G_j为等级不小于整数j所有站点构成的站点集合；j为0和i+t当中的较大值；t和p为两个整数；i＝0,1,…,k；

站点选择单元，用于选择待传输的消息已经到的达站点v的所有邻接站点中等级最大的邻接的站点作为待接收消息的站点，包括：

步骤a、当t取值为r个整数t₁,t₂,…,t_l,…t_r中的任意一个整数时，得到站点v相应的等级为C(v,t₁),C(v,t₂),…,C(v,t_l),…,C(v,t_r)；其中，C(v,t_l)表示当t＝t_l时对应的站点v的等级；

步骤b、记g为传输网络中从任意一个站点为出发点出发，沿站点间的传输线路能回到所述出发点所经过的站点个数的最小值，并初始化g＝3；

步骤c、利用C(v,t_l)，t_l和g的值计算得到以站点v作为出发点的传输路径的预测长度a_l，l＝1,2,…,r；

步骤d、从得到的t取值为r个整数时的所有预测长度中选取最大预测长度所对应的t的取值，记为tmax；

步骤e、当t＝tmax时，获取站点v的所有邻接站点中等级最大的邻接站点作为接收消息的站点；

消息发送单元，用于将所述消息发送给所确定的待接收消息的站点。

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