網(wǎng)絡(luò)模擬中高真實(shí)性拓?fù)湔郫B方法研究

楊國(guó)玲，王曉鋒，毛 力

（江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫214122）

0 引 言

當(dāng)前，網(wǎng)絡(luò)模擬已成為研究網(wǎng)絡(luò)行為和評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的的重要手段［1，2］。但隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越來(lái)越大，結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)模擬的高資源消耗問(wèn)題 （大量的計(jì)算及存儲(chǔ)開銷）也日益突出。目前針對(duì)該問(wèn)題的研究主要集中于簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)模擬模型，即通過(guò)提高網(wǎng)絡(luò)模擬的抽象度，來(lái)降低計(jì)算及存儲(chǔ)開銷。其中，文獻(xiàn) ［3］提出一種基于local－area拓?fù)涑橄笏惴?，該方法首先把網(wǎng)絡(luò)劃分成多個(gè)本地域，然后對(duì)每一個(gè)本地域進(jìn)行抽象來(lái)降低拓?fù)湟?guī)模。文獻(xiàn) ［4］提出一種基于焦點(diǎn)區(qū)域折疊的拓?fù)涑橄蠓椒?，這種方法把網(wǎng)絡(luò)分成焦點(diǎn)區(qū)域和非焦點(diǎn)區(qū)域，通過(guò)對(duì)非焦點(diǎn)區(qū)域的樹形收縮來(lái)降低網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。文獻(xiàn) ［5］提出一種基于主機(jī)刪減的蠕蟲模擬方法，該方法按比例對(duì)主機(jī)進(jìn)行縮減來(lái)減少模擬開銷。文獻(xiàn) ［6］提出一種基于聚合系數(shù)的拓?fù)涑橄笏惴?，通過(guò)樹形抽象和權(quán)值估算抽象來(lái)縮小網(wǎng)絡(luò)規(guī)模。文獻(xiàn) ［7］和文獻(xiàn) ［8］則分別通過(guò)刪除全部主機(jī)節(jié)點(diǎn)和部分路由節(jié)點(diǎn)、刪除部分主機(jī)節(jié)點(diǎn)來(lái)縮減網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

上述文獻(xiàn)中的抽象算法普遍存在抽象率低或模擬真實(shí)性無(wú)法保證的問(wèn)題。其中，文獻(xiàn) ［3，4，6－8］有效地縮減了拓?fù)湟?guī)模，提高了模擬效率，但其真實(shí)性無(wú)法保證；文獻(xiàn) ［5］為了保證模擬真實(shí)性，只刪減了部分主機(jī)節(jié)點(diǎn)，抽象度較低。針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出了一種高真實(shí)性的拓?fù)湔郫B方法HFTF （high fidelity topology folding），該方法先通過(guò)對(duì)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行路由刪減和主機(jī)抽象來(lái)形成小規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，然后在此基礎(chǔ)上分析了抽象后模擬結(jié)果的失真情況，并進(jìn)行了相應(yīng)補(bǔ)償，從而在有效提高模擬效率的同時(shí)，保證了模擬結(jié)果的真實(shí)性。

1 拓?fù)湔郫B算法

本文提出了一種基于拓?fù)湔郫B的抽象算法，該算法分為兩步：第一步遞歸刪除度為1的路由節(jié)點(diǎn)；第二步對(duì)主機(jī)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行抽象。相關(guān)定義如下 （其中V 表示路由節(jié)點(diǎn)，H 表示主機(jī)節(jié)點(diǎn)）：

定義1 L （Vi，Vj）表示在節(jié)點(diǎn)Vi和Vj之間的鏈路。

定義2 HostNumber （Vi）表示節(jié)點(diǎn)Vi所帶的主機(jī)數(shù)。

定義3 Degree （Vi）表示節(jié)點(diǎn)Vi的度數(shù)。該算法采用無(wú)向路由拓?fù)洌虼嗣總€(gè)節(jié)點(diǎn)的度數(shù)就是與其相連的（不包括與主機(jī)相連的）鏈路的個(gè)數(shù)。

定義4 a表示主機(jī)抽象系數(shù)。

1.1 遞歸刪除算法

算法具體描述如下：

（1）procedure router deletion

（2） for each Viinit Degree（Vi）＝0

（3） end for

（4） for each L（Vi，Vj）

（5） if L（Vi，Vj）exit do

（6） Degree（Vi）＋＋，Degree（Vj）＋＋；

（7） end if

（8） end for

（9） if exit Degree（Vi）＝1do

（10） for each Vi

（11） if Degree（Vi）＝1and L（Vi，Vj）exit do

（12） record Vi；

（13） HostNum（Vj）＝HostNum（Vi）＋HostNum（Vj）；

（14） delete Vi；

（15） delete L（Vi，Vj）；

（16） end if

（17） end for

（18） for each Viinit Degree（Vi）＝0

（19） end for

（20） for each L（Vi，Vj）

（21） if L（Vi，Vj）exit do

（22） Degree（Vi）＋＋，Degree（Vj）＋＋；

（23） end if

（24） end for

（25） end if

（26）end procedure

其中，（2）－（3）初始化路由節(jié)點(diǎn)度數(shù)為0；（4）－（8）計(jì)算路由節(jié)點(diǎn)度數(shù)；（9）－（25）遞歸刪除拓?fù)渲卸葹?的路由節(jié)點(diǎn)，并把其所帶的主機(jī)節(jié)點(diǎn)歸并到與之相連的另一個(gè)路由節(jié)點(diǎn)上，然后再重新計(jì)算度數(shù)，直到所有節(jié)點(diǎn)的度數(shù)都不為1。

通過(guò)圖1進(jìn)行舉例說(shuō)明，為描述方便，令每個(gè)路由器帶4個(gè)主機(jī)，“□”代表路由節(jié)點(diǎn)，“○”代表主機(jī)節(jié)點(diǎn)。

圖1 部分原始拓?fù)?/p>

經(jīng)過(guò)遞歸刪除算法，圖1簡(jiǎn)化得到的結(jié)果如圖2所示。

圖2 遞歸刪除算法之后的拓?fù)?/p>

1.2 主機(jī)抽象算法

算法具體描述如下：

（1）procedure host abstraction

（2） for each Vido

（3） HostNum （Vi）＝HostNum （Vi）／a

（4） end for

（5）end procedure

以上 （1）－（5）使每個(gè)路由器上的主機(jī)數(shù)按抽象系數(shù)（a）進(jìn)行縮減。

針對(duì)圖2，若取a 為4，則圖2 經(jīng)過(guò)主機(jī)抽象算法后，變?yōu)閳D3的拓?fù)洹?/p>

圖3 主機(jī)抽象之后的拓?fù)?/p>

2 拓?fù)湔郫B后鏈路的失真分析及補(bǔ)償

由HFTF算法分析可知：經(jīng)過(guò)第一步的路由刪減，部分路由節(jié)點(diǎn)和鏈路會(huì)被刪除，即和原始拓?fù)湎啾?，同樣的?shù)據(jù)包傳輸經(jīng)過(guò)路由節(jié)點(diǎn)和鏈路會(huì)變少，這必然會(huì)導(dǎo)致發(fā)送時(shí)延和傳播時(shí)延的降低；經(jīng)過(guò)第二步的主機(jī)抽象，使主機(jī)的數(shù)量變?yōu)樵瓉?lái)的1／a，而這也會(huì)導(dǎo)致流入網(wǎng)絡(luò)的流量速率降低、從而導(dǎo)致排隊(duì)時(shí)延以及丟包率的降低。這兩方面會(huì)對(duì)模擬結(jié)果的真實(shí)性造成影響，具體分析與補(bǔ)償方法如下所示。

2.1 排隊(duì)時(shí)延和丟包率的失真分析及補(bǔ)償

基于經(jīng)典的DropTail隊(duì)列管理算法來(lái)分析。原始拓?fù)涞南嚓P(guān)變量定義如下：

F：路由器Vi上的出鏈路L 相對(duì)應(yīng)的緩沖隊(duì)列；

L（t）：F 在t時(shí)刻隊(duì)列字節(jié)長(zhǎng)度；

Q（t）：數(shù)據(jù)包的排隊(duì)延遲；

B：鏈路L 的帶寬，則Q（t）＝L（t）／B；

F（t）：t時(shí)刻流入隊(duì)列F 的流量速率；

Lavg：緩沖隊(duì)列數(shù)據(jù)包的平均字節(jié)長(zhǎng)度；

Tmax：緩沖隊(duì)列的最大長(zhǎng)度。

同理定義拓?fù)湔郫B后的相關(guān)變量L′（t），B′，F(xiàn)′（t），Q′（t），T′max。由HFTF算法可知，拓?fù)湔郫B之后主機(jī)數(shù)量變?yōu)樵瓉?lái)的1／a，這會(huì)導(dǎo)致流入拓?fù)涞牧髁克俾室沧優(yōu)樵瓉?lái)的1／a，則流入每個(gè)路由器隊(duì)列的流量速率也應(yīng)為1／a，即

為了保證模擬結(jié)果的真實(shí)性，這里令拓?fù)湔郫B后的L的帶寬、緩沖隊(duì)列的最大長(zhǎng)度均為原來(lái)的1／a （下面會(huì)分析在此條件下丟包率以及排隊(duì)時(shí)延的真實(shí)性），即

原始拓?fù)涞膩G包率p（t）為

t時(shí)刻的隊(duì)列長(zhǎng)度與丟包率滿足如下關(guān)系

其中，φ（x）的取值為：若x＞0，φ（x）＝1；若x≤0，φ（x）＝0。

拓?fù)湔郫B后的丟包率p′（t）為

拓?fù)湔郫B后的L′（t）和p′（t）的關(guān)系為

結(jié)合式 （2）、式 （5）得

結(jié)合式 （1）、式 （2）、式 （6）得

對(duì)比式（3）和式 （7）、式 （4）和式 （8），可以看出p（t）與p′（t），L （t）與aL′ （t）均滿足同一組關(guān)系式，則有

由定義可知拓?fù)湔郫B前后的數(shù)據(jù)包的排隊(duì)時(shí)延分別為：Q（t）＝L（t）／B、Q′（t）＝L′（t）／B′，結(jié)合式 （2）、式（10）可推出

由式 （9）、式 （11）可以看出，通過(guò)引入補(bǔ)償方法（把鏈路的帶寬及緩沖隊(duì)列的最大長(zhǎng)度均縮減為原來(lái)的1／a），即可保證網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲信抨?duì)時(shí)延和丟包率的真實(shí)性。

2.2 傳播時(shí)延和發(fā)送時(shí)延的失真分析及補(bǔ)償

數(shù)據(jù)包時(shí)延包括排隊(duì)時(shí)延，發(fā)送時(shí)延和傳播時(shí)延。相關(guān)定義如下：

Lp：數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度，則發(fā)送時(shí)延為L(zhǎng)p／B；

D：鏈路L的傳播時(shí)延。

假設(shè)數(shù)據(jù)包從m 節(jié)點(diǎn)傳到n節(jié)點(diǎn)，在原始拓?fù)渲兴?jīng)過(guò)的鏈路為L(zhǎng)1，L2，…，Li，…，在拓?fù)湔郫B后的拓?fù)渲兴?jīng)過(guò)的鏈路為L(zhǎng)1′，L2′，…，Lj′，…，則在原始拓?fù)渲械臄?shù)據(jù)包時(shí)延為

拓?fù)湔郫B后的數(shù)據(jù)包時(shí)延為 （D′為拓?fù)湔郫B后鏈路的傳播時(shí)延）

因?yàn)橥負(fù)湔郫B過(guò)后會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)包時(shí)延降低 （經(jīng)過(guò)的節(jié)點(diǎn)和鏈路變少），此時(shí)要保證模擬結(jié)果的真實(shí)性，需在m 到n的鏈路上加上一個(gè)延遲補(bǔ)償Δd，其值為

由2.1分析可知，在拓?fù)湔郫B前后

即在拓?fù)湔郫B后剩余節(jié)點(diǎn)的排隊(duì)時(shí)延和在原始拓?fù)渲械呐抨?duì)時(shí)延相等。由HFTF算法可知：刪除的路由節(jié)點(diǎn)都是邊緣節(jié)點(diǎn)，而邊緣節(jié)點(diǎn)的擁塞程度通常不高，其排隊(duì)時(shí)延可以忽略不計(jì)，則式 （14）可以寫成

由式 （16）可知，要保證拓?fù)湔郫B后數(shù)據(jù)包從m 到n時(shí)延的真實(shí)性，需要加上一個(gè)延遲補(bǔ)償Δd，其值為m 到n之間所有被刪除鏈路的發(fā)送延遲和傳播延遲總和。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證 HFTF 算法的有效性，本文采用基于NS2［9，10］的Slammer蠕蟲進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洳捎?組分別有50，100，150個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的拓?fù)淠Ｐ?（把拓?fù)渲卸葹?的路由節(jié)點(diǎn)設(shè)為邊界路由器，每個(gè)邊界路由器連接64個(gè)主機(jī)節(jié)點(diǎn)，并將這些主機(jī)全部設(shè)為弱點(diǎn)主機(jī)），抽象系數(shù)a的取值為4。

3.1 拓?fù)湔郫B前后的規(guī)模比較

由圖4可以看出3組拓?fù)湓谕負(fù)湔郫B前后的規(guī)模對(duì)比：對(duì)50個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，原始拓?fù)渲泄?jié)點(diǎn)數(shù)量是2290，折疊后為575，規(guī)模減少了74.89%；對(duì)100個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，拓?fù)湔郫B前后的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)分別是4260和1071，減少了74.86%；對(duì)150個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，折疊前后的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為6870、1741，減少了74.66%。由此可以看出，此算法可以在很大程度上縮減網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞囊?guī)模。

圖4 拓?fù)湓谡郫B前后規(guī)模比較

3.2 拓?fù)湔郫B前后模擬時(shí)間的比較

由圖5可以看出，3 組拓?fù)湓谡郫B前后運(yùn)行時(shí)間的對(duì)比：對(duì)于50 個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，折疊前后的模擬時(shí)間分別為578s、14s，降低了97.58%；對(duì)100 個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，折疊前后的模擬時(shí)間分別是4171s、79s，降低了98.11%；對(duì)150個(gè)路由節(jié)點(diǎn)，折疊前后的模擬時(shí)間分別是5721s和124s，降低了97.83%。由此可以看出，此算法可以縮短模擬運(yùn)行時(shí)間97%以上。

圖5 拓?fù)湓谡郫B前后模擬時(shí)間比較

3.3 模擬結(jié)果的真實(shí)性比較

為了更好的說(shuō)明HFTF算法的真實(shí)性，每組實(shí)驗(yàn)中都采用3組數(shù)據(jù)來(lái)做比較，這3組數(shù)據(jù)分別是原始拓?fù)淠M結(jié)果、拓?fù)湔郫B但沒有鏈路補(bǔ)償?shù)哪M結(jié)果和拓?fù)湔郫B并且加上鏈路補(bǔ)償?shù)哪M結(jié)果。比較結(jié)果如圖6所示 （橫坐標(biāo)為時(shí)間t，豎坐標(biāo)為t時(shí)刻感染的主機(jī)節(jié)點(diǎn)數(shù)量）。

通過(guò)圖6 （a）－（c）可以看出，采用HFTF算法的蠕蟲模擬感染曲線與原始拓?fù)涞牡母腥厩€幾乎完全一致，比不加鏈路補(bǔ)償?shù)耐負(fù)湔郫B算法具有更高的真實(shí)性。由此可以看出本文提出的高真實(shí)性拓?fù)湔郫B算法在降低網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)模，減少模擬運(yùn)行時(shí)間的前提下，仍可以保證結(jié)果的高真實(shí)性。

圖6 蠕蟲模擬在拓?fù)湔郫B前后的真實(shí)性比較

4 結(jié)束語(yǔ)

大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)模擬中的高資源消耗問(wèn)題已受到越來(lái)越多的關(guān)注，針對(duì)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)模擬中現(xiàn)有算法普遍存在的抽象率低或模擬真實(shí)性無(wú)法保證的問(wèn)題，本文提出一種高真實(shí)性拓?fù)湔郫B模擬方法，該方法首先通過(guò)遞歸刪除算法和主機(jī)抽象算法來(lái)降低網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)模，提高抽象率，然后通過(guò)鏈路參數(shù)補(bǔ)償以及端到端延遲補(bǔ)償來(lái)確保模擬結(jié)果的真實(shí)性?；谌湎x模擬的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法可以降低網(wǎng)絡(luò)規(guī)模74%以上，減少模擬運(yùn)行時(shí)間97%以上，并且結(jié)果仍具有很高的真實(shí)性。

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