確定性網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點收斂時間預(yù)測模型

俞永飛

(合肥財經(jīng)職業(yè)學(xué)院 電子信息系,安徽 合肥 230601)

0 引言

IP技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展不僅要求網(wǎng)絡(luò)提高自身性能,還要正確合理地預(yù)測網(wǎng)絡(luò)拓撲收斂時間,這是當下網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展關(guān)注的熱點。當互聯(lián)網(wǎng)的拓撲結(jié)構(gòu)一直不發(fā)生變化時,拓撲節(jié)點也不會改變,因此收斂時間不會是一個問題[1]。但事實上,網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常會進行網(wǎng)絡(luò)升級,增加新路由器、或者是路由器自身接口故障、加上帶寬分配程度的變化以及路由器CPU的使用狀況等相關(guān)因素的改變,這些都可能使網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化,進而改變拓撲節(jié)點。而這些因素變化將導(dǎo)致路由器重新計算,并同步運行到其他路由及設(shè)備,這就產(chǎn)生了收斂時間。收斂時間是指路由器發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化后路由信息同步的過程,這個過程中所花費的時間就稱為收斂時間[2]。

為了有效計算收斂時間,建立了傳統(tǒng)預(yù)測方法。但傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點收斂時間的預(yù)測方法比較單一,計算過程簡便,很多影響收斂時間的因素沒有考慮進去,例如網(wǎng)絡(luò)升級后的路由器處理信息時間,帶寬分配率的分布情況,傳輸路徑中的具體遮擋物遮擋面積,以及節(jié)點速率和數(shù)量等要素。對這些要素的忽略,都會導(dǎo)致收斂時間預(yù)測結(jié)果的不準確[3]。因此,針對上述傳統(tǒng)預(yù)測方法中各類因素帶來的影響,更要著重研究確定性網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點收斂時間預(yù)測模型。

1 設(shè)計網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點收斂時間預(yù)測模型

網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)是指用傳輸媒體互連各種設(shè)備的物理布局。簡單地說,就是把網(wǎng)絡(luò)中的計算機等設(shè)備連接起來。而傳輸媒體就是數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中在發(fā)送器和接收器之間的物理通路,概括下來就是網(wǎng)線和無線網(wǎng)絡(luò)[4]。構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)拓撲的拓撲結(jié)構(gòu)有很多種,它的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Network topology diagram

根據(jù)圖1可知,網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)種類繁多。可見,分析計算方法相對復(fù)雜,對于收斂時間的預(yù)測相對困難[5]。但需要注意的是無論是什么樣的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的節(jié)點才是需要重點關(guān)注的關(guān)鍵影響因素。網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點主要分為兩大類,中央節(jié)點和其他節(jié)點。路由器的信息更新計算指令就是通過中央節(jié)點向其他節(jié)點進行同步輸送,進而實現(xiàn)整體更新[6]。節(jié)點的具體反應(yīng)過程如圖2所示。

圖2 拓撲節(jié)點反應(yīng)過程Fig.2 The reaction process of topological node

通過圖2描述的反映過程,當路由器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點發(fā)生改變時,經(jīng)由主干交換機向其他鏈接設(shè)備輸送更新程序,使得其他節(jié)點連接的機器設(shè)備實現(xiàn)信息同步[7]。根據(jù)上文相關(guān)要點總結(jié),具體預(yù)測流程如圖3所示。

圖3 收斂時間基本預(yù)測流程Fig.3 The basic prediction process convergence time

按照圖3建立的收斂時間基本預(yù)測流程,建立確定性網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點收斂時間預(yù)測模型。

1.1 確定收斂處理時間

根據(jù)上述的拓撲結(jié)構(gòu)和節(jié)點反映狀況,建立預(yù)測模型要確定在拓撲結(jié)構(gòu)變化后,網(wǎng)絡(luò)接收到信息并處理的反應(yīng)時間以及發(fā)送時間[8]。根據(jù)這個變化,設(shè)定信息處理時間為T,其中接受時間點為T1,發(fā)送時間點為T2,則設(shè)定公式為:

(1)

式中：Xi為數(shù)據(jù)開始處理時間,Yi為信息處理結(jié)束時間,n為信息處理次數(shù)[9]。按照信息變化頻次,根據(jù)Yi和Xi的差值計算機器接受時間點T。同理,計算發(fā)送時間點T2的計算公式如下:

(2)

式中：U為接口功效值,V為接口定點接受速度,即通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)出信息數(shù)據(jù)的時間點T2。結(jié)合上述兩個公式,計算網(wǎng)絡(luò)處理信息數(shù)據(jù)的整體時長為:

T=T2-T1

(3)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送時間和路由接受時間的差值,確定當下拓撲結(jié)構(gòu)信息變化的整體時長[10]。得到時間數(shù)據(jù)后進行路徑計算。

1.2 估算預(yù)測傳輸路徑

網(wǎng)絡(luò)拓撲信息傳輸方式主要為無線網(wǎng)絡(luò)區(qū)域傳輸[11],因此計算無線網(wǎng)絡(luò)區(qū)域傳輸信息路徑范圍公式如下:

(4)

式中：W是無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍,Si是網(wǎng)絡(luò)有效覆蓋平面,N為定點位置值,取值范圍為N∈(1,2,…n),K是范圍系數(shù)且K≥1。范圍系數(shù)K變化下,根據(jù)單個定點位置覆蓋平面確定整個信息傳輸范圍[12]。同時,傳輸范圍的確定還要考慮到無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的建筑及其他物品對于覆蓋面積的影響。遮擋物的要覆蓋平面計算公式為:

(5)

式中：z是每一個遮擋物的有效覆蓋面積,n為所有遮擋物的數(shù)量總和,Z為根據(jù)所有遮擋物算出的整體被遮擋的面積[13]。根據(jù)式 (4) 和 (5) 可知,傳輸路徑范圍為:

S=W-Z

(6)

可以看出,傳輸路徑范圍S的值,是根據(jù)上述公式計算得到,這其中遮擋物數(shù)量對于最終計算結(jié)果的影響還是不容忽視的[14]。

1.3 推算節(jié)點反應(yīng)速率

傳輸路徑確定后,收斂時間還需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點所反映時效進行計算。計算分為兩個部分,第一部分計算中央節(jié)點反應(yīng)速率,計算公式如下所示:

(7)

由公式7可知,將路由處理時間T和傳輸路徑范圍S融入到函數(shù)公式中,得到中央節(jié)點接收速度函數(shù)f(s(t))和輸出速度函數(shù)f(si(t)),n為信息處理次數(shù),q為中央節(jié)點工作效率,通過計算得到中央節(jié)點的平均反應(yīng)速率Q。設(shè)定其他節(jié)點速率為P,具體公式如下:

(8)

根據(jù)式 (7) 和 (8) 可知,其他節(jié)點的速率公式中,多了參數(shù)m,這是由于中央節(jié)點只有一個,而其他節(jié)點可以有很多個的緣故[15]。至此數(shù)據(jù)準備結(jié)束,開始進行收斂時間預(yù)測。

1.4 實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點收斂時間預(yù)測

將上述時間公式(3)、覆蓋面函數(shù)公式(6)以及節(jié)點反應(yīng)速率公式(7)和公式(8)進行整理,建立收斂時間函數(shù)公式,設(shè)定預(yù)測速度為g(x),計算過程如下:

(9)

公式(9)中隨著時間T和節(jié)點效率Q、P的確定值,計算出預(yù)測速度。由此可見,文中方法對于收斂時間預(yù)測速度更快。

同樣,設(shè)定預(yù)測方法結(jié)果準確率為j(x),則它的相關(guān)計算函數(shù)公式如下:

(10)

公式(10)通過效率函數(shù)P(xj)、范圍函數(shù)S(xj)以及時間T計算收斂時間測試的結(jié)果有效率,計算結(jié)果j(x)≥94%。由此可知,該方法下的結(jié)果準確率預(yù)測值更高。

通過上述函數(shù)公式得到預(yù)測方法的效率預(yù)測結(jié)果和準確率預(yù)測結(jié)果,據(jù)此完整的確定性網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點時間收斂預(yù)測模型建立完成。

2 仿真實驗與分析

為了檢驗文中所提出收斂時間預(yù)測方法的預(yù)測結(jié)果有效性,從預(yù)測方法的速率和結(jié)果準確率兩個方面進行仿真實驗研究,得出確定性網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點收斂時間的有效性檢驗結(jié)果。

2.1 仿真實驗環(huán)境

本實驗測試的最終目的是在多種因素干擾下,目標采用文中所提出的方法后,檢驗收斂時間預(yù)測結(jié)果的準確率。數(shù)據(jù)庫交互行為驗證的查全率以及查準率。圖4 為確定性網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點收斂時間仿真測試實驗平臺。

圖4 仿真實驗平臺Fig.4 Simulation experiment platform

圖4中,設(shè)備1為云計算機,設(shè)備2是數(shù)據(jù)存儲器,設(shè)備3為多功能媒體配置器,設(shè)備4是測試監(jiān)視器。該實驗平臺的具體各項參數(shù)如表1所示。

表1 實驗平臺參數(shù)Table 1 Experimental platform parameters

注冊一個新的用戶,訪問計算機當中的數(shù)據(jù)庫,進行系統(tǒng)操作訓(xùn)練。熟悉使用方法、明確程序運行步驟后開始進行仿真實驗。

2.2 準備數(shù)據(jù)

為保證實驗的客觀性,建立一個環(huán)形拓撲結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò),并將其接入上述實驗平臺,設(shè)置的參數(shù)值均為歷史研究有效數(shù)據(jù),預(yù)測收斂時間過程中數(shù)據(jù)收集完成度,結(jié)果如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)收集完成度Fig.5 The completion data collection

根據(jù)圖5可知,在進行有效數(shù)據(jù)收集的過程中,本文所提出的方法和傳統(tǒng)預(yù)測方法在進行數(shù)據(jù)收集計算時,隨著時間的增加,數(shù)據(jù)收集完成率逐步提升,二者在每一階段的完成率差值分別為7.8%、6.4%、8.2%、5.6%以及3.4%。由此可見,雖然傳統(tǒng)方法收集數(shù)據(jù)完成度也在隨著時間的增長而提高,但可以明顯看出其得到的數(shù)據(jù)完成率遠遠低于文章中所提出的方法。

2.3 收斂速度對比實驗

根據(jù)上一步驟對有效時間、覆蓋范圍以及運行速率等數(shù)據(jù)的收集結(jié)果,預(yù)測確定性網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點收斂時間,得到的結(jié)果如表2所示。

表2 收斂時間Table 2 Convergence time

由表2中五次測試結(jié)果可知,文中所提出的預(yù)測方法的預(yù)測速度均比傳統(tǒng)方法的預(yù)測速度快。文中提出預(yù)測方法的平均預(yù)測速度為8.2 min,而傳統(tǒng)預(yù)測方法的平均速度為14.3 min,相比之下文中預(yù)測方法的平均預(yù)測速度比傳統(tǒng)方法快6.1 min,由此可以說明文中所提出的基于確定性網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點收斂時間的預(yù)測方法預(yù)測速度更快。

2.4 準確度對比實驗

圖6 仿真實驗結(jié)果Fig.6 Simulation experiment results

同時還要對預(yù)測方法的速度進行實驗,圖6為仿真實驗后得到的具體有效數(shù)據(jù)。

從圖6可以看出,在數(shù)據(jù)收集完成程度的影響下,文中所提出方法與傳統(tǒng)方法進行結(jié)果準確度比對,文中預(yù)測方法的平均結(jié)果準確度為95.72%,而傳統(tǒng)預(yù)測方法的平均結(jié)果準確率為90.68%,文中預(yù)測方法的預(yù)測效果高于傳統(tǒng)方法。由此可見,確定性網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點收斂時間預(yù)測方法下的預(yù)測準確率更高,結(jié)果更精確。

3 結(jié)束語

當前網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢逐漸向物聯(lián)網(wǎng)靠攏,甚至有被物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)取代的可能性,尤其是通信系統(tǒng)等技術(shù)的快速發(fā)展,已經(jīng)為物聯(lián)網(wǎng)取代傳感器網(wǎng)絡(luò)提供了必要的技術(shù)基礎(chǔ)。文章在此基礎(chǔ)之上主要介紹了通過多角度的考慮對于確定性網(wǎng)絡(luò)拓撲節(jié)點收斂時間預(yù)測的影響因素,根據(jù)這些因素進行相應(yīng)的算法處理,讓預(yù)測方法的速率進一步提高,使預(yù)測模型更加完善。隨著國家的創(chuàng)新發(fā)展,技術(shù)的革新是當下社會發(fā)展的總體趨勢,越來越多的計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)手段都運用到了人們的生產(chǎn)生活中,因此大力進行技術(shù)革新是增強國家綜合國力、調(diào)整社會經(jīng)濟結(jié)構(gòu)和提高人們生活水平的重要保障。但收斂時間的預(yù)測模型也存在不足之處。要想發(fā)展技術(shù),不能簡單地只考慮從一個發(fā)展方向、一個影響因素來看待這些問題,一定要把握當下的技術(shù)創(chuàng)新的方法思路,多角度考慮變化因素,這樣才能讓技術(shù)走向發(fā)展新方向。