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复杂网络拥塞分析与路由策略研究

王丹  
【摘要】:自从小世界现象和无标度特性提出以来,复杂网络的结构和动态行为受到各个领域学者的广泛关注。大型通信网络如因特网,在当今世界起着极其重要的作用,而拥塞现象是发生在通信网络和交通网络等复杂网络上的一种典型的动态行为。随着通讯网络的日益增大,保证信息交通正常和高效的传输成为越来越紧迫的问题。因此研究路由策略的优化问题就成了我们必须要解决的重要课题。本文在归纳和总结前人对复杂网络拥塞和优化路由策略的研究基础上,分析了不同网络结构产生拥塞的原因及其控制策略,对网络结构和其上发生的动态行为进行了初步探讨,研究了若干复杂网络结构模型中的拥塞及路由算法,提出了几种改进的路由策略以提高网络的吞吐量及其传输性能。 本文的主要内容及研究成果总结如下: 1.针对具有可调聚类系数的无标度网络模型,提出了带有感知网络拥塞情况的路由策略。在该策略中,通过一个控制参数调节最短路径和等待时问之间的权重,可以使网络的吞吐量达到最大。通过与最短路径路由算法相比较,基于等待时间的路由算法显著地提高了网络的容量,推迟了拥塞的发生。研究发现,与原始BA无标度网络相比,在聚类系数较高的网络中,新路由算法的效率有所降低。 2.研究了网络拓扑结构对网络动态流量传输的影响。针对三种网络拓扑结构,重点分析了网络拓扑结构特性、动态机制以及网络性能三者之间的关系。并根据网络中单个节点传输数据包能力的不同,提出三种传输模型。通过仿真数据分析了网络的整体容量与单个节点数据包传递能力的关系。研究表明相同的路由策略在不同的动态机制和不同的网络拓扑结构上表现出的效果大不相同。 3.考虑在大规模网络中无法获得全局信息的情况,针对无标度网络模型,提出了三种基于局域静态或动态信息的数据包路由算法,研究了系统中信息流从自由流到拥塞流的相变特性,并利用这一特性刻画了网络的通讯能力。通过仿真研究发现,在所提出的三种路由算法中都存在一个最优参数能使得网络的吞吐量达到最大。为分析信息流量对网络拥塞形成的影响,通过数值模拟研究了不同状态下各个节点数据包的分布情况。 4.提出了一种结合静态拓扑信息和数据包等待时间的局部路由策略。根据新的路由策略,数据包在选择下一节点时,要同时考虑所选择节点度的大小和在该节点的等待时间。在无标度网络中,假设各个节点的数据包处理能力与该点的度成正比,采用该路由算法进行了仿真研究。仿真结果表明路由算法中存在一个最优参数,可以使网络的吞吐量达到最大。 5.针对实现网络特征的真实情况,提出了一类可调聚类系数的加权无标度网络模型,该模型能够重现现实网络权重和节点度呈幂律分布的统计特性。特别是聚类系数与度之间的非线性关系,恰好符合某些现实网络聚类系数与度之间的平头关系特征。最后研究了可调聚类系数加权网络模型中的拥塞问题。采用基于强度优先传递的局部路由策略,分析了网络中的流量传输问题。


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