俞永飛

(合肥財(cái)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(cè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫諗繒r(shí)間,這是當(dāng)下網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展關(guān)注的熱點(diǎn)。當(dāng)互聯(lián)網(wǎng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一直不發(fā)生變化時(shí),拓?fù)涔?jié)點(diǎn)也不會(huì)改變,因此收斂時(shí)間不會(huì)是一個(gè)問(wèn)題[1]。但事實(shí)上,網(wǎng)絡(luò)經(jīng)常會(huì)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)升級(jí),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?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化,進(jìn)而改變拓?fù)涔?jié)點(diǎn)。而這些因素變化將導(dǎo)致路由器重新計(jì)算,并同步運(yùn)行到其他路由及設(shè)備,這就產(chǎn)生了收斂時(shí)間。收斂時(shí)間是指路由器發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化后路由信息同步的過(guò)程,這個(gè)過(guò)程中所花費(fèi)的時(shí)間就稱為收斂時(shí)間[2]。

為了有效計(jì)算收斂時(shí)間,建立了傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法。但傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)收斂時(shí)間的預(yù)測(cè)方法比較單一,計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)便,很多影響收斂時(shí)間的因素沒(méi)有考慮進(jìn)去,例如網(wǎng)絡(luò)升級(jí)后的路由器處理信息時(shí)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(diǎn)速率和數(shù)量等要素。對(duì)這些要素的忽略,都會(huì)導(dǎo)致收斂時(shí)間預(yù)測(cè)結(jié)果的不準(zhǔn)確[3]。因此,針對(duì)上述傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法中各類因素帶來(lái)的影響,更要著重研究確定性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)收斂時(shí)間預(yù)測(cè)模型。

1 設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)收斂時(shí)間預(yù)測(cè)模型

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指用傳輸媒體互連各種設(shè)備的物理布局。簡(jiǎn)單地說(shuō),就是把網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)等設(shè)備連接起來(lái)。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(lái)就是網(wǎng)線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[4]。構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞耐負(fù)浣Y(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?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖Fig.1 Network topology diagram

根據(jù)圖1可知,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)種類繁多?？梢?分析計(jì)算方法相對(duì)復(fù)雜,對(duì)于收斂時(shí)間的預(yù)測(cè)相對(duì)困難[5]。但需要注意的是無(wú)論是什么樣的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)才是需要重點(diǎn)關(guān)注的關(guān)鍵影響因素。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)主要分為兩大類,中央節(jié)點(diǎn)和其他節(jié)點(diǎn)。路由器的信息更新計(jì)算指令就是通過(guò)中央節(jié)點(diǎn)向其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行同步輸送,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)整體更新[6]。節(jié)點(diǎn)的具體反應(yīng)過(guò)程如圖2所示。

圖2 拓?fù)涔?jié)點(diǎn)反應(yīng)過(guò)程Fig.2 The reaction process of topological node

通過(guò)圖2描述的反映過(guò)程,當(dāng)路由器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)發(fā)生改變時(shí),經(jīng)由主干交換機(jī)向其他鏈接設(shè)備輸送更新程序,使得其他節(jié)點(diǎn)連接的機(jī)器設(shè)備實(shí)現(xiàn)信息同步[7]。根據(jù)上文相關(guān)要點(diǎn)總結(jié),具體預(yù)測(cè)流程如圖3所示。

圖3 收斂時(shí)間基本預(yù)測(cè)流程Fig.3 The basic prediction process convergence time

按照?qǐng)D3建立的收斂時(shí)間基本預(yù)測(cè)流程,建立確定性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)收斂時(shí)間預(yù)測(cè)模型。

1.1 確定收斂處理時(shí)間

根據(jù)上述的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)反映狀況,建立預(yù)測(cè)模型要確定在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化后,網(wǎng)絡(luò)接收到信息并處理的反應(yīng)時(shí)間以及發(fā)送時(shí)間[8]。根據(jù)這個(gè)變化,設(shè)定信息處理時(shí)間為T,其中接受時(shí)間點(diǎn)為T1,發(fā)送時(shí)間點(diǎn)為T2,則設(shè)定公式為:

(1)

式中：Xi為數(shù)據(jù)開始處理時(shí)間,Yi為信息處理結(jié)束時(shí)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(jì)算機(jī)器接受時(shí)間點(diǎn)T。同理,計(jì)算發(fā)送時(shí)間點(diǎn)T2的計(jì)算公式如下:

(2)

式中：U為接口功效值,V為接口定點(diǎn)接受速度,即通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)出信息數(shù)據(jù)的時(shí)間點(diǎn)T2。結(jié)合上述兩個(gè)公式,計(jì)算網(wǎng)絡(luò)處理信息數(shù)據(jù)的整體時(shí)長(zhǎng)為:

T=T2-T1

(3)

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送時(shí)間和路由接受時(shí)間的差值,確定當(dāng)下拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)信息變化的整體時(shí)長(zhǎng)[10]。得到時(shí)間數(shù)據(jù)后進(jìn)行路徑計(jì)算。

1.2 估算預(yù)測(cè)傳輸路徑

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔鬏敺绞街饕獮闊o(wú)線網(wǎng)絡(luò)區(qū)域傳輸[11],因此計(jì)算無(wú)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(wú)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(diǎn)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(gè)定點(diǎn)位置覆蓋平面確定整個(gè)信息傳輸范圍[12]。同時(shí),傳輸范圍的確定還要考慮到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中的建筑及其他物品對(duì)于覆蓋面積的影響。遮擋物的要覆蓋平面計(jì)算公式為:

(5)

式中：z是每一個(gè)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(jì)算得到,這其中遮擋物數(shù)量對(duì)于最終計(jì)算結(jié)果的影響還是不容忽視的[14]。

1.3 推算節(jié)點(diǎn)反應(yīng)速率

傳輸路徑確定后,收斂時(shí)間還需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)所反映時(shí)效進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算分為兩個(gè)部分,第一部分計(jì)算中央節(jié)點(diǎn)反應(yīng)速率,計(jì)算公式如下所示:

(7)

由公式7可知,將路由處理時(shí)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(diǎn)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(diǎn)工作效率,通過(guò)計(jì)算得到中央節(jié)點(diǎn)的平均反應(yīng)速率Q。設(shè)定其他節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的速率公式中,多了參數(shù)m,這是由于中央節(jié)點(diǎn)只有一個(gè),而其他節(jié)點(diǎn)可以有很多個(gè)的緣故[15]。至此數(shù)據(jù)準(zhǔn)備結(jié)束,開始進(jìn)行收斂時(shí)間預(yù)測(cè)。

1.4 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)收斂時(shí)間預(yù)測(cè)

將上述時(shí)間公式(3)、覆蓋面函數(shù)公式(6)以及節(jié)點(diǎn)反應(yīng)速率公式(7)和公式(8)進(jìn)行整理,建立收斂時(shí)間函數(shù)公式,設(shè)定預(yù)測(cè)速度為g(x),計(jì)算過(guò)程如下:

(9)

公式(9)中隨著時(shí)間T和節(jié)點(diǎn)效率Q、P的確定值,計(jì)算出預(yù)測(cè)速度。由此可見,文中方法對(duì)于收斂時(shí)間預(yù)測(cè)速度更快。

同樣,設(shè)定預(yù)測(cè)方法結(jié)果準(zhǔn)確率為j(x),則它的相關(guān)計(jì)算函數(shù)公式如下:

(10)

公式(10)通過(guò)效率函數(shù)P(xj)、范圍函數(shù)S(xj)以及時(shí)間T計(jì)算收斂時(shí)間測(cè)試的結(jié)果有效率,計(jì)算結(jié)果j(x)≥94%。由此可知,該方法下的結(jié)果準(zhǔn)確率預(yù)測(cè)值更高。

通過(guò)上述函數(shù)公式得到預(yù)測(cè)方法的效率預(yù)測(cè)結(jié)果和準(zhǔn)確率預(yù)測(cè)結(jié)果,據(jù)此完整的確定性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)時(shí)間收斂預(yù)測(cè)模型建立完成。

2 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

為了檢驗(yàn)文中所提出收斂時(shí)間預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)結(jié)果有效性,從預(yù)測(cè)方法的速率和結(jié)果準(zhǔn)確率兩個(gè)方面進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)研究,得出確定性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)收斂時(shí)間的有效性檢驗(yàn)結(jié)果。

2.1 仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本實(shí)驗(yàn)測(cè)試的最終目的是在多種因素干擾下,目標(biāo)采用文中所提出的方法后,檢驗(yàn)收斂時(shí)間預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確率。數(shù)據(jù)庫(kù)交互行為驗(yàn)證的查全率以及查準(zhǔn)率。圖4 為確定性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)收斂時(shí)間仿真測(cè)試實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

圖4 仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.4 Simulation experiment platform

圖4中,設(shè)備1為云計(jì)算機(jī),設(shè)備2是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器,設(shè)備3為多功能媒體配置器,設(shè)備4是測(cè)試監(jiān)視器。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的具體各項(xiàng)參數(shù)如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)參數(shù)Table 1 Experimental platform parameters

注冊(cè)一個(gè)新的用戶,訪問(wèn)計(jì)算機(jī)當(dāng)中的數(shù)據(jù)庫(kù),進(jìn)行系統(tǒng)操作訓(xùn)練。熟悉使用方法、明確程序運(yùn)行步驟后開始進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。

2.2 準(zhǔn)備數(shù)據(jù)

為保證實(shí)驗(yàn)的客觀性,建立一個(gè)環(huán)形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò),并將其接入上述實(shí)驗(yàn)平臺(tái),設(shè)置的參數(shù)值均為歷史研究有效數(shù)據(jù),預(yù)測(cè)收斂時(shí)間過(guò)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(jìn)行有效數(shù)據(jù)收集的過(guò)程中,本文所提出的方法和傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法在進(jìn)行數(shù)據(jù)收集計(jì)算時(shí),隨著時(shí)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(shí)間的增長(zhǎng)而提高,但可以明顯看出其得到的數(shù)據(jù)完成率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于文章中所提出的方法。

2.3 收斂速度對(duì)比實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上一步驟對(duì)有效時(shí)間、覆蓋范圍以及運(yùn)行速率等數(shù)據(jù)的收集結(jié)果,預(yù)測(cè)確定性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)收斂時(shí)間,得到的結(jié)果如表2所示。

表2 收斂時(shí)間Table 2 Convergence time

由表2中五次測(cè)試結(jié)果可知,文中所提出的預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)速度均比傳統(tǒng)方法的預(yù)測(cè)速度快。文中提出預(yù)測(cè)方法的平均預(yù)測(cè)速度為8.2 min,而傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法的平均速度為14.3 min,相比之下文中預(yù)測(cè)方法的平均預(yù)測(cè)速度比傳統(tǒng)方法快6.1 min,由此可以說(shuō)明文中所提出的基于確定性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)收斂時(shí)間的預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)速度更快。

2.4 準(zhǔn)確度對(duì)比實(shí)驗(yàn)

圖6 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Simulation experiment results

同時(shí)還要對(duì)預(yù)測(cè)方法的速度進(jìn)行實(shí)驗(yàn),圖6為仿真實(shí)驗(yàn)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(jìn)行結(jié)果準(zhǔn)確度比對(duì),文中預(yù)測(cè)方法的平均結(jié)果準(zhǔn)確度為95.72%,而傳統(tǒng)預(yù)測(cè)方法的平均結(jié)果準(zhǔn)確率為90.68%,文中預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)效果高于傳統(tǒng)方法。由此可見,確定性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)收斂時(shí)間預(yù)測(cè)方法下的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率更高,結(jié)果更精確。

3 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢(shì)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(guò)多角度的考慮對(duì)于確定性網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔?jié)點(diǎn)收斂時(shí)間預(yù)測(cè)的影響因素,根據(jù)這些因素進(jìn)行相應(yīng)的算法處理,讓預(yù)測(cè)方法的速率進(jìn)一步提高,使預(yù)測(cè)模型更加完善。隨著國(guó)家的創(chuàng)新發(fā)展,技術(shù)的革新是當(dāng)下社會(huì)發(fā)展的總體趨勢(shì),越來(lái)越多的計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)手段都運(yùn)用到了人們的生產(chǎn)生活中,因此大力進(jìn)行技術(shù)革新是增強(qiáng)國(guó)家綜合國(guó)力、調(diào)整社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)和提高人們生活水平的重要保障。但收斂時(shí)間的預(yù)測(cè)模型也存在不足之處。要想發(fā)展技術(shù),不能簡(jiǎn)單地只考慮從一個(gè)發(fā)展方向、一個(gè)影響因素來(lái)看待這些問(wèn)題,一定要把握當(dāng)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。