薛中偉

92941 部隊,遼寧 葫蘆島 125001

當通信節(jié)點發(fā)生異常故障時，為保證芯片正常工作不受負載干擾，需重新審核處理器的有限競爭功耗，并對面積資源進行判斷。已知計算機網(wǎng)絡(luò)和并行計算機系統(tǒng)中路由算法已經(jīng)十分普遍，但仍缺少系統(tǒng)的節(jié)點安全繞行體系，這也使得獨立的芯片的處理過程更加漫長，單獨的芯片也可以看作是個體路由器，這些復(fù)雜的設(shè)計內(nèi)容使得片上功耗比越來越大且難以控制。因此，要在功耗限制范圍內(nèi)實現(xiàn)路由安全繞行要困難得多。為了避免網(wǎng)絡(luò)配置過于復(fù)雜難以實現(xiàn)，要通過計算機網(wǎng)絡(luò)重新審視并行計算機系統(tǒng)中的路由異常節(jié)點，通過設(shè)計軟故障糾錯碼，重新定制通信協(xié)議和數(shù)據(jù)包的傳輸路徑，利用糾錯功能實現(xiàn)故障識別并躲避。

但是，出于安全繞行路由的考慮，對異常節(jié)點識別的過程，可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)冗余過高而陷入死鎖的情況，這時判斷故障內(nèi)容并安全繞行會導(dǎo)致部分數(shù)據(jù)包丟失，從而使得到達目標節(jié)點的數(shù)據(jù)內(nèi)容殘缺。并且，到達目標節(jié)點的數(shù)據(jù)包會使得冗余數(shù)據(jù)備份涌入通信網(wǎng)絡(luò)，造成網(wǎng)絡(luò)線路擁堵，讓本就負載的光纖通信網(wǎng)絡(luò)功耗增加。冗余備份數(shù)據(jù)也會讓鏈路故障的可能性增加，故障電路的增多會進一步加劇安全繞行路徑選擇的困境，使得路由芯片面積硬件的開銷增多。

為解決該問題，國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域的專家和學(xué)者取得一些較為經(jīng)典、可借鑒的研究結(jié)果。文獻[1]提出一種基于蟻群優(yōu)化算法的壞死節(jié)點躲避路由算法。利用蟻群優(yōu)化算法搜索簇首選取和多路徑，在此過程中充分考慮鏈路傳輸能耗,鏈路剩余能量，通信傳輸距離，選取出能夠躲避壞死節(jié)點的多條最優(yōu)路徑，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。文獻[2]提出基于Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的多路徑QoS 路由算法。整理帶有收發(fā)裝置的移動節(jié)點，并通過組成的臨時性多跳自組織約束網(wǎng)絡(luò)帶寬資源，同時提高網(wǎng)絡(luò)支持服務(wù)質(zhì)量，但缺少對多路徑路由算法的拓展。文獻[3]通過剩余能量過濾進行簇頭選舉的低能耗無線路由算法。根據(jù)全網(wǎng)節(jié)點的基站類型，以簇頭位置及簇頭數(shù)量為根據(jù)改進路由算法，計算剩余能量是否大于全域平均剩余能量。但相關(guān)研究均無法計算路徑權(quán)值，導(dǎo)致路由算法出現(xiàn)功耗較高問題。除以上研究之外，國內(nèi)外學(xué)者也有典型的光線路由算法問題的解決方案。文獻[4]提出了一般的路由方案遵循最小跳數(shù)和最短距離的方法將流量路由到另一個備份路徑。然而，這種方法可能導(dǎo)致某些鏈路擁塞，而其他鏈路可能有未利用的容量。這也使它越來越難以適應(yīng)更多的連接請求從接入網(wǎng)。因此，文獻[5]以節(jié)點最短路徑為目標，設(shè)計了一個精確的算法來解決這個問題，除了考慮距離之外，還考慮了每個鏈路的信道容量。通過對鏈路容量、連接請求和未使用鏈路3 個參數(shù)的仿真，評價了該算法的性能。但是，該路由算法的優(yōu)化過程較為復(fù)雜，且出現(xiàn)了節(jié)點時延明顯問題，導(dǎo)致應(yīng)用難度較大，實用性不夠理想。

本文采用部署數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)方式，分析網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點的運動軌跡，同時利用多路徑技術(shù)拓展路由算法改進路由算法。在多路徑路由算法拓展的基礎(chǔ)上，計算超遠距離光纖通信端口負載路徑權(quán)值，判斷目標異常節(jié)點位置，并標注突變結(jié)構(gòu)信號。

1 超遠距離光纖通信負載異常節(jié)點安全繞行路由算法

1.1 計算超遠距離光纖通信端口負載路徑權(quán)值

為確定目標異常節(jié)點的位置，首先要對光纖通信端口負載路徑權(quán)值計算，根據(jù)負載路徑權(quán)值的計算結(jié)果，對節(jié)點的負載大小進行判斷，從而確定目標節(jié)點是否存在異常，并以此判斷光纖通信線路位置[5]。

要計算超遠距離光纖通信端口負載路徑權(quán)值，先要通過迭代方式對數(shù)據(jù)子類集合劃分。根據(jù)數(shù)據(jù)樣本均值，確定函數(shù)生成最優(yōu)形成路由簇中心[6]。并針對最優(yōu)函數(shù)值的誤差平方和計算，并以此設(shè)定一體化路由線路的數(shù)據(jù)隨機矩陣[7]。設(shè)定該隨機矩陣的負載特征值均為實數(shù)，且隨機矩陣A為N×N矩陣，即AN×N，計算該矩陣的函數(shù)分布特征譜，其表達式為

式中：λi(i=1,2,···,N)為 特征值；I為指示函數(shù)，且當矩陣行列比恒定不發(fā)生變動時，該矩陣A的隨機行數(shù)和列數(shù)趨于無窮大[8]。因此得到該矩陣的表達式：

根據(jù)矩陣A的表達式，對該通信端口負載路徑的特征值分布概率密度計算，其表達式為

根據(jù)光線通信端口路徑的特征值平均譜半徑，計算出及高負載節(jié)點數(shù)據(jù)，計算公式為

式中：Tw為對應(yīng)負載路徑權(quán)值的窗口寬度，n為連續(xù)采樣截斷次數(shù)。當截斷次數(shù)n與Tw值相等時，超遠距離光纖通信端口負載路徑權(quán)值達到最大，對于超出負載路徑權(quán)值窗口寬度的截斷次數(shù)部分節(jié)點，判斷為目標異常節(jié)點，并確定該部分節(jié)點位置。

1.2 判斷目標異常節(jié)點位置

根據(jù)超遠距離光纖通信端口負載路徑的權(quán)值，判斷目標異常節(jié)點的位置。判斷過程會受到實際環(huán)境節(jié)點采集數(shù)據(jù)的噪聲干擾，因此，要先判斷噪聲和異常數(shù)據(jù)混淆的異常的突變路由結(jié)構(gòu)信號值[9]，如圖1 所示。

圖1 噪聲和異常數(shù)據(jù)混淆的異常突變結(jié)構(gòu)信號值

通過突變路由結(jié)構(gòu)信號值分析影響異常數(shù)據(jù)診斷的噪聲及混淆因素，并對異常數(shù)據(jù)降噪[10]。保存數(shù)據(jù)中的突變信息，將數(shù)據(jù)內(nèi)在屬性中的奇異值分解出來，并通過預(yù)處理降噪，對數(shù)據(jù)內(nèi)突變信息的信噪比提高[11]。從而整理得到適合分解的新的異常數(shù)據(jù)矩陣：

式中：特征矩陣的向量分別表示為v和u，矩陣的特征值表示為 λ，由此得到矩陣特征的權(quán)值向量為uλ=v。根據(jù)特征值總結(jié)特征向量元素，設(shè)定目標異常節(jié)點的加權(quán)矩陣為W∈PN×N，并據(jù)此判斷目標異常節(jié)點感知數(shù)據(jù)的波動范圍，其表達式為

式中：當相鄰的兩節(jié)點i與節(jié)點j之間的關(guān)聯(lián)度aij為1 時，兩節(jié)點之間具有連接關(guān)系[12]；當相鄰的兩節(jié)點i與節(jié)點j之間的關(guān)聯(lián)度aij為0 時，可對節(jié)點i到節(jié)點j間的向量距離求解，其表達式為

式中：xi、xj分 別為節(jié)點i、j的橫坐標；yi、yj分別為節(jié)點i、j的縱坐標。根據(jù)相鄰節(jié)點之間的向量距離，分析目標異常節(jié)點位置的特征值的向量元素，可知，當矩陣的特征值增大時，其特征向量距離上一個相鄰節(jié)點的距離也就越遠[13]。因此，得到目標異常節(jié)點的特征存儲時序。

利用目標異常節(jié)點的特征存儲時序，通過特征向量存儲時序的延遲變化對異常位置定位[14]。先要定義特征向量的分解值，并根據(jù)節(jié)點i到節(jié)點j間的向量距離進行劃分，同時計算異常節(jié)點矩陣的特征值，其表達式為

式中tr、tw、ts為異常節(jié)點對應(yīng)元素類型的分解值。根據(jù)異常節(jié)點矩陣的特征值，判斷目標異常節(jié)點的位置，針對特征值較大的特征向量元素分解[15]。并根據(jù)異常情況概率發(fā)生節(jié)點，鎖定超遠距離光纖通信線路中的異常位置，針對該目標異常節(jié)點位置建立安全繞行分層結(jié)構(gòu)。

2 異常節(jié)點安全繞行路由算法

2.1 繞行分層結(jié)構(gòu)建立

根據(jù)確定的目標異常節(jié)點位置，對節(jié)點異常區(qū)域劃分，通過選擇下一跳節(jié)點，確定安全繞行分層路由的位置，并從分層結(jié)構(gòu)中找尋異常節(jié)點繞行的最佳路徑。先要在確定的目標異常節(jié)點位置中找出中繼節(jié)點的位置，并利用多條傳輸線路處理。

分析圖中目標異常節(jié)點區(qū)域內(nèi)的中繼節(jié)點分布規(guī)律，將中繼節(jié)點的區(qū)域鎖定在安全繞行區(qū)域內(nèi)，并在該區(qū)域內(nèi)截取10 000 m×10 000 m 的正方形，在中心位置設(shè)定通信半徑，并向路由線路區(qū)域內(nèi)供應(yīng)能量[16]。設(shè)計安全繞行適應(yīng)度函數(shù)公式，并設(shè)定安全繞行適應(yīng)度參數(shù)，利用不同因素的權(quán)重大小，對路由網(wǎng)絡(luò)生存周期驗證[17]。并在[0.1,0.9]的區(qū)間范圍內(nèi)依次取值，對安全繞行分層結(jié)構(gòu)的仿真參數(shù)取值規(guī)格設(shè)定，如表1 所示。

表1 安全繞行分層結(jié)構(gòu)的仿真參數(shù)取值規(guī)格

分析表1 中的仿真參數(shù)取值規(guī)格，計算安全繞行路徑距離值，其表達式為

式中：d為安全繞行路由節(jié)點間的路徑距離，C為異常節(jié)點區(qū)域內(nèi)的加速因子取值。據(jù)此，對單條繞行路徑上的負載計算，其表達式為

按照異常節(jié)點位置對應(yīng)的單條路徑，分別對各路徑上的負載大小計算，整理負載路徑的權(quán)重比，計算負載權(quán)重比，其表達式為

式中Q1、Q2、Q3分別為對應(yīng)路徑的負載值，以負載權(quán)重比為依據(jù)建立安全繞行分層結(jié)構(gòu)劃分規(guī)則，據(jù)此建立安全繞行分層結(jié)構(gòu)。

根據(jù)安全繞行分層結(jié)構(gòu)，對節(jié)點獨立的路由表的狀態(tài)檢測，并根據(jù)檢測結(jié)構(gòu)構(gòu)建安全繞行分層結(jié)構(gòu)的路徑，以此確定異常節(jié)點繞行的最佳路徑。

2.2 確定異常節(jié)點繞行的最佳路徑

對安全繞行分層結(jié)構(gòu)建立，根據(jù)分層結(jié)構(gòu)檢測前節(jié)點與目標節(jié)點的故障距離。當出現(xiàn)阻塞故障節(jié)點時，鎖死被阻塞的數(shù)據(jù)包，并根據(jù)異常節(jié)點類型選擇繞行路由，當出現(xiàn)前節(jié)點與目標節(jié)點行列分離的情況，對前節(jié)點與目標節(jié)點的側(cè)邊路徑測量[18]。針對繞行路徑在數(shù)據(jù)包與目標節(jié)點的相對位置確定故障節(jié)點的最佳繞行路徑，路徑選擇表達式為

式中f(j)、f(i)為確定故障節(jié)點相對位置的左右兩側(cè)函數(shù)。當出現(xiàn)S(f)大于等于相鄰節(jié)點路徑頻率時，該異常節(jié)點繞行路徑處于待選范圍內(nèi)；當出現(xiàn)S(f)小于等于相鄰節(jié)點路徑頻率時，該異常節(jié)點繞行路徑超出待選范圍，應(yīng)當進入下一鄰近節(jié)點路徑計算S(f)值。將該路徑選擇過程整理為圖信號，并檢測該圖信號的異常節(jié)點繞行選擇結(jié)果。判斷異常節(jié)點繞行的最佳路徑圖信號是否處于鄰近節(jié)點路徑待選中，并對異常節(jié)點路由的傳輸方向標識[19]。根據(jù)安全繞行路徑的選擇轉(zhuǎn)向環(huán)路對選擇范圍二次限制，針對通道標識遞增路線集合制定故障鏈路中的傳遞規(guī)則，根據(jù)異常節(jié)點路徑坐標在傳遞規(guī)則中的適用度確定最佳路徑。根據(jù)路徑傳遞適用度計算光纖通信負載的強度，并通過制定傳遞規(guī)則中心整合故障鏈路，在通道標識遞增路線集合的過程中，針對最佳路徑確定故障鏈路選擇轉(zhuǎn)向環(huán)境，根據(jù)設(shè)定的環(huán)境重新整理分組數(shù)據(jù)，并利用分組數(shù)據(jù)對管線通信負載異常節(jié)點安全繞行路徑選擇。至此，完成對超遠距離光纖通信負載異常節(jié)點安全繞行路由算法設(shè)計。

3 實驗分析

以路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗為指標設(shè)計對比試驗，分別使用文獻[1]提出的基于蟻群優(yōu)化算法的壞死節(jié)點躲避路由算法、文獻[2]提出的基于Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的多路徑QoS 路由算法、文獻[3] 提出的基于剩余能量過濾簇頭選舉的低能耗無線路由算法與超遠距離光纖通信負載異常節(jié)點安全繞行路由算法進行安全繞行路徑選擇，驗證功耗更小的路由算法。

3.1 實驗準備

實驗開始前，根據(jù)5×5 和7×7 的2D-Mesh 拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，從網(wǎng)絡(luò)線路內(nèi)部截取故障節(jié)點信息，同時利用故障節(jié)點信息修改雙向鏈路參數(shù)對應(yīng)的數(shù)據(jù)，設(shè)置實驗環(huán)境中最小的數(shù)據(jù)單位為flit。

根據(jù)數(shù)據(jù)flit 的流控單元形式傳輸數(shù)據(jù)包，在端到端時延通信數(shù)值中插入數(shù)據(jù)接受總量的飽和信息，根據(jù)異常節(jié)點內(nèi)成功傳輸?shù)目偭颗袛嗤掏戮W(wǎng)絡(luò)的線性正相關(guān)，并據(jù)此對內(nèi)部故障節(jié)點的平均時延進行測量，如圖2 所示。

圖2 內(nèi)部故障節(jié)點的平均時延

根據(jù)該內(nèi)部故障節(jié)點的平均時延，分別測量規(guī)定時延范圍內(nèi)路由分組數(shù)據(jù)繞行的功率，根據(jù)功率的大小計算單位時間內(nèi)內(nèi)部故障節(jié)點的負載大小，進而計算繞行分組數(shù)據(jù)的功耗，整合繞行分組線路，分別對應(yīng)其他線路數(shù)據(jù)，據(jù)此計算路由分組數(shù)據(jù)繞行的功耗值。

3.2 對比路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗

計算得到基于蟻群優(yōu)化算法的壞死節(jié)點躲避路由算法、基于Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的多路徑QoS 路由算法、基于剩余能量過濾簇頭選舉的低能耗無線路由算法與超遠距離光纖通信負載異常節(jié)點安全繞行路由算法的路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗，其表達式為

式中：H均為帶寬調(diào)度值，M為第S個業(yè)務(wù)流所在的跳數(shù)，u為通信單元總數(shù)。實驗結(jié)果如圖3 所示。

圖3 不同路由算法繞行功耗

分析圖3 中的數(shù)據(jù)可以得出，在測量路由分組數(shù)據(jù)繞行的功耗中，基于蟻群優(yōu)化算法的壞死節(jié)點躲避路由算法的路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗最高為17.3 W，路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗最低為13.2 W，在故障節(jié)點選擇路由時延為450 ms 時，基于蟻群優(yōu)化算法的壞死節(jié)點躲避路由算法的路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗開始下降，在選擇路由時延為640 ms時，路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗開始上升。

基于Ad Hoc 網(wǎng)絡(luò)的多路徑QoS 路由算法的路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗最高為17.5 W，路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗最低為10.0 W，在故障節(jié)點選擇路由時延為400～ 600 ms 時，該算法的路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗上升速率最快。

基于剩余能量過濾簇頭選舉的低能耗無線路由算法的路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗最高為14.0 W，路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗最低為6.0 W，在故障節(jié)點選擇路由時延為0～200 ms 時，該算法的路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗下降較為明顯，可見線路選擇負載性能在路由時延較低時更好，在選擇路由時延為600～800 ms 時，基于剩余能量過濾簇頭選舉的低能耗無線路由算法的路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗上升速率最快，當路由時延增大時，路由選擇負載性能降低。

超遠距離光纖通信負載異常節(jié)點安全繞行路由算法的路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗最高為11.0 W，路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗最低為5.9 W，在故障節(jié)點選擇路由時延為500 ms 時，超遠距離光纖通信負載異常節(jié)點安全繞行路由算法的路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗開始下降，可見該算法的路由分組數(shù)據(jù)繞行功耗在時延較高的情況下性能更好。因此，超遠距離光纖通信負載異常節(jié)點安全繞行路由算法更好。

4 結(jié)束語

本文通過研究異常節(jié)點安全繞行路由算法，采用對內(nèi)部故障節(jié)點的平均時延進行限制，降低了異常節(jié)點安全繞行路由分組數(shù)據(jù)的繞行功耗。今后應(yīng)當對深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點異常狀態(tài)進行識別，同時對節(jié)點智能定位，判斷異常節(jié)點繞行最佳路徑的識別規(guī)則，并據(jù)此提高安全繞行分層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。