一種無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)上的局部路由策略

摘要：提出了一種無標(biāo)度(scale-free)網(wǎng)絡(luò)上的局部路由策略。每個(gè)節(jié)點(diǎn)根據(jù)其當(dāng)前負(fù)載與自身發(fā)送能力(設(shè)為等于節(jié)點(diǎn)度)的關(guān)系，自適應(yīng)調(diào)整其接收鄰居節(jié)點(diǎn)信息包的概率。此概率與每個(gè)節(jié)點(diǎn)度的a次方成正比，a是可自適應(yīng)變化的偏好因子，由節(jié)點(diǎn)度以及負(fù)載聯(lián)合決定。當(dāng)節(jié)點(diǎn)負(fù)載小于發(fā)送能力時(shí)，增大其偏好因子；反之，則減小。這樣使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量較小時(shí)，可以優(yōu)先把業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)往度較大的節(jié)點(diǎn)，從而更快到達(dá)目的地；而業(yè)務(wù)量較大時(shí)，度大以及度小節(jié)點(diǎn)的發(fā)送能力均能得到充分利用，從而提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)承載能力。仿真結(jié)果表明，該策略有效地提高了網(wǎng)絡(luò)容量，并且降低了網(wǎng)絡(luò)中信息包的平均傳輸時(shí)延。
關(guān)鍵詞：無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)；自適應(yīng)；偏好概率；網(wǎng)絡(luò)容量；路由策略

0 引言
由于以因特網(wǎng)為代表的大型通信網(wǎng)絡(luò)，如：生物細(xì)胞蛋白質(zhì)交互作用網(wǎng)、科學(xué)家合作網(wǎng)、航空運(yùn)輸網(wǎng)等許多現(xiàn)實(shí)中的網(wǎng)絡(luò)都被證明具有小世界網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)及無標(biāo)度(scale-free)的連接特性，復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造及其動(dòng)力學(xué)機(jī)制的研究問題日益引起人們的關(guān)注。對(duì)于以交流為目的的網(wǎng)絡(luò)來說，人們最為關(guān)心的是如何實(shí)現(xiàn)無擁塞的信息交互，所以在scale-free這種基本連接結(jié)構(gòu)之上的網(wǎng)絡(luò)中信息流傳輸問題也逐漸成為研究的熱點(diǎn)。
為實(shí)現(xiàn)高效的信息傳輸，已經(jīng)有許多研究都致力于提出更好的路由策略。有些文章提出了根據(jù)全局拓?fù)溥B接信息進(jìn)行路由選擇判斷的機(jī)制。這對(duì)于試驗(yàn)性質(zhì)的中小型網(wǎng)絡(luò)或許適用，但對(duì)于類似因特網(wǎng)規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)或者高動(dòng)態(tài)性的連接結(jié)構(gòu)不斷變化的無線網(wǎng)絡(luò)而言，這種路由策略所需的巨大的計(jì)算量以及能量消耗是不可能得到滿足的。
因此人們開始關(guān)注局部路由策略。隨機(jī)游走策略是最原始的局部路由策略，但是由于隨機(jī)游走的方法過于簡(jiǎn)單，在網(wǎng)絡(luò)中實(shí)際效果很差。王文旭等人提出一種局部路由策略，發(fā)送節(jié)點(diǎn)根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)的連結(jié)度和策略指定的度指數(shù)計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)概率，做出路由選擇，由于其策略固定偏好因子進(jìn)行路由選擇，所以稱之為靜態(tài)偏好局部路由策略。
本文的局部路由策略設(shè)定了發(fā)送方根據(jù)鄰居節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)變化的負(fù)載與固定的發(fā)送能力的關(guān)系，自適應(yīng)地調(diào)整各個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)的偏好因子。首先，使網(wǎng)絡(luò)信息流量適度地向度大的節(jié)點(diǎn)集中，增大了對(duì)度大節(jié)點(diǎn)的利用率，從而有效地減少了網(wǎng)絡(luò)中信息包的平均傳輸時(shí)延；其次，在業(yè)務(wù)增大時(shí)進(jìn)行分流，避免部分度大節(jié)點(diǎn)的過飽和帶來整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的擁塞，盡量做到充分利用所有節(jié)點(diǎn)的發(fā)送能力，提高網(wǎng)絡(luò)容量。

1 模型及定義
為了不失一般性選擇由Barabdsi與Albert提出的B—A模型作為網(wǎng)絡(luò)基本構(gòu)造，模型產(chǎn)生方法與文獻(xiàn)相同，其節(jié)點(diǎn)的度分布具有冪率特性，即p(k)～k-y，y=3。
由于在無標(biāo)度網(wǎng)絡(luò)中，度大的節(jié)點(diǎn)具有較大的介數(shù)，是連接各節(jié)點(diǎn)對(duì)的最短路徑集中通過的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，所以應(yīng)該盡量使用度大的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，便于迅速查找目的地(后文稱scale-free網(wǎng)絡(luò)中度較大的節(jié)點(diǎn)為hub節(jié)點(diǎn))；而當(dāng)業(yè)務(wù)加重時(shí)，為了避免在hub節(jié)點(diǎn)處造成擁塞，應(yīng)該適當(dāng)?shù)姆至?。因此在信息包產(chǎn)生速率不高且所有節(jié)點(diǎn)均未飽和時(shí)，應(yīng)該使得度大的節(jié)點(diǎn)具有較大地接收信息包的偏好概率；而在度大的節(jié)點(diǎn)飽和后，就根據(jù)其負(fù)載狀況減小其接受概率，把業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)移至負(fù)載輕尚空余有發(fā)送能力未被利用的節(jié)點(diǎn)。
業(yè)務(wù)傳輸過程定義如下：
(1)每一時(shí)刻開始有R個(gè)信息包生成于網(wǎng)絡(luò)中，即此時(shí)信息包產(chǎn)生速率為R，隨機(jī)地為每個(gè)新產(chǎn)生的包選擇源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)。
(2)每一個(gè)節(jié)點(diǎn)均具有無限大的存儲(chǔ)空間容納信息包，信息包隊(duì)列服從先進(jìn)先出的原則，節(jié)點(diǎn)i的發(fā)送能力固定為節(jié)點(diǎn)連結(jié)度ki。
(3)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)同時(shí)為其緩存內(nèi)將要發(fā)送的每個(gè)信息包分別進(jìn)行下一跳目的地的搜索并發(fā)送。如果信息包的目的節(jié)點(diǎn)是當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的鄰居節(jié)點(diǎn)，則直接把這個(gè)包發(fā)往其目的節(jié)點(diǎn)，并從網(wǎng)絡(luò)中消除該信息包。否則，就在所有鄰居節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行偏好選擇，把信息包發(fā)往鄰居節(jié)點(diǎn)i的概率是：

式中：ki是節(jié)點(diǎn)i的度；ai是節(jié)點(diǎn)i的自適應(yīng)可調(diào)選擇指數(shù)(后稱偏好因子)，在初始時(shí)刻所有節(jié)點(diǎn)的偏好因子都是0。分母是對(duì)發(fā)送方的所有鄰居點(diǎn)求和。
(4)更新網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)的偏好因子。自適應(yīng)變化過程如下：當(dāng)節(jié)點(diǎn)i時(shí)刻存儲(chǔ)的信息包隊(duì)列長(zhǎng)度小于其發(fā)送能力ki時(shí)，其偏好因子ai就增大一個(gè)步長(zhǎng)λ；反之，當(dāng)節(jié)點(diǎn)i時(shí)刻存儲(chǔ)的隊(duì)列長(zhǎng)度超過其發(fā)送能力ki時(shí)，其偏好因子ai就減小一個(gè)步長(zhǎng)λ。同時(shí)為偏好因子設(shè)定上下限amax(>0)，amin(O)，ai的增長(zhǎng)或減小不可以越過界限，并且選取amax=-amin。。為了使具有不同負(fù)載節(jié)點(diǎn)的偏好概率之間有明顯的區(qū)分，偏好因子的變化步長(zhǎng)λ可以取作amax的1／20～1／100之間。
在每一時(shí)刻都順序執(zhí)行步驟(1)～(4)完成業(yè)務(wù)傳輸。
設(shè)定界限amax，amin的原因是考慮到當(dāng)偏好因子增長(zhǎng)的過大時(shí)，度大節(jié)點(diǎn)的偏好概率會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于度較小的節(jié)點(diǎn)，信息包會(huì)全部盡量涌向度較大的節(jié)點(diǎn)，向度小節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)移的概率極低，不利于在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)搜索目的節(jié)點(diǎn)，所以要為ai設(shè)定上限amax；而偏好因子如果變?yōu)檩^小的負(fù)值，就意味著信息會(huì)盡量選擇度小的末梢點(diǎn)作為傳輸對(duì)象，完全避開hub節(jié)點(diǎn)將導(dǎo)致信息包傳輸時(shí)延大大增加，所以也要為ai設(shè)定下限amin。