[發明專利]基于網絡分形細胞增長的網絡化系統拓撲可靠性優化方法

有效

• 申請號: 202011040788.0
• 申請日: 2020-09-28
• 公開（公告）號: CN112152860B
• 公開（公告）日: 2021-07-16
• 發明（設計）人: 黃寧;易志為;白亞南;鄭翔宇
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H04L12/24
• 分類號: H04L12/24
• 代理公司: 北京孚睿灣知識產權代理事務所(普通合伙) 11474
• 代理人: 王冬杰

本發明公開了一種網絡化系統的拓撲的可靠性優化方法，屬于可靠性及安全技術領域。所述方法基于分形細胞增長方式保持的初始網絡的結構特征，所生成的網絡與原始結構的連通可靠性具有正相關關系，進而通過構建高可靠的初始結構拓撲，借助于分形細胞增長得到高可靠的網絡化系統的拓撲。本發明提供的網絡化系統拓撲可靠性優化方法，避免在大規模網絡化系統拓撲設計的憑經驗設計問題，能夠在工程實際中提供具體的指導，且在適用性和可操作性上優于現有的在網絡拓撲空間上進行搜索的高可靠拓撲生成優化算法。

技術領域

本發明涉及一種網絡化系統拓撲可靠性及安全系統工程技術領域。具體而言，本發明涉及一種基于網絡分形細胞增長的網絡化系統拓撲可靠性優化方法。

背景技術

隨著新一代通信與信息技術的應用，不同的服務與功能被整合到同一網絡化系統中。這導致網絡化系統的規模越來越大、構件之間的連接關系越來越復雜。網絡拓撲設計問題通常被表述為一個以可靠性或成本需求為輸入并產生網絡拓撲的優化問題，網絡拓撲優化設計的目的是提高冗余度，以便在組件發生故障時保持連接。

在一個網絡G(V,A)中選取一個節點子集如果集合K內任意兩點之間存在一條路徑，則由該節點子集組成的子網G_|K|是連通的。假定網絡G中節點和邊是統計獨立故障，每個節點v_i和每條邊a_j的失效概率分別為R_vi和R_aj，則網絡G的|K|端可靠度R(G_|K|)是子網G_|K|保持連通的概率。網絡|K|端可靠度是一個工程普遍使用的一個可靠性指標，它評估的是一個網絡中給定節點子集能夠正常工作運作的概率。在網絡可靠性測量中有兩個重要的指標分別是|K|＝2的兩端可靠度和|K|＝N的全端可靠度。為了方便起見，本申請所述內容中只考慮|K|＝N下的全端可靠度。

網絡的全端可靠度是一個在工程實際中具有重要意義的可靠性測量。由于現代網絡系統正面臨著構件數量多及構件連接關系復雜帶來的網絡復雜性，基于路徑的網絡端可靠度計算已經被證明是一個NP-hard問題，對大規模的網絡化系統而言，一個高可靠的拓撲是保證其無故障運行的基礎，是網絡化系統健壯性的重要反映。在實際工程建設中，對于網絡服務提供者，為了最大化效用，他們期望在有效的預算下盡可能地建設一個最可靠的網絡；而對于網絡運行者而言，為了確保網絡業務在一個可靠的拓撲結構上運行，他們期望在滿足可靠需求的情況下用最小的成本來構建一個網絡。然而，當前在工程實踐中，網絡化系統高可靠拓撲的優化設計主要依賴于工程設計人員的經驗、測試或估計。這些經驗難以應用到大規模網絡化系統的高可靠拓撲設計。因此，針對網絡化系統的高可靠拓撲設計，仍然缺乏一種行之有效的方法。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或不足，本發明提供一種基于網絡分形細胞增長的網絡化系統拓撲可靠性優化方法，能夠解決當前大規模網絡化系統可靠拓撲設計中存在的憑經驗設計問題，通過以網絡分形細胞這一基本單元對復雜網絡拓撲進行規整化，基于一個高冗余度的初始結構，以網絡分形細胞分裂和分化技術設計出一個高可靠的網絡拓撲，解決了網絡可靠性分析中難以對網絡構件之間復雜連接關系進行分析的問題，能夠在網絡化系統拓撲結構工程應用的優化設計中提供可操作的分析方法。

本發明從網絡化系統拓撲的分形角度，基于原始結構通過網絡分形細胞增長得到的網絡拓撲與原始結構具有結構相似性，借助于網絡分形細胞生長規則來設計一個高可靠的拓撲結構。

根據分形技術理論及其在復雜網絡中的應用可知，網絡化系統的拓撲結構可以看作是由純分形拓撲和長程邊組成。而由基于逆重整化機制的純分形網絡增長模型可知，一個純分形網絡，可以從一個原始結構由節點和邊組成的拓撲開始，通過相同的基本單位即由節點和邊組成的拓撲迭代地替換當前拓撲中的邊而得到。

本發明，將這個基本單位稱為網絡分形細胞，并將網絡分形細胞替換當前拓撲中的邊的過程，稱為網絡分形細胞分裂。將在由網絡分形細胞通過分裂得到的拓撲的基礎上，向不同網絡分形細胞和同一網絡分形細胞中的不同節點之間增加邊的過程，稱為網絡分形細胞分化。