通信網絡拓撲抗毀性度量模型與算法研究

0網絡拓撲抗毀性評估技術抗癲癇能力是網絡抗癲癇能力的一個重要方面。多年來,網絡設計人員用不同的技術手段設計出諸多網絡拓撲圖,這些拓撲圖有些是針對物理拓撲結構的,有些是針對邏輯拓撲結構的。他們有一個共同特性,就是具有一定的抗毀性能。網絡拓撲抗毀性對于軍事通信網絡具有極其重要的意義,因為首先軍事通信網絡是軍事行動的通信保障,可能受到敵方不同方式的打擊;其次,網絡拓撲抗毀性是網絡業務抗毀性的基礎。伴隨著抗毀網絡拓撲設計技術,出現了網絡拓撲抗毀性評估技術。研究人員從不同角度,以不同方式提出了一些網絡拓撲抗毀性評估方法。研究網絡拓撲抗毀性評估的目的就是判斷所設計的網絡拓撲圖是否具有所期望的抗毀性能。1評估模型1.1節點抗毀度的度量值國內外關于網絡拓撲抗毀性評估技術方面的研究大致分為以下幾個方面:1)基于綜合性的單一抗毀性度量的評估技術文獻中定義了一種綜合性網絡拓撲抗毀性度量,即抗毀連通度G,該連通度表示網絡中所有節點團之間可能通信路徑的平均值,并以此度量值對網絡拓撲的抗毀性進行了評估。抗毀連通度G是一個網絡拓撲抗毀性綜合性指標,該值宏觀上表示了被評估網絡拓撲的抗毀性,沒有反映節點團對之間通信路徑數量的個體差異。文獻提出了網絡拓撲抗毀度g,該值表示網團間可能建立的路徑總數p與網團間要建立的通路s之比。該度量值也是一個綜合評價全網拓撲抗毀性的指標。有的文獻定義了網絡凝聚度,即節點數與平均最短路徑乘積的倒數,該值表示網絡中節點重要程度,也是一個綜合性指標。文獻中首先定義了節點抗毀度,然后將各個節點抗毀度的平均值作為網絡抗毀度來評估網絡抗毀性,沒有表現出節點抗毀度量值的分散特性。2)基于多抗毀性度量值的評估技術基于多抗毀性度量值的評估技術是指在對網絡拓撲抗毀性進行評估時,給出多個評估指標,例如,對網絡中所有(或部分)節點對之間通信路徑數量進行評估、對網絡中所有(或部分)節點抗毀度量值進行評估、對網絡中所有(或部分)鏈路的抗毀性度量值進行評估等。這種評估技術充分體現了抗毀需求的特殊性要求,但是缺乏對這些度量值的分散程度的評估。從以上描述中可以看出,不管是單一度量值的綜合性評估技術,還是多度量值的評估技術,都沒有考慮各種度量值的分散性,而僅僅是對度量值進行了均值處理或加權式均值處理。實際上,節點抗毀性度量值的分散特性具有較重要意義,它表示了網絡拓撲中是否存在關鍵節點或鏈路。對于軍事通信網絡,如果存在關鍵(或比較關鍵)節點或鏈路,從純拓撲結構角度考慮,無疑他們將是敵方首選打擊目標。因此,在網絡資源允許情況下,應當盡量避免出現關鍵節點或鏈路,使攻擊任何一個節點或鏈路對網絡拓撲造成的損壞程度基本相同。1.2節點抗毀性度值的估計在網絡拓撲圖中,節點抗毀性度量值的均值體現了度量值取值平均的大小,是度量值的重要數字特征,但是只是知道平均值是不夠的,還應該知道度量值的取值如何在其均值周圍變化,即刻劃度量值的分散程度。對于節點抗毀性度量值均值相同的兩個網絡拓撲,其度量值的波動程度可能是不同的。波動較小的網絡拓撲中節點的重要性差別較小,拓撲比較穩定,沒有特別重要的節點。節點抗毀性度量值的均方差可以完全表示網絡拓撲中各個度量值的波動特性。定義D(S)為網絡拓撲圖抗毀性量度,則:Ci,j,k表示對應于節點i的節點對(j,k)之間所有穿越節點i的路徑數量;n表示網絡中節點個數;Si表示第i個節點的抗毀性度量值;V表示節點對集合;(j,k)表示節點編號。2算法和模擬2.1求各個節點路徑數量對于給定的連通網絡拓撲圖,節點抗毀性度量值均方差D(S)的求解過程如下:①對于拓撲圖中的每個節點,求所有節點對(不包括該節點)之間所有穿越該節點的路徑數量,得到Ai;②這些路徑數量的平均值,得到A;③用每個節點求出的路徑數量除以路徑數量的平均值,得到Si;④求Si的平均值,得到;⑤最后,求解全網拓撲圖的節點抗毀性度量均方差D(S)。2.2節點抗毀性分析圖1(a)、1(b)、1(c)、1(d)、1(e)、1(f)表示了6個網絡拓撲結構圖。這6個網絡拓撲結構圖具有相同的節點數量和鏈路數量(消耗的網絡資源相同)。根據計算機的仿真計算,得到這6個網絡拓撲圖的節點抗毀性度量均方差值分別是:0.0,0.19,0.53,0.90,1.20和2.72。可以看出他們的均方差數值逐漸增大。比較這6個拓撲圖,可以得知拓撲圖1(a)具有最好的抗毀特性,其次,分別是圖1(b)、1(c)、1(d)、1(e)、1(f)。拓撲圖1(a)的節點抗毀性度量均方差值等于0,說明拓撲圖1(a)中的6個節點的重要性相同,或者說,該圖中6個節點的任何一個被破壞掉時,對網絡拓撲的損害程度是相同的,這也是光纖網絡拓撲為保證一定抗毀性最起碼要構成環形網絡的原因。拓撲圖1(f)非常接近星形網絡,均方差值最大,這說明星形網絡拓撲的抗毀性最差。因此,要使網絡拓撲具有較好的抗毀性,應當避免采用星形或類似星形結構。由表1可以看出,圖1(a)中各個節點抗毀性度量值相同,都等于1。圖1(b)、(c)、(d)、(e)和(f)中的節點抗毀性度量值不盡相同。例如,圖1(f)中節點2的度量值最大,其次是節點3,這說明節點2是一個至關重要的節點,當它被攻擊失效時,除了節點3和7之間還可以通信外,其它節點都將變成孤立節點。圖2表示出對應圖1的6種網絡拓撲圖的節點抗毀性度量值的分散特性。由圖2可以看出隨著網絡抗毀性度量值(均方差值)的增加(由0增加到2.72),節點抗毀性度量值分散性加大(以理想值1為中心),節點重要性程度差異變大。這說明均方差值準確度量了網絡拓撲的抗毀性,網絡拓撲抗毀性越好,其方差值越小。顯然,理想方差值是0。3節點抗毀性度量本文首先回顧了目前普遍采用的網絡拓撲結構抗毀性評估技術,然后提出了一種新的網絡拓撲抗毀性評估算法。該算法可以求出給定的連通網絡拓撲圖中各個節點的抗毀性度量值,以此為基礎進一步得出全網抗毀性度量值(各節點抗毀性度量值均方差)。計算機仿真結果表明:網絡拓撲圖的節點抗毀性度量均方差值可以準確表達出圖中各個節點的抗