摘 要 针对无线传感器网络的抗毁性 基于鱼群算法提出了一种新的度量方法利用小波变换减少业务流的相关性 同时通过鱼群的四种行为来刻画业务流状态以此衡量当前节点的抗毁性 以 实 际 数 据 将 算法与其它算法进行仿真实验 深入研究了抗毁性与失效节点数 负 载以 及 参数之间的关系 结 果 表 明 相比于其它算法 算法具有较好的适应性

关 键 词抗 毁 性 小 波 变 换 鱼 群 行 为 相 关 性

引 言

随着无线传感器网络的快速发展 网 络 抗 毁 性 的 重 大理论意义和应用价值也日益凸显 网络抗毁性描述了网络在遭受意外故障或蓄意攻击时的可靠性 其节点和链路的性能对网络的抗毁性产生非常重要作用 当网络中某个热点 节 点 的 能 量 耗 尽 时 该节点的失效使得网络被分割 从而 导 致 性 能 快 速 下 降 同 时 由 于 节 点 负 荷 的 加 重 容 易导 致 拥 塞 和 分 组 丢 失 造 成 链 路 中 断 所 以 如 何 避 免 热点节点成为无线传感器网络抗毁性能的瓶颈 国 内 外 学 者对此做了大量研究 郭 虹 等 针对无线网络节点的重要度利用结构熵定义了网络抗毁熵 节点抗毁度和全网抗毁度并通过仿真分析了所定义的测度是移动无线网络抗毁性评估 的 有 效 指 标 黎 放 等 在网络总容量不变 容 许 参 数 可变 的 基 础 上 构建了资源有限的级联失效模型 并 建 立 了四种 典 型 的 容 量 分 配 策 略 但是存在度偏好容量分配策略不如 负 荷 偏 好 策 略 以及平均容量分配策略效果不好等问题 文 献 提出了基于局部负荷分配策略的级联失效模型 并且发现在某些条件下攻击低度节点对网络的破坏程度反而大于高度的节点 文 献 的研究说明了当高度节点获 得 更 多 的 容 量 分 配 时 能够有效提高网络抵抗级联失效 的 能 力 文 献 利用凝聚度及生成树宏观评估全连通网络 的 相 对 抗 毁 性 但缺乏对非连通网络节点重要性的有效 计 算 文 献 基于通信网络抗毁性的定义 采 用 多 抗毁 性 度 量 值 的 评 估 技 术 对通信网络的抗毁性进行评价并构建了抗毁性模型 文 献 针对网络部件失效情况采 用 概 率 加 权 法 深入研究了满足业务要求的状态概率 求 和针 对 上 述 问 题 本文在以往定义的网络节点抗毁性基础 上 首先采用小波变换减少业务流的相关性 并 且 通 过计算机工程与设计 年鱼群算法来刻画业务流状态 同 时 利用仿真实验深入研究了该方法的有效性抗毁性定义假设 存 在 如 图 所示的无线传感器网络其 中 表 示 点 集 表 示 边 集 表示两节点间的流量令 表 示 节 点 和 的最短路径的边数 并 且假 设 某 边 上对应的权重为 表 示 节 点 和 之 间的 流 量图 网 络 拓 扑 结 构作者曾提出节点 关 于 路 径 的 重 要 度 定 义式 中 路 径 上存在的节点数 在 网 络 遭 受攻 击 时 随着平均路径长度 的 增 加 不 断 增 大 当 网络的连通性遭到破坏时同 时 定 义 了 节 点 的 抗 毁 性 指 标式 中 节 点 初 始 能 量 节 点 剩 余 能 量和 能量因子和流量因子 且从 式 和 可 知 节点抗毁性主要受到的节点能量 与 节 点 流 量 影 响 而节点能量与自身环境有着重要关联 所以这里针对节点流量进行详细研究 此 前 作 者 曾 基于元胞蚁群算法提出过一种计算方法其思路是通过定义元胞移动规则来改 进 蚁 群 算 法 以此评价节点抗毁性 对 此 本 文 提 出 另外 一 种 计 算 方 法采用小波变换和鱼群算法来研究节点抗毁性数学模型鱼 群 行 为 定 义这 里 将 业 务 流 看 作 鱼 群 节点重要度看作食物浓度 其流量作为状态指标 以下给出四种鱼群行为定义觅 食 行 为觅食行为是鱼群生存的基本行为 鱼 群 通 过 感 官 向 食物浓度大的地方移动 假 设 鱼 群 当 前 状 态 为 在 其 邻 域内随机选择另外一个状态 根 据 式 将 鱼 群 置 于 区 域中 心式 中 和 搜 索 区 域 位 置 该 为 鱼 群 数 量 由 式计算当前的食物浓度 和 如 果 则 该 鱼 群朝此方向移动一步 令 并 将 作 为 当 前 状 态否 则 停 止 不 动 直到试探多次后仍未移动 则 考 虑 采 取 其它 行 为聚 群 行 为在聚群移动的过程中需要同时保证鱼群周围的食物浓度和鱼群间距离 假 设 鱼 群 当 前 状 态 为 对 应 的 食 物 浓度 为 并 且 该 区 域 内 的 鱼 群 数 量 为 总的鱼群数量为表示食物浓度的最小阈值 用于衡量鱼群间最小距 离 定 义如 果 并 且 说明该区域内鱼群有 足 够 距 离 但是食物浓度不高 则执行觅食行为如 果 并 且 说明该区域内食物浓度 足 够 但 是 存 在 过 多 鱼 群 鱼 群 间 隔 空 间 不 够 则 朝 着该区域中心反方向执行随机行为如 果 并 且 则该区域内的食物浓度 和 鱼 群 间 距 离 鱼群将向该区域中心位置 移 动 一 步令 并更新当前状态追 尾 行 为当鱼群中的个体寻到食物 其它个体会尾随其后 朝着距自身最优的个体靠拢 假设鱼群当前状态为 在 邻域 内存在最优个体 如 果 并 且 保 证则说明该区域内保证了足够的食物浓度和鱼群间距 则 朝方 向 移 动 一 步 令 并 更 新 当 前 状 态 否 则 执行 觅 食 行 为随 机 行 为随机行为是从当前状态 转 移 到 另 一 可 行 状 态 在求 解 过 程 中 当长时间没有获得最优解时 可 考 虑 加 入 随机 概 率 使鱼群移动到邻域来搜索可行解 令 鱼 群 的 随 机移 动 概 率 为其 中算 法 设 计考虑到实际业务流具有的分形特性 首 先 利 用 小波 变 换 来 平 滑 业 务 流 使网络节点有能力处理突发数据 然后根据定义的鱼群行为 对网络的抗毁性进行求解第 卷 第 期 段谟意 基于小波变换和鱼群算法的网络抗毁性研究具体算法如下所述在 开 始 时 刻 初 始 化 各 网 络 节 点 参 数 同 时 设 置鱼 群 相 关 信 息收集当前网络节点 的 业 务 流 状 态 利 用 结 合 式对业务流进行小波变换 以平滑突发情况式 中 小 波 分 解 层 次 每 一 层 的 小 波 系 数小 波 系 数 近 似 系 数将小波变换之后的业务流看作鱼群个体 根 据 式计算其食物浓度对鱼群执行定义的四种行为 获 取 最 优 值令 并判断当前循环是否结束 或 者 最 优值 已经连续有多次未变 这 里 假 设 为 次 则 结 束寻 优 操 作 跳 转 到 步 骤 否则跳转到步骤根据当前最优值 结 合 式 计 算 网 络 节 点的 抗 毁 系 数令 跳 转 到 步 骤 直 至 最 后 时 刻算 法 结 束仿真实验首 先 在 中 建 立 如 图 所 示 的 网 络 仿 真 图各 参 数 设 定 为 链 路 容 量 为 延 时 各 节 点缓 存 大 小 为 数 据 包 大 小 为 并 且 采 用分 形 高 斯 噪 声 模型来产生分形业务流 令 各 节 点 发 送业务 流 的 速 率 为 其相关程度指标 这里 针 对 的 路 径 为 需要计算的是节点 的 抗 毁性 将 算 法 与 算法获得的抗毁性进行比较 如 图所 示 在 内 的抗毁性整体要高于 经 过数 据 统 计 较 的 性 能 提 高 了图 算 法 与 算法的抗毁性比较其 次 为了更清楚比较两种算法的性能 这 里 依 次 减少 路 径 上 的 连 接 边 数 观 察 节 点 抗 毁 性 的 变化 情 况 结 果 如 图 所 示 整 体 趋 势 上 随着失效边的增多 两种算法的抗毁性随之减小 这是因为减少了连接边相当于降低了节点之间的连通度 使得网络抵抗破坏的能力 降 低 但 是 比 降低的速度较慢 这 说 明 在 同 等情 况 下 抵抗破坏的能力更强 并 且 在 图 中 显 示了 节 点 的抗毁性与失效节点之间的关系 从 整 体 趋 势 上说 图 和 图 有 着 类 似 情 况 随着失效节点的增多 节点 的 抗 毁 性 减 小 在失效节点数比较少时 比降 低 的 速 度 较 慢 但是失效节点在达到 之 后 和对应的抗毁性比较接近进 一 步 地 为 了 研 究 算 法 的 性 能 在 图 中 显 示了不同流量因子 下 节 点 的抗毁性与节点负载之间的关 系 整 体 趋 势 上 来 说 随 着 负 载 的 增 加 节 点 的 抗 毁性 先 呈 上 升 趋 势 达到极大值点后又呈现出下降趋势 在抗毁性达到极大值点前 当 负 载 小 于 时 对 应 的值越小反而其抗毁性越大 而 负 载 介 于 时 情况 发 生 了 突 变 对应的值越小其抗毁性越小 当 抗 毁 性超过极大值点后 整个情况正好与之前状态相反计算机工程与设计 年图 抗毁性与节点负载 之 间 的 关 系同时 这里将长相关参数 作 为 应 变 量 图 显 示 了不同 流 量 因 子 下 节 点 抗毁性的变化情况 从 图 可 以看 出 随 着 值的增加抗毁性是随之增加的 当 值 较 小时 对应的值越小其抗毁性越大 当 值 超 过 区域时 对应的值越大其抗毁性越大 这里存在突变情况分析其原因是由于有限带宽产生的作用图 抗 毁 性 与 之 间 的 关 系

结束语

本文基于小波变换和鱼群算法提出了一种新的网络节点抗毁性评价方法 该方法首先针对作者以往定义的网络 节 点 抗 毁 性 指 标 采用鱼群算法来刻画业务流的性能状 态 同时针对业务流的突发 利用小波变换来减少其相关 性 并 且 通 过 仿 真 实 验 对 比 研 究 了 与 评 价 方 法 的优 劣 说 明 了 方法具有一定的适应性 在 后 续 研 究中 可考虑结合网络有效性和生存性进行动态关联建模以此形成比较完善的评价体系

    参考文献郭 虹 兰 巨 龙 刘 洛 琨考虑节点重要度的 网 络 抗 毁 性 测 度 研 究 小 型 微型 计 算 机 系 统黎 放 胡 斌 狄 鹏 基 于 资 源 有 限 模 型 的无 标 度 网 络 动 态 抗 毁 性 优 化 系统工程与电子技术饶 育萍 林 竞 羽 周 东 方 网络抗毁度和节点重要性评价方法计 算 机 工 程任 俊亮 申 卯 兴 史 向 峰 通信网络抗毁性的评价方法 空 军工 程 大 学 学 报 自 然 科 学 版戴 上 平 姬 盈 利 王 华 等基于多群协同人工鱼群算法的分类规则提取算法 计 算 机应 用 研 究许晓东 朱士瑞 孙亚民 基于分形特性的宏观网络流量异常分析 通信学报白 翔 宇 叶 新 铭 蒋 海 基于小波变换与自回归模型的网络流 量 预 测 计 算 机 科 学