影响信息流的节点间关系模型的研究

王 倩，范通让

（石家庄铁道大学 信息科学与技术学院，河北 石家庄 050043）

计算机网络技术飞速发展，网络的应用也越来越广泛，出现了大量不同类型的网络，例如星形、环形、树形、总线型、网状、蜂窝型等。不但网络类型层出不穷，而且同一网络也是处在不断地发展变化中，使得计算机网络有着很强的时间变化性、动态突发性以及交互不确定性，加深了网络环境及其上行为的复杂性。对于不同的计算机网络，有其独特的拓扑结构和信息交互规则。这些给网络上的研究带来了不便，迫切要求一种适用所有类型网络的研究模型。

笔者以信息流为研究对象，对不同类型的网络，研究其底层的信息流特征，抽取信息流行为共有的模式，对具有统一规则支配的条件能量网络模型中节点间的作用力关系，进行一定的细化研究，提出了利用节点间的作用力来指导数据包传输的路由算法。

1 利用信息流研究网络节点

网络结构即网络的组织形式，主要体现在网络的拓扑结构上。网络拓扑结构是指用传输媒体互连各种设备的物理布局。随着计算机网络结构的快速发展，特别是高速网络、高性能网络、智能网络的兴起，网络规模以及行为出现日益复杂的局面，给网络的研究带来了不便。许多学者开始从底层的信息流出发研究网络。这种研究适用于所有类型的网络。

复杂网络中的个体单元之间的行为都和底层的网络结构环境相关［1］，这给用信息流研究网络提供了一个思路。目前很多学者研究了网络组织结构与网络动态性、信息流行为等之间的关系。Milo R 等人在网络基本单元图级别上对信息流的走势进行分析，构建网络拓扑［2］。

Ziv E等人借助信息理论进行网络中模块的探测，通过网络结构对信息流行为的影响结果，对从属群落内部的边和节点进行判断［3］，通过信息流行为对节点间关系进行判断。Wu R首次提出了利用信息流解决云计算网络环境中的服务冲突问题，在云计算的基础设施层利用信息流的管理策略应对不安全信息流的方法［4］，对利用信息流维护网络安全提供了一个方法。

在网络发生信息流的过程中，网络节点间的相互作用导致了信息流的产生。通过对影响节点间通信的因素的研究有助于信息流产生的因素。Daly E J等人借助Granovette提出在社会网络影响节点间关系强度的各类因素，类比分析移动自治网络中的信息流行为［5］，研究建立用于判定信息流行为所涉及到的活跃节点以及节点间联系强度的参数和数学表达式，量化了节点间关系。Yang J等人认为每一个网络节点对与该节点相连的其他节点的影响，与该节点参与的历史信息流相关［6］。

2 一种改进的节点间关系模型

笔者对文献［7］提出的影响节点关系的作用力进行细化研究，得出促进节点间关系的引力，和阻碍节点间通信的阻力。并通过计算节点间的合力，来指导数据包的传输。

文献［7］中根据网络服务模式与物体间万有引力之间的相似关系，建立用于描述网络节点间关系的作用力模型，从而根据作用力判断节点间信息流的产生可能性，根据建立的网络节点间作用力关系模型，计算网络中节点间的联系强度如公式（1）所示。其中G 代表网络的类型，Nod＿Pri代表请求优先级，Nod＿Vis代表资源的可见性，Acc＿Res代表资源的可达性。通过计算节点与其相邻的所有的节点的作用力和，可以得出此节点在网络中的地位。

但是，文献［7］仍然存在一些问题，节点明显的分为两类，按照功能分为请求信息节点和信息服务节点。功能单一，但是在现实的网络中节点的划分并不明显，节点可能只有请求信息的功能，也可能既有请求信息的功能也有提供服务的功能。文献［7］并没有考虑节点的处理能力，实验时使得节点具有相同的处理能力，但是现实的网络中，节点并不是单一的，有可能有服务器，高性能服务器，台式机，笔记本等，不同的设备处理能力是不同的。

另外，文献［7］中提出节点间的存在作用力，同时节点间也存在阻力，但是并没有实现阻力。节点间的阻力主要与拥有该资源的节点的处理能力，请求节点与服务节点之间的路径状况，以及网络的拥塞情况等相关。同时只要两个节点之间的距离不超过16跳路由器，则将是可能发生通信的，即节点间的作用力大于阻力。文献［7］最后提出的路由机制，要依赖于关键路径。因为得到关键路径，要掌握全局的信息，使得该路由算法依赖于全局信息。

针对上述的一些问题，本文在以下几个方面进行改进。首先针对节点分类的问题，本文拟根据节点的功能分类，有的节点只有请求信息的能力，如笔记本，有的节点既具有请求信息能力，也具有提供服务的能力，如服务器。将这种既具有请求信息的能力又具有提供服务能力的节点根据处理能力的不同再划分，分为几个等级。这种兼有两功能的节点（以下称为服务器）满足信息请求节点的要求。同时，服务器之间可以进行P2P 的通信，当自己的资源不足时可以向对方请求资源，同时也可以接受对方的请求，将自己多余的资源提供给对方。不同的服务器，处理能力不同。在考虑作用力时，将有助于节点间通信的力称为引力，同时加入节点的处理能力Nod＿Process，处理能力越强，则节点的引力越大，否则，越小。可以对节点的处理能力分等级，处理能力越强，等级越高，反之越低。每种节点的处理能力不同Nod＿Process取不同的等级。那么节点间的引力可以表示为公式（2）。

其中G 代表网络的类型，Nod＿Pri代表请求优先级，Nod＿Vis代表资源的可见性，Acc＿Res代表资源的可达性。通过计算节点与其相邻的所有的节点的作用力和，可以得出此节点在网络中的地位。

针对阻力未实现的问题，本文拟细化阻碍节点间通信的条件，同时兼顾引力，达到量化阻力的目的。只要两者之间路由器的跳数大于16跳，则两者之间的引力就大于阻力可以通信，否则，引力小于阻力，即数据包无法到达。具体怎样实现有待于以后的研究。

3 改进模型的路由算法的设计

通过对以上模型的修改，可以利用两节点间的作用力来指导信息流的流动，即路由器间数据包的发送，由于关键路径是数据包所经过的路由器跳数最少的路径，虽然这条路径经过的跳数少，但不一定是最优的，也可能由于其他的原因，比如拥塞等，使得到达终端节点的时延较大。在节点间关系的引力和阻力考虑了链路的因素。在数据包发送的过程中只考虑引力与阻力的差值，即合力，当跳数小于16时，合力肯定大于0，即节点间可以进行数据的通信，否则合力小于0，网络不可达，不能发生信息流，报错。如图1所示，数据包的出发地是节点1，目的地是节点6，当数据包走到节点2时，有两个下一跳路由。此时通过计算节点3和节点4所受的合力，可能得出在节点3所受节点6的合力，比在节点4的大，因而可以选择节点3，作为下一条路由。也可能节点4所受节点6的合力，比在节点3的大，因而选择4作为下一跳。

图1 数据包的路由选择过程

通过综合节点所受目的节点的引力，以及传输路径上的阻力计算节点的合力，通过合力来选择数据包能否发送，以及选择哪一个下一跳路由器，进而指导信息流的产生。该路由算法的设计思路如图2所示。

图2 数据包的传输流程图

4 结束语

本文针对当前网络模型较多，难于进行网络行为研究分析的问题，在当前网络中信息流的研究成果基础上，对文献［7］中条件能量网络模型未研究的内容，通过细化影响节点间通信因素，提出了一种改进的节点间关系模型。该模型更接近与实际网络，有利于开展网络行为研究分析。最后，根据该模型提出了一种新的网络路由选择算法。

［1］Boccaletti S，Latora V，Moreno Y，et al.Complex networks：Structure and dynamics［J］.Physics Reports，2006，424（4－5）：175－308.

［2］Milo R，Shen－Orr S，Itzkovitz S.Network motifs：simple building blocks of complex networks［J］.Science，2002，298（5594）：824－827.

［3］Ziv E，Middendorf M，Wiggins C.An Information－Theoretic approach to network modularity［J］.Phys Rev E，2005，71（4）：046117.

［4］Wu R，Ahn G J，Hu H，et al.Information flow control in cloud computing［C］／／Proc of the 6th International Conference on Collaborative Computing：Networking，Applications and Worksharing.New York：IEEE Computer Society，2010：1－7.

［5］Daly E M，Haahr M.Social network analysis for information flow in disconnected delay－tolerant MANETs［J］.IEEE Transactions on Mobile Computing，2009，8（5）：606－621.

［6］Yang J，Leskovec J.Modeling information diffusion in implicit networks［C］／／Proc of the 10th IEEE International Conference on Data Mining，ICDM 2010.NJ：Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc.，2010，599－608.

［7］许荣飞，范通让.条件能量网络中信息流行为的研究［J］.计算机科学，2012，39（10）：82－85.