基于復雜網(wǎng)絡的嵌入式互聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)計時間特征關鍵問題研究.pdf

1、近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅猛發(fā)展，越來越多的嵌入式實時系統(tǒng)被接入到互聯(lián)網(wǎng)，使得人們的感知與控制能力得到空前拓展。但是由于互聯(lián)網(wǎng)的高復雜性與不確定性時延等因素，使得嵌入式系統(tǒng)在與互聯(lián)網(wǎng)接入時無法確保系統(tǒng)的時間安全性。在實時系統(tǒng)中任何一個步驟都會有時間限制區(qū)間，一旦超限則會導致實時系統(tǒng)崩潰。面對當前龐大而復雜的互聯(lián)網(wǎng)，與嵌入式系統(tǒng)的確定性時限要求，嵌入式系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)的交互面臨巨大挑戰(zhàn)。
　　對于上述問題的解決主要有兩種途徑，一種是通過微觀

2、角度（路由協(xié)議再設計、擁塞控制策略設計、接入網(wǎng)關選擇等方法）分析問題解決問題;另一種方法是通過宏觀拓撲結構角度（Internet的度分布、聚集系數(shù)分布、介數(shù)分布等維度）來解析Internet的結構，獲取相應的延遲特征，以指導嵌入式系統(tǒng)與Internet的接入。第一種角度往往針對某一個網(wǎng)絡延遲層面，是實際Internet中導致時延不確定的因素有很多，例如數(shù)據(jù)包處理延遲、傳輸沖突延遲、路由器服務延遲等，這導致第一種研究角度對應的成果難以直接

3、應用于實際。第二種角度是一個統(tǒng)計學角度，通過對海量Internet數(shù)據(jù)的分析，抽象出Internet的宏觀拓撲結構復雜延遲特征，并依據(jù)該特征，設計相應的拓撲建模方法，為Internet實時性分析提供基礎與指導。
　　本文首先利用CAIDA宏觀拓撲測量項目的測量技術及其拓撲數(shù)據(jù)的獲取方法，對數(shù)據(jù)進行探測合并預處理，為之后章節(jié)的分析工作提供了準確的數(shù)據(jù)支撐。其次，用核入口重整化方法粗粒度化網(wǎng)絡，研究了Internet路由級拓撲結構的自

4、相似分形特征。從度分布、度相關性以及聚集性等方面分析了Internet拓撲的自相似性;通過不同KC網(wǎng)絡的度分布的冪律指數(shù)，累積鄰居節(jié)點平均度值等度相關性特征的標度不變性和分形維數(shù)的計算定性定量的說明了路由級網(wǎng)絡的部分與整體、部分與部分之間存在著自相似性。從而說明了Internet路由級拓撲具有分形特征，而網(wǎng)絡拓撲分形復雜性對延遲產(chǎn)生影響，為本文延遲特征分析提供必要基礎。
　　其次，采用CAIDAARK項目提供的海量數(shù)據(jù)樣本對網(wǎng)絡延

5、遲的行為特征進行分析，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡延遲的傳播行為特征呈現(xiàn)出雙峰重尾分布。網(wǎng)絡延遲傳播行為特征分布隨時間變化不大，有很強的自相似性，證明網(wǎng)絡延遲受網(wǎng)絡拓撲分形復雜性影響也具有分形特征。其次，從訪問直徑、網(wǎng)絡延遲兩端的實際地理距離L(km)和最大鏈路延遲三個側面討論可能影響網(wǎng)絡延遲的因素，證明訪問直徑的行為分布接近于正態(tài)分布，網(wǎng)絡延遲和訪問直徑?jīng)]有關系。約有90％的路徑最大鏈路延遲占網(wǎng)絡延遲的比例達到1/3以上的瓶頸延遲。最大鏈路延遲是影響網(wǎng)絡

6、延遲的因素。同時對瓶頸延遲的演化進行分析，發(fā)現(xiàn)近五年內(nèi)瓶頸延遲均值、網(wǎng)絡延遲均值均呈現(xiàn)逐年增加的演化趨勢及地理分布規(guī)律。
　　再次，本文在對Internet宏觀拓撲結構復雜特性分析的基礎之上，引入了k-核分解概念，對Internet宏觀拓撲結構進行k-核分解。依據(jù)k-核分解的思想，設計了一種基于k-核延遲特征的建模方法——LM，通過大量實驗對比分析了LM模型產(chǎn)生的拓撲結構復雜特性與Internet復雜特性的相似性，充分體現(xiàn)了Int

7、ernet宏觀拓撲的分形層次復雜性，從而得出LM模型的有效性與合理性。進一步介紹了LM模型與NS-2平臺相結合的應用方法，為嵌入式互聯(lián)網(wǎng)應用提供了測試平臺與方法。
　　最后，考慮到支配延遲對網(wǎng)絡的傳播行為有較大影響，進一步研究了支配延遲的行為特征。解釋支配延遲產(chǎn)生的原因以及影響支配延遲的因素，從而為嵌入式互聯(lián)網(wǎng)應用提供依據(jù)。首先，比較了網(wǎng)絡在不同訪問時間區(qū)間上傳播行為，發(fā)現(xiàn)訪問時間相差較大的路徑，其支配延遲對訪問時間的比例相近，說

8、明支配延遲對網(wǎng)絡傳播行為的影響與訪問時間本身并沒有必然聯(lián)系，但是由于支配延遲本身在數(shù)值上相差較大，導致相近訪問直徑的路徑其傳播行為有著較大的差異，并直接表現(xiàn)為訪問時間呈現(xiàn)出多峰分布特征。之后，討論了AS自治域上的支配延遲行為特征。通過將IP級節(jié)點映射到AS自治域上，結果表明支配延遲更多地出現(xiàn)在AS自治域內(nèi)部，并從AS自治域上的傳播行為解釋了支配延遲較少出現(xiàn)在AS自治域之間的原因。通過將產(chǎn)生支配延遲的IP節(jié)點對映射到實際地理位置，對支配延