基于復雜網絡的嵌入式互聯網統(tǒng)計時間特征關鍵問題研究.pdf

1、近年來，隨著互聯網的迅猛發(fā)展，越來越多的嵌入式實時系統(tǒng)被接入到互聯網，使得人們的感知與控制能力得到空前拓展。但是由于互聯網的高復雜性與不確定性時延等因素，使得嵌入式系統(tǒng)在與互聯網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網，與嵌入式系統(tǒng)的確定性時限要求，嵌入式系統(tǒng)與互聯網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、聚集系數分布、介數分布等維度）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，例如數據包處理延遲、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數據的分析，抽象出Internet的宏觀拓撲結構復雜延遲特征，并依據該特征，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據的獲取方法，對數據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據支撐。其次，用核入口重整化方法粗粒度化網絡，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網絡的度分布的冪律指數，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的計算定性定量的說明了路由級網絡的部分與整體、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，而網絡拓撲分形復雜性對延遲產生影響，為本文延遲特征分析提供必要基礎。
　　其次，采用CAIDAARK項目提供的海量數據樣本對網絡延

5、遲的行為特征進行分析，發(fā)現網絡延遲的傳播行為特征呈現出雙峰重尾分布。網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，證明網絡延遲受網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，網絡延遲和訪問直徑沒有關系。約有90％的路徑最大鏈路延遲占網絡延遲的比例達到1/3以上的瓶頸延遲。最大鏈路延遲是影響網絡

6、延遲的因素。同時對瓶頸延遲的演化進行分析，發(fā)現近五年內瓶頸延遲均值、網絡延遲均值均呈現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模型產生的拓撲結構復雜特性與Internet復雜特性的相似性，充分體現了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，為嵌入式互聯網應用提供了測試平臺與方法。
　　最后，考慮到支配延遲對網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。解釋支配延遲產生的原因以及影響支配延遲的因素，從而為嵌入式互聯網應用提供依據。首先，比較了網絡在不同訪問時間區(qū)間上傳播行為，發(fā)現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、明支配延遲對網絡傳播行為的影響與訪問時間本身并沒有必然聯系，但是由于支配延遲本身在數值上相差較大，導致相近訪問直徑的路徑其傳播行為有著較大的差異，并直接表現為訪問時間呈現出多峰分布特征。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在AS自治域內部，并從AS自治域上的傳播行為解釋了支配延遲較少出現在AS自治域之間的原因。通過將產生支配延遲的IP節(jié)點對映射到實際地理位置，對支配延