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网络流量行为分析的一维元胞自动机模型

元胞自动机

2007年第24卷第10期微电子学与计算机

1引言

元胞自动机[1]是定义在一个由具有离散、有限状态的由元胞组成的空间上,按照一定局部规则在离散的时间维上演化的动力学系统。它通过简单的微观规则来描述元胞的个体行为,而系统的整体行为可以通过各元胞对这些规则的遵循而表现出来。

元胞自动机模型由于其简单性和在计算机上的易操作性,越来越多地被用于复杂系统行为的研究,特别是在交通流研究方面的应用,利用元胞自动机可以帮助人们对交通流有更好的理解[2],尽管计算机网络流量和交通网络系统中的车流量的行为具有相似之处,比如,都具有自相似、幂律、自组织等行为特性。但从元胞自动机的角度来看,两者有着本质的区别:对于交通流的来说,车辆的队列是存在于公路上,所以队列行为可以其所在的几何空间(比如公路)来描述,比如可以用一维网格来表示某一段公路,车辆队列行为的变化可以直观的表现为粒子对格点的占有或者消失;而对于网络流量,由于其队列存在于节点的缓存单元中,不能直接用队列所在的几何空间来描述其队列行为,这使得元胞自动机在交通流中的研究方法及其结果很难适用于网络流量行为。迄今,有关借助元胞自动机来研究网络流量行为的成果还是非常少,鉴于元胞自动机模拟复杂系统的特殊能力,文中将尝试应用元胞自动机理论建立网络流量的一维元胞自动机模型,并在此基础上进行数值模拟。

2流量行为的元胞自动机模型与演化规则

2.1网络流量的元胞模型

网络节点产生数据分组,设不同的业务分组进入某个节点是相互独立,由同一参数控制,它刻画信源向网络输入流量的平均速率,其量纲为时间的倒数。按通信协议,网络中的节点间进行通信时,数据分组沿着选定的路径从源端被传送到目的端主机,传输路径上的每个节点接收来自其他节点的分组同时将分组被存放在缓存区中,然后节点以一定的速率将这些分组转发的传输路径上的其他节点。在这里,为了简单起见,忽略了连接节点之间的链路,而直接把分组的传输过程抽象为上一个节点的输出成为下一个节点的缓存区进行排队,等待该节

网络流量行为分析的一维元胞自动机模型

雷霆1,2,余镇危2

(1北京林业大学理学院,北京100083;2中国矿业大学机电与信息工程学院,北京100083)

摘要:提出了一种网络流量的一维元胞自动机模型。制定了节点吞吐量和分组队列长度的更新规则,引入了减速概率来模拟节点发送分组的随机行为。数值仿真结果表明,该模型能较好的描述了网络中从自由流相到拥塞相的相变行为。

关键词:元胞自动机;网络流量;相变

中图分类号:TP393.07文献标识码:A文章编号:1000-7180(2007)10-0099-03

AnOneDimensionCellularAutomataModelof

NetworkTrafficBehaviorAnalysis

LEITing1,2,YUZhen-wei1

(1SchoolofScience,BeijingForestryUniversity,Beijing100083,China;2SchoolofMechanicalElectronic&InformationEngineering,ChinaUniversityofMining&Technology,Beijing100083,China)

Abstract:Anonedimensioncellularautomatamodelofnetworktrafficispresented.Inthismodel,therulesofupdat-ingthenodethroughputandthepacketqueuelengthisdesigned,andtheprobabilityofreducingthethroughputisalsodefinedfordescribingthenoderandombehaviors.Simulationresultsshowsthismodeleffectivelydepictthephasetran-sitionbehaviorsformfreetrafficflowstatetocongestionstateinthenetwork.

Keywords:cellularautomata;networktraffic;phasetransition

收稿日期:2007-06-11

基金项目:国家教育部博士点基金项目(20030290003)

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