智能空间的模型与其网络服务质量单播路由的研究

摘要

随着信息技术、计算机技术、网络技术和控制技术的进步，智能建筑得到了大力的推广和发展，信息时代构筑智能空间已逐渐成为现实。目前，智能空间的构筑仅仅局限于控制系统的网络互联，而不同系统之间的信息与资源共享率极为低下。智能空间应该能够有机地互联各个分离的智能建筑，以实现控制网络与系统、数据网络与系统、语音网络与系统以及视频网络与系统等等的无缝融合。而基于Internet 的互联则是实现智能空间的关键技术之一，但是IP 网络仅能为各种业务提供尽力传送的服务，而并不保证提供业务要求的服务质量。 本文围绕基于IP 网络的智能空间建模与模型网络的服务质量单播路由的相关理论与算法开展了研究工作，在基于IP 网络的智能空间建模、消除模型网络中不精确状态信息对路由的影响、模型网络的各种单播路由算法，如分布式路由算法、源路由算法、群集智能路由算法以及流量工程在算法中的应用等等方面进行了细致的研究。 (1) 以现有的计算机网络技术、语音压缩与传输技术、视频压缩与传输技术和楼宇自动控制网络技术为研究背景，构造了一种基于IP 网络的智能空间模型。该模型实现了智能空间中的控制子空间、数据子空间、语音子空间以及视频子空间等等的互联与集成，具有强大的信息与资源共享功能。 (2) 根据智能空间网络不精确状态信息产生的原因，提出了一种新颖的思路，用于解决不精确信息对路由算法带来不利影响的问题。该思路不需要对状态信息进行极值分布的假定，而是利用已有的状态信息选择概率上受不精确信息影响最小的、满足服务质量要求的路径，从而有效地减轻智能空间中网络信息不精确性对算法的影响。 (3) 提出了一种基于优化路径的扩展Dijkstra 路由算法，用于解决智能空间中不精确信息下的多限制路径问题。算法采用组合参数进行搜索，降低了信息不精确对算法的影响，并优化了资源的利用；通过限制节点优化路径的数目，降低了算法的复杂度。仿真说明了算法具有简单、高效、可扩展、收敛快等特点，可以在一定程度上减弱状态信息不精确对算法的影响，并为智能空间中的业务提供多限制路径路由能力。 (4) 提出了一种基于优化路径的有限选择洪泛单播路由算法，用于解决智能空间中不精确信息下的多限制路径问题。算法限制了节点中优化路径的数目和链路的广播次数，从而降低了算法的时间复杂度和空间复杂度。仿真说明了算法具有简单、高效、可扩展、收敛快等特点，可以有效地减弱状态信息不精确性对算法的影响，从而为智能空间中的业务提供多限制路径路由能力。 (5) 提出了一种具有广泛适用性的分布式单播路由算法框架，用于解决智能空间中网络状态信息不精确条件下的NP 完全路由问题。基于这种分布式算法框架，文章针对智能空间中的典型NP 完全路由问题进行了分析和求解。仿真说明了这种算法框架具有简单、可扩展、收敛快等特点，可以有效地减弱状态信息不精确对算法的影响，并高效地解决智能空间中的各种NP 完全路由问题，从而为智能空间中的各种业务提供满足服务质量要求的路由选择。 (6) 提出了一种改进的人工蚁群算法，用于解决蚂蚁行进路线容量受限的问题。算法结合流量工程的思想，对路线选择准则进行了修改。改进的蚁群算法具有负载平衡的作用，用于路由选择可以有效增强网络的流量负载平衡。 (7) 提出了一种基于局部网络状态信息的群集智能服务质量单播路由策略框架。框架不需要进行全局的网络状态更新，利用与业务呼叫无关的、运行改进蚁群算法的移动Agent 为不同类型的业务维护相同的备选路由表，并利用与业务呼叫对应的、含有指定的服务质量要求的移动Agent 漫游网络为该业务选择合适的路由。框架对智能空间中的不同服务质量路由问题具有普遍适用性，可以为智能空间中的各种业务提供满足服务质量要求的路由选择，并为将来出现的新业务保持良好的可扩展性。 (8) 针对带宽约束时延约束路径问题，构造了基于流量工程的扩展Dijkstra 单播路由算法，并研究了流量工程对算法性能的影响。仿真说明了基于流量工程的扩展Dijkstra 算法具有简单高效的特点，可以有效地降低业务的呼叫阻塞率，提高网络资源的利用率，适应网络链路容量不一致的情况，从而有效解决带宽约束时延约束路径问题。这也验证了合理利用流量工程有助于提高路由算法的性能。