本发明提供一种光纤通信网地理灾难抗毁性评估方法，包括以下步骤：首先用平面图形表示真实地理位置分布的光纤通信网；其次将真实的光纤通信网嵌入到平面图形中，建立光纤通信网的图论模型；再次计算抗毁性评估指标及抗毁性评估指标权重；最后确定出抗毁性程度。该光纤通信网地理灾难抗毁性评估方法，可为抗毁优化提供指导，从而可有效应对可能出现的大规模灾难，从而有效降低地理灾难对光纤通信网络带来的破坏。
1.一种光纤通信网地理灾难抗毁性评估方法，其特征在于，包括以下步骤：S1用平面图形表示真实地理位置分布的光纤通信网，所述S1具体通过以下方法实现：S11用无向图G的每个顶点表示光纤通信网的节点，以顶点u、v为端点的边φG(e)＝(uv)表示光缆的链路；
S12用邻接矩阵A＝(aij)n×n来表示网络中各节点连接情况，其中n代表网络节点总数，若节点i和节点j直接连接，且其路径长度为num，则aij＝aji＝num，否则aij＝aji＝∞，令所有的aii等于0；
S13对邻接矩阵采用如下公式进行归一化处理，最终获得光线通信网的平面图形，于公式(1)中xi表示第i个节点容量的归一化值，xmax表示网络拓扑中节点容量最大值，xmin表示网络拓扑中节点容量最小值；
S2将真实的光纤通信网嵌入到平面图形中，建立光纤通信网的图论模型，所述S2具体按照以下方法实现：S21将光线通信网平面图形的节点和图论中的顶点相对应，将光线通信网中的链路与图论中的边相对应，获得光纤通信网地理分布拓扑图；
S22对光纤通信网地理分布拓扑图的节点进行编号，确定每个节点的坐标，利用邻接矩阵对光缆的长度、节点度和节点连接的连通性进行建模，获得光纤通信网的图论模型；
S3计算抗毁性评估指标及抗毁性评估指标权重，具体按照以下方式求得：对无保护机制下光纤通信网的抗毁性进行评价，所述S3具体按照以下方法实现：S31计算两节点最短路径与地震风险无关的概率Pai，具体按如下公式进行计算：于公式(2)中，a和i为不相邻的节点，m为该两个节点进行通信时，经过最短路径的链路段数，P(k)为第k段链路的地震风险概率；
S32由于一次通信时的容量不会超过路径中任意一个节点的容量，所以以该路径中各个节点中的最小容量作为最短路径时的通信容量；
于公式(3)中，a为当前需要计算的节点，M为光纤通信网节点数‑1，eai为a节点到i节点之间的最短路径上的最大通信带宽容量，Pai表示节点a到节点i的与地震风险无关的概率；
于公式(4)中，Njk(i)为任意两节点j和k之间最短路径经过节点i的条数，Njk为j和k之间的所有最短路径的条数；
对保护机制下光纤通信网的抗毁性进行评价，所述S3具体按照以下方法实现：S31计算两节点最短路径与地震风险无关的概率Pai，具体按如下公式进行计算：于公式(5)中，a和i为不相邻的节点，m为该两个节点进行通信时，经过最短路径的链路段数，P(k)为第k段链路的的地震风险概率；
S32当节点的当前通信路径遭遇破坏时，自动触发节点寻找另一条路径进行通信，在计算出遭遇地震风险后，修正后节点a的通信效能Ea1：于公式(6)中，M1为通信网络的节点数，eai1为a节点到i节点之间最短路径的最大通信容量，Pai1由公式(5)求得，其为a节点到i节点之间最短路径的与地震风险无关的概率，eai2为在遭遇地震风险后，a节点到i节点之间最短路径的最大通信容量，Pai2由公式(5)求得，其为在遭遇地震风险后，a节点到i节点之间最短路径的与地震风险无关的概率；
Ba＝Pa×Ba1+(1‑Pa)×Ba2 (7)，
于公式(7)中，Ba1为节点a的最短路径的节点介数，Ba2为节点a在遭遇地震后最短路径的节点介数，Ba1、Ba2分别由公式(4)求得，Pa为节点a所在地与地震风险无关的概率，由公式(5)求得；
S4确定抗毁性程度，所述S4中的抗毁性程度按如下公式进行计算：于公式(8)中，当在无保护机制下，Ei由公式(3)求得，其为节点a的通信效能，Bi由公式(4)求得，其为节点a的介数；当在有保护机制下，Ei由公式(6)求得，其为修正后节点a的通信效能，Bi由公式(7)求得，其为修正后节点a的介数。
一种光纤通信网地理灾难抗毁性评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信网络技术领域，具体涉及一种光纤通信网地理灾难抗毁性评估方法，具体涉及无保护光纤通信网的抗毁性评价方法和具有保护光纤通信网的抗毁性评价方法。【背景技术】
[0002] 随着光纤通信网的应用和普及，它的安全问题也越来越受到重视。尽管一直以来人们非常重视网络的安全，尤其在网络的脆弱性、可靠性、生存性和抗毁性等方面研究出了很多成果，但是由于光纤通信具有保密性好、抗干扰能力强等优点，因此得到了大部分人的认可。然而对于光纤通信系统，通过很低廉的成本、较低的技术手段就能对网络业务造成较为严重的破坏，例如割断光缆，破坏中继点等，这样的破坏所需要的成本很低，并且是一种非常有效的攻击手段。由于单条光纤链路的破坏对光网络的影响是有限的，不会造成通信网络大面积的瘫痪，因此以往大部分的物理层脆弱性研究主要集中在对网络中单个节点或单条链路的失效性防护。然而面对自然灾害或战争装天下，光线通信系统的破坏是不可估量的，因此在此状态下对光网络的破坏受到研究学者的关注。目前研究的热点主要集中在如何构建光网络的故障模型和地理灾难模型，在通信安全领域的研究尚未广泛开展，但各类文献对如何构建在地理区域的光网络故障模型已经取得一定的进展。由于地理分布的光网络的抗毁性研究是最近几年才受到网络研究者的关注，因此评判的依据不统一。地理分布的光网络拓扑与道路交通网的拓扑比较相似，因此目前大多数研究是参考道路交通网和计算机网络的评价方法，其中关于光纤通信网的大部分研究都是基于拓扑结构的光纤通信网抗毁性研究，缺乏与地理灾难有效的结合的抗毁性评估方法，无法为现有光纤通信网的抗毁优化提供指导，无法有效应对可能出现的大规模灾难。因此急需一种通过解决光纤通信网地理灾难抗毁性评估问题来有效降低地理灾难对光纤通信网络带来破坏风险的方法。【发明内容】
[0003] 针对现有通信设备自主可控难评估的问题，本发明提供一种光纤通信网地理灾难抗毁性评估方法，可为抗毁优化提供指导，从而可有效应对可能出现的大规模灾难，从而有效降低地理灾难对光纤通信网络带来的破坏。
[0004] 本发明是通过以下技术方案实现的，提供一种光纤通信网地理灾难抗毁性评估方法，包括以下步骤：
[0005] S1用平面图形表示真实地理位置分布的光纤通信网；
[0006] S2将真实的光纤通信网嵌入到平面图形中，建立光纤通信网的图论模型；
[0007] S3计算抗毁性评估指标及抗毁性评估指标权重；
[0008] S4确定抗毁性程度。
[0009] 特别的，所述S1具体通过以下方法实现：
[0010] S11用无向图G的每个顶点表示光纤通信网的节点，以顶点u、v为端点的边φG(e)＝(uv)表示光缆的链路；
[0011] S12用邻接矩阵A＝(aij)n×n来表示网络中各节点连接情况，其中n代表网络节点总数，若节点i和节点j直接连接，且其路径长度为num，则aij＝aji＝num，否则aij＝aji＝∞，令所有的aii等于0；
[0012] S13对邻接矩阵采用如下公式进行归一化处理，最终获得光线通信网的平面图形，[0013]
[0014] 于公式(1)中xi表示第i个节点容量的归一化值，xmax表示网络拓扑中节点容量最大值，xmin表示网络拓扑中节点容量最小值。
[0015] 特别的，所述S2具体按照以下方法实现：
[0016] S21将光线通信网平面图形的节点和图论中的顶点相对应，将光线通信网中的链路与图论中的边相对应，获得光纤通信网地理分布拓扑图；
[0017] S22对光纤通信网地理分布拓扑图的节点进行编号，确定每个节点的坐标，利用邻接矩阵对光缆的长度、节点度和节点连接的连通性进行建模，获得光纤通信网的图论模型。
[0018] 特别的，所述S3具体按照以下方法实现：
[0019] S31计算两节点最短路径与地震风险无关的概率Pai，具体按如下公式进行计算：
[0020]
[0021] 于公式(2)中，a和i为不相邻的节点，m为该两个节点进行通信时，经过最短路径的链路段数，P(k)为第k段链路的地震风险概率；
[0022] S32由于一次通信时的容量不会超过路径中任意一个节点的容量，所以以该路径中各个节点中的最小容量作为最短路径时的通信容量；
[0023] S33按如下公式进行节点通信效能Ea的计算：
[0024]
[0025] 于公式(3)中，a为当前需要计算的节点，M为光纤通信网节点数‑1，eai为a节点到i节点之间的最短路径上的最大通信带宽容量，Pai表示节点a到节点i的与地震风险无关的概率；
[0026] S34按如下公式计算节点介数：
[0027]
[0028] 于公式(4)中，Njk(i)为任意两节点j和k之间最短路径经过节点i的条数，Njk为j和k之间的所有最短路径的条数。
[0029] 特别的，所述S3具体按照以下方法实现：
[0030] S31计算两节点最短路径与地震风险无关的概率Pai，具体按如下公式进行计算：
[0031]
[0032] 于公式(5)中，a和i为两个节点，m为该两个节点进行通信时，经过最短路径的链路段数，P(k)为第k段链路的地震风险概率；
[0033] S32计算出遭遇地震风险后，修正后节点a的通信效能Ea1：
[0034]
[0035] 于公式(6)中，M1为通信网络的节点数，eai1为a节点到i节点之间最短路径的最大通信容量，Pai1由公式(5)求得，其为a节点到i节点之间最短路径的与地震风险无关的概率，eai2为在遭遇地震风险后，a节点到i节点之间最短路径的最大通信容量，Pai2由公式(5)求得，其为在遭遇地震风险后，a节点到i节点之间最短路径的与地震风险无关的概率；
[0036] S33计算修正后的节点介数Ba：
[0037] Ba＝Pa×Ba1+(1‑Pa)×Ba2 (7)，
[0038] 于公式(7)中，Ba1为节点a的最短路径的节点介数，Ba2为节点a在遭遇地震后最短路径的节点介数，Ba1、Ba2分别由公式(4)求得，Pa为节点a所在地与地震风险无关的概率，由公式(5)求得；
[0039] 特别的，所述S4中的抗毁性程度按如下公式进行计算：
[0040] S4确定抗毁性程度，所述S4中的抗毁性程度按如下公式进行计算：
[0041]
[0042] 于公式(8)中，当在无保护机制下，Ei由公式(3)求得，其为节点a的通信效能，Bi由公式(4)求得，其为节点a的介数；当在有保护机制下，Ei由公式(6)求得，其为修正后节点a的通信效能，Bi由公式(7)求得，其为修正后节点a的介数。
[0043] 本发明提供一种光纤通信网地理灾难抗毁性评估方法，通过将真实地理位置分布的光纤通信网的节点和节点间的光缆连接用平面上的图形表示出来，以最短路径的与地震风险无关的概率和最短路径时的通信容量为基础，对无保护和保护机制下的光纤通信网的抗毁性进行评价，为抗毁优化提供指导，从而可有效应对可能出现的大规模灾难，有效降低地理灾难对光线通讯网络带来的破坏。【具体实施方式】
[0044] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下对本发明进一步详细说明。
[0045] 首先对无保护机制下光纤通信网的抗毁性进行评价，其包括以下步骤：
[0046] S1用平面图形表示真实地理位置分布的光纤通信网，具体通过以下方法实现：
[0047] S11用无向图G的每个顶点表示光纤通信网的节点，以顶点u、v为端点的边φG(e)＝(uv)表示光缆的链路，以邻接矩阵表示光纤通信网；
[0048] S12用邻接矩阵A＝(aij)n×n来表示网络中各节点连接情况，其中n代表网络节点总数，若节点i和节点j直接连接，且其路径长度为num，则aij＝aji＝num，否则aij＝aji＝∞，令所有的aii等于0，图G使得光纤通信网更直观，而矩阵更方便后期计算；
[0049] S13由于节点容量数值较大可能会带来影响，因此需对邻接矩阵进行归一化处理，从而最终获得光线通信网的平面图形，具体按照如下公式进行归一化处理：
[0050]
[0051] 于公式(1)中xi表示第i个节点容量的归一化值，xmax表示网络拓扑中节点容量最大值，xmin表示网络拓扑中节点容量最小值。
[0052] S2在建模前，需要将真实的光纤通信网嵌入到平面图形中，具体按如下方法实现：
[0053] S21将光线通信网平面图形的节点和图论中的顶点相对应，将光线通信网中的链路与图论中的边相对应，获得光纤通信网地理分布拓扑图，在该拓扑图中，节点和链路在图论中对应的顶点和边在图中的坐标是唯一确定的；
[0054] S22对光纤通信网地理分布拓扑图的节点进行编号，确定每个节点的坐标，利用邻接矩阵对光缆的长度、节点度和节点连接的连通性进行建模，从而使生成的拓扑图为真实的光线通信网部署，即光纤通信网的图论模型。
[0055] S3确定抗毁性评估指标及抗毁性评估指标权重，具体按以下方法实现：
[0056] S31地震风险的计算，计算两节点最短路径与地震风险无关的概率Pai，具体按如下公式进行计算：
[0057]
[0058] 于公式(2)中，a和i为不相邻的节点，从a到i的通信，最短路径经过了m+1个节点，经过了m段链路，那么m为该两个节点进行通信时，经过最短路径的链路段数，P(k)为第k段链路的地震风险概率；
[0059] S32通信容量的选择，由于一次通信时的容量不会超过路径中任意一个节点的容量，所以以该路径中各个节点中的最小容量作为最短路径时的通信容量；
[0060] S33具体按如下公式进行节点通信效能Ea的计算：
[0061]
[0062] 于公式(3)中，a为当前需要计算的节点，M为光纤通信网节点数‑1，eai为a节点到i节点之间的最短路径上的最大通信带宽容量，Pai表示节点a到节点i的与地震风险无关的概率；
[0063] S34由于在通信过程中，用到各个节点的频率不同，则各个节点在遭遇破坏时，对真个光纤通信网造成的通信障碍程度不同，因此需要对各个节点计算加权平均，按如下公式计算节点介数：
[0064]
[0065] 于公式(4)中，Njk(i)为任意两节点j和k之间最短路径经过节点i的条数，Njk为j和k之间的所有最短路径的条数。
[0066] S4计算出上述数值后，按如下公式进行抗毁性程度毁性程度计算：
[0067]
[0068] 于公式(8)中，Ei由公式(3)求得，其为节点a的通信效能，Bi由公式(4)求得，其为节点a的介数。
[0069] 其次对保护机制下光纤通信网的抗毁性进行评价，其包括以下步骤：
[0070] S1用平面图形表示真实地理位置分布的光纤通信网，具体通过以下方法实现：
[0071] S11用无向图G的每个顶点表示光纤通信网的节点，以顶点u、v为端点的边φG(e)＝(uv)表示光缆的链路，以邻接矩阵表示光纤通信网；
[0072] S12用邻接矩阵A＝(aij)n×n来表示网络中各节点连接情况，其中n代表网络节点总数，若节点i和节点j直接连接，且其路径长度为num，则aij＝aji＝num，否则aij＝aji＝∞，令所有的aii等于0，图G使得光纤通信网更直观，而矩阵更方便后期计算；
[0073] S13由于节点容量数值较大可能会带来影响，因此需对邻接矩阵进行归一化处理，从而最终获得光线通信网的平面图形，具体按照如下公式进行归一化处理：
[0074]
[0075] 于公式(1)中xi表示第i个节点容量的归一化值，xmax表示网络拓扑中节点容量最大值，xmin表示网络拓扑中节点容量最小值。
[0076] S2在建模前，需要将真实的光纤通信网嵌入到平面图形中，具体按如下方法实现：
[0077] S21将光线通信网平面图形的节点和图论中的顶点相对应，将光线通信网中的链路与图论中的边相对应，获得光纤通信网地理分布拓扑图，在该拓扑图中，节点和链路在图论中对应的顶点和边在图中的坐标是唯一确定的；
[0078] S22对光纤通信网地理分布拓扑图的节点进行编号，确定每个节点的坐标，利用邻接矩阵对光缆的长度、节点度和节点连接的连通性进行建模，从而使生成的拓扑图为真实的光线通信网部署，即光纤通信网的图论模型。
[0079] S3确定抗毁性评估指标及抗毁性评估指标权重，具体按以下方法实现：
[0080] S31计算两节点最短路径与地震风险无关的概率Pai，具体按如下公式进行计算：
[0081]
[0082] 于公式(5)中，a和i为两个节点，m为该两个节点进行通信时，经过最短路径的链路段数，P(k)为第k段链路的地震风险概率；
[0083] S32当节点的当前通信路径遭遇破坏时，会自动触发节点寻找另一条路径进行通信，因此需计算出遭遇地震风险后，修正后节点a的通信效能Ea1：
[0084]
[0085] 于公式(6)中，M1为通信网络的节点数，eai1为a节点到i节点之间最短路径的最大通信容量，Pai1由公式(5)求得，其为a节点到i节点之间最短路径的与地震风险无关的概率，eai2为在遭遇地震风险后，a节点到i节点之间最短路径的最大通信容量，Pai2由公式(5)求得，其为在遭遇地震风险后，a节点到i节点之间最短路径的与地震风险无关的概率；
[0086] S33计算修正后的节点介数Ba：
[0087] Ba＝Pa×Ba1+(1‑Pa)×Ba2 (7)，
[0088] 于公式(7)中，Ba1为节点a的最短路径的节点介数，Ba2为节点a在遭遇地震后最短路径的节点介数，Ba1、Ba2分别由公式(4)求得，Pa为节点a所在地与地震风险无关的概率，由公式(5)求得；
[0089] S4计算出上述数值后，按如下公式进行抗毁性程度毁性程度计算：
[0090]
[0091] 于公式(8)中，Ei由公式(6)求得，其为修正后节点a的通信效能，Bi由公式(7)求得，其为修正后节点a的介数。
