網絡系統(tǒng)可靠性的網絡技術論文

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一、網絡系統(tǒng)可靠性指標體系

根據(jù)可靠性的定義：在規(guī)定的時間和規(guī)定的條件下，系統(tǒng)完成規(guī)定功能的能力。它是一種能力體現(xiàn)，而這種體現(xiàn)是基于系統(tǒng)本身的結構、行為和管理或過程控制而形成的。一些學者從應用角度出發(fā)，提出針對特定網絡系統(tǒng)的網絡可靠性指標體系。如針對軍事通信網絡，以抗毀性、生存性來衡量網絡的可靠性；針對民用通信網絡，則以網絡的完成性來衡量網絡的可靠性；針對電力網絡系統(tǒng)，則以生存性、抗毀性來衡量。因此網絡系統(tǒng)可靠性需考慮以下幾個方面：①網絡系統(tǒng)的行為描述；②網絡系統(tǒng)的交互；③網絡系統(tǒng)的功能結構；④網絡系統(tǒng)的故障傳播。

二、網絡系統(tǒng)故障定義

網絡系統(tǒng)的故障一般可分拓撲結構故障和性能故障。拓撲結構故障即為鏈路或節(jié)點失效所導致的兩節(jié)點之間不存在路由；性能故障則從用戶角度出發(fā)，網絡無法提供正常的通信服務的問題集合。對于拓撲結構，網絡存在2m種狀態(tài)，m為鏈路與節(jié)點總數(shù)；對于網絡性能，網絡不同時刻，其性能狀態(tài)不一樣。不同的使用環(huán)境(民用、軍用、數(shù)據(jù)實時性要求、數(shù)據(jù)可靠性要求等)，對網絡所能忍受的閾值不一樣。如圖1所示網絡系統(tǒng)，其中S1和S2為客戶端，T為服務器端，P1一P4為交換、路由設備。鏈路編號分別為1～8當客戶端S1與終端T進行數(shù)據(jù)傳輸時，假設1—3-7為優(yōu)先路由。當鏈路3上的數(shù)據(jù)量超出鏈路負載時，則會自動選擇鏈路5進行數(shù)據(jù)傳輸，而此時的鏈路3繼續(xù)工作，只是它是滿負載工作。因此，在定義網絡系統(tǒng)故障定義時，不僅需要考慮網絡的功能、結構，也需要考慮系統(tǒng)所承載的關系流。

三、網絡系統(tǒng)可靠性分析

1、利用重正化理論開展網絡系統(tǒng)可靠性分析

重正化理論是諾貝爾獎獲得者KGWilson于1974年提出的。該理論可應用于復雜網絡的可靠性分析，分析網絡中某些節(jié)點被破壞，網絡能否保持工作的問題，也就是網絡的彈性問題。例如：金屬和絕緣體構成的薄膜中，由許多細小的格子組成，金屬可在不同程度上占有格子，隨著金屬在薄膜中所占格子的比率P的逐漸增大，到某一臨界值Pc時，薄膜將成為導體最低一行表示薄膜中的4個格子，圓圈表示被金屬占有，第二行的箭頭表示重正化，最上一行表示重正化為一個格子。如果在4個格子中?？v橫方向均被金屬占有，如最低一行左端的兩個，則這4個格子縱橫均導電，故重正化后的格子中也有金屬點，如果被占格子只有2個或少于2個，則縱橫方向不能同時導電，重正化后的格子中將沒有金屬。假設重正化前，金屬占有一個格子的概率為P，重正化后金屬占有一個格子的概率為P1，則4個格子同時被金屬占有（圖2中最左邊的4個格子)的概率為p4，金屬占有3個格子將有4種情況：概率之和為4p3(1-p)。4個格子或3個格子被占，超格子也被占。故有p1=p4+4p3(1-P)。因此，設對應于臨界情況的P記為Pe，則Pe=Pe4+4Pe3（1-Pe）計算出Pe=0.768，這與實驗值Pe=0.752較吻合。

2、應用信息熵理論開展網絡系統(tǒng)可靠性分析

當前的網絡研究已經發(fā)現(xiàn)，網絡拓撲結構對于網絡上的傳播、逾滲、級聯(lián)動力學、交通流與信息流、混沌同步與控制、Ising模型、XY臨界模型、量子擴散與量子響應、布爾動力學等都有非常顯著的影響。反過來，這些模型也可以為復雜系統(tǒng)的可靠性分析工作，提供技術參考。因此，當前受到特別關注的一個研究方向是復雜網絡上的信息流動力學研究。有研究發(fā)現(xiàn)：www網復雜，具有長程時間相關性，發(fā)生信息擁塞的原因可能是因為信息包在某些節(jié)點度很大的中樞節(jié)點上等待過多的時間。為更好地理解復雜系統(tǒng)的信息流動力學在網絡的可靠性分析上的應用，這里以某城市的水管網絡系統(tǒng)可靠性分析為例進行簡單的介紹：假設度量水流對路徑選擇不確定性程度的信息熵稱為路徑熵，通常水流總是選擇流通阻力最小的路徑，因此，水流對路徑選擇的不確定性，本質上是由于各條路徑的流動阻力不同，所以，路徑熵反映了給水管網中各流通路徑的水力性能。根據(jù)最大熵原理，導出最大路徑熵計算模型為：節(jié)點j的最大熵為Sj=InNpj，Npj為水源至節(jié)點j的總路徑數(shù)。給水管網的最大路徑熵與其拓撲結構密切相關最大熵代表系統(tǒng)潛在的最大可靠性。實際路徑熵與最大路徑熵的比值稱為相對路徑熵,計算公式為Ej=Sj/Sjmax(0≤Ej≤1)E為節(jié)點的相對路徑熵Sj為節(jié)點j的實際路徑熵；Sjmax為該點的最大路徑熵。當節(jié)點只有一條路徑時，其相對路徑熵為0。該小區(qū)給水管網絡共159個管段，104個節(jié)點。供水量為11948t／h。采用EPANET2.0對該網絡進行水力模擬，計算節(jié)點及系統(tǒng)相對路徑熵值并繪制節(jié)點等相對熵線，系統(tǒng)的相對熵值計算結果為0.686726。改進后，系統(tǒng)相對熵值為0.721666，系統(tǒng)性能得到改善。由此可知，給水管網絡系統(tǒng)中的流動不確定性與可靠性密切相關，信息熵作為量度不確定性的手段，可間接定量地反映系統(tǒng)的可靠性。