網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)論文

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一、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性指標(biāo)體系

根據(jù)可靠性的定義：在規(guī)定的時(shí)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(jié)構(gòu)、行為和管理或過(guò)程控制而形成的。一些學(xué)者從應(yīng)用角度出發(fā)，提出針對(duì)特定網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)可靠性指標(biāo)體系。如針對(duì)軍事通信網(wǎng)絡(luò)，以抗毀性、生存性來(lái)衡量網(wǎng)絡(luò)的可靠性；針對(duì)民用通信網(wǎng)絡(luò)，則以網(wǎng)絡(luò)的完成性來(lái)衡量網(wǎng)絡(luò)的可靠性；針對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，則以生存性、抗毀性來(lái)衡量。因此網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性需考慮以下幾個(gè)方面：①網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的行為描述；②網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的交互；③網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)；④網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的故障傳播。

二、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障定義

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的故障一般可分拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)故障和性能故障。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)故障即為鏈路或節(jié)點(diǎn)失效所導(dǎo)致的兩節(jié)點(diǎn)之間不存在路由；性能故障則從用戶角度出發(fā)，網(wǎng)絡(luò)無(wú)法提供正常的通信服務(wù)的問(wèn)題集合。對(duì)于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)存在2m種狀態(tài)，m為鏈路與節(jié)點(diǎn)總數(shù)；對(duì)于網(wǎng)絡(luò)性能，網(wǎng)絡(luò)不同時(shí)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(shí)時(shí)性要求、數(shù)據(jù)可靠性要求等)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)所能忍受的閾值不一樣。如圖1所示網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其中S1和S2為客戶端，T為服務(wù)器端，P1一P4為交換、路由設(shè)備。鏈路編號(hào)分別為1～8當(dāng)客戶端S1與終端T進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，假設(shè)1—3-7為優(yōu)先路由。當(dāng)鏈路3上的數(shù)據(jù)量超出鏈路負(fù)載時(shí)，則會(huì)自動(dòng)選擇鏈路5進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，而此時(shí)的鏈路3繼續(xù)工作，只是它是滿負(fù)載工作。因此，在定義網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障定義時(shí)，不僅需要考慮網(wǎng)絡(luò)的功能、結(jié)構(gòu)，也需要考慮系統(tǒng)所承載的關(guān)系流。

三、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性分析

1、利用重正化理論開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性分析

重正化理論是諾貝爾獎(jiǎng)獲得者KGWilson于1974年提出的。該理論可應(yīng)用于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的可靠性分析，分析網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點(diǎn)被破壞，網(wǎng)絡(luò)能否保持工作的問(wèn)題，也就是網(wǎng)絡(luò)的彈性問(wèn)題。例如：金屬和絕緣體構(gòu)成的薄膜中，由許多細(xì)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(shí)，薄膜將成為導(dǎo)體最低一行表示薄膜中的4個(gè)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(gè)格子。如果在4個(gè)格子中?？v橫方向均被金屬占有，如最低一行左端的兩個(gè)，則這4個(gè)格子縱橫均導(dǎo)電，故重正化后的格子中也有金屬點(diǎn)，如果被占格子只有2個(gè)或少于2個(gè)，則縱橫方向不能同時(shí)導(dǎo)電，重正化后的格子中將沒(méi)有金屬。假設(shè)重正化前，金屬占有一個(gè)格子的概率為P，重正化后金屬占有一個(gè)格子的概率為P1，則4個(gè)格子同時(shí)被金屬占有（圖2中最左邊的4個(gè)格子)的概率為p4，金屬占有3個(gè)格子將有4種情況：概率之和為4p3(1-p)。4個(gè)格子或3個(gè)格子被占，超格子也被占。故有p1=p4+4p3(1-P)。因此，設(shè)對(duì)應(yīng)于臨界情況的P記為Pe，則Pe=Pe4+4Pe3（1-Pe）計(jì)算出Pe=0.768，這與實(shí)驗(yàn)值Pe=0.752較吻合。

2、應(yīng)用信息熵理論開(kāi)展網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性分析

當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對(duì)于網(wǎng)絡(luò)上的傳播、逾滲、級(jí)聯(lián)動(dòng)力學(xué)、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(kuò)散與量子響應(yīng)、布爾動(dòng)力學(xué)等都有非常顯著的影響。反過(guò)來(lái)，這些模型也可以為復(fù)雜系統(tǒng)的可靠性分析工作，提供技術(shù)參考。因此，當(dāng)前受到特別關(guān)注的一個(gè)研究方向是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)上的信息流動(dòng)力學(xué)研究。有研究發(fā)現(xiàn)：www網(wǎng)復(fù)雜，具有長(zhǎng)程時(shí)間相關(guān)性，發(fā)生信息擁塞的原因可能是因?yàn)樾畔谀承┕?jié)點(diǎn)度很大的中樞節(jié)點(diǎn)上等待過(guò)多的時(shí)間。為更好地理解復(fù)雜系統(tǒng)的信息流動(dòng)力學(xué)在網(wǎng)絡(luò)的可靠性分析上的應(yīng)用，這里以某城市的水管網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性分析為例進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹：假設(shè)度量水流對(duì)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(duì)路徑選擇的不確定性，本質(zhì)上是由于各條路徑的流動(dòng)阻力不同，所以，路徑熵反映了給水管網(wǎng)中各流通路徑的水力性能。根據(jù)最大熵原理，導(dǎo)出最大路徑熵計(jì)算模型為：節(jié)點(diǎn)j的最大熵為Sj=InNpj，Npj為水源至節(jié)點(diǎn)j的總路徑數(shù)。給水管網(wǎng)的最大路徑熵與其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)密切相關(guān)最大熵代表系統(tǒng)潛在的最大可靠性。實(shí)際路徑熵與最大路徑熵的比值稱為相對(duì)路徑熵,計(jì)算公式為Ej=Sj/Sjmax(0≤Ej≤1)E為節(jié)點(diǎn)的相對(duì)路徑熵Sj為節(jié)點(diǎn)j的實(shí)際路徑熵；Sjmax為該點(diǎn)的最大路徑熵。當(dāng)節(jié)點(diǎn)只有一條路徑時(shí)，其相對(duì)路徑熵為0。該小區(qū)給水管網(wǎng)絡(luò)共159個(gè)管段，104個(gè)節(jié)點(diǎn)。供水量為11948t／h。采用EPANET2.0對(duì)該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行水力模擬，計(jì)算節(jié)點(diǎn)及系統(tǒng)相對(duì)路徑熵值并繪制節(jié)點(diǎn)等相對(duì)熵線，系統(tǒng)的相對(duì)熵值計(jì)算結(jié)果為0.686726。改進(jìn)后，系統(tǒng)相對(duì)熵值為0.721666，系統(tǒng)性能得到改善。由此可知，給水管網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的流動(dòng)不確定性與可靠性密切相關(guān)，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。