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(jié)構(gòu)、行為和管理或過程控制而形成的。一些學(xué)者從應(yīng)用角度出發(fā)，提出針對特定網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)可靠性指標體系。如針對軍事通信網(wǎng)絡(luò)，以抗毀性、生存性來衡量網(wǎng)絡(luò)的可靠性；針對民用通信網(wǎng)絡(luò)，則以網(wǎng)絡(luò)的完成性來衡量網(wǎng)絡(luò)的可靠性；針對電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，則以生存性、抗毀性來衡量。因此網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性需考慮以下幾個方面：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)的故障一般可分拓撲結(jié)構(gòu)故障和性能故障。拓撲結(jié)構(gòu)故障即為鏈路或節(jié)點失效所導(dǎo)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(wǎng)絡(luò)無法提供正常的通信服務(wù)的問題集合。對于拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)存在2m種狀態(tài)，m為鏈路與節(jié)點總數(shù)；對于網(wǎng)絡(luò)性能，網(wǎng)絡(luò)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(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(shè)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障定義時，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、利用重正化理論開展網(wǎng)絡(luò)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(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)點被破壞，網(wǎng)絡(luò)能否保持工作的問題，也就是網(wǎng)絡(luò)的彈性問題。例如：金屬和絕緣體構(gòu)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(dǎo)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。縱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(dǎo)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(dǎo)電，重正化后的格子中將沒有金屬。假設(shè)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(shè)對應(yīng)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(yīng)用信息熵理論開展網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性分析

當前的網(wǎng)絡(luò)研究已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)對于網(wǎng)絡(luò)上的傳播、逾滲、級聯(lián)動力學(xué)、交通流與信息流、混沌同步與控制、Ising模型、XY臨界模型、量子擴散與量子響應(yīng)、布爾動力學(xué)等都有非常顯著的影響。反過來，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，當前受到特別關(guān)注的一個研究方向是復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)上的信息流動力學(xué)研究。有研究發(fā)現(xiàn)：www網(wǎng)復(fù)雜，具有長程時間相關(guān)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(fù)雜系統(tǒng)的信息流動力學(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)可靠性分析為例進行簡單的介紹：假設(shè)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(zhì)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(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(wǎng)的最大路徑熵與其拓撲結(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(wǎng)絡(luò)共159個管段，104個節(jié)點。供水量為11948t／h。采用EPANET2.0對該網(wǎng)絡(luò)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(jié)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(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的流動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。