本文關(guān)鍵詞：提高計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性的方法研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

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提高計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性的方法研究

發(fā)布日期： 2014-11-04 發(fā)布：  

  2014年28期目錄       本期共收錄文章20篇

　　摘要：針對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)可靠性不斷受到挑戰(zhàn)的問(wèn)題，該文對(duì)提高網(wǎng)絡(luò)可靠性的方法進(jìn)行了研究。首先描述了網(wǎng)絡(luò)理論、網(wǎng)絡(luò)可靠性，對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響因素進(jìn)行了分析；其次對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性進(jìn)行了優(yōu)化，論述了網(wǎng)絡(luò)可靠性優(yōu)化的原則和網(wǎng)絡(luò)可靠性優(yōu)化的算法；最后對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性技術(shù)進(jìn)行了分析，描述了網(wǎng)絡(luò)可靠性的BFD和OAM兩種方法。該文對(duì)于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員和科研人員都具有一定的積極作用。
中國(guó)論文網(wǎng)
　　關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)；可靠性；協(xié)議
　　中圖分類(lèi)號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2014）28-6611-03
　　隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的不斷提高，依賴互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)越來(lái)越多，其功能日益增強(qiáng)，使得網(wǎng)絡(luò)的可靠性成為一切業(yè)務(wù)正常開(kāi)展的基礎(chǔ)。隨著互聯(lián)網(wǎng)覆蓋的區(qū)域范圍越來(lái)越大，工作、學(xué)習(xí)、生活等各方面都有著網(wǎng)絡(luò)的影子，一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障或大面積的癱煥，那么將會(huì)對(duì)該地區(qū)的經(jīng)濟(jì)、文化、環(huán)境、政治等造成巨大的影響。因此，提高計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可絡(luò)可靠性是十分必要的。
　　1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性
　　1.1 網(wǎng)絡(luò)理論
　　現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪械囊徊糠郑珜?duì)于網(wǎng)絡(luò)的定義，到目前為止卻沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一說(shuō)法。結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)定義總結(jié)為：分布在不同區(qū)域的獨(dú)立計(jì)算機(jī)通過(guò)各種通信線路、交互設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)協(xié)議能夠進(jìn)行通信的系統(tǒng)。
　　計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主要有三部分組成，一是網(wǎng)絡(luò)軟件，主要由計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理軟件、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及應(yīng)用軟件等組成；二是傳輸或交換設(shè)備，主要由通信線路、路由器、交換機(jī)及集線器等組成；三是用戶設(shè)備，主要由服務(wù)器和客戶端組成。
　　1.2 網(wǎng)絡(luò)可靠性
　　網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展的過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)的可靠性方面研究一直伴隨著技術(shù)的革新不斷成長(zhǎng)，已經(jīng)由單一的技術(shù)變成了一門(mén)系統(tǒng)性的科學(xué)課程。根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究分析，將網(wǎng)絡(luò)的可靠性的度量從四個(gè)方面進(jìn)行分析，分別是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的生存性、連通性、有效性和抗破壞性。
　　網(wǎng)絡(luò)可靠性的定義是指在規(guī)定的時(shí)間（N個(gè)小時(shí)、一個(gè)月、一季度等）內(nèi)，在特定的工作環(huán)境（溫度、濕度、操作方式、輻射、負(fù)載等）下，網(wǎng)絡(luò)能夠滿足業(yè)務(wù)正常工作的通信要求。
　　1.3 網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響因素
　　網(wǎng)絡(luò)的可靠性影響的因素比較多，概括起來(lái)主要有以下幾種：
　　1） 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的影響
　　網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要有用戶設(shè)備和傳輸交換設(shè)備。其中用戶設(shè)備是網(wǎng)絡(luò)的終端，要保障網(wǎng)絡(luò)的可靠性，最重要的就是保障用戶設(shè)備的可靠性，如果用戶設(shè)備出現(xiàn)故障，那么網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用就無(wú)從談起。用戶設(shè)備的性能越強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)可靠性就會(huì)越高。例如，服務(wù)器端有兩臺(tái)服務(wù)器，一臺(tái)作為主服務(wù)器，另一臺(tái)作為備用服務(wù)器，當(dāng)主服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，備用服務(wù)器立刻投入使用，雖然所花費(fèi)的成本會(huì)高一點(diǎn)，但是網(wǎng)絡(luò)的可靠性卻得到了充分的保障；傳輸交換設(shè)備關(guān)系到網(wǎng)絡(luò)之間的連通性，在傳輸系統(tǒng)里，布線工作是一個(gè)巨大而艱難的工程，當(dāng)線路出現(xiàn)問(wèn)題，在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境里，很難發(fā)現(xiàn)哪一條線路出現(xiàn)的問(wèn)題，需要花費(fèi)較大的代價(jià)。另外網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備將不同區(qū)域的計(jì)算機(jī)有機(jī)地聯(lián)系在一起，當(dāng)交換設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，網(wǎng)絡(luò)之間的通信將中斷。其中集線器主要用于連接用戶設(shè)備，交換機(jī)用于連接區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，路由器用于廣域網(wǎng)與局域網(wǎng)之間的連接。每個(gè)交換設(shè)備都有其自身的作用，當(dāng)選擇的設(shè)備性價(jià)比越高，其網(wǎng)絡(luò)的可靠性也越高。
　　2） 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響
　　在對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是不得不考慮的重要問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是影響網(wǎng)絡(luò)可靠性的重要因素之一。在不同的工作環(huán)境、應(yīng)用領(lǐng)域、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模下其網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也是不同的。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是網(wǎng)絡(luò)各個(gè)設(shè)備之間的連接方式，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有：總線型、環(huán)型、星型和網(wǎng)狀型。其中網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但可靠性相對(duì)較強(qiáng)，當(dāng)某一設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，并不會(huì)影響其他設(shè)備的正常工作。在大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，一般采用網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。
　　3） 網(wǎng)絡(luò)管理的影響
　　當(dāng)前，一個(gè)區(qū)域很難由一家網(wǎng)絡(luò)設(shè)備企業(yè)提供所有的產(chǎn)品，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模越大，所使用的品牌和設(shè)備種類(lèi)就越多，為了保障網(wǎng)絡(luò)的可靠性，減少誤碼率和故障發(fā)生率，在設(shè)備無(wú)法進(jìn)行統(tǒng)一的情況下，就需要運(yùn)用科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)管理手段來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)維護(hù)。在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理中，需要從兩方面入手，一是選擇合適的、科學(xué)的網(wǎng)絡(luò)管理軟件，看是否滿足該區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的基本功能需求；二是針對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)用戶及其相關(guān)人員制定相應(yīng)的管理?xiàng)l例和制度，加強(qiáng)對(duì)技術(shù)人員的培訓(xùn)，使之養(yǎng)成良好的網(wǎng)絡(luò)操作習(xí)慣。
　　2 網(wǎng)絡(luò)可靠性的優(yōu)化
　　2.1 網(wǎng)絡(luò)可靠性優(yōu)化的原則
　　為了提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性進(jìn)行優(yōu)化處理。在長(zhǎng)期的網(wǎng)絡(luò)可靠性管理中，科研人員和網(wǎng)絡(luò)管理人員積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，為我們進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)可靠性優(yōu)化提供了很好的借鑒。其優(yōu)化的原則是：
　　1） 遵循國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)
　　網(wǎng)絡(luò)是開(kāi)放的系統(tǒng)，但系統(tǒng)并不是隨心所欲，由某個(gè)企業(yè)自己隨意定制規(guī)則，而是在開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的大框架下，進(jìn)行功能的擴(kuò)展及升級(jí)。
　　2） 保持先進(jìn)性
　　對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性進(jìn)行優(yōu)化，要著眼于未來(lái)，采用落伍的技術(shù)不僅不能使網(wǎng)絡(luò)的可靠性得到提高，相反還增加了更多的漏洞，給不法分子提供可趁之機(jī)。
　　3） 有較強(qiáng)的冗余能力
　　網(wǎng)絡(luò)的冗余一方面代表著需要投入更多的資金和人力，另一方面也是對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性的有力保障，以便于系統(tǒng)在發(fā)生故障時(shí)，后備的資源能夠第一時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)充，保障整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的平穩(wěn)運(yùn)行。
　　4） 較強(qiáng)的互通能力
　　網(wǎng)絡(luò)終端之間進(jìn)行通信，要盡可能地提高主干網(wǎng)絡(luò)的帶寬，提高設(shè)備之間的響應(yīng)速度，另外還需要盡可能地支持更多地網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
　　5） 可管理性強(qiáng)
　　在設(shè)備的管理方面，應(yīng)選擇具有管理性能強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)管理軟件和設(shè)備。
　　6） 資源利用合理 　　網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)投入的資金總是有限的，充分利用當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)資源，選擇合理的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)布線、網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件等。
　　2.2 網(wǎng)絡(luò)可靠性的設(shè)計(jì)
　　要提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，其中非常重要的一點(diǎn)就是提高網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)性。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中的某一點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，有其他的設(shè)備迅速補(bǔ)充，保障該故障點(diǎn)無(wú)縫工作。在網(wǎng)絡(luò)可靠性的設(shè)計(jì)過(guò)程中，一方面利用新的技術(shù)和設(shè)備，另一方面還要考慮現(xiàn)有設(shè)備的利用，使設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)可靠性提高的同時(shí)，具有較強(qiáng)的兼容性。
　　網(wǎng)絡(luò)可靠性的設(shè)計(jì)，采用多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的思想，應(yīng)用最廣泛的是三層結(jié)構(gòu)，分別是接入層、分布層和核心層。其設(shè)計(jì)如圖2所示。
　　接入層是網(wǎng)絡(luò)的起點(diǎn)，通過(guò)過(guò)濾的方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量和用戶的準(zhǔn)入進(jìn)行控制，在該層的主要功能是為網(wǎng)絡(luò)終端提供通信服務(wù)。
　　分布層位于網(wǎng)絡(luò)三層的中間，將接入層和核心層有效的分隔開(kāi)來(lái)，其主要功能是VLAN的聚合、確定聯(lián)網(wǎng)方式、接入工作組、網(wǎng)絡(luò)鏈路介質(zhì)的轉(zhuǎn)換和識(shí)別。
　　核心層是網(wǎng)絡(luò)的主干，其主要功能是連接交換區(qū)、最大能力地進(jìn)行數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)幀的交換及訪問(wèn)其他服務(wù)等。
　　隨著技術(shù)的進(jìn)步，社會(huì)上越來(lái)越多的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品出現(xiàn)，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)可靠性設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)需求目標(biāo)選擇合適的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。
　　2.3 網(wǎng)絡(luò)可靠性的算法優(yōu)化
　　自上個(gè)世紀(jì)遺傳算法被提出以來(lái)，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為當(dāng)前解決復(fù)雜問(wèn)題優(yōu)化的最有效方法。其求解過(guò)程采用“適者生存”的方式，對(duì)空間中的“染色體”不斷地進(jìn)行交叉、復(fù)制及變異等操作，使得不斷進(jìn)化，最終求得最優(yōu)解。
　　利用遺傳算法的流程對(duì)網(wǎng)絡(luò)可靠性進(jìn)行優(yōu)化分析，得出網(wǎng)絡(luò)鏈路成本與網(wǎng)絡(luò)可靠性曲線之間的關(guān)系。其過(guò)程如下所示：
　　1） 基因表達(dá)
　　利用二進(jìn)制編碼的方法，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的N個(gè)結(jié)點(diǎn)進(jìn)行表達(dá)。
　　2） 選擇適值函數(shù)
　　對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行成本值估算，最小值為1，最大值值為max，其適值函數(shù)為：
　　[f（x）=（x-1）/（max-1）] （1）
　　其中x為個(gè)體在群體排序后的位置，0≤x≤max。
　　3） 選擇、交叉運(yùn)算
　　對(duì)每個(gè)基因的選擇其概率采用公式2，選中的概率與適值成正比。
　　[Pk=fk/j=1maxfj] （2）
　　在[1，N]之間隨機(jī)選擇進(jìn)行交叉運(yùn)算，需要注意的是，每次只能對(duì)某一結(jié)點(diǎn)進(jìn)行操作。
　　4） 調(diào)整
　　當(dāng)經(jīng)過(guò)運(yùn)算后的結(jié)點(diǎn)無(wú)法準(zhǔn)確地表達(dá)出原來(lái)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)其進(jìn)行調(diào)整，保證其網(wǎng)絡(luò)的連通。
　　5） 結(jié)束運(yùn)算
　　遺傳算法不可能永遠(yuǎn)不斷地運(yùn)算下去，其結(jié)束條件采用比較多的是設(shè)定最大的遺傳操作迭代數(shù)，其進(jìn)化的程度則由最大適應(yīng)值和平均適應(yīng)值來(lái)管理。
　　3 IP網(wǎng)絡(luò)可靠性技術(shù)
　　當(dāng)前，IP網(wǎng)絡(luò)成為互聯(lián)網(wǎng)的主流，IP網(wǎng)絡(luò)可靠性技術(shù)主要包含IP網(wǎng)絡(luò)保護(hù)倒換技術(shù)和IP網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)技術(shù)兩個(gè)方面。IP網(wǎng)絡(luò)保護(hù)倒換技術(shù)的基礎(chǔ)是鏈路冗余，其標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間為50ms，其代表為BFD技術(shù)；IP網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)技術(shù)是以O(shè)SI網(wǎng)絡(luò)參考模型為基礎(chǔ)，在OSI模型的每一層面上都有故障檢測(cè)機(jī)制，其主要模式有異步模式、回聲模式和查詢模式三種。
　　3.1 BFD技術(shù)
　　BFD類(lèi)似于簡(jiǎn)單的“hello”協(xié)議，每對(duì)終端在他們通道上周期性地發(fā)送BFD包，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)假如沒(méi)有收到相應(yīng)的BFD包，那么就認(rèn)為該網(wǎng)絡(luò)線路上出現(xiàn)了故障，此時(shí)，就需要對(duì)線路進(jìn)行檢查。有時(shí)在網(wǎng)絡(luò)比較暢通的情況下，為了減少不必要的負(fù)載，終端之間進(jìn)行協(xié)商，可以停止BFD包的發(fā)送。BFD包的格式如圖3所示。
　　需要注意的是，BFD采用的異步模式發(fā)送BFD包，系統(tǒng)周期性地發(fā)送BFD包，當(dāng)?shù)谝粋�(gè)包丟失時(shí)，系統(tǒng)并不會(huì)第一時(shí)間察覺(jué)，只有連續(xù)的丟失BFD包時(shí)，，系統(tǒng)才會(huì)發(fā)現(xiàn)線路出現(xiàn)了故障。
　　3.2 OAM
　　OAM（Operation、Administration、Maintenance）是根據(jù)運(yùn)營(yíng)商的實(shí)際需要而對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理工作的劃分。OAM機(jī)制是每個(gè)運(yùn)營(yíng)商都必須要做到的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
　　以太網(wǎng)的故障管理的功能主要有：環(huán)回檢測(cè)功能、連續(xù)檢測(cè)功能、告警指示功能和鏈路跟蹤功能等。
　　環(huán)回檢測(cè)功能主要是檢測(cè)遠(yuǎn)程設(shè)備與本設(shè)備之間的連接狀態(tài)，通過(guò)發(fā)送一個(gè)請(qǐng)求消息和應(yīng)答消息的模式來(lái)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。
　　連續(xù)檢測(cè)功能主要是檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)終端之間數(shù)據(jù)流是否正常，這是OAM的基本功能。以定時(shí)發(fā)送Hello進(jìn)行驗(yàn)證，假如在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到遠(yuǎn)程設(shè)備的消息，則認(rèn)為設(shè)備之間的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)出現(xiàn)了問(wèn)題。
　　告警功能主要是發(fā)現(xiàn)服務(wù)層的故障后，將故障通告給客戶層。其故障的傳播是由下向上，中間向兩邊擴(kuò)散。
　　鏈路跟蹤功能主要是進(jìn)行故障定位和檢測(cè)鄰接關(guān)系。
　　4 小結(jié)
　　本文對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可靠性進(jìn)行了分析，由于本文的篇幅所限和網(wǎng)絡(luò)可靠性工程的浩大，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)故障具體原因并沒(méi)有給出明確的解釋，希望對(duì)此感興趣的讀者，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步的研究。
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