計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

葉 霏

湖北工業(yè)大學(xué)商貿(mào)學(xué)院，湖北武漢 430000

0 引言

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)工作的重要基礎(chǔ)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，網(wǎng)絡(luò)對(duì)人們的影響越來(lái)越重要。如在校園網(wǎng)絡(luò)中，校園網(wǎng)絡(luò)集成了管理服務(wù)、學(xué)校教學(xué)等各種應(yīng)用系統(tǒng)和任務(wù)，它已成了科研信息化、管理網(wǎng)絡(luò)化、教學(xué)現(xiàn)代化的重要平臺(tái)和學(xué)校信息化建設(shè)的重要基礎(chǔ)設(shè)施之一。在現(xiàn)代化的工廠中，管理者通過(guò)建立局域網(wǎng)和能夠部分連接廣域網(wǎng)特定網(wǎng)絡(luò)，把共有資源實(shí)現(xiàn)了共享，方便了科學(xué)管理和員工學(xué)習(xí)。但隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的增多和遠(yuǎn)程開(kāi)放程度的增加，網(wǎng)絡(luò)不得不支持越來(lái)越多的服務(wù)系統(tǒng)，因此，許多計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)表現(xiàn)的越來(lái)越不堪重負(fù)。要想使網(wǎng)絡(luò)能夠承擔(dān)不斷增加的重任和提高其利用率，就不得不對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)施優(yōu)化。

計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是指通過(guò)分析、計(jì)算、測(cè)試等方式找出現(xiàn)行計(jì)算機(jī)中存在的影響其網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量的問(wèn)題，然后通過(guò)采取相應(yīng)的科學(xué)技術(shù)手段進(jìn)行修補(bǔ)或改善，從而優(yōu)化計(jì)算機(jī)的上網(wǎng)速度，使網(wǎng)絡(luò)達(dá)到更佳的運(yùn)行狀態(tài)，使網(wǎng)絡(luò)資源得到充分利用。早期的一些算法考慮拓?fù)鋬?yōu)化、流量分配較多，且多為試探算法，不能獲得最優(yōu)解，已經(jīng)不能滿足當(dāng)前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的需求。

1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的原則

在對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)先采用突現(xiàn)主要因素、縮小次要因素的原則簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，將復(fù)雜計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化成幾個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的模塊進(jìn)行優(yōu)化，最終達(dá)到優(yōu)化的目的。對(duì)于簡(jiǎn)單的模塊，采用單變量?jī)?yōu)化法，即保持約束條件不變，讓其他因素的影響控制在一定范圍沒(méi)，只對(duì)一個(gè)變量進(jìn)行調(diào)整，以獲得針對(duì)該變量的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)結(jié)果。當(dāng)然，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的具體目的和實(shí)施要求不同，優(yōu)化采取的具體方法和原則也不盡相同。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化可以采用6組元法來(lái)確定，6組元分別為網(wǎng)絡(luò)的總費(fèi)用（D）、網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（L）、網(wǎng)絡(luò)中各條鏈路的容量（c）、網(wǎng)絡(luò)中各條鏈路上的報(bào)文流量（λ）、全網(wǎng)絡(luò)的吞吐率（γ）、網(wǎng)絡(luò)的平均時(shí)延（T）。采用該種方法確定計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中6組元之間的影響關(guān)系時(shí)，首先將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的整個(gè)任務(wù)分成若干子模塊，在這些模塊中逐一改變變量，進(jìn)行單一變量?jī)?yōu)化，最后將逐一優(yōu)化出來(lái)的結(jié)果組合，折衷取舍以獲得整個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化結(jié)果。

在這些因素當(dāng)中，它們隨著時(shí)代變化和科技技術(shù)進(jìn)步而出現(xiàn)不斷變化的位置關(guān)系。如近些年來(lái)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的硬件基礎(chǔ)設(shè)備價(jià)格越來(lái)越低，而功能卻越來(lái)越強(qiáng)大，高速通信信道也已連通了主要的信息集散點(diǎn)，大大降低了網(wǎng)絡(luò)成本費(fèi)用。那么，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)流量分配、信道容量分配及拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化已不再是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。相反的，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)鏈路容量、通信信道建設(shè)和維護(hù)成了人們關(guān)注的重點(diǎn)，怎樣才能減少資源耗費(fèi)和網(wǎng)絡(luò)成本費(fèi)用，怎樣能夠使全網(wǎng)內(nèi)所有的信道都能獲得較均勻的負(fù)荷且使平均延時(shí)變的更小，成為了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)優(yōu)化的關(guān)鍵問(wèn)題。

2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)優(yōu)化舉例

隨著世界計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和通信網(wǎng)絡(luò)的飛速進(jìn)步，人們把更多的目光投向了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)鏈路容量的優(yōu)化設(shè)計(jì)。研究人員以6元組法為基礎(chǔ)，提出了一種適用于分布式和集中式計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的鏈路容量?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)方法，在本優(yōu)化方法中，人們可以通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)鏈路容量的優(yōu)化函數(shù)求得整體最優(yōu)解，解決計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)鏈路容量設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。其設(shè)計(jì)示例如下：

首先要選定一個(gè)等待優(yōu)化的計(jì)算機(jī)局域或數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以是為社會(huì)提供服務(wù)的公共承載型的公用數(shù)據(jù)網(wǎng)，也可以是一個(gè)單位的公用局域或基于網(wǎng)上的一個(gè)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)網(wǎng)，如企業(yè)、政府機(jī)構(gòu)或?qū)W校。前者的吞吐率γ為這個(gè)公用數(shù)據(jù)網(wǎng)上所有用戶(hù)使用的報(bào)文流量總和，后者的吞吐量γ則是這個(gè)企業(yè)、政府機(jī)構(gòu)或該單位內(nèi)全體用戶(hù)在使用這個(gè)信息系統(tǒng)過(guò)程中產(chǎn)生的報(bào)文流量總和。采用忽略次要因素的原則，把所有報(bào)文源產(chǎn)生的報(bào)文流都是Poisson流，那么相應(yīng)的全網(wǎng)各鏈路上Poisson報(bào)文流也肯定都是Poisson流。在處理各報(bào)文源產(chǎn)生的報(bào)文流時(shí)，我們根據(jù)實(shí)際情況認(rèn)為報(bào)文流都是按負(fù)指數(shù)分布的，其平均長(zhǎng)度為1/μ。由此認(rèn)為，各鏈路服務(wù)時(shí)間的分布也呈現(xiàn)除了負(fù)指數(shù)分布。另外，全網(wǎng)所有的鏈路都是M/M/1模型系統(tǒng)排隊(duì)。采用某種確定的路由算法，則各鏈的報(bào)文流量（即報(bào)文到達(dá)率）λi（i=1，2，…，N）是確定的。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)最初設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)確定，全網(wǎng)的平均時(shí)延為常用值T。Ci為i鏈的容量，Ki為i鏈的費(fèi)率，則全網(wǎng)的鏈路總費(fèi)用為，在全網(wǎng)平均時(shí)延不超過(guò)T的約束下，求使D最小的鏈路容量Ci，i=1，2，…，N。那么此時(shí)，呈現(xiàn)在我們面前的就是一個(gè)非線性規(guī)劃的問(wèn)題:

第二個(gè)約束條件在第一個(gè)約束條件中自動(dòng)滿足，所以上述非線性規(guī)劃可寫(xiě)成：

從公式中，我們可以容易得出g（c）是凹函數(shù)，D（c）是凸函數(shù)。當(dāng)函數(shù)D（c）取極值時(shí)滿足庫(kù)恩-圖克（Kuhn-Tucker）條件，且為必要充分條件。當(dāng)函數(shù)滿足庫(kù)恩-圖克條件時(shí)，點(diǎn)C*，C*是本問(wèn)題的K-T點(diǎn)，則C*是極值點(diǎn)。

因?yàn)镈（c）和g（c）在其定義域內(nèi)是連續(xù)可微的，C*在D（c)和g（c）的定義域內(nèi)，故D（c）和g（c）在C*處連續(xù)且可以微分。通過(guò)g（c）是凹函數(shù)，D（c）是凸函數(shù)可知，在本非線性函數(shù)中的可行點(diǎn)C*滿足庫(kù)恩-圖克條件，所以，C*是上述非線性規(guī)劃的整體最優(yōu)解。

可見(jiàn)，在本模型設(shè)計(jì)中，只要求出帶約束條件的（3）式和（4）式，就能確定非線性規(guī)劃的庫(kù)恩-圖克點(diǎn)C*，即這個(gè)非線性規(guī)劃設(shè)計(jì)的整體最優(yōu)解C*。

本設(shè)計(jì)算法通過(guò)求得問(wèn)題的整體最優(yōu)解而解決了目前許多計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中容易存在的基礎(chǔ)問(wèn)題，即計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)鏈路容量的優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用該種優(yōu)化設(shè)計(jì)模型很巧妙的解決了問(wèn)題，同時(shí)滿足了新形勢(shì)下網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)需要，摒除了以前網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)計(jì)算方法中只能求出近似最優(yōu)解和以網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費(fèi)用等為關(guān)鍵條件的不合理。

3 結(jié)論

隨著時(shí)代的發(fā)展，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)人們?cè)谟绊懺诓粩嗉訌?qiáng)，而其優(yōu)化設(shè)計(jì)也不得不隨時(shí)代發(fā)展。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化是一個(gè)需要付出很多努力而很難得到最佳結(jié)果的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，人們發(fā)展了突出主要因素，忽略次要因素的優(yōu)化方法，把計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)問(wèn)題簡(jiǎn)化為多種規(guī)劃問(wèn)題。

隨著世界社會(huì)信息化不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)的不斷增加，會(huì)有越來(lái)越多人們參與到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使用和優(yōu)化過(guò)程中，人們會(huì)找出更多更好的優(yōu)化方法解決問(wèn)題。相信，那時(shí)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)能夠滿足人們對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的更高要求，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也能發(fā)揮其更加重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。

[1]李熙.基于智能計(jì)算的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性分析研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2006.

[2]張紅宇.嘉興學(xué)院學(xué)報(bào)[J].計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化探討，2006.