基于遺傳算法的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠度優(yōu)化計(jì)算

摘要：在提高計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)可靠度的基礎(chǔ)上，如何有效的降低網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)鏈路成本，成為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠度優(yōu)化計(jì)算中的重要目標(biāo)之一。為此，在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠度優(yōu)化計(jì)算時(shí)，將計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)鏈路介質(zhì)成本、網(wǎng)絡(luò)可靠度優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型等因素綜合在一起進(jìn)行考慮，文章闡述了遺傳算法及其執(zhí)行過(guò)程，并對(duì)遺傳算法用于網(wǎng)絡(luò)鏈路成本和網(wǎng)絡(luò)可靠度優(yōu)化的計(jì)算中，最后通過(guò)仿真結(jié)果表明，遺傳算法能夠有效的解決網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)算法難以解決的可靠度優(yōu)化計(jì)算問(wèn)題，加快了計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的速度，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算效果。

關(guān)鍵詞：遺傳算法；可靠度；計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)；優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TP311.52 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9599 （2012） 23-0000-04

隨著計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的日益發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)目煽啃砸笠苍絹?lái)越高，各行業(yè)對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的依賴性也相繼增強(qiáng)，如銀行業(yè)、醫(yī)療行業(yè)、網(wǎng)絡(luò)銷售行業(yè)等，相應(yīng)的安全性要求也越來(lái)越嚴(yán)格。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可用性是指計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)以一棵生成樹(shù)的方式，保證計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)各個(gè)用戶之間相互聯(lián)通的能力，其主要參數(shù)測(cè)度包括：網(wǎng)絡(luò)連通性、生存性、抗破壞性網(wǎng)絡(luò)元件的有效性等，如何有效的保證計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃猿蔀槿藗冴P(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。運(yùn)用傳統(tǒng)求解方法來(lái)解決這一復(fù)雜的NP難題，存在很多的缺陷，不能很好的解決這一問(wèn)題，基于這一研究的現(xiàn)象，論文提出了運(yùn)用遺傳算法，對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可靠度進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，并結(jié)合實(shí)例實(shí)現(xiàn)了算法的執(zhí)行過(guò)程。

1 研究相關(guān)概念的闡釋

1.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠度優(yōu)化。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信在一定的操作、負(fù)載、命令控制的情況下在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，在網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)換和傳遞，在可連通網(wǎng)絡(luò)和保持網(wǎng)絡(luò)通信的能力并完成相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸，稱作計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性。它要求數(shù)據(jù)的傳遞具有完整性，整個(gè)結(jié)構(gòu)具有完整的科學(xué)體系，并具備系統(tǒng)工程科學(xué)的特征。一般情況下，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠度可分為以下幾種類型：

（1）ɑ終端可靠度：就是信息的制定匯點(diǎn)s與源點(diǎn)t之間的數(shù)據(jù)通信信道，至少存在一條正常的數(shù)據(jù)通信鏈路，能夠進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸；

（2）γ終端可靠度：在通信系統(tǒng)的所有信道內(nèi)，指定的γ個(gè)結(jié)點(diǎn)所構(gòu)成的通信信道的集合中，都存在有正常的通信鏈路，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性；

（3）全終端可靠度：在通信信道的集合中，任意兩點(diǎn)間均能進(jìn)行正常的數(shù)據(jù)通信，稱作全終端可靠度。

1.2 遺傳算法。遺傳算法是運(yùn)用生物的自然選擇和遺傳機(jī)理的基本特征，對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程和方式進(jìn)行模擬，依據(jù)生物體基因信息傳遞的方法，通過(guò)群體搜索與個(gè)體間的信息交換，將網(wǎng)絡(luò)中的信息進(jìn)行分割和傳輸，并在網(wǎng)絡(luò)的終端進(jìn)行重新組合，建立適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)全局的優(yōu)化信息搜索功能，這種方法操作簡(jiǎn)便，具有良好的通信全局性，功能和優(yōu)勢(shì)顯著，能夠解決網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆庋b問(wèn)題。在運(yùn)用遺傳算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)的可靠性進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算和分析時(shí)，首先要確立遺傳算法的優(yōu)化方案，將數(shù)據(jù)的序列作為編碼的染色體，并加載一定能夠的控制信息，用組成編碼的元素作為遺傳算法的基因，便于數(shù)據(jù)信息進(jìn)行傳輸，組建一組染色體的初始群體，最后通過(guò)適應(yīng)度運(yùn)算、選擇運(yùn)算、交叉運(yùn)算和變異運(yùn)算等運(yùn)算，并將傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行抽取和重組，產(chǎn)生滿足停止標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)化個(gè)體信息，完成網(wǎng)絡(luò)信息的傳遞，以求適合綜合度最高的主干網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)計(jì)，并保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽慷取?/p>

2 數(shù)據(jù)傳輸?shù)膯?wèn)題描述

2.1 問(wèn)題的假設(shè)

（1）假設(shè)在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)墓?jié)點(diǎn)之間存在多種信息傳輸信道，而且只有一條直線鏈路傳輸，這樣便于運(yùn)用數(shù)學(xué)模型G=（N，L）對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男畔⑦M(jìn)行描述。

（2）網(wǎng)絡(luò)傳輸信道通信的穩(wěn)定性較好，節(jié)點(diǎn)之間能夠進(jìn)行有效的數(shù)據(jù)傳輸。

（3）網(wǎng)絡(luò)通信信道介質(zhì)的長(zhǎng)度與通信網(wǎng)絡(luò)的可靠度不存在直接的數(shù)據(jù)交換關(guān)系。

（4）網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸信道不存在直接關(guān)系，即網(wǎng)絡(luò)和通信信道只存在兩種狀態(tài)：工作和故障兩種狀態(tài)。

2.2 問(wèn)題計(jì)算的數(shù)學(xué)模型

（1）網(wǎng)絡(luò)信道鏈路介質(zhì)成本矩陣如下公式（1）所示：

（1）

式中：C0為信道介質(zhì)的成本矩陣， 為結(jié)點(diǎn) （ ）之間的信道鏈路的介質(zhì)成本。

（2）網(wǎng)絡(luò)信道鏈路介質(zhì)的數(shù)學(xué)計(jì)算公式如下（2），（3）所示：

（2）

（3）

在上式中：C為信息在通信信道中的成本，N為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳遞的結(jié)點(diǎn)數(shù)， 為結(jié)點(diǎn)i與j之間的最邏輯鏈路的介質(zhì)數(shù)（也包括直接連接的鏈路）， ， 為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中結(jié)點(diǎn)可靠度約束常數(shù)。當(dāng) 的值為1時(shí)，節(jié)點(diǎn)i與j之間有直接鏈路， 的值為0時(shí)，結(jié)點(diǎn)i與j之間沒(méi)有直接的鏈路。

（3）鏈路介質(zhì)可靠度的計(jì)算機(jī)方法，根據(jù)上面的計(jì)算方法，鏈路介質(zhì)計(jì)算的具體詳細(xì)的計(jì)算公式（4）所示：

（4）

式中， 為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可靠度矩陣， 為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)之間鏈路介質(zhì)可靠度。其中， 。

當(dāng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)處于可用狀態(tài)，處在網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算機(jī)都能夠互相連通，在正常狀態(tài)下的每個(gè)結(jié)點(diǎn)就可以組成G圖的一顆生成樹(shù)，保證網(wǎng)絡(luò)的正常工作。在網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的任意時(shí)刻，可能只有在 成立時(shí)，網(wǎng)絡(luò)線路處于信息正常傳輸狀態(tài)，這時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的全部結(jié)點(diǎn)都為正常工作狀態(tài)的可靠度可用公式（5）進(jìn)行計(jì)算：

（5）

式中的 為計(jì)算機(jī)網(wǎng)路的i條鏈路的介質(zhì)的可靠度， 為網(wǎng)絡(luò)的第i結(jié)點(diǎn)，N為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)點(diǎn)數(shù)。

（4）計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可靠度建模公式。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)處于正常的工作狀態(tài)時(shí)，網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸，存在最大化R，同時(shí)存在C≤C0，使得整個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)處于正常工作的狀態(tài)。具體的計(jì)算如下公式（6）所示：

（6）

為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在正常工作狀態(tài)下的所有集合，其中 為計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的第i條線路介質(zhì)。

3 遺傳算法在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠度優(yōu)化過(guò)程中的應(yīng)用分析

3.1 優(yōu)化通信過(guò)程的數(shù)學(xué)建模分析。為了優(yōu)化數(shù)據(jù)在信道中的傳遞，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)信息的儲(chǔ)存和通信的NP難題，在進(jìn)行數(shù)學(xué)建模時(shí)，運(yùn)用順序服務(wù)的原則與方法進(jìn)行遺傳算法，對(duì)數(shù)據(jù)的排隊(duì)模型進(jìn)行計(jì)算分析，在計(jì)算時(shí)，忽略信道鏈路信息處理和節(jié)點(diǎn)信息傳輸?shù)牡难訒r(shí)，對(duì)于計(jì)算路由的選擇與容量的分配的時(shí)間可以用以下公式（7）計(jì)算表示：

（7）

但是在公式（7）還存在如下的約束條件，多信道傳輸?shù)目煽慷冗M(jìn)行優(yōu)化：

在公式（7）中，λm為網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)m的報(bào)文送達(dá)率，報(bào)文的平均長(zhǎng)度1/μ，K為可選容量類型數(shù)，C為網(wǎng)絡(luò)信息鏈路的容量集，fk為選用第k類容量時(shí)的信息流量，Vk為可更改的信息流量，D為單位信息傳遞的延時(shí)，Xim的分別為1、0，根據(jù)前面的定義，節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)鏈路時(shí)，值為1，不經(jīng)過(guò)為0，Yik的值分別為1、0，直接經(jīng)過(guò)鏈路得到網(wǎng)絡(luò)分配容量值為1，沒(méi)有得到值為0。

通過(guò)公式（7）的計(jì)算可以得到的是一個(gè)包含著選擇路由和分配容量的復(fù)雜非線性方程，它是具有約束條件的優(yōu)化數(shù)學(xué)建模模型，通過(guò)遺傳算法可以解決這個(gè)問(wèn)題。

3.2 遺傳算法的設(shè)計(jì)優(yōu)化。根據(jù)遺傳算法對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)靠性的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有非常好的效率，能夠滿足網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的需求，運(yùn)用這種方法能夠明顯的改善網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。具體設(shè)計(jì)時(shí)首先輸入相關(guān)數(shù)據(jù)及遺傳算法的控制參數(shù)，根據(jù)參數(shù)確定初始群體的范圍和適應(yīng)值函數(shù)，運(yùn)用遍歷匹配的方法進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)選擇，然后進(jìn)行雜交處理操作，進(jìn)行全局的尋優(yōu)處理操作，直到滿足收斂條件的全局近似的最優(yōu)解。

3.3 遺傳算法的求解過(guò)程。遺傳算法是運(yùn)用生物自然選擇與遺傳機(jī)理的思想，而設(shè)計(jì)的隨機(jī)搜索算法，通過(guò)對(duì)群體搜索和個(gè)體信息的交換，以在網(wǎng)絡(luò)中尋找最優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行搜索，實(shí)現(xiàn)最為優(yōu)化的算法設(shè)計(jì)。它的算法過(guò)程如下：

3.4 具體遺傳算法的優(yōu)化設(shè)計(jì)

（1）基因表達(dá)?；虮磉_(dá)是確定網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)闹匾獌?yōu)點(diǎn)，本文采用二進(jìn)制的一維編碼，確定計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)N個(gè)結(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)基因，具體的設(shè)計(jì)如果網(wǎng)絡(luò)信道傳輸中有4個(gè)結(jié)點(diǎn)，相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)基因結(jié)點(diǎn)就變成了一個(gè)基因表示如下表2所示，形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如下圖1所示：

（2）選擇適值函數(shù)。適值函數(shù)是確定算法前提條件，能有效防止遺傳算法中的數(shù)據(jù)欺騙，將初始種群中數(shù)據(jù)個(gè)體的成本值，按照降序排列，將排序成本最小的個(gè)體編碼值設(shè)為1，排序的最大編碼排序的編碼設(shè)為 ，則相對(duì)應(yīng)的適值函數(shù)為：

式中的x為數(shù)據(jù)個(gè)體在網(wǎng)絡(luò)成本中排序的位置， 為種群的規(guī)模，并具有相應(yīng)的約束條件為： 。

（3）進(jìn)化運(yùn)算。根據(jù)適值函數(shù)的運(yùn)算方法，采用轉(zhuǎn)輪選擇運(yùn)算，假設(shè)在選擇時(shí)，每個(gè)基因選擇概率都正比于它的適值，有對(duì)于任何適值為 的基因，它選擇概率 與適值 以及與種群編碼的排序范圍 存在如下的關(guān)系：

（4）遺傳運(yùn)算。遺傳運(yùn)算在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化計(jì)算中有交叉和變異兩種形式進(jìn)行。

1）交叉。完成數(shù)據(jù)交叉的有效范圍為（[1，N]），可以采取隨機(jī)交叉的方法，來(lái)確定基因交叉的位置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換操作，可以保證計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的連通性，但是有時(shí)可能的數(shù)據(jù)不能代表網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)連通，出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤，這樣就需要進(jìn)行算法調(diào)整。

2）變異。變異首先是要確定進(jìn)行變異的基因的具體范圍，以及需要變異具體的數(shù)目，然后根據(jù)選定的基因片段代替舊基因，相應(yīng)的操作如下：

①假設(shè)數(shù)據(jù)的變異基因?yàn)?，有： ；

②根據(jù)數(shù)據(jù)變異的基因數(shù)目，隨機(jī)選取整數(shù)， ， ；

③根據(jù)基因的變異，生成的后代 ，則相對(duì)應(yīng)的有： ；其中 是 。

④如果步驟③不能實(shí)現(xiàn)，就轉(zhuǎn)入步驟②。

（5）算法的優(yōu)化調(diào)整。根據(jù)優(yōu)化算法的結(jié)果，對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行調(diào)整，對(duì)算法中的每個(gè)基因的表達(dá)式進(jìn)行分析，并對(duì)信道的連通進(jìn)行判斷。

①如果 =1時(shí)，則執(zhí)行原交叉，進(jìn)行基因數(shù)據(jù)變異操作，直至數(shù)據(jù)操作完成；

②如果 =0時(shí)，根據(jù)遺傳算法分析和計(jì)算的要求，令 =1；

③如果 =1時(shí)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，令 =0；

④如果步驟③不能實(shí)現(xiàn)，則對(duì)網(wǎng)絡(luò)信道的連通性進(jìn)行判斷和測(cè)試。

4 仿真舉例

根據(jù)上面的遺傳算法的分析，按照文章第一部分的給出假設(shè)，建立一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信道通信系統(tǒng)，采用遺傳算法進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，假設(shè)該計(jì)算機(jī)網(wǎng)路信道系統(tǒng)有6個(gè)結(jié)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)一個(gè)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信道可靠度優(yōu)化計(jì)算的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行多次的計(jì)算，具體建構(gòu)的數(shù)學(xué)模型如前面所述，將遺傳算法應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠度的優(yōu)化實(shí)驗(yàn)中，提升網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性，該實(shí)驗(yàn)測(cè)得的網(wǎng)絡(luò)信道鏈路介

質(zhì)的成本相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行成本矩陣C0數(shù)據(jù)矩陣的計(jì)算，相應(yīng)的結(jié)果如下矩陣所示：

測(cè)得的可靠度的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行可靠度矩陣R0計(jì)算，結(jié)果分別如下列的矩陣所示：

根據(jù)上面的假設(shè)，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)為N=6，網(wǎng)絡(luò)通信信道的可靠度優(yōu)化的約束常數(shù)分別為α=2，β=2，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信信道的算法操作時(shí)，當(dāng)遺傳操作迭代數(shù)為100次后，經(jīng)過(guò)仿真計(jì)算求解，可以計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)信道鏈路介質(zhì)總成本的值為46，能夠保證網(wǎng)絡(luò)信道的可靠度有最大值為0.885，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信息傳輸?shù)耐暾院桶踩员容^可靠，這充分的證明，基于遺傳算法的網(wǎng)絡(luò)信道可靠度的優(yōu)化能夠滿足網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)囊?，能夠達(dá)到仿真實(shí)驗(yàn)的要求和目的，基于遺傳算法的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信道可靠度優(yōu)化的具體仿真曲線如圖下2所5 結(jié)論

5.1 遺傳算法能夠提高信息在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸速度。通過(guò)實(shí)際的計(jì)算分析及仿真試驗(yàn)，遺傳算法的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，適合在網(wǎng)絡(luò)信道信息傳輸中應(yīng)用，具有操作簡(jiǎn)便、搜索高效、適用性強(qiáng)，能夠提升網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率。相對(duì)于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目煽慷鹊挠?jì)算算法，遺傳算法具有明顯的優(yōu)勢(shì)，縮短了網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的時(shí)間，提升信息的計(jì)算速度，計(jì)算效果因而得到有效優(yōu)化，改善了網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞?，操作性能也大大提高?/p>

5.2 采用遺傳算法對(duì)信息傳輸計(jì)算，適用性較強(qiáng)。運(yùn)用遺傳算法可以有效地完成降低網(wǎng)絡(luò)成本的重要目標(biāo)，降低網(wǎng)絡(luò)的損耗，并且在原有基礎(chǔ)上將網(wǎng)絡(luò)可靠度進(jìn)一步提高，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的性能，同時(shí)兼顧鏈路的介質(zhì)成本問(wèn)題和矩陣可靠度優(yōu)化的問(wèn)題以及數(shù)學(xué)模型求解等問(wèn)題。

5.3 能夠有效的解決網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)乃惴▎?wèn)題。本文的研究將遺傳算法應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠度優(yōu)化計(jì)算之中，提升網(wǎng)絡(luò)信息傳輸?shù)乃俾?，達(dá)到了降低網(wǎng)絡(luò)鏈路介質(zhì)成本，提高網(wǎng)絡(luò)可靠度，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的目的，算法簡(jiǎn)潔，編程易于實(shí)現(xiàn)，可讀性好，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

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