計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性研究

王俊豪

【摘 要】隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，計(jì)算機(jī)互聯(lián)在人們的日常生活中扮演著越來越重要的角色。為了能夠提升用戶體驗(yàn)，計(jì)算機(jī)可靠性研究被提上了日程，隨著技術(shù)的記憶不發(fā)展，越來越多的學(xué)者開始對(duì)這一問題進(jìn)行了深入的研究。本文就簡要概述計(jì)算機(jī)可靠性研究的相關(guān)問題。其中以時(shí)間為軸線介紹了可靠性研究的背景和發(fā)展概況。然后從近似算法和精確算法兩個(gè)方面介紹了網(wǎng)絡(luò)可靠性評(píng)估的辦法，并且簡述了集中算法的原理。文章最后介紹了網(wǎng)絡(luò)故障容錯(cuò)設(shè)的重要意義和基本理念。

【關(guān)鍵詞】計(jì)算機(jī)；網(wǎng)絡(luò)可靠性

一、研究背景

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，軟硬件制造技術(shù)的提高，目前為止，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)幾乎各行各業(yè)都扮演著極為重要的角色。而隨著應(yīng)用范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大，人們對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的依賴程度也越來越高。因此，一旦計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)出現(xiàn)漏洞、故障甚至是崩潰，則會(huì)對(duì)用戶的生活產(chǎn)生極大的影響。所以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可靠性是十分重要的。舉例來說，加入在金融領(lǐng)域中，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)生了較大的問題，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)癱瘓。則會(huì)導(dǎo)致一個(gè)投資銀行的倒閉。在現(xiàn)實(shí)生活中也有很多類似問題導(dǎo)致業(yè)績下降的例子，例如推特網(wǎng)在一段時(shí)間內(nèi)故障頻發(fā)，導(dǎo)致用戶體驗(yàn)度下降，從而給競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手白白送去了很多用戶流量。所以，在現(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)社會(huì)中，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的可靠性是尤為重要的，它不僅包含著用戶提現(xiàn)的問題，更是商家賴以生存的命脈之一。

二、網(wǎng)絡(luò)可靠性研究發(fā)展概況

早在20世紀(jì)60年代中期就有研究人員開始研究電信交換網(wǎng)絡(luò)，其中發(fā)現(xiàn)，一旦網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)了故障就會(huì)使得整個(gè)交換網(wǎng)的傳輸總量大大下降，引起整個(gè)信號(hào)網(wǎng)的堵塞，從而誘發(fā)網(wǎng)絡(luò)癱瘓，造成用戶體驗(yàn)大幅度下滑，經(jīng)濟(jì)損失巨大。研究人員將此類故障命名為鏈路故障，并且引入了網(wǎng)絡(luò)可靠測(cè)度的概念，其中是以連通性作為衡量的標(biāo)準(zhǔn)。

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，20世紀(jì)70年代，美國國防部也開展了大量的關(guān)于計(jì)算網(wǎng)絡(luò)可靠性的研究，并且在這個(gè)領(lǐng)域中投入了大量的人力物力和財(cái)力，引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注，越來越多的人投入到這一領(lǐng)域的研究之中，并且獲得了豐碩的成果。在這一時(shí)期，網(wǎng)絡(luò)可靠性研究的主要內(nèi)容研究還是網(wǎng)絡(luò)的連通性。并且給出了網(wǎng)絡(luò)連通性的定義和標(biāo)準(zhǔn)。隨后不少研究人員都提出了很多新的實(shí)用性強(qiáng)的理論。

至此到80世紀(jì)，計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，使用人員和計(jì)算機(jī)數(shù)量暴漲，網(wǎng)絡(luò)負(fù)載急劇增大，流量也翻了多倍，研究人員發(fā)現(xiàn)，就算是網(wǎng)絡(luò)保證可靠性和連通性的前提下，也難以滿足用戶的使用體驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)擁堵、延時(shí)和崩潰的情況時(shí)有發(fā)生，從而導(dǎo)致部分功能無法正常使用。因此在這一時(shí)期研究人員將研究重點(diǎn)從網(wǎng)絡(luò)連通性轉(zhuǎn)移到了可靠性上。

之后從90年代一直到今天，計(jì)算機(jī)的普及和研究熱潮的到來，網(wǎng)絡(luò)可靠性的研究已經(jīng)成為了計(jì)算機(jī)領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。并且與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的很多領(lǐng)域，例如：電力、金融、物流等都開始研究相關(guān)網(wǎng)絡(luò)可靠性問題。

三、網(wǎng)絡(luò)可靠性評(píng)估辦法

研究人員定義可靠度為：產(chǎn)品在給定時(shí)間內(nèi)，給定條件下完成所需功能而不出現(xiàn)失效的概率。目前來說，Ball將網(wǎng)絡(luò)可靠度計(jì)算定義為NP難題。隨著研究的進(jìn)一步深入，目前關(guān)于此類的算法有兩種：近似算法和精確算法。

（一）網(wǎng)絡(luò)可靠性評(píng)估的近似算法

網(wǎng)絡(luò)可靠性的近似算法適合于大中型網(wǎng)絡(luò)，顧名思義，在計(jì)算的時(shí)候犧牲了計(jì)算的精度，為的是減少計(jì)算量提高運(yùn)算速度。一般來說常見的近似算法有：模擬法、圖變換法和上下界法。

本節(jié)主要介紹這幾種算法的的基本理念。上下界法再求可靠度的過程中主要是算出網(wǎng)絡(luò)的上下邊界值來近似的求解出網(wǎng)絡(luò)的可靠度的。圖形變換法是按照一定的規(guī)則簡化網(wǎng)絡(luò)之后再進(jìn)行可靠度的計(jì)算。經(jīng)典的變化規(guī)則有-Y簡化規(guī)則、串并聯(lián)簡化規(guī)則、多邊形鏈簡化規(guī)則和三角形簡化規(guī)則。一般來說圖形變換法只適用于具有特殊結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)。目前學(xué)者研究較多的就是近似算法，因?yàn)榻扑惴梢杂糜诖笾行途W(wǎng)絡(luò)的可靠度計(jì)算之中。目前大家的研究的重點(diǎn)就在如何能夠提高計(jì)算精度并且還不降低計(jì)算的速度上面。

（二）網(wǎng)絡(luò)可靠性評(píng)估的精確算法

上文已經(jīng)介紹了，網(wǎng)絡(luò)可靠性問題就是求解NP問題，精確類算法一般包含了以下幾類：狀態(tài)空間分解法、因子分解法、狀態(tài)枚舉法、容斥原理法等等。一般來說精確算法只能用在小型或者中性網(wǎng)絡(luò)上，大型網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷數(shù)據(jù)量過大，不適合精確算法。本節(jié)對(duì)著狀態(tài)枚舉算法和容斥原理算法進(jìn)行概述。

首先介紹一下狀態(tài)枚舉法。狀態(tài)枚舉法是在上世紀(jì)60年代被研究人員提出的，此法是通過列舉正常使用條件下的所有互斥事件來進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)可靠度的計(jì)算。因此這類方法只是比較適合小型網(wǎng)絡(luò)，因?yàn)殡S著網(wǎng)絡(luò)鏈數(shù)目只增加，互斥事件的數(shù)目將會(huì)急劇增長，所以此類方法計(jì)算量巨大，平時(shí)不使用。

容斥原理則是利用到了集合這一思想，將不可靠度表示成一個(gè)個(gè)不可分割的集合，再除去相交部分，其中不可分割的集合中包括著一些網(wǎng)絡(luò)鏈路。次累計(jì)和不可分割，且無重復(fù)部分并且進(jìn)行拆減之后就不是最小集合。一個(gè)集合必須對(duì)應(yīng)的是網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)工作狀態(tài)（正?；蛘吖收希?。此類方法也只是用于小型網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算中。

四、網(wǎng)絡(luò)故障容錯(cuò)設(shè)

網(wǎng)絡(luò)可靠度再高，可難免會(huì)出現(xiàn)一些問題，導(dǎo)致工作路徑時(shí)效。因此為了保證在故障情況下能夠?qū)p失降到更低，不少研究人員也開始對(duì)故障容錯(cuò)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證在路徑失效的情況下，可靠度也能達(dá)到一定的閾值，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)安全保證工作有著極為重要的意義。一般來說容錯(cuò)技術(shù)有以下兩大類：重路由容錯(cuò)和備用路徑容錯(cuò)。其中重路由容錯(cuò)指的是將正常公祖的路徑通過路由協(xié)議進(jìn)行傳導(dǎo)，保證在故障發(fā)生時(shí)，數(shù)據(jù)也可以有效的傳遞。備用路徑容錯(cuò)指的是，在現(xiàn)有路徑發(fā)生故障時(shí)將該故障路徑的數(shù)據(jù)交由另一路徑進(jìn)行傳輸，此類方法可靠性高。

五、結(jié)語

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在生活中的不斷普及和深化，用戶在使用時(shí)越來越注意自身的體驗(yàn)，因此網(wǎng)絡(luò)可靠性的保障就成了一個(gè)重中之重?，F(xiàn)今已經(jīng)有很多學(xué)者將自己的精力放在這一領(lǐng)域，相信隨著時(shí)間和技術(shù)的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)可靠性研究也會(huì)更加的深入、快捷和精確。

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