基于遺傳算法的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)設(shè)計(jì)研究

馮建云

（山西建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院 山西省晉中市 030600）

隨著科技的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)體系不斷更新。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大及電力網(wǎng)絡(luò)等各種網(wǎng)絡(luò)普及，對網(wǎng)絡(luò)可靠性提出更高的要求。信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展成為結(jié)構(gòu)化發(fā)展的先決條件，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在一些重要領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。信息網(wǎng)絡(luò)可靠性是提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的重要評判標(biāo)準(zhǔn)，利用程序優(yōu)化能降低網(wǎng)絡(luò)造價(jià)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性由外界環(huán)境可靠性與工作人員可靠性等構(gòu)成，目前我國計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性研究基于電信信號網(wǎng)絡(luò)交換研究，利用電信信號傳輸實(shí)現(xiàn)容量改變，但可靠性對線路要求較高，后期網(wǎng)絡(luò)故障率提高，在評價(jià)體系中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，隨著智能優(yōu)化方案數(shù)量增多，利用優(yōu)化手段對遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化形式得到應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)整體優(yōu)化。

1 計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)可靠性概述

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)由網(wǎng)絡(luò)終端、節(jié)點(diǎn)線路及計(jì)算機(jī)組成，廣義的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)分為用戶終端模塊及交換模塊，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通過通信鏈路將不同區(qū)域計(jì)算機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)資源共享。各種應(yīng)用為軟件模塊負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)終端功能[1]。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性量化稱為可靠度，可靠度評估是NP 的難題，精準(zhǔn)計(jì)算方法主要有狀態(tài)空間分解法等，通常用于中小型脫貧結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，近似計(jì)算法是兼顧計(jì)算精度采用的折中方法，為減低差錯(cuò)保證信息傳輸完整性，對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性建模需考慮影響因素。良好的故障容錯(cuò)技術(shù)可以保障網(wǎng)絡(luò)可靠性。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成如圖1 所示。

計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)是將不同地域的計(jì)算機(jī)，通過交互設(shè)備完成特定功能復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)是為計(jì)算機(jī)相互通信提供的路徑，通信子網(wǎng)負(fù)責(zé)計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)信息傳遞。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)固有結(jié)構(gòu)決定計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)的特征，包括分布跨度較大；通過通信設(shè)施執(zhí)行信息交換。廣義的計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)分為用戶設(shè)備、傳輸交換設(shè)備[2]。計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是通信網(wǎng)絡(luò)骨架，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)要求便于網(wǎng)絡(luò)建設(shè)施工，適應(yīng)建筑物通信環(huán)境，滿足用戶通信需求，具有網(wǎng)絡(luò)局部擴(kuò)展能力等。

計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)可靠性是系統(tǒng)工程科學(xué)。國內(nèi)外有關(guān)學(xué)者將其測度歸納為網(wǎng)絡(luò)生存性、連通性等。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)節(jié)點(diǎn)要為用戶終端提供可靠鏈路。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)連通性用可靠度衡量。計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)保持連通的能力為可靠性。反映拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)支持通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行能力。網(wǎng)絡(luò)完成規(guī)定功能概率為可靠度。

2 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信可靠性遺傳算法分析

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠度傳統(tǒng)精確算法是對網(wǎng)絡(luò)模型簡化處理，應(yīng)用相關(guān)輪求解計(jì)算。傳統(tǒng)精確算法包括不交和算法等。容斥原理算法是完全狀態(tài)枚舉法基礎(chǔ)上發(fā)展。只能解決規(guī)模較小的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)[3]。智能算法適用于復(fù)雜計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)可靠度計(jì)算。目前流行的智能算法有遺傳蘇阿帆、蟻群算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等。

遺傳算法是借鑒生物界自然選擇思想的全局隨機(jī)搜索算法，把可能解視為種群個(gè)體，算法在種群空間隨機(jī)搜索，不斷使用選擇較差遺傳算子，產(chǎn)生最優(yōu)解。GA 基本內(nèi)容包括種群初始化、適應(yīng)函數(shù)設(shè)計(jì)等。選擇較差操作是遺傳算法的核心，交叉操作決定GA 全局搜索能力。GA 控制參數(shù)包括交叉率及其他GA 參數(shù)。遺傳算法相比傳統(tǒng)算法特點(diǎn)體現(xiàn)在操作對象為參數(shù)編碼，避免約束條件限制；有效防止搜索過程收斂于局部最優(yōu)。

圖1：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)組成

遺傳算法數(shù)學(xué)表達(dá)式為A=（P0,I,λ，L,s,c,m,T）P0為初始成員集，λ 為集體成員數(shù)量；I={0,1}為最終解編碼為0 與1 元素組成。C,m為交叉與變異；s 為選擇性復(fù)制；T 為最終算法結(jié)果。T=0 表明非最優(yōu)解[4]。遺傳算法具有不易陷入局部最優(yōu)循環(huán)的優(yōu)點(diǎn)，在解決多局部極值優(yōu)化時(shí)成為首選方法。但優(yōu)化過程緩慢，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性優(yōu)化需要對遺傳算法改進(jìn)，使其在與其他優(yōu)化算法銜接同時(shí)保持初始解分散性。傳統(tǒng)繁殖過程為nti=（fti|ft）λ，fti 為適應(yīng)性評估評價(jià)函數(shù)值，傳統(tǒng)繁殖過程淘汰率低，影響算法流暢性。傳統(tǒng)繁殖中加入競爭機(jī)制，可以提高算法流暢性。改進(jìn)繁殖過程為{nti=(fti/fwt)λ，

3 計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)可靠設(shè)計(jì)分析

科研人員總結(jié)許多計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，規(guī)范通信網(wǎng)絡(luò)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建要遵循國際標(biāo)準(zhǔn)，堅(jiān)持先進(jìn)性與實(shí)用性結(jié)合等原則。采用開放式計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，具有較強(qiáng)的擴(kuò)展升級能力；保證網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正常運(yùn)行；計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)可管理性強(qiáng)，保護(hù)現(xiàn)有計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)投資，合理調(diào)配已成熟網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)軟件；選擇較好的絡(luò)鏈路介質(zhì)，網(wǎng)絡(luò)具有較快響應(yīng)速度。

提高計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性有效方案是提高系統(tǒng)容錯(cuò)性，縮短計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)故障持續(xù)時(shí)間[5]。需采用冗余措施提高網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)能力。避免計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)癱瘓，影響計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)能力因素包括網(wǎng)絡(luò)中心樞紐設(shè)備容錯(cuò)方式等。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)設(shè)計(jì)原則為雙網(wǎng)絡(luò)中心，要求采用并行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)方法，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)采用具有模塊化結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，提高系統(tǒng)長時(shí)間連續(xù)工作能力；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器采用新技術(shù)，增強(qiáng)服務(wù)器容錯(cuò)性等。網(wǎng)絡(luò)管理軟件容錯(cuò)設(shè)計(jì)，采用具有容錯(cuò)功能網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。

計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)雙網(wǎng)絡(luò)冗余性設(shè)計(jì)是增加設(shè)備用網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)，各網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)通過雙網(wǎng)絡(luò)連接，通過雙網(wǎng)絡(luò)發(fā)送消息。雙網(wǎng)絡(luò)可同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，某些原因造成網(wǎng)絡(luò)斷開，物理硬件設(shè)施保證計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)要有先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)，采用正確合理的網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，才能充分發(fā)揮先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備高性能[6]。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)迅速發(fā)展，分布式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)移至用戶級，網(wǎng)絡(luò)多層設(shè)計(jì)是模塊化，由于多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具有確定性，在擴(kuò)展中進(jìn)行故障查找等維護(hù)工作易于操作。計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)利用網(wǎng)絡(luò)第三層業(yè)務(wù)功能，減少配置不當(dāng)引起網(wǎng)絡(luò)問題。計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)多層結(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)故障隔離，多層模式使通信網(wǎng)絡(luò)移植更加簡單，對以往計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)具有很好兼容性。

4 計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)可靠性影響因素分析

計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)可靠性影響因素包括網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備包括用戶設(shè)備與傳輸交換設(shè)備，是計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)可靠性的關(guān)鍵。維護(hù)要確保用戶終端可靠，如安裝兩塊網(wǎng)卡可靠性高。服務(wù)器包括數(shù)據(jù)服務(wù)器、Web 服務(wù)器等，其可靠性影響計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性。

大型計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)由不同廠商網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品構(gòu)成，要降低信息丟失率，提高網(wǎng)絡(luò)可靠性，要進(jìn)行實(shí)時(shí)采集網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行參數(shù)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)中，注意合理選擇網(wǎng)絡(luò)管理軟件。要求網(wǎng)絡(luò)管理軟件遵循標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議，與其他網(wǎng)絡(luò)管理軟件進(jìn)行管理信息交換?？梢噪S時(shí)監(jiān)控網(wǎng)管理網(wǎng)絡(luò)，為網(wǎng)絡(luò)管理維護(hù)提供依據(jù)。為保證計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行，要加強(qiáng)對計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用人員培訓(xùn)，為防止人為操作失誤，可運(yùn)用行政措施確保計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行[7]。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃問題，不同應(yīng)用領(lǐng)域的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信需具有不同網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，分析計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的影響是研究核心，互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)部件主要連接方式，計(jì)算機(jī)通信設(shè)計(jì)者提出許多網(wǎng)絡(luò)概念，如限制連通度，限制容錯(cuò)直徑等，準(zhǔn)確度量計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)可靠性。

實(shí)際工作中人們經(jīng)常需要使多個(gè)目標(biāo)最佳優(yōu)化，如涉及新產(chǎn)品要考慮其制造成本最低，及產(chǎn)品可靠性等，設(shè)計(jì)目標(biāo)改善可能相互抵觸，需要在設(shè)計(jì)目標(biāo)中折中。目標(biāo)分為總目標(biāo)與子目標(biāo)，希望多目標(biāo)優(yōu)化子目標(biāo)同時(shí)達(dá)到最優(yōu)值較為困難，只能使各子目標(biāo)函數(shù)達(dá)到最優(yōu)。多目標(biāo)優(yōu)化問題Pareto 解構(gòu)成集合為Pareto 曲面，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性優(yōu)化設(shè)計(jì)是NP-hard 組合問題，包括極大化網(wǎng)絡(luò)可靠度，極小化投資成本，反映網(wǎng)絡(luò)可靠性優(yōu)化問題具有片面性，需要對二者追求目標(biāo)進(jìn)行折中處理。目前國內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)可靠行單目標(biāo)優(yōu)化問題研究較少，在網(wǎng)絡(luò)可靠行多目標(biāo)優(yōu)化有待深入研究。

5 基于遺傳算法的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)

遺傳算法在基于網(wǎng)絡(luò)可靠性中常用于解決多個(gè)局部極值優(yōu)化問題，尋求最優(yōu)解可能較為漫長，需要對遺傳算法改進(jìn)，如引入競爭繁殖可以與其他優(yōu)化方法銜接，使遺傳算法借機(jī)長編碼問題更高效?；谶z傳算法的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)要對計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)合理選擇，選擇開放性網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，對網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)優(yōu)化配置。根據(jù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，信息處理需要采取先來后到順序，構(gòu)建可靠性的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通暢有M 條待選鏈路與N 個(gè)節(jié)點(diǎn)，各種問題以編碼形式描述，需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)待選鏈路的選擇，遺傳算法搜索N 個(gè)節(jié)點(diǎn)，N-1 條鏈路組成完整網(wǎng)絡(luò)。

構(gòu)建數(shù)學(xué)模型將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)為A(S,D),D 為鏈路集合，成本計(jì)算公式為|S|=n,max|E|=n（n-1）/2.解集為（X12,X13…，Xln,X23,…X2n,…X(n-1）,構(gòu)建數(shù)學(xué)模型T(X)≥Tmin(X),Tmin(X)為優(yōu)化設(shè)計(jì)滿足可靠性要求；需保證網(wǎng)絡(luò)連接通暢，鏈路成本最低。對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，利用二進(jìn)制方法編碼初始群體；對種群個(gè)體成本計(jì)算，以f(x)=(x-1)/(Ps-1)為適值函數(shù)。將小概率種群基淘汰；利用改進(jìn)后遺傳算法實(shí)施網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化，進(jìn)行迭代計(jì)算保障網(wǎng)絡(luò)可靠性最優(yōu)解出現(xiàn)。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，以通過遺傳算法得到更高精度的搜索方式，需要立足計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中主要問題解決，提高網(wǎng)絡(luò)搜索效率。利用遺傳算法搜索優(yōu)化需要將搜索精度作為關(guān)鍵評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。遺傳算法具有易于操作等優(yōu)點(diǎn)，但易局限于局部最佳優(yōu)化，需要通過對搜索方式優(yōu)化提升遺傳算法搜索速度。由于遺傳算法通用性強(qiáng)，可與其遺傳算法有效結(jié)合，利用二者進(jìn)行鄰域解對比，在運(yùn)行中不斷搜索優(yōu)化解。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)制表如表1 所示。

表1：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)制表

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)包含若干節(jié)點(diǎn)，如何對網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)是解決問題的關(guān)鍵。二進(jìn)制編碼規(guī)則簡單，采用二進(jìn)制編碼進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)基因描述，為研制計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)效果先進(jìn)性，基于改進(jìn)遺傳算法，模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對比，最大迭代次數(shù)為100，計(jì)算機(jī)內(nèi)存為32GB，采用Win7 操作系統(tǒng)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠度隨著遺傳算法迭代次數(shù)增加提高，網(wǎng)絡(luò)可靠度提高受制于硬件因素趨于平緩。在隨著迭代次數(shù)變化中，總體呈現(xiàn)相反情況，成本不斷降低，迭代次數(shù)增加，成本降低蘇打綠呈現(xiàn)趨于穩(wěn)定情況。迭代數(shù)量控制在65，對成本的影響可忽略。要通過其他手段對網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，遺傳改進(jìn)算法中，采用滿意度函數(shù)，通過強(qiáng)化適宜性函數(shù)優(yōu)點(diǎn)，保證成本回歸多樣性。利用容斥原理計(jì)算網(wǎng)絡(luò)提高網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，充分發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化優(yōu)勢，在不斷迭代中尋求最合理優(yōu)化成本，保證數(shù)據(jù)鏈的完整性，不斷對計(jì)算機(jī)結(jié)果校核。

6 結(jié)語

隨著網(wǎng)絡(luò)通信的發(fā)展，鏈路容量不斷提高，網(wǎng)絡(luò)可靠性問題日益重要。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性對計(jì)算機(jī)系具有重要影響，通過優(yōu)化計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性設(shè)計(jì)，可以使計(jì)算機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。本文分析計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性因素，優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性，利用遺傳算法具有方便快速得到系統(tǒng)整體最優(yōu)解特征，解決系統(tǒng)不流暢等問題，通過實(shí)驗(yàn)仿真得出對網(wǎng)絡(luò)可靠性優(yōu)于其他算法。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，要求相關(guān)人員探索遺傳算法網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的作用，提升計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性。