基于通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性評測技術(shù)分析

陳亮

（浙江省氣象信息網(wǎng)絡(luò)中心 浙江 310017）

0 引言

基于輸入和輸出節(jié)點(diǎn)是如今通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性評測的主要方法，例如節(jié)點(diǎn)遍歷法，以輸入節(jié)點(diǎn)為起點(diǎn)，由路由算法可以得出所有到達(dá)輸出節(jié)點(diǎn)的路徑，再基于弧和節(jié)點(diǎn)的可靠性，算出輸入和輸出節(jié)點(diǎn)的可靠度，其中節(jié)點(diǎn)的可靠性一般為1。不過節(jié)點(diǎn)遍歷法有以下兩個問題：1、兩個節(jié)點(diǎn)的可靠性是否能以點(diǎn)概面，說明整個通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性；2、雖然目前使用的方法適用于單輸入/輸出節(jié)點(diǎn)、中間傳輸網(wǎng)絡(luò)鏈路的系統(tǒng)，但并不完全適用于多個輸入/輸出節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)。通常節(jié)點(diǎn)和弧的可靠性是相對穩(wěn)定的，但兩者的組織形式是不一樣的，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不一樣，就算是相同的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，在通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中不同的兩者所處的地位和功能也是不一樣的，那么直接代入計(jì)算的方法就不那么適用了。

1 網(wǎng)絡(luò)基本構(gòu)件的可靠性技術(shù)

網(wǎng)絡(luò)的基本構(gòu)件是連接網(wǎng)絡(luò)設(shè)備傳遞信息的介質(zhì)，即節(jié)點(diǎn)和弧；以下對兩者的可靠性進(jìn)行分析。節(jié)點(diǎn)的可靠性分析：單節(jié)點(diǎn)設(shè)備與普通電子設(shè)備原理差不多，可參考普通電子設(shè)備的可靠性的計(jì)算方法。代理節(jié)點(diǎn)設(shè)備則不同，它有雙重身份，通常硬件是相同的，不同用途的實(shí)現(xiàn)主要依靠軟件，那么它的可靠性就要看它所代理的是什么身份，也就是說按照兩種不同的設(shè)備分別計(jì)算。弧的可靠性分析：弧分為有線弧和無線弧。如果是光纜或電纜連接兩個節(jié)點(diǎn)，那么它的可靠性屬于簡單的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，有線弧的可靠性可通過節(jié)點(diǎn)和光纜/電纜的可靠性計(jì)算得出。無線弧的問題相對而言就要復(fù)雜些，因?yàn)槭菬o線的，要靠大氣進(jìn)行信號傳輸，但是大氣傳輸?shù)目煽啃詿o從得知，為了使問題變得簡單，那就將重點(diǎn)放在節(jié)點(diǎn)設(shè)備上，由它的可靠性評測得出無線弧的可靠性。因?yàn)樘鞖鉅顩r和地理環(huán)境都會很大程度上影響無線信道，會使信號減弱、延遲，甚至產(chǎn)生噪音等，這些情況都會對設(shè)備的正常運(yùn)行造成影響，針對這種情形，可以借助通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)多，廣泛分布的特性，全面評測任何兩個節(jié)點(diǎn)設(shè)備的可靠性，必須多次在不同天氣、季節(jié)和各種地理環(huán)境下進(jìn)行，這樣弧的可靠性即包含在兩個節(jié)點(diǎn)設(shè)備的可靠性中。

2 通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性評測方法的改進(jìn)

系統(tǒng)和弧只存在正常或故障這兩種狀態(tài)；無線弧的兩個節(jié)點(diǎn)可靠度一樣；每條弧的故障是不具破壞性的，不會影響其他弧。在原有的評測方法基礎(chǔ)上進(jìn)行改善。通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)基本可靠性的計(jì)算公式

設(shè)定 {i,j}為任意兩個節(jié)點(diǎn)，可能共有M條通信路徑，總共有L條弧經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)，且有很多條路徑通過每一條弧。現(xiàn)在對這兩個節(jié)點(diǎn)通信路徑所經(jīng)弧的權(quán)值進(jìn)行計(jì)算,第一步，使用節(jié)點(diǎn)遍歷法計(jì)算出最小路集，我們用字母T來表示，當(dāng)中每條通信路徑經(jīng)過弧的步數(shù)是用C表示,接著對L條弧中的弧Li通過網(wǎng)絡(luò)的次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，也就是統(tǒng)計(jì)有多少條路徑經(jīng)過此弧，路徑數(shù)就用字母d來表示,則：

那么可以得知兩點(diǎn)的弧的權(quán)值是：

說明：上面公式中KLi指的是弧 Li的權(quán)值；di是經(jīng)過弧Li的路徑數(shù)；Ci是路徑經(jīng)過弧的步數(shù)；由此我們能對網(wǎng)絡(luò)中所有任意兩節(jié)點(diǎn)通信路徑所經(jīng)弧度的權(quán)值進(jìn)行計(jì)算。

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中各每條弧的權(quán)值計(jì)算：

假定網(wǎng)絡(luò)中共有P對節(jié)點(diǎn)對互相通信,已知各節(jié)點(diǎn)對所經(jīng)弧與對應(yīng)的權(quán)值的集合是 {L1j,KL1j},{L2j,KL2j},…,{LPj,KLPj}，由于各個集合中的弧存在重復(fù)的情況,故需要進(jìn)一步的處理整個網(wǎng)絡(luò)中的每條弧 Li的權(quán)值,以此計(jì)算出與網(wǎng)絡(luò)相對應(yīng)的每條弧的權(quán)值，計(jì)算公式：

說明：上面公式中KLi是通信網(wǎng)絡(luò)中弧 Li的權(quán)值；KLij是弧 Li在第 j個點(diǎn)對應(yīng)的集合中的權(quán)值,如果該弧不在這個集合中則權(quán)值為0；P表示的是點(diǎn)對應(yīng)集合的總數(shù)；N指的是弧的總數(shù)。

最終可以將各個弧的權(quán)值代入到公式（1）中，計(jì)算出整個通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總的失效率，也就能得到基本可靠性。

簡化計(jì)算量的方法：

假設(shè)一個網(wǎng)絡(luò)有n個入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，有C對能互相通信的節(jié)點(diǎn)對，則：

可以看出，若 n值很大，那么計(jì)算相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)對的最小路基就很復(fù)雜，會出現(xiàn)組合過多的情況，為了簡化計(jì)算量，就需要使用簡化計(jì)算量的方法：1、用戶數(shù)的簡化：若使用一個節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)的用戶過多，則計(jì)算最小路集時可只計(jì)算一個用戶，然后再用求得的弧的權(quán)值乘以用戶的數(shù)量，這種“用戶等價類的合并”的計(jì)算方法比較實(shí)用。2、局部結(jié)構(gòu)的簡化：若用戶是通過局域網(wǎng)接入的，可以首先對局域網(wǎng)的可靠性進(jìn)行計(jì)算，再把整個網(wǎng)絡(luò)當(dāng)作一個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行可靠性計(jì)算。若局部網(wǎng)絡(luò)的串聯(lián)結(jié)構(gòu)是獨(dú)立的，就像幾個鏈路經(jīng)過中繼形成很長的傳輸鏈路，就能按串聯(lián)結(jié)構(gòu)計(jì)算出整個網(wǎng)絡(luò)的可靠性；再根據(jù)單個弧進(jìn)行分析；像雙備份節(jié)點(diǎn)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)的通信鏈路的，獨(dú)立且復(fù)雜多余的局部結(jié)構(gòu)，其可靠性可進(jìn)行獨(dú)立計(jì)算，再根據(jù)單個節(jié)點(diǎn)或弧進(jìn)行分析。

3 通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)抗毀性分析

評價通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的一個關(guān)鍵指標(biāo)是抗毀性， 若沒有平均分配網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和弧的路由,部分關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)或弧就容易出現(xiàn)問題，一旦出現(xiàn)問題會中斷大部分用戶的網(wǎng)絡(luò)連接，而其他的節(jié)點(diǎn)和弧出現(xiàn)問題，對用戶影響相對來說比較小；網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)或者弧的路由分配決定著網(wǎng)絡(luò)的對稱性，絕對平均分配的兩者，則是對稱的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的抗毀性是同類網(wǎng)絡(luò)中最強(qiáng)的。如果路由分配用通過此節(jié)點(diǎn)/弧的路徑數(shù)代替，那么通信網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)/弧的權(quán)值則表示的是路由分配的相對值；為了體現(xiàn)這種平均分配的特性，可以通過全部弧的權(quán)值的方差、極差表現(xiàn)，也就能分析出通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的抗毀性的強(qiáng)弱。以下為計(jì)算公式：

說明：公式中N指通信網(wǎng)絡(luò)中弧的總和，Kmax指的是網(wǎng)絡(luò)中弧的最大權(quán)值;Kmin指的是弧的最小權(quán)值。

那么可知：

(1) 若計(jì)算出的方差和極差值均較小，就表明了通信網(wǎng)絡(luò)的路由分配相對比較勻稱,則系統(tǒng)的抗毀性比較強(qiáng)；

(2) 若計(jì)算出的極差值較大，而方差很小，系統(tǒng)抗毀性的好壞就不能得到證明；

(3) 若計(jì)算出的極差和方差均較大，就表明了通信網(wǎng)絡(luò)的路由分配并不勻稱，則系統(tǒng)的抗毀性比較弱。

4 小結(jié)

綜上所述，主要對通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性評測技術(shù)進(jìn)行了探討，經(jīng)過進(jìn)一步處理由節(jié)點(diǎn)遍歷法計(jì)算出的最小路集數(shù)據(jù)，可以使通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性得到更加全面地體現(xiàn)，同時，以此為基礎(chǔ)分析了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的抗毀性。目的是為了使網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)更加完善，探索系統(tǒng)可靠性的不穩(wěn)定因素和對通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行評測。其實(shí)計(jì)算機(jī)算法也能用這種改進(jìn)方法輕松實(shí)現(xiàn)，首先標(biāo)記通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的所有弧，使用節(jié)點(diǎn)遍歷法時比對和累計(jì)數(shù)據(jù)就可以了，這種計(jì)算不用對所有的節(jié)點(diǎn)的可靠度進(jìn)行計(jì)算，使計(jì)算量大大減少。

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