計算機網絡可靠性分析與設計

摘 要：目前社會已經進入信息化時代，計算機、互聯網以及多媒體技術多元發展，社會生活各個領域之間的交互和互通都要求有良好的計算機網絡為其服務。計算機網絡從技術角度來說，是作為一種布局，將經有關聯但相距遙遠的事物通過通信線路連接起來。因此，計算機網絡的可靠性便成為一項關鍵的技術指標。文章將對網絡可靠性設計做初步探討，并介紹幾種典型的提高網絡可靠性的方法。

關鍵詞：計算機網絡；可靠性；優化設計

網絡癱瘓會帶來巨大的影響，因此，保證網絡的不間斷服務十分必要。網絡可靠性是指網絡自身在規定時間和規定條件下正常工作的能力。網絡可靠性屬于系統可靠性，它包括構成網絡的設備、線路、路由和軟件的可靠性。網絡可靠性設計時，要從投入、需求保障、減少損失三方面折中。

1 計算機網絡可靠性分析

可靠性是網絡信息系統能夠在規定條件下和規定的時間內完成規定的功能的特性。可靠性是系統安全的最基于要求之一，是所有網絡信息系統的建設和運行目標。網絡信息系統的可靠性測度主要有三種：抗毀性、生存性和有效性。計算機網絡應該是一個全冗余、無任何單點故障的高可靠網絡，從而使企業網能夠支持應用的多樣性，保障系統的安全性，提供不同優先級服務。

1.1 可靠性設計的主要關注點

設備和鏈路的可靠性：盡可能采用可靠性較高的設備和鏈路；關鍵應用對可靠性的需求：一些應用對可靠性有著嚴格的要求，而另一些應用的要求則較為寬松；可靠性之外的其他需求：提高可靠性的要求常常與其他方面的需求互相矛盾或互相牽制；網絡故障的代價：應考慮網絡發生故障時對用戶造成的損失，從而確定用戶對故障時間的容忍度；用戶投資計劃：較高的可靠性要求意味著較高的投資。應該在用戶投資額以內盡可能滿足其對可靠性的要求。

1.2 提高可靠性的主要方法

提高設備的可靠性：充分考慮關鍵設備本身的可靠性；提高通信線路的可靠性：加強每一鏈路的可靠性，或實現鏈路冗余備份。使用具有較強冗余路徑管理能力的通信協議和軟件。

2 計算機網絡可靠性的設計原則

在計算機網絡設計和建設的工程實踐中，科研人員總結了不少具體的設計經驗和原則，對計算機網絡可靠性的優化設計起到了較好的規范和指導功能。在構建計算機網絡時應遵循以下幾點原則：

可靠性設計的7原則：冗余、品牌、可靠性、維修能力、恢復能力、響應能力、活力。網絡可靠性設計內容：設備的可靠性設計（設備冗余）、鏈路可靠性設計（鏈路冗余）、路由可靠性設計（路由熱備份）、軟件可靠性設計（協議、NOS、AP等），網絡冗余設計是網絡可靠性設計最常用的方法，目的是提供網絡鏈路備份和網絡負載均衡。由于網絡存在單點故障，所以可以通過冗余來解決這個問題。

3 計算機網絡可靠性主要優化設計方法分析

3.1 網絡冗余設計

3.1.1 冗余設計的目的

冗余設計是網絡可靠性設計最常用的方法。冗余設計的目的：提供網絡鏈路備份；提供網絡負載均衡。鏈路備份和負載均衡在結構上完全一致，但是完成的功能不同，工作模式也不同。冗余鏈路用于網絡備份時，2條冗余鏈路只有一條工作，另一條處于熱備監控狀態；冗余鏈路用于負載均衡時，多條冗余鏈路同時工作，不存在備份鏈路。

3.1.2 單點故障

網絡冗余設計的原因是網絡中存在單點故障。單點故障是指網絡某一節點或某一鏈路發生故障時，可能導致用戶與核心設備或網絡服務的中斷。鏈路冗余防止了服務丟失。

3.1.3 冗余設計的內容

冗余設計包括：鏈路冗余（端口冗余，雙絞線冗余，光纖冗余）；設備冗余（交換機冗余、路由器冗余、服務器冗余、電源系統冗余等）；軟件冗余（遠程備份，軟件鏡像，虛擬機等）

最好的冗余方式是多臺主機互為熱備，但這種方案投資大，而且冗余控制需要一定的開銷，對網絡性能有一定影響。

3.1.4 冗余設計要求

冗余設計要求：只在網絡正常鏈路中斷時，才使用冗余備份鏈路。盡量不要將冗余鏈路用于負載均衡，否則當發生網絡故障需要使用冗余鏈路時，網絡由于負載失衡而產生不穩定性（性能顛簸）。一般在核心層采用鏈路聚合技術。盡量減少路由器的路由數量，減少路由跳數。

3.1.5 網絡結構的冗余設計

（1）核心層全網狀冗余設計。全網狀結構的優點：提供多個到任意目的地的可用路徑；到任意目的地只需要1跳；在最壞情況下，到核心層最大為3跳。全網狀的缺點：投資與節點數量呈現幾何增長關系。隨著節點數量的增加，增加了路由器選擇最佳路徑的計算量，加大了收斂時間。隨著路由器數量的增多，處理廣播消息的帶寬和CPU資源也會增加。

（2）核心層部分網狀冗余設計。部分網狀結構結合了網絡冗余，路由收斂以及線路投資等方面的考慮。部分網狀結構在網絡設計中得到了大量應用，成為主干網絡中最流行的一種形式。部分網狀結構的連接不是隨意設計的，要綜合考慮網絡結構特點，靈活應用其他冗余設計技術。缺點：某些路由協議不能很好地處理多點對多點的部分冗余網狀設計。

（3）匯聚層與核心層之間的雙歸冗余設計。雙歸鏈路提供了很好的冗余，當一條鏈路出現故障時，不會削弱匯聚層路由器的可到達性。雙歸接入的缺點：使匯聚層路由器通往核心層設備的路徑比單連接增加了一倍，從而會降低網絡路由收斂速度。強迫使用某一路徑時，需要使用浮動靜態路由。雙歸路由器的“升級”問題。如果核心層路由器R3-R2之間的鏈路中斷，雙歸路由器R4就會升級到核心層，路由器R4承擔了核心層路由器的功能，在性能上有可能達不到要求。

3.2 用備份中心實現WAN鏈路備份

備份中心是Comware中管理備份功能的模塊，為路由器的接口提供備份，主要用于對WAN接口的備份，當主接口上的線路發生故障后，備份中心將啟動備份接口上的線路進行通訊，可以提高網絡的可靠性，增強網絡的可用性。

3.2.1 主接口。被其他接口備份，數據傳輸通常由主接口承擔。

3.2.2 備份接口。為主接口作提供備份的，通常處于空閑狀態，僅在主接口故障時承擔數據傳輸。

3.2.3 基本配置任務。進入將被備份的主接口配置視圖；指定主接口使用的備份接口及其優先級。

3.2.4 可選配置參數。設置主備接口切換的延時，配置主備接口的路由。

4 結束語

通信網絡是各行業承載各種業務、各種經營流程的核心基礎，如果沒有一個高可靠的網絡，我們的各項業務將無法開展，更滿足不了各種集中系統、集中業務、集中平臺的需求。隨著各種網絡規模的越來越大，網絡的可靠性問題也就顯得越來越重要。通過對路由器、交換機以及通信鏈路的冗余設計，配合相應的備份路由協議（SPT、OSPF、VRRT）等技術，消除網絡中的單點故障，最終的目標是建立一個高可靠、高效、安全的網絡。

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