基于遺傳算法的計算機網絡可靠性優化設計

朱明波

【摘要】隨著計算機網絡的不斷發展，處于信息社會中的人們對信息的需求越來越多。計算機網絡可靠性作為衡量計算機網絡性能的一大關鍵指標，要求也逐漸提高。此外，對計算機網絡可靠性的深入研究也具有很大的經濟和社會效益。本文首先介紹了國內外計算機網絡可靠性的研究現狀，并簡明分析了一些影響計算機網絡可靠性的因素，其中影響計算機網絡可靠性的主要因素是網絡設備，用戶設備和網絡管理。在此基礎上，提出了基于遺傳算法的計算機網絡可靠性優化設計方案，并通過MATLAB進行仿真，編程和求解，最終用圖表反映最終模擬結果。仿真結果表明，基于遺傳算法的計算機網絡可靠性優化設計是可行的。

【關鍵詞】計算機網絡可靠性 遺傳算法 仿真 MATLAB

【中圖分類號】G64 【文獻標識碼】A 【文章編號】2095-3089（2018）19-0232-03

1.緒論

1.1選題背景及意義

計算機網絡可靠性是在20世紀20年代初出現的，但當時人們對可靠性問題只有初步的認識。在第二次世界大戰中，武器裝備的不可靠性，給戰國獻血的教訓，武器裝備可靠性的成功經驗以及不可靠性的失敗，導致了可靠性的重要性逐漸加深。而可靠性問題是人們在社會實踐過程中產生的，它的產生需要客觀的情況， 其誕生和發展是社會發展的必然趨勢。

現在計算機網絡已經滲透并應用到人們生活的方方面面，計算機網絡在一定程度上主宰并改變了我們的生活，使信息的獲取，傳輸和利用變得更加高效和快速，但這也使得人們越來越離不開互聯網。由此可見，計算機網絡的可靠性非常重要，它的可用性可以直接影響到人們的生活，工作和學習，甚至影響企業乃至國家的正常運轉。經過半個多世紀的發展，可靠性問題已經發展成為一個涉及面廣泛的綜合性，新的交叉學科。

1.2國內外研究動態

1.2.1國內研究動態

中國最早的可靠性工程開始于20世紀60年代，這是中國著名科學家錢學森率先提出的。20世紀70年代以后，研究人員開始研究計算機網絡的可靠性。此外，計算機網絡可靠性出現了許多新的算法，計算機網絡理論的發展也有了很大的突破。

自20世紀90年代以來，中國計算機網絡應用不斷發展，從辦公室，辦公大樓幾臺電腦到幾公里幾十公里甚至是幾千公里的廣域網，都實現了從軟、硬件到數據資源的共享。雖然如此，但計算機網絡故障的影響也不容小覷，相關人員也開始進行計算機網絡可靠性的優化設計。

目前，國內對計算機網絡的可靠性問題的研究有了很大的進展，并逐漸地發展形成了較完整的理論體系。

1.2.2國外研究動態

在國外，最早的開始研究計算機網絡可靠性的是Mr.Lee，他專注于在電信交換網絡上的研究。由于計算機網絡中各部件的故障，電信交換網絡的總傳輸容量已經大大降低，呼叫擁塞導致了電信交換網絡的大規模癱瘓。Mr.Lee將呼叫擁塞定義為電信交換網絡的鏈路故障，首先提出基于連接性的計算機網絡可靠性度量。1968年，在美國誕生了世界上第一個計算機網絡Apranet，并由此引發了許多關于計算機網絡可靠性的研究工作，而后Boesch首先提出來計算機網絡可靠性優化與設計。

20世紀80年代以后，在大型的，國際化的指標體系發展的背景下，計算機網絡的可靠性隨著計算機網絡的實際應用情況而不斷變化，如交換設備、網絡傳輸的可靠性；用戶對整個網絡服務質量的投訴率及滿意度；用戶終端；全連接網絡等。計算機網絡可靠性的研究越來越深入，新的潛力領域也將不斷被開拓。這一現象有力地表明，計算機網絡可靠性的研究將會有更大的推動力，其應用范圍將會不斷擴大，在實際應用中也將會取得越來越豐碩的成果。

1.3論文的研究目的和主要工作

1.3.1研究目的

本文將從計算機網絡出發，針對所有的潛在風險，并考慮系統可靠性理論，遺傳算法建立合適的數學模型，本文討論如何有效提高計算機網絡整體計算機網絡的可靠性， 增加其可用性。

1.3.2主要工作

計算機網絡可靠性的優化設計是計算機網絡可靠性優化設計研究中的一大核心問題，它從理論上為計算機網絡設計提供了指導性的計劃。現在計算機網絡的運行管理和規劃設計全都離不開計算機網絡的可靠性研究。本文將以計算機網絡規劃設計為主線，以現有網絡的運行管理為輔，探討計算機網絡可靠性的優化設計。本文的主要研究工作可概括如下：

1）闡述計算機網絡可靠性的相關理論。2）計算機網絡可靠性的影響因素分析。3）對計算機網絡可靠性進行優化設計。

2.計算機網絡可靠性的相關理論及算法

2.1計算機網絡

2.1.1計算機網絡的定義

計算機網絡是一個復雜的網絡系統，它將分布在不同地區的不同計算機相互連接起來，并通過通信鏈路，交互設備和相關的網絡協議將它們互連起來以實現特定的功能所謂獨立意味著任何計算機都不能控制網絡中的任何其他計算機，并且每臺計算機可以自由訪問計算機網絡中的信息資源。計算機網絡的本質是為計算機之間的通信提供路徑，使得網絡終端的計算機可以交換信息。計算機網絡的形象是在一臺獨立的計算機中建立起一座橋梁，使其能夠自由通信。

2.1.2計算機網絡的特征

計算機網絡本身的內在結構和可以完成的具體功能，決定了計算機網絡有以下一些特征：

1）一個計算機網絡有大量計算機。這些電腦經常分布在很遠的地方，而且還有很大的區域差距。2）在計算機網絡中，盡管互相共享資源，實際上每臺計算機都具有較大的獨立性，特別是在功能上。3）計算機網絡中計算機的互聯與傳輸，交換設備，通信鏈路等組成的通信設施是分不開的，計算機網絡不是獨立的。 4）計算機網絡中的各種計算機系統進行通信和互操作，對計算機網絡提出了更高的要求。

2.1.3計算機網絡的組成

廣義上講，計算機網絡主要由用戶設備，傳輸交換設備和網絡軟件三部分組成。用戶設備主要包括各種用戶終端，服務器等。 傳輸和交換設備主要包括交換機，路由器，集線器和通信線路等。網絡軟件主要包括網絡操作系統，用戶應用程序和各種網絡協議和網絡管理軟件。

2.1.4計算機網絡的拓撲結構

計算機網絡拓撲的本質是計算機網絡的骨架，即連接到計算機網絡的各種硬件設施的物理配置，而運行良好的計算機網絡拓撲結構應符合以下要求：

1）現代建筑結構復雜，網絡拓撲結構必須能夠適應建筑物以及樓宇間之間的通信環境。2）網絡拓撲結構要充分考慮網絡建設施工的便利，能夠以較低的成本完成網絡架設。3）在計算機網絡鏈路的介質選擇上，應該充分考慮實際需要和成本。4）在進行網絡拓撲結構設計時，要充分考慮到與不同廠商的設備的兼容性，確保開放性，從而保證能夠隨著時間的推移，能夠方便的對現有網絡進行升級和更新。5）在進行計算機網絡拓撲結構設計過程當中，應該進行反復的論證，經過專家最終評審之后，才能夠確定相應的設計方案。

2.2計算機網絡可靠性

經過長時間的發展，各國學者都對計算機網絡的可靠性進行了測量，一般可以概括為：計算機網絡的抗破壞連通性，計算機網絡生存性，計算機網絡和計算機網絡的有效性多種模式組件。如果計算機網絡工作正常，網絡中的基本節點和組件必須為每個用戶終端提供可靠的鏈路。計算機網絡的可靠性是其連接性的一大重要標準。

計算機網絡可靠性是指計算機網絡在規定的時間內在一定的連接條件下完成規定的功能，在網絡連通的條件下，即滿足通信要求的能力。同時，計算機網絡運行能力是否在正常范圍內，也是由其自身的拓撲結構決定的。

3.計算機網絡可靠性的影響因素

3.1網絡拓撲結構對計算機網絡可靠性的影響

計算機網絡的拓撲結構屬于計算機網絡規劃問題。在計算機網絡規劃設計階段，網絡拓撲已經融入計算機網絡，計算機網絡的可靠性在很大程度上受網絡拓撲結構的影響，體現在以下幾個方面：

3.1.1總線結構網絡拓撲

網絡拓撲圖本身就是一個鏈路圖，兩個連接圖之間的鏈接是唯一的點，經常用在點對點的網絡或局域網中，局域網內的所有節點通過總線卡直接連接到一個公共總線上作為傳輸介質 ，結構簡單易于實現，易于擴展。但是，由于計算機網絡中的所有節點只能通過總線傳輸介質發送或接收信息，可能會有兩個或兩個以上的節點在同一時刻在總線上發送信息，從而導致網絡傳輸發生沖突，導致傳輸。同時，連接圖中的任何一側或節點故障都會導致網絡癱瘓。雖然這種計算機網絡的成本較低，但其容錯性較差，可靠性較差。總線結構的網絡拓撲結構圖如圖 1，圖中Ci（i=1，2，…，n）表示計算機網絡的結點。

3.1.2星型結構網絡拓撲

星型結構的網絡拓撲是以交換機為中心的，其他節點也通過中心節點進行。星型網絡具有結構簡單，易于實現對整個網絡節點通信的控制，通過中心節點在任意兩個節點之間進行通信，使計算機網絡管理以及任何非中心節點故障不影響其他節點 的溝通。但是如果星型結構的網絡拓撲中心節點出現故障，就會造成整個計算機網絡的癱瘓。這種計算機網絡拓撲結構也不適用于重要的計算機網絡。但是，就網絡可靠性而言，它比總線結構網絡拓撲的網絡拓撲更可靠。如圖 2所示為星型結構的網絡拓撲，Ci（i=1，2，…，n）表示其計算機網絡結點。

3.1.3 n×m維網狀網結構拓撲結構

3.1.4金字塔型網絡拓撲結構

如圖 4所示為金字塔型網絡拓撲結構，其中Ci（i=1，2，…，n）表示計算機網絡的結點。金字塔型網絡拓撲結構因其具有良好的容錯性和有效性而被大量的應用，如并行計算、網絡計算、圖像處理、模式識別與智能系統等聯網系統。

3.2網絡設備對計算機網絡可靠性的影響

3.2.1用戶設備對可靠性的影響

用戶終端是直接面向用戶的，其可靠性及其重要。計算機網絡的日常維護主要是為了保證用戶終端的可靠性。用戶終端的交互能力越高，網絡的可靠性就越高。例如，安裝兩塊連接不同局域網段的網卡，遠遠高于網卡的可靠性。計算機網絡的可靠性和效率直接受這些子服務器的可靠性的影響。通常，服務器的錯誤恢復能力，響應時間和可靠性與其可靠性成正比。在提高各子服務器可靠性的同時，應采用服務器雙交換機系統，即在計算機網絡運行系統中，我們使用兩臺服務器，一臺作為主機，另一臺作為備份機。盡管如此，計算機網絡的成本將會增加，但是相應計算機網絡的可靠性也會增加。

3.2.2傳輸交換設備對計算機網絡可靠性的影響

在計算機網絡建設和運行過程中，由布線系統引起的計算機網絡故障一般最難找到，所以經常是最大的。因此，應采用標準的通信線路和布線系統。對于一個非常重要，且不關心施工成本的計算機網絡來說，最好是布置雙線以便及時切換計算機網絡的故障。計算機網絡集中器將多個用戶終端連接到網絡，通過它可以將設備的故障與計算機網絡的其他部分分開，形成第一道防線，保證計算機網絡的可靠性。集線器是單點故障設備。如果失敗，用戶將無法工作。交換機用于連接多個獨立的局域網，并對其間的網絡互連設備進行包過濾，可用于解決用戶終端與服務器之間帶寬和網絡交換不足的瓶頸問題，以滿足交互，提高整個網絡的表現。

3.3網絡管理對計算機網絡可靠性的影響

通常大型計算機網絡是由不同廠家的不同網絡產品和設備組成的，規模龐大，結構復雜。 為降低故障率，保證信息傳輸的完整性，降低誤碼率和誤碼率，減少信息丟失，提高計算機網絡的可靠性，網管應采用先進的技術，實時采集網絡運行參數和 網絡信息統計，網絡監控運行狀態，及時發現故障和排除故障。

在計算機網絡規劃，設計，建設和運行的實際過程中，要注意以下兩個方面：一是科學合理地選擇計算機網絡管理系統，必須重視是否滿足安全配置和計費管理需求以及遵循標準的網管協議。這樣既可以管理網絡本身的設備，又可以與其他計算機網絡管理軟件交換管理信息。使用計算機網絡管理軟件可以隨時監控網絡，及時發現故障，為網絡管理和維護提供堅實的基礎和策略，從而提高整個計算機網絡的可靠性和效率。第二，為了保證計算機網絡的正常運行，在制定必要的網絡管理制度和條例的基礎上，還要加強對計算機網絡應用人員的培訓和教育，養成良好的應用習慣及職業道德。為了防止人為的操作失誤和惡意破壞，可運用行政和法律措施來確保計算機網絡的正常運行秩序。

4.基于遺傳算法的計算機網絡可靠性設計

4.1遺傳算法

遺傳算法（Genetic Algorithms簡稱GA）是能有效解決最優化問題的一種方法。它是受到生物進化論的啟發，將解決“適者生存”的問題，通過每代染色體的不斷演變，包括繁殖，變異和交叉，最終收斂到最適合的子代，從而得到最優解或滿意解的一種高度并行、自適應且隨機的優化算法。遺傳算法編碼技術和遺傳操作簡單，優化的約束條件不受限制。目前，遺傳算法越來越得到人們的重視，并在機器學習、神經網絡、優化設計、遺傳學等領域得到了成功應用。

對一個需要進行優化計算的實際應用問題，一般可按下述步驟構造求解該問題的遺傳算法。

1）確定決策變量及其各種約束條件。2）建立優化模型，確定出目標函數的類型及其數學描述形式或量化方法。3）確定出個體的基因型X及遺傳算法的搜索空間。4）確定解碼方法，以及由個體基因型X到個體表現型x的對應關系或其轉換方法。5）確定出由目標函數值f（x）到個體適應度F（x）的轉換規則。6）確定出選擇、變異、交叉運算等遺傳算子的操作方法。7）確定遺傳算法的初始種群數Pop-size、進化代數T、變異概率Pa、交叉概率Pc等參數。

4.2基于遺傳算法的計算機網絡可靠性設計

對于計算機網絡中包含多個結點的基因的描述，本文選擇較易操作的二進制編碼步驟。

1）計算機網絡節點基因的表達，如表格 1：

有4個結點的計算機網絡圖及結點基因表達如下所示。

2）適值函數的選擇，函數構建如下：

式中x：個體在成本排序中的位置

Pop_size：種群規模

3）選擇運算（進化）。根據每個基因的適值和其選擇概率的正相關性，本文選擇“轉輪選擇”來進行研究，其中Pk為選擇概率，適值為fk的基因。

4）交叉運算（遺傳）。此交叉運算只單次針對單獨結點位置進行，對結點的基因表達的交叉則是隨機處理。基因交叉的位置隨機產生于[1，N]。一般狀態時，其交叉率區間為（0.01，0.1）。

5）遺傳算法的終止條件。以種群當前代最大適應值與種群平均適應值的比，（即種群的進化程度）或者提前給出遺傳操作迭代數的極大限值來處理終止。

6）模擬。當α=2，β=2（其中α，β網絡節點可靠度約束常數），N=6（其中N為計算機網絡節點數），且遺傳操作的迭代次數為100時，可靠度矩陣Ro和成本矩陣Cο分別為：

用MATLAB進行仿真得到如下圖像：

最終得到，當計算機網絡可靠度的最大值確定為 0.885 時，計算機網絡鏈路的最小成本為 45。

5.結論

本文在分析影響計算機網絡可靠性因素的基礎上，建立了基于遺傳算法的計算機網絡可靠性優化模型。并通過MATLAB進行仿真，得出以下結論：

1）基于遺傳算法的計算機網絡可靠性設計有效，結果滿足要求，也達到了預期的目標。2）仿真實例表明，本文所采用的遺傳算法智能算法具有可操作性，具有實際應用價值。3）初步解決了計算機網絡可靠性優化問題，同時也為計算機網絡設計和建設者提供了一些理論參考。4）本文的缺點是模擬程序運行緩慢，占用大量的內存和運行時間。 將來需要編寫更有效的仿真程序。

計算機網絡的飛速發展，一方面促使計算機網絡可靠性的影響因素不斷增加，另一方面也為衡量計算機網絡可靠性提出了更高的要求。因此，論文中提到的計算機網絡可靠性的影響因素以及計算機網絡可靠性體系還需進一步的完善、充實和改進。設計還應考慮到計算機網絡在實際運行過程中的隨機性、不確定性和人為因素等的影響。

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