計算機網絡可靠性研究

王俊豪

【摘 要】隨著計算機軟硬件技術的不斷發展，計算機互聯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，計算機可靠性研究被提上了日程，隨著技術的記憶不發展，越來越多的學者開始對這一問題進行了深入的研究。本文就簡要概述計算機可靠性研究的相關問題。其中以時間為軸線介紹了可靠性研究的背景和發展概況。然后從近似算法和精確算法兩個方面介紹了網絡可靠性評估的辦法，并且簡述了集中算法的原理。文章最后介紹了網絡故障容錯設的重要意義和基本理念。

【關鍵詞】計算機；網絡可靠性

一、研究背景

隨著互聯網技術的進一步發展，軟硬件制造技術的提高，目前為止，計算機網絡技術幾乎各行各業都扮演著極為重要的角色。而隨著應用范圍的進一步擴大，人們對計算機網絡的依賴程度也越來越高。因此，一旦計算機網絡技術出現漏洞、故障甚至是崩潰，則會對用戶的生活產生極大的影響。所以計算機網絡的可靠性是十分重要的。舉例來說，加入在金融領域中，計算機網絡技術發生了較大的問題，導致網絡癱瘓。則會導致一個投資銀行的倒閉。在現實生活中也有很多類似問題導致業績下降的例子，例如推特網在一段時間內故障頻發，導致用戶體驗度下降，從而給競爭對手白白送去了很多用戶流量。所以，在現今網絡社會中，計算機網絡技術的可靠性是尤為重要的，它不僅包含著用戶提現的問題，更是商家賴以生存的命脈之一。

二、網絡可靠性研究發展概況

早在20世紀60年代中期就有研究人員開始研究電信交換網絡，其中發現，一旦網絡出現了故障就會使得整個交換網的傳輸總量大大下降，引起整個信號網的堵塞，從而誘發網絡癱瘓，造成用戶體驗大幅度下滑，經濟損失巨大。研究人員將此類故障命名為鏈路故障，并且引入了網絡可靠測度的概念，其中是以連通性作為衡量的標準。

隨著計算機網絡技術的進一步發展，20世紀70年代，美國國防部也開展了大量的關于計算網絡可靠性的研究，并且在這個領域中投入了大量的人力物力和財力，引起了學者的廣泛關注，越來越多的人投入到這一領域的研究之中，并且獲得了豐碩的成果。在這一時期，網絡可靠性研究的主要內容研究還是網絡的連通性。并且給出了網絡連通性的定義和標準。隨后不少研究人員都提出了很多新的實用性強的理論。

至此到80世紀，計算機軟硬件技術的快速發展，使用人員和計算機數量暴漲，網絡負載急劇增大，流量也翻了多倍，研究人員發現，就算是網絡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。網絡擁堵、延時和崩潰的情況時有發生，從而導致部分功能無法正常使用。因此在這一時期研究人員將研究重點從網絡連通性轉移到了可靠性上。

之后從90年代一直到今天，計算機的普及和研究熱潮的到來，網絡可靠性的研究已經成為了計算機領域的熱點之一。并且與計算機相結合的很多領域，例如：電力、金融、物流等都開始研究相關網絡可靠性問題。

三、網絡可靠性評估辦法

研究人員定義可靠度為：產品在給定時間內，給定條件下完成所需功能而不出現失效的概率。目前來說，Ball將網絡可靠度計算定義為NP難題。隨著研究的進一步深入，目前關于此類的算法有兩種：近似算法和精確算法。

（一）網絡可靠性評估的近似算法

網絡可靠性的近似算法適合于大中型網絡，顧名思義，在計算的時候犧牲了計算的精度，為的是減少計算量提高運算速度。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絡的上下邊界值來近似的求解出網絡的可靠度的。圖形變換法是按照一定的規則簡化網絡之后再進行可靠度的計算。經典的變化規則有-Y簡化規則、串并聯簡化規則、多邊形鏈簡化規則和三角形簡化規則。一般來說圖形變換法只適用于具有特殊結構的網絡。目前學者研究較多的就是近似算法，因為近似算法可以用于大中型網絡的可靠度計算之中。目前大家的研究的重點就在如何能夠提高計算精度并且還不降低計算的速度上面。

（二）網絡可靠性評估的精確算法

上文已經介紹了，網絡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：狀態空間分解法、因子分解法、狀態枚舉法、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絡上，大型網絡負荷數據量過大，不適合精確算法。本節對著狀態枚舉算法和容斥原理算法進行概述。

首先介紹一下狀態枚舉法。狀態枚舉法是在上世紀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行網絡可靠度的計算。因此這類方法只是比較適合小型網絡，因為隨著網絡鏈數目只增加，互斥事件的數目將會急劇增長，所以此類方法計算量巨大，平時不使用。

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個不可分割的集合，再除去相交部分，其中不可分割的集合中包括著一些網絡鏈路。次累計和不可分割，且無重復部分并且進行拆減之后就不是最小集合。一個集合必須對應的是網絡的一個工作狀態（正?；蛘吖收希４祟惙椒ㄒ仓皇怯糜谛⌒途W絡的計算中。

四、網絡故障容錯設

網絡可靠度再高，可難免會出現一些問題，導致工作路徑時效。因此為了保證在故障情況下能夠將損失降到更低，不少研究人員也開始對故障容錯系統進行設計，保證在路徑失效的情況下，可靠度也能達到一定的閾值，這對網絡安全保證工作有著極為重要的意義。一般來說容錯技術有以下兩大類：重路由容錯和備用路徑容錯。其中重路由容錯指的是將正常公祖的路徑通過路由協議進行傳導，保證在故障發生時，數據也可以有效的傳遞。備用路徑容錯指的是，在現有路徑發生故障時將該故障路徑的數據交由另一路徑進行傳輸，此類方法可靠性高。

五、結語

隨著計算機網絡技術在生活中的不斷普及和深化，用戶在使用時越來越注意自身的體驗，因此網絡可靠性的保障就成了一個重中之重?，F今已經有很多學者將自己的精力放在這一領域，相信隨著時間和技術的不斷發展，網絡可靠性研究也會更加的深入、快捷和精確。

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