基于遺傳算法的計算機網絡改進設計研究

馮建云

（山西建筑職業技術學院 山西省晉中市 030600）

隨著科技的進步，計算機網絡體系不斷更新。計算機網絡規模擴大及電力網絡等各種網絡普及，對網絡可靠性提出更高的要求。信息網絡技術發展成為結構化發展的先決條件，計算機網絡在一些重要領域應用廣泛。信息網絡可靠性是提高網絡質量的重要評判標準，利用程序優化能降低網絡造價。計算機網絡可靠性由外界環境可靠性與工作人員可靠性等構成，目前我國計算機網絡穩定性研究基于電信信號網絡交換研究，利用電信信號傳輸實現容量改變，但可靠性對線路要求較高，后期網絡故障率提高，在評價體系中實現網絡優化設計，隨著智能優化方案數量增多，利用優化手段對遺傳算法進行優化形式得到應用，實現網絡整體優化。

1 計算機通信網絡可靠性概述

計算機網絡由網絡終端、節點線路及計算機組成，廣義的計算機網絡分為用戶終端模塊及交換模塊，計算機網絡通過通信鏈路將不同區域計算機連接，實現資源共享。各種應用為軟件模塊負責實現計算機終端功能[1]。計算機網絡可靠性量化稱為可靠度，可靠度評估是NP 的難題，精準計算方法主要有狀態空間分解法等，通常用于中小型脫貧結構網絡，近似計算法是兼顧計算精度采用的折中方法，為減低差錯保證信息傳輸完整性，對計算機網絡可靠性建模需考慮影響因素。良好的故障容錯技術可以保障網絡可靠性。計算機網絡組成如圖1 所示。

計算機通信網絡是將不同地域的計算機，通過交互設備完成特定功能復雜網絡系統。計算機網絡是為計算機相互通信提供的路徑，通信子網負責計算機通信網絡信息傳遞。計算機網絡固有結構決定計算機通信網絡的特征，包括分布跨度較大；通過通信設施執行信息交換。廣義的計算機通信網絡分為用戶設備、傳輸交換設備[2]。計算機通信網絡拓撲結構是通信網絡骨架，計算機網絡拓撲結構要求便于網絡建設施工，適應建筑物通信環境，滿足用戶通信需求，具有網絡局部擴展能力等。

計算機通信網絡可靠性是系統工程科學。國內外有關學者將其測度歸納為網絡生存性、連通性等。計算機網絡基礎節點要為用戶終端提供可靠鏈路。計算機網絡連通性用可靠度衡量。計算機通信網絡保持連通的能力為可靠性。反映拓撲結構支持通信網絡運行能力。網絡完成規定功能概率為可靠度。

2 計算機網絡通信可靠性遺傳算法分析

計算機網絡可靠度傳統精確算法是對網絡模型簡化處理，應用相關輪求解計算。傳統精確算法包括不交和算法等。容斥原理算法是完全狀態枚舉法基礎上發展。只能解決規模較小的計算機網絡[3]。智能算法適用于復雜計算機通信網絡可靠度計算。目前流行的智能算法有遺傳蘇阿帆、蟻群算法、神經網絡方法等。

遺傳算法是借鑒生物界自然選擇思想的全局隨機搜索算法，把可能解視為種群個體，算法在種群空間隨機搜索，不斷使用選擇較差遺傳算子，產生最優解。GA 基本內容包括種群初始化、適應函數設計等。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 控制參數包括交叉率及其他GA 參數。遺傳算法相比傳統算法特點體現在操作對象為參數編碼，避免約束條件限制；有效防止搜索過程收斂于局部最優。

圖1：計算機網絡組成

遺傳算法數學表達式為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 為選擇性復制；T 為最終算法結果。T=0 表明非最優解[4]。遺傳算法具有不易陷入局部最優循環的優點，在解決多局部極值優化時成為首選方法。但優化過程緩慢，計算機網絡可靠性優化需要對遺傳算法改進，使其在與其他優化算法銜接同時保持初始解分散性。傳統繁殖過程為nti=（fti|ft）λ，fti 為適應性評估評價函數值，傳統繁殖過程淘汰率低，影響算法流暢性。傳統繁殖中加入競爭機制，可以提高算法流暢性。改進繁殖過程為{nti=(fti/fwt)λ，

3 計算機通信網絡可靠設計分析

科研人員總結許多計算機網絡設計經驗，規范通信網絡可靠性優化設計。計算機通信網絡構建要遵循國際標準，堅持先進性與實用性結合等原則。采用開放式計算機通信網絡體系結構，具有較強的擴展升級能力；保證網絡系統正常運行；計算機通信網絡可管理性強，保護現有計算機通信網絡投資，合理調配已成熟網絡操作系統軟件；選擇較好的絡鏈路介質，網絡具有較快響應速度。

提高計算機網絡可靠性有效方案是提高系統容錯性，縮短計算機網絡故障持續時間[5]。需采用冗余措施提高網絡容錯能力。避免計算機通信網絡癱瘓，影響計算機網絡容錯能力因素包括網絡中心樞紐設備容錯方式等。計算機網絡容錯設計原則為雙網絡中心，要求采用并行計算機網絡方法，計算機網絡設計采用具有模塊化結構的網絡設備，提高系統長時間連續工作能力；網絡服務器采用新技術，增強服務器容錯性等。網絡管理軟件容錯設計，采用具有容錯功能網絡操作系統實現。

計算機通信網絡雙網絡冗余性設計是增加設備用網絡，實現計算機網絡容錯，各網絡結點通過雙網絡連接，通過雙網絡發送消息。雙網絡可同時傳輸數據，某些原因造成網絡斷開，物理硬件設施保證計算機網絡可靠性。計算機網絡要有先進的網絡層次結構，采用正確合理的網絡層次結構設計，才能充分發揮先進網絡設備高性能[6]。隨著計算機網絡通信技術迅速發展，分布式網絡服務移至用戶級，網絡多層設計是模塊化，由于多層網絡結構具有確定性，在擴展中進行故障查找等維護工作易于操作。計算機通信網絡利用網絡第三層業務功能，減少配置不當引起網絡問題。計算機通信網絡多層結構對網絡故障隔離，多層模式使通信網絡移植更加簡單，對以往計算機通信網絡具有很好兼容性。

4 計算機通信網絡可靠性影響因素分析

計算機通信網絡可靠性影響因素包括網絡設備，網絡拓撲結構等。網絡設備包括用戶設備與傳輸交換設備，是計算機通信網絡可靠性的關鍵。維護要確保用戶終端可靠，如安裝兩塊網卡可靠性高。服務器包括數據服務器、Web 服務器等，其可靠性影響計算機網絡可靠性。

大型計算機網絡由不同廠商網絡產品構成，要降低信息丟失率，提高網絡可靠性，要進行實時采集網絡運行參數。計算機網絡通信設計中，注意合理選擇網絡管理軟件。要求網絡管理軟件遵循標準網絡管理協議，與其他網絡管理軟件進行管理信息交換。可以隨時監控網管理網絡，為網絡管理維護提供依據。為保證計算機通信網絡運行，要加強對計算機通信網絡應用人員培訓，為防止人為操作失誤，可運用行政措施確保計算機網絡正常運行[7]。計算機網絡拓撲結構為通信網絡規劃問題，不同應用領域的計算機網絡通信需具有不同網絡拓撲結構，分析計算機網絡拓撲結構的影響是研究核心，互聯網絡拓撲結構是計算機網絡部件主要連接方式，計算機通信設計者提出許多網絡概念，如限制連通度，限制容錯直徑等，準確度量計算機通信網絡可靠性。

實際工作中人們經常需要使多個目標最佳優化，如涉及新產品要考慮其制造成本最低，及產品可靠性等，設計目標改善可能相互抵觸，需要在設計目標中折中。目標分為總目標與子目標，希望多目標優化子目標同時達到最優值較為困難，只能使各子目標函數達到最優。多目標優化問題Pareto 解構成集合為Pareto 曲面，計算機網絡可靠性優化設計是NP-hard 組合問題，包括極大化網絡可靠度，極小化投資成本，反映網絡可靠性優化問題具有片面性，需要對二者追求目標進行折中處理。目前國內外網絡可靠行單目標優化問題研究較少，在網絡可靠行多目標優化有待深入研究。

5 基于遺傳算法的計算機網絡優化設計

遺傳算法在基于網絡可靠性中常用于解決多個局部極值優化問題，尋求最優解可能較為漫長，需要對遺傳算法改進，如引入競爭繁殖可以與其他優化方法銜接，使遺傳算法借機長編碼問題更高效?；谶z傳算法的計算機網絡優化設計要對計算機網絡拓撲結構合理選擇，選擇開放性網絡體系結構，對網絡系統優化配置。根據計算機網絡特點，信息處理需要采取先來后到順序，構建可靠性的網絡優化數學模型。計算機網絡通暢有M 條待選鏈路與N 個節點，各種問題以編碼形式描述，需要進行網絡中隨機待選鏈路的選擇，遺傳算法搜索N 個節點，N-1 條鏈路組成完整網絡。

構建數學模型將網絡拓撲設為A(S,D),D 為鏈路集合，成本計算公式為|S|=n,max|E|=n（n-1）/2.解集為（X12,X13…，Xln,X23,…X2n,…X(n-1）,構建數學模型T(X)≥Tmin(X),Tmin(X)為優化設計滿足可靠性要求；需保證網絡連接通暢，鏈路成本最低。對網絡進行優化設計，利用二進制方法編碼初始群體；對種群個體成本計算，以f(x)=(x-1)/(Ps-1)為適值函數。將小概率種群基淘汰；利用改進后遺傳算法實施網絡節點優化，進行迭代計算保障網絡可靠性最優解出現。

計算機網絡優化設計中，以通過遺傳算法得到更高精度的搜索方式，需要立足計算機網絡中主要問題解決，提高網絡搜索效率。利用遺傳算法搜索優化需要將搜索精度作為關鍵評價標準。遺傳算法具有易于操作等優點，但易局限于局部最佳優化，需要通過對搜索方式優化提升遺傳算法搜索速度。由于遺傳算法通用性強，可與其遺傳算法有效結合，利用二者進行鄰域解對比，在運行中不斷搜索優化解。網絡節點進制表如表1 所示。

表1：網絡節點進制表

計算機網絡包含若干節點，如何對網絡優化設計是解決問題的關鍵。二進制編碼規則簡單，采用二進制編碼進行網絡節點基因描述，為研制計算機網絡可靠度優化設計效果先進性，基于改進遺傳算法，模糊神經網絡算法對比，最大迭代次數為100，計算機內存為32GB，采用Win7 操作系統。網絡系統可靠度隨著遺傳算法迭代次數增加提高，網絡可靠度提高受制于硬件因素趨于平緩。在隨著迭代次數變化中，總體呈現相反情況，成本不斷降低，迭代次數增加，成本降低蘇打綠呈現趨于穩定情況。迭代數量控制在65，對成本的影響可忽略。要通過其他手段對網絡優化，遺傳改進算法中，采用滿意度函數，通過強化適宜性函數優點，保證成本回歸多樣性。利用容斥原理計算網絡提高網絡穩定性，充分發揮網絡優化優勢，在不斷迭代中尋求最合理優化成本，保證數據鏈的完整性，不斷對計算機結果校核。

6 結語

隨著網絡通信的發展，鏈路容量不斷提高，網絡可靠性問題日益重要。計算機網絡可靠性對計算機系具有重要影響，通過優化計算機網絡可靠性設計，可以使計算機系統穩定運行。本文分析計算機網絡可靠性因素，優化設計計算機網絡可靠性，利用遺傳算法具有方便快速得到系統整體最優解特征，解決系統不流暢等問題，通過實驗仿真得出對網絡可靠性優于其他算法。隨著計算機網絡的發展，要求相關人員探索遺傳算法網絡優化設計中的作用，提升計算機網絡可靠性。