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網(wǎng)絡(luò )系統可靠性的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)論文
一、網(wǎng)絡(luò )系統可靠性指標體系
根據可靠性的定義：在規定的時(shí)間和規定的條件下，系統完成規定功能的能力。它是一種能力體現，而這種體現是基于系統本身的結構、行為和管理或過(guò)程控制而形成的。一些學(xué)者從應用角度出發(fā)，提出針對特定網(wǎng)絡(luò )系統的網(wǎng)絡(luò )可靠性指標體系。如針對軍事通信網(wǎng)絡(luò )，以抗毀性、生存性來(lái)衡量網(wǎng)絡(luò )的可靠性；針對民用通信網(wǎng)絡(luò )，則以網(wǎng)絡(luò )的完成性來(lái)衡量網(wǎng)絡(luò )的可靠性；針對電力網(wǎng)絡(luò )系統，則以生存性、抗毀性來(lái)衡量。因此網(wǎng)絡(luò )系統可靠性需考慮以下幾個(gè)方面：①網(wǎng)絡(luò )系統的行為描述；②網(wǎng)絡(luò )系統的交互；③網(wǎng)絡(luò )系統的功能結構；④網(wǎng)絡(luò )系統的故障傳播。
二、網(wǎng)絡(luò )系統故障定義
網(wǎng)絡(luò )系統的故障一般可分拓撲結構故障和性能故障。拓撲結構故障即為鏈路或節點(diǎn)失效所導致的兩節點(diǎn)之間不存在路由；性能故障則從用戶(hù)角度出發(fā)，網(wǎng)絡(luò )無(wú)法提供正常的通信服務(wù)的問(wèn)題集合。對于拓撲結構，網(wǎng)絡(luò )存在2m種狀態(tài)，m為鏈路與節點(diǎn)總數；對于網(wǎng)絡(luò )性能，網(wǎng)絡(luò )不同時(shí)刻，其性能狀態(tài)不一樣。不同的使用環(huán)境(民用、軍用、數據實(shí)時(shí)性要求、數據可靠性要求等)，對網(wǎng)絡(luò )所能忍受的閾值不一樣。如圖1所示網(wǎng)絡(luò )系統，其中S1和S2為客戶(hù)端，T為服務(wù)器端，P1一P4為交換、路由設備。鏈路編號分別為1～8當客戶(hù)端S1與終端T進(jìn)行數據傳輸時(shí)，假設1—3-7為優(yōu)先路由。當鏈路3上的數據量超出鏈路負載時(shí)，則會(huì )自動(dòng)選擇鏈路5進(jìn)行數據傳輸，而此時(shí)的鏈路3繼續工作，只是它是滿(mǎn)負載工作。因此，在定義網(wǎng)絡(luò )系統故障定義時(shí)，不僅需要考慮網(wǎng)絡(luò )的功能、結構，也需要考慮系統所承載的關(guān)系流。
三、網(wǎng)絡(luò )系統可靠性分析
1、利用重正化理論開(kāi)展網(wǎng)絡(luò )系統可靠性分析
重正化理論是諾貝爾獎獲得者KGWilson于1974年提出的。該理論可應用于復雜網(wǎng)絡(luò )的可靠性分析，分析網(wǎng)絡(luò )中某些節點(diǎn)被破壞，網(wǎng)絡(luò )能否保持工作的問(wèn)題，也就是網(wǎng)絡(luò )的彈性問(wèn)題。例如：金屬和絕緣體構成的薄膜中，由許多細小的格子組成，金屬可在不同程度上占有格子，隨著(zhù)金屬在薄膜中所占格子的比率P的逐漸增大，到某一臨界值Pc時(shí)，薄膜將成為導體最低一行表示薄膜中的4個(gè)格子，圓圈表示被金屬占有，第二行的箭頭表示重正化，最上一行表示重正化為一個(gè)格子。如果在4個(gè)格子中�？v橫方向均被金屬占有，如最低一行左端的兩個(gè)，則這4個(gè)格子縱橫均導電，故重正化后的格子中也有金屬點(diǎn)，如果被占格子只有2個(gè)或少于2個(gè)，則縱橫方向不能同時(shí)導電，重正化后的格子中將沒(méi)有金屬。假設重正化前，金屬占有一個(gè)格子的概率為P，重正化后金屬占有一個(gè)格子的概率為P1，則4個(gè)格子同時(shí)被金屬占有（圖2中最左邊的4個(gè)格子)的概率為p4，金屬占有3個(gè)格子將有4種情況：概率之和為4p3(1-p)。4個(gè)格子或3個(gè)格子被占，超格子也被占。故有p1=p4+4p3(1-P)。因此，設對應于臨界情況的P記為Pe，則Pe=Pe4+4Pe3（1-Pe）計算出Pe=0.768，這與實(shí)驗值Pe=0.752較吻合。
2、應用信息熵理論開(kāi)展網(wǎng)絡(luò )系統可靠性分析
當前的網(wǎng)絡(luò )研究已經(jīng)發(fā)現，網(wǎng)絡(luò )拓撲結構對于網(wǎng)絡(luò )上的傳播、逾滲、級聯(lián)動(dòng)力學(xué)、交通流與信息流、混沌同步與控制、Ising模型、XY臨界模型、量子擴散與量子響應、布爾動(dòng)力學(xué)等都有非常顯著(zhù)的影響。反過(guò)來(lái)，這些模型也可以為復雜系統的可靠性分析工作，提供技術(shù)參考。因此，當前受到特別關(guān)注的一個(gè)研究方向是復雜網(wǎng)絡(luò )上的信息流動(dòng)力學(xué)研究。有研究發(fā)現：www網(wǎng)復雜，具有長(cháng)程時(shí)間相關(guān)性，發(fā)生信息擁塞的原因可能是因為信息包在某些節點(diǎn)度很大的中樞節點(diǎn)上等待過(guò)多的時(shí)間。為更好地理解復雜系統的信息流動(dòng)力學(xué)在網(wǎng)絡(luò )的可靠性分析上的應用，這里以某城市的水管網(wǎng)絡(luò )系統可靠性分析為例進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹：假設度量水流對路徑選擇不確定性程度的信息熵稱(chēng)為路徑熵，通常水流總是選擇流通阻力最小的路徑，因此，水流對路徑選擇的不確定性，本質(zhì)上是由于各條路徑的流動(dòng)阻力不同，所以，路徑熵反映了給水管網(wǎng)中各流通路徑的水力性能。根據最大熵原理，導出最大路徑熵計算模型為：節點(diǎn)j的最大熵為Sj=InNpj，Npj為水源至節點(diǎn)j的總路徑數。給水管網(wǎng)的最大路徑熵與其拓撲結構密切相關(guān)最大熵代表系統潛在的最大可靠性。實(shí)際路徑熵與最大路徑熵的比值稱(chēng)為相對路徑熵,計算公式為Ej=Sj/Sjmax(0≤Ej≤1)E為節點(diǎn)的相對路徑熵Sj為節點(diǎn)j的實(shí)際路徑熵；Sjmax為該點(diǎn)的最大路徑熵。當節點(diǎn)只有一條路徑時(shí)，其相對路徑熵為0。該小區給水管網(wǎng)絡(luò )共159個(gè)管段，104個(gè)節點(diǎn)。供水量為11948t／h。采用EPANET2.0對該網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行水力模擬，計算節點(diǎn)及系統相對路徑熵值并繪制節點(diǎn)等相對熵線(xiàn)，系統的相對熵值計算結果為0.686726。改進(jìn)后，系統相對熵值為0.721666，系統性能得到改善。由此可知，給水管網(wǎng)絡(luò )系統中的流動(dòng)不確定性與可靠性密切相關(guān)，信息熵作為量度不確定性的手段，可間接定量地反映系統的可靠性。
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