程林鋼

摘要：針對當前網(wǎng)絡可靠性不斷受到挑戰(zhàn)的問題，該文對提高網(wǎng)絡可靠性的方法進行了研究。首先描述了網(wǎng)絡理論、網(wǎng)絡可靠性，對網(wǎng)絡可靠性的影響因素進行了分析；其次對網(wǎng)絡可靠性進行了優(yōu)化，論述了網(wǎng)絡可靠性優(yōu)化的原則和網(wǎng)絡可靠性優(yōu)化的算法；最后對網(wǎng)絡可靠性技術進行了分析，描述了網(wǎng)絡可靠性的BFD和OAM兩種方法。該文對于網(wǎng)絡維護人員和科研人員都具有一定的積極作用。

關鍵詞：網(wǎng)絡；可靠性；協(xié)議

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2014）28-6611-03

隨著網(wǎng)絡通信技術的不斷提高，依賴互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務越來越多，其功能日益增強，使得網(wǎng)絡的可靠性成為一切業(yè)務正常開展的基礎。隨著互聯(lián)網(wǎng)覆蓋的區(qū)域范圍越來越大，工作、學習、生活等各方面都有著網(wǎng)絡的影子，一旦網(wǎng)絡出現(xiàn)故障或大面積的癱煥，那么將會對該地區(qū)的經(jīng)濟、文化、環(huán)境、政治等造成巨大的影響。因此，提高計算機網(wǎng)絡的可絡可靠性是十分必要的。

1 計算機網(wǎng)絡可靠性

1.1 網(wǎng)絡理論

現(xiàn)在網(wǎng)絡已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪械囊徊糠?，但對于網(wǎng)絡的定義，到目前為止卻沒有一個統(tǒng)一說法。結合相關文獻，對網(wǎng)絡定義總結為：分布在不同區(qū)域的獨立計算機通過各種通信線路、交互設備及網(wǎng)絡協(xié)議能夠進行通信的系統(tǒng)。

計算機網(wǎng)絡主要有三部分組成，一是網(wǎng)絡軟件，主要由計算機操作系統(tǒng)、網(wǎng)絡管理軟件、網(wǎng)絡協(xié)議及應用軟件等組成；二是傳輸或交換設備，主要由通信線路、路由器、交換機及集線器等組成；三是用戶設備，主要由服務器和客戶端組成。

1.2 網(wǎng)絡可靠性

網(wǎng)絡不斷發(fā)展的過程中，網(wǎng)絡的可靠性方面研究一直伴隨著技術的革新不斷成長，已經(jīng)由單一的技術變成了一門系統(tǒng)性的科學課程。根據(jù)國內(nèi)外學者的研究分析，將網(wǎng)絡的可靠性的度量從四個方面進行分析，分別是計算機網(wǎng)絡的生存性、連通性、有效性和抗破壞性。

網(wǎng)絡可靠性的定義是指在規(guī)定的時間（N個小時、一個月、一季度等）內(nèi)，在特定的工作環(huán)境（溫度、濕度、操作方式、輻射、負載等）下，網(wǎng)絡能夠滿足業(yè)務正常工作的通信要求。

1.3 網(wǎng)絡可靠性的影響因素

網(wǎng)絡的可靠性影響的因素比較多，概括起來主要有以下幾種：

1） 網(wǎng)絡設備的影響

網(wǎng)絡設備主要有用戶設備和傳輸交換設備。其中用戶設備是網(wǎng)絡的終端，要保障網(wǎng)絡的可靠性，最重要的就是保障用戶設備的可靠性，如果用戶設備出現(xiàn)故障，那么網(wǎng)絡的應用就無從談起。用戶設備的性能越強，網(wǎng)絡可靠性就會越高。例如，服務器端有兩臺服務器，一臺作為主服務器，另一臺作為備用服務器，當主服務器出現(xiàn)故障時，備用服務器立刻投入使用，雖然所花費的成本會高一點，但是網(wǎng)絡的可靠性卻得到了充分的保障；傳輸交換設備關系到網(wǎng)絡之間的連通性，在傳輸系統(tǒng)里，布線工作是一個巨大而艱難的工程，當線路出現(xiàn)問題，在復雜的網(wǎng)絡環(huán)境里，很難發(fā)現(xiàn)哪一條線路出現(xiàn)的問題，需要花費較大的代價。另外網(wǎng)絡交換設備將不同區(qū)域的計算機有機地聯(lián)系在一起，當交換設備出現(xiàn)故障時，網(wǎng)絡之間的通信將中斷。其中集線器主要用于連接用戶設備，交換機用于連接區(qū)域網(wǎng)絡，路由器用于廣域網(wǎng)與局域網(wǎng)之間的連接。每個交換設備都有其自身的作用，當選擇的設備性價比越高，其網(wǎng)絡的可靠性也越高。

2） 網(wǎng)絡拓撲結構的影響

在對網(wǎng)絡進行規(guī)劃時，網(wǎng)絡拓撲結構是不得不考慮的重要問題，網(wǎng)絡拓撲結構也是影響網(wǎng)絡可靠性的重要因素之一。在不同的工作環(huán)境、應用領域、網(wǎng)絡規(guī)模下其網(wǎng)絡拓撲結構也是不同的。網(wǎng)絡拓撲結構是網(wǎng)絡各個設備之間的連接方式，當前網(wǎng)絡的拓撲結構主要有：總線型、環(huán)型、星型和網(wǎng)狀型。其中網(wǎng)狀拓撲結構比較復雜，但可靠性相對較強，當某一設備發(fā)生故障時，并不會影響其他設備的正常工作。在大規(guī)模的網(wǎng)絡結構設計中，一般采用網(wǎng)狀拓撲結構。網(wǎng)絡拓撲結構如圖1所示。

3） 網(wǎng)絡管理的影響

當前，一個區(qū)域很難由一家網(wǎng)絡設備企業(yè)提供所有的產(chǎn)品，網(wǎng)絡規(guī)模越大，所使用的品牌和設備種類就越多，為了保障網(wǎng)絡的可靠性，減少誤碼率和故障發(fā)生率，在設備無法進行統(tǒng)一的情況下，就需要運用科學的網(wǎng)絡管理手段來進行網(wǎng)絡維護。在進行網(wǎng)絡管理中，需要從兩方面入手，一是選擇合適的、科學的網(wǎng)絡管理軟件，看是否滿足該區(qū)域網(wǎng)絡的基本功能需求；二是針對當前網(wǎng)絡用戶及其相關人員制定相應的管理條例和制度，加強對技術人員的培訓，使之養(yǎng)成良好的網(wǎng)絡操作習慣。

2 網(wǎng)絡可靠性的優(yōu)化

2.1 網(wǎng)絡可靠性優(yōu)化的原則

為了提高網(wǎng)絡的可靠性，需要對網(wǎng)絡可靠性進行優(yōu)化處理。在長期的網(wǎng)絡可靠性管理中，科研人員和網(wǎng)絡管理人員積累了大量的經(jīng)驗，為我們進行網(wǎng)絡可靠性優(yōu)化提供了很好的借鑒。其優(yōu)化的原則是：

1） 遵循國際標準

網(wǎng)絡是開放的系統(tǒng)，但系統(tǒng)并不是隨心所欲，由某個企業(yè)自己隨意定制規(guī)則，而是在開放的網(wǎng)絡體系結構的大框架下，進行功能的擴展及升級。

2） 保持先進性

對網(wǎng)絡可靠性進行優(yōu)化，要著眼于未來，采用落伍的技術不僅不能使網(wǎng)絡的可靠性得到提高，相反還增加了更多的漏洞，給不法分子提供可趁之機。

3） 有較強的冗余能力

網(wǎng)絡的冗余一方面代表著需要投入更多的資金和人力，另一方面也是對網(wǎng)絡可靠性的有力保障，以便于系統(tǒng)在發(fā)生故障時，后備的資源能夠第一時間進行補充，保障整個網(wǎng)絡的平穩(wěn)運行。

4） 較強的互通能力

網(wǎng)絡終端之間進行通信，要盡可能地提高主干網(wǎng)絡的帶寬，提高設備之間的響應速度，另外還需要盡可能地支持更多地網(wǎng)絡協(xié)議。

5） 可管理性強

在設備的管理方面，應選擇具有管理性能強的網(wǎng)絡管理軟件和設備。

6） 資源利用合理

網(wǎng)絡的建設投入的資金總是有限的，充分利用當前的網(wǎng)絡資源，選擇合理的網(wǎng)絡拓撲結構、網(wǎng)絡布線、網(wǎng)絡操作系統(tǒng)和應用軟件等。

2.2 網(wǎng)絡可靠性的設計

要提高網(wǎng)絡的可靠性，其中非常重要的一點就是提高網(wǎng)絡的容錯性。當網(wǎng)絡中的某一點出現(xiàn)故障時，有其他的設備迅速補充，保障該故障點無縫工作。在網(wǎng)絡可靠性的設計過程中，一方面利用新的技術和設備，另一方面還要考慮現(xiàn)有設備的利用，使設計的網(wǎng)絡可靠性提高的同時，具有較強的兼容性。

網(wǎng)絡可靠性的設計，采用多層網(wǎng)絡結構的思想，應用最廣泛的是三層結構，分別是接入層、分布層和核心層。其設計如圖2所示。

接入層是網(wǎng)絡的起點，通過過濾的方式對網(wǎng)絡流量和用戶的準入進行控制，在該層的主要功能是為網(wǎng)絡終端提供通信服務。

分布層位于網(wǎng)絡三層的中間，將接入層和核心層有效的分隔開來，其主要功能是VLAN的聚合、確定聯(lián)網(wǎng)方式、接入工作組、網(wǎng)絡鏈路介質(zhì)的轉換和識別。

核心層是網(wǎng)絡的主干，其主要功能是連接交換區(qū)、最大能力地進行數(shù)據(jù)包或數(shù)據(jù)幀的交換及訪問其他服務等。

隨著技術的進步，社會上越來越多的網(wǎng)絡產(chǎn)品出現(xiàn)，在進行網(wǎng)絡可靠性設計時，要根據(jù)需求目標選擇合適的網(wǎng)絡設備。

2.3 網(wǎng)絡可靠性的算法優(yōu)化

自上個世紀遺傳算法被提出以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，已經(jīng)成為當前解決復雜問題優(yōu)化的最有效方法。其求解過程采用“適者生存”的方式，對空間中的“染色體”不斷地進行交叉、復制及變異等操作，使得不斷進化，最終求得最優(yōu)解。

利用遺傳算法的流程對網(wǎng)絡可靠性進行優(yōu)化分析，得出網(wǎng)絡鏈路成本與網(wǎng)絡可靠性曲線之間的關系。其過程如下所示：

1） 基因表達

利用二進制編碼的方法，對整個網(wǎng)絡中的N個結點進行表達。

2） 選擇適值函數(shù)

對網(wǎng)絡中的結點進行成本值估算，最小值為1，最大值值為max，其適值函數(shù)為：

[f（x）=（x-1）/（max-1）] （1）

其中x為個體在群體排序后的位置，0≤x≤max。

3） 選擇、交叉運算

對每個基因的選擇其概率采用公式2，選中的概率與適值成正比。

[Pk=fk/j=1maxfj] （2）

在[1，N]之間隨機選擇進行交叉運算，需要注意的是，每次只能對某一結點進行操作。

4） 調(diào)整

當經(jīng)過運算后的結點無法準確地表達出原來的網(wǎng)絡拓撲結構時，對其進行調(diào)整，保證其網(wǎng)絡的連通。

5） 結束運算

遺傳算法不可能永遠不斷地運算下去，其結束條件采用比較多的是設定最大的遺傳操作迭代數(shù)，其進化的程度則由最大適應值和平均適應值來管理。

3 IP網(wǎng)絡可靠性技術

當前，IP網(wǎng)絡成為互聯(lián)網(wǎng)的主流，IP網(wǎng)絡可靠性技術主要包含IP網(wǎng)絡保護倒換技術和IP網(wǎng)絡故障檢測技術兩個方面。IP網(wǎng)絡保護倒換技術的基礎是鏈路冗余，其標準時間為50ms，其代表為BFD技術；IP網(wǎng)絡故障檢測技術是以OSI網(wǎng)絡參考模型為基礎，在OSI模型的每一層面上都有故障檢測機制，其主要模式有異步模式、回聲模式和查詢模式三種。

3.1 BFD技術

BFD類似于簡單的“hello”協(xié)議，每對終端在他們通道上周期性地發(fā)送BFD包，在規(guī)定的時間內(nèi)假如沒有收到相應的BFD包，那么就認為該網(wǎng)絡線路上出現(xiàn)了故障，此時，就需要對線路進行檢查。有時在網(wǎng)絡比較暢通的情況下，為了減少不必要的負載，終端之間進行協(xié)商，可以停止BFD包的發(fā)送。BFD包的格式如圖3所示。

需要注意的是，BFD采用的異步模式發(fā)送BFD包，系統(tǒng)周期性地發(fā)送BFD包，當?shù)谝粋€包丟失時，系統(tǒng)并不會第一時間察覺，只有連續(xù)的丟失BFD包時，系統(tǒng)才會發(fā)現(xiàn)線路出現(xiàn)了故障。

3.2 OAM

OAM（Operation、Administration、Maintenance）是根據(jù)運營商的實際需要而對網(wǎng)絡管理工作的劃分。OAM機制是每個運營商都必須要做到的網(wǎng)絡技術。

以太網(wǎng)的故障管理的功能主要有：環(huán)回檢測功能、連續(xù)檢測功能、告警指示功能和鏈路跟蹤功能等。

環(huán)回檢測功能主要是檢測遠程設備與本設備之間的連接狀態(tài)，通過發(fā)送一個請求消息和應答消息的模式來進行實現(xiàn)。

連續(xù)檢測功能主要是檢測網(wǎng)絡終端之間數(shù)據(jù)流是否正常，這是OAM的基本功能。以定時發(fā)送Hello進行驗證，假如在規(guī)定時間內(nèi)沒有收到遠程設備的消息，則認為設備之間的網(wǎng)絡狀態(tài)出現(xiàn)了問題。

告警功能主要是發(fā)現(xiàn)服務層的故障后，將故障通告給客戶層。其故障的傳播是由下向上，中間向兩邊擴散。

鏈路跟蹤功能主要是進行故障定位和檢測鄰接關系。

4 小結

本文對計算機網(wǎng)絡的可靠性進行了分析，由于本文的篇幅所限和網(wǎng)絡可靠性工程的浩大，對于網(wǎng)絡協(xié)議和網(wǎng)絡故障具體原因并沒有給出明確的解釋，希望對此感興趣的讀者，在此基礎上，進一步的研究。

參考文獻：

[1] 徐仁佐，謝曼，鄭人杰.軟件可靠性模型及應用[M].北京：清華大學出版社，1994.

[2] 張文，楊紅霞.網(wǎng)絡互連設備[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[3] 趙莉萍.基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡的綜合評判方法研究[J].預測，1998（13）：54-56.

[4] 陳利兵. BFD 技術在 IP 承載網(wǎng)中的應用[J].現(xiàn)代電信科技，2008（1）：61-64.