由睿鵬

（黑龍江省軍區(qū) 黑龍江省哈爾濱市 150001）

在現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展中，硬件設(shè)備層面的安全可靠性已經(jīng)能夠得到良好保障，所以在硬件運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定的情況下，需要通過(guò)軟件算法的改進(jìn)來(lái)對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化。因此，計(jì)算機(jī)軟件算法將是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)未來(lái)發(fā)展中的研究重點(diǎn)。目前，人們已經(jīng)在嘗試將各種算法應(yīng)用到計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化當(dāng)中，遺傳算法就是其中之一。該算法具有諸多優(yōu)勢(shì)，可以幫助網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)找到全局最優(yōu)解，從而提升網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體的可靠性。因此，加強(qiáng)該算法在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用是尤為關(guān)鍵的。

1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)及其特點(diǎn)

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)主要是由不同區(qū)域獨(dú)立計(jì)算機(jī)及外部設(shè)備在連接線路與交互設(shè)備的連接下構(gòu)成的一種網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，其通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、管理軟件等的協(xié)調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的信息共享并具備特定功能。在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)獨(dú)立設(shè)備都能夠共享網(wǎng)絡(luò)中的資源，但卻不能對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制。實(shí)際上，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的各設(shè)備是可以相跨較大的空間跨度的，這是其主要特點(diǎn)之一。此外，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息資源的傳輸主要依靠通信鏈路與傳輸設(shè)備，同時(shí)其資源共享等功能也需要借助管理協(xié)議與軟件等來(lái)實(shí)現(xiàn)。具體分析計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的整個(gè)組成，其大致包含三部分，即服務(wù)器、傳輸設(shè)備、軟件。而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在搭建時(shí)，還需要有一套基本的結(jié)構(gòu)，即各種硬件連接后所形成的基本構(gòu)造形態(tài)。目前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時(shí)采用的基本都是拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只是在該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上需要滿足用戶、施工、兼容、擴(kuò)展、升級(jí)等各方面要求，以保證網(wǎng)絡(luò)搭建的科學(xué)合理性。而在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)搭建完成后，其網(wǎng)絡(luò)的進(jìn)一步優(yōu)化，則需要依靠軟件算法的改進(jìn)來(lái)完成，所以在現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)時(shí)算法的優(yōu)化改進(jìn)同樣是其研究重點(diǎn)之一。

2 遺傳算法及其基本原理

2.1 遺傳算法及其特點(diǎn)

所謂遺傳算法，就是數(shù)學(xué)領(lǐng)域用以通過(guò)計(jì)算找到最佳解決方法的一種搜索算法，其歸屬于進(jìn)化算法。該算法最早是從生物界的進(jìn)化規(guī)律上演化出來(lái)的，隨后被計(jì)算機(jī)科學(xué)所應(yīng)用，成為計(jì)算機(jī)領(lǐng)域中進(jìn)行搜索和優(yōu)化的機(jī)制。該算法的具體流程如圖1所示。首先，該算法的應(yīng)用需要先在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上來(lái)對(duì)需要求解的問(wèn)題進(jìn)行編碼并生成隨機(jī)遺傳群，再通過(guò)針對(duì)選擇概率與適應(yīng)函數(shù)的一系列選擇性復(fù)制、交叉、變異來(lái)對(duì)其最終解的適應(yīng)性評(píng)估滿足情況進(jìn)行驗(yàn)證。若經(jīng)過(guò)驗(yàn)證其最終解滿足迭代收斂要素，則說(shuō)明該解是最優(yōu)的，反之則需要繼續(xù)重復(fù)以上步驟直至找到最優(yōu)解。

目前，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)中已經(jīng)開始大量應(yīng)用遺傳算法，其原因就在于遺傳算法能夠通過(guò)自然選擇來(lái)進(jìn)行全局隨機(jī)搜索，進(jìn)而從計(jì)算機(jī)問(wèn)題中找到最優(yōu)的解決問(wèn)題的方法。與其他算法相比，遺傳算法的特點(diǎn)主要體現(xiàn)再以下幾方面：

（1）其操作對(duì)象為參數(shù)編碼而非參數(shù)本身；

（2）能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)同時(shí)搜索；

（3）該算法的運(yùn)用需要利用數(shù)學(xué)相關(guān)函數(shù)來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)方法的確定；

（4）算法計(jì)算中需要遵循最優(yōu)化原則，以實(shí)現(xiàn)對(duì)全局最優(yōu)解的搜索。

圖1：遺傳算法流程

遺傳算法的這些特點(diǎn)，也使得其具有了許多明顯優(yōu)勢(shì)。首先，遺傳算法由于不以參數(shù)本身為操作對(duì)象，所以能夠規(guī)避掉許多約束條件，從而使得該算法在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的更多方面得以應(yīng)用。其次，其多點(diǎn)同時(shí)搜索的特性可以實(shí)現(xiàn)更大范圍內(nèi)的搜索，打破傳統(tǒng)算法的局限性。再次，該算法的評(píng)價(jià)方式確定與輔助信息關(guān)聯(lián)甚少，所以其對(duì)問(wèn)題本身的依賴度較低。最后，遺傳算法不依靠確定性規(guī)則進(jìn)行搜索，所以其搜索可以擴(kuò)展到全局。正是遺傳算法的這些優(yōu)勢(shì)，使得其正在幫助現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)解決許多難點(diǎn)問(wèn)題。

2.2 遺傳算法的基本原理

遺傳算法的數(shù)學(xué)表達(dá)方式下所示：

其中P0代表初始成員集，使一種編碼形式，λ 代表集體成員數(shù)量，L 代表編碼長(zhǎng)度，Z 為非負(fù)整數(shù)的集合；代表最終解的編碼是由0 與1 兩種元素組成；s 代表選擇性復(fù)制；c、m 分別代表交叉與變異；T 則為最終的算法結(jié)果。如果T=1，則說(shuō)明找到最優(yōu)解，如果T=0 則說(shuō)明該解不是最優(yōu)，需進(jìn)一步進(jìn)行計(jì)算以找到最優(yōu)解。

3 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)中遺傳算法的應(yīng)用

3.1 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的基本原則

現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行越來(lái)越強(qiáng)調(diào)安全穩(wěn)定性，所以在進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，首要遵循的原則就是可靠性原則。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可靠性體現(xiàn)在其能夠在指定時(shí)間與范圍內(nèi)完成相關(guān)任務(wù)，期間不出現(xiàn)問(wèn)題。要達(dá)成這一目標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)需要集中于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行層面的安全可靠性上。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的安全可靠又進(jìn)一步體現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性與故障的發(fā)現(xiàn)和解決上。針對(duì)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性，其優(yōu)化設(shè)計(jì)中通常需要通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)模型概率來(lái)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的問(wèn)題，以提升網(wǎng)絡(luò)可靠性。而計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的故障發(fā)現(xiàn)與解決還需要通過(guò)軟件算法的優(yōu)化來(lái)予以保障，這就是當(dāng)前計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域進(jìn)行算法改進(jìn)的根本所在。因此，遺傳算法在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用正是基于這種可靠性原則而開始的，所以其在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用也必須將這一原則作為基礎(chǔ)。

3.2 基于網(wǎng)絡(luò)可靠性優(yōu)化的遺傳算法改進(jìn)

遺傳算法在基于網(wǎng)絡(luò)可靠性的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)優(yōu)化中因其自身優(yōu)點(diǎn)而常常被作為解決多個(gè)局部極值優(yōu)化與高維搜索問(wèn)題時(shí)的首選。然而從遺傳算法的基本原理可以發(fā)現(xiàn)，其尋求最優(yōu)解的過(guò)程可能較為漫長(zhǎng)，所以在基于可靠性進(jìn)行計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，也需要對(duì)遺傳算法進(jìn)行改進(jìn)。如可以在傳統(tǒng)遺傳算法的繁殖過(guò)程中引入競(jìng)爭(zhēng)繁殖，使該算法不但可以與其他優(yōu)化方法進(jìn)行銜接，更可以繼續(xù)保持初始解的分散性。這種改進(jìn)能夠讓遺傳算法在解決長(zhǎng)編碼問(wèn)題上有更高效率。其具體改進(jìn)方法如下：

傳統(tǒng)繁殖過(guò)程的表達(dá)式如公式3所示。

該表達(dá)式中的rd就是改進(jìn)后所引入的淘汰率。

3.3 基于遺傳算法的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)具體過(guò)程

首先，要明確其優(yōu)化設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則。一是要對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行合理選擇；二是要確保網(wǎng)絡(luò)的容錯(cuò)能力與冗余性；三是要盡可能選擇開放性的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)；四是要盡可能使用先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)管理軟件；五是要對(duì)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行最優(yōu)配置。

其次，確定優(yōu)化設(shè)計(jì)的具體數(shù)學(xué)模型。根據(jù)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，信息處理需要采取先來(lái)后到的順序。同時(shí)針對(duì)計(jì)算路由選擇與鏈路容量分配時(shí)的容量成本和傳輸成本，就需要建構(gòu)出一套基于可靠性的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型。如網(wǎng)絡(luò)可以按照樹狀網(wǎng)絡(luò)形式布置，再利用遺傳算法對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通常有M條待選鏈路與N 個(gè)節(jié)點(diǎn)，在依靠遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，其各種問(wèn)題是以編碼形式進(jìn)行描述的。優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中隨機(jī)待選鏈路的選擇，并將對(duì)其節(jié)點(diǎn)連通性進(jìn)行判斷。如果運(yùn)用遺傳算法搜索到N 個(gè)節(jié)點(diǎn)，則該鏈路是暢通的，其中N-1 條鏈路組成一個(gè)完整網(wǎng)絡(luò)。此處在構(gòu)建數(shù)學(xué)模型時(shí)，可以將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)假設(shè)成A（S，D），其中S 代表節(jié)點(diǎn)集合，D 代表鏈路集合，則其鏈路成本的成本計(jì)算如公式（5）所示：

設(shè)Xpq=1 代表pq 之間連接，Xpq=0 代表其他，則該問(wèn)題的解集為（X12，X13，???，X1n，X23，X24，???，X2n，???X（n-1）n），其鏈路成本為（Y12，Y13，???，Y1n，Y23，Y24，???，Y2n，???Y（n-1）n）。同時(shí)據(jù)此可構(gòu)建出的數(shù)學(xué)模型如如下所示：

模型中的T（X）代表網(wǎng)絡(luò)可靠度，Tmin（X）代表在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)所必須要滿足的可靠性要求。此外，運(yùn)用該模型進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，還必須按照以下約束條件來(lái)進(jìn)行。一是保證網(wǎng)絡(luò)連接暢通，二是節(jié)點(diǎn)最大連接數(shù)量不能超過(guò)H，三是鏈路成本最低。

最后，根據(jù)改進(jìn)后的遺傳算法對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。其具體流程為：

（1）利用二進(jìn)制方法來(lái)編碼初始群體，用以表達(dá)遺傳基因；

（2）對(duì)種群個(gè)體成本進(jìn)行計(jì)算，同時(shí)完成排序。然后以f（x）=（x-1）/（Ps-1）作為適值函數(shù)（Ps 代表種群大?。?；

（3）利用適值函數(shù)來(lái)挑選種群的規(guī)模，進(jìn)而將小概率種群基因淘汰掉，其概率選擇公式如公式5所示；

（4）在網(wǎng)絡(luò)暢通的基礎(chǔ)上利用改進(jìn)后的遺傳算法實(shí)施網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)優(yōu)化，以找到基因交叉位置并得到最優(yōu)解；⑤在達(dá)到最大設(shè)定迭代次數(shù)前持續(xù)進(jìn)行迭代計(jì)算直至能夠保障計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可靠性的最優(yōu)解出現(xiàn)。

3.4 搜索方式的確定

在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，網(wǎng)絡(luò)搜索優(yōu)化也是遺傳算法的應(yīng)用鄰域，以通過(guò)遺傳算法來(lái)都得更高精度、更高收斂速度的搜索方式。而這種搜索方法的確定，需要立足計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中各種主要問(wèn)題的解決上，通過(guò)收斂速度的提升來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)中的搜索效率，通過(guò)精度的提升來(lái)提高其搜索質(zhì)量。因此，在利用遺傳算法對(duì)其搜索方式進(jìn)行優(yōu)化的過(guò)程中就需要將收斂速度與搜索精度作為兩項(xiàng)關(guān)鍵評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

雖然遺傳算法具有應(yīng)用簡(jiǎn)便、易于操作等優(yōu)點(diǎn)，但由于遺傳算法在實(shí)際應(yīng)用中容易局限在對(duì)局部進(jìn)行最佳優(yōu)化上，所以在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)中也需要通過(guò)對(duì)搜索方式的優(yōu)化來(lái)提升運(yùn)用遺傳算法所進(jìn)行的搜索速度。目前，人們常常會(huì)在應(yīng)用遺傳算法時(shí)選用啟發(fā)式搜索算法，這是因?yàn)樵撍惴ㄍㄓ眯暂^強(qiáng)，可以在各種網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化中都有效適用，同時(shí)其還可以與遺傳算法進(jìn)行有效結(jié)合，使得計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中可以利用兩者進(jìn)行鄰域解的對(duì)比，從而使遺傳算法可以在運(yùn)行中始終在優(yōu)化解的方向上不斷進(jìn)行搜索。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上述遺傳算法的改進(jìn)和具體的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，可以緊緊圍繞可靠性原則求得計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)全局的最優(yōu)解，進(jìn)而最大程度上提升計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)整體的安全性。但在遺傳算法的應(yīng)用中，其算法改進(jìn)同樣是十分關(guān)鍵的。所以隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，加強(qiáng)遺傳算法的研究仍是有必要的，這就要求相關(guān)人員結(jié)合新時(shí)期計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的實(shí)際情況來(lái)不斷探索遺傳算法在其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，以不斷提升現(xiàn)代計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全可靠性。