基于通信网络系统可靠性评测技术分析

陈亮

（浙江省气象信息网络中心 浙江 310017）

0 引言

基于输入和输出节点是如今通信网络系统可靠性评测的主要方法，例如节点遍历法，以输入节点为起点，由路由算法可以得出所有到达输出节点的路径，再基于弧和节点的可靠性，算出输入和输出节点的可靠度，其中节点的可靠性一般为1。不过节点遍历法有以下两个问题：1、两个节点的可靠性是否能以点概面，说明整个通信网络系统的可靠性；2、虽然目前使用的方法适用于单输入/输出节点、中间传输网络链路的系统，但并不完全适用于多个输入/输出节点的系统。通常节点和弧的可靠性是相对稳定的，但两者的组织形式是不一样的，因为网络结构不一样，就算是相同的网络设备，在通信网络系统中不同的两者所处的地位和功能也是不一样的，那么直接代入计算的方法就不那么适用了。

1 网络基本构件的可靠性技术

网络的基本构件是连接网络设备传递信息的介质，即节点和弧；以下对两者的可靠性进行分析。节点的可靠性分析：单节点设备与普通电子设备原理差不多，可参考普通电子设备的可靠性的计算方法。代理节点设备则不同，它有双重身份，通常硬件是相同的，不同用途的实现主要依靠软件，那么它的可靠性就要看它所代理的是什么身份，也就是说按照两种不同的设备分别计算。弧的可靠性分析：弧分为有线弧和无线弧。如果是光缆或电缆连接两个节点，那么它的可靠性属于简单的串联结构，有线弧的可靠性可通过节点和光缆/电缆的可靠性计算得出。无线弧的问题相对而言就要复杂些，因为是无线的，要靠大气进行信号传输，但是大气传输的可靠性无从得知，为了使问题变得简单，那就将重点放在节点设备上，由它的可靠性评测得出无线弧的可靠性。因为天气状况和地理环境都会很大程度上影响无线信道，会使信号减弱、延迟，甚至产生噪音等，这些情况都会对设备的正常运行造成影响，针对这种情形，可以借助通信网络节点多，广泛分布的特性，全面评测任何两个节点设备的可靠性，必须多次在不同天气、季节和各种地理环境下进行，这样弧的可靠性即包含在两个节点设备的可靠性中。

2 通信网络系统可靠性评测方法的改进

系统和弧只存在正常或故障这两种状态；无线弧的两个节点可靠度一样；每条弧的故障是不具破坏性的，不会影响其他弧。在原有的评测方法基础上进行改善。通信网络系统基本可靠性的计算公式

设定 {i,j}为任意两个节点，可能共有M条通信路径，总共有L条弧经过网络，且有很多条路径通过每一条弧。现在对这两个节点通信路径所经弧的权值进行计算,第一步，使用节点遍历法计算出最小路集，我们用字母T来表示，当中每条通信路径经过弧的步数是用C表示,接着对L条弧中的弧Li通过网络的次数进行统计，也就是统计有多少条路径经过此弧，路径数就用字母d来表示,则：

那么可以得知两点的弧的权值是：

说明：上面公式中KLi指的是弧 Li的权值；di是经过弧Li的路径数；Ci是路径经过弧的步数；由此我们能对网络中所有任意两节点通信路径所经弧度的权值进行计算。

网络系统中各每条弧的权值计算：

假定网络中共有P对节点对互相通信,已知各节点对所经弧与对应的权值的集合是 {L1j,KL1j},{L2j,KL2j},…,{LPj,KLPj}，由于各个集合中的弧存在重复的情况,故需要进一步的处理整个网络中的每条弧 Li的权值,以此计算出与网络相对应的每条弧的权值，计算公式：

说明：上面公式中KLi是通信网络中弧 Li的权值；KLij是弧 Li在第 j个点对应的集合中的权值,如果该弧不在这个集合中则权值为0；P表示的是点对应集合的总数；N指的是弧的总数。

最终可以将各个弧的权值代入到公式（1）中，计算出整个通信网络系统的总的失效率，也就能得到基本可靠性。

简化计算量的方法：

假设一个网络有n个入网节点，有C对能互相通信的节点对，则：

可以看出，若 n值很大，那么计算相应的节点对的最小路基就很复杂，会出现组合过多的情况，为了简化计算量，就需要使用简化计算量的方法：1、用户数的简化：若使用一个节点入网的用户过多，则计算最小路集时可只计算一个用户，然后再用求得的弧的权值乘以用户的数量，这种“用户等价类的合并”的计算方法比较实用。2、局部结构的简化：若用户是通过局域网接入的，可以首先对局域网的可靠性进行计算，再把整个网络当作一个节点进行可靠性计算。若局部网络的串联结构是独立的，就像几个链路经过中继形成很长的传输链路，就能按串联结构计算出整个网络的可靠性；再根据单个弧进行分析；像双备份节点、并联结构的通信链路的，独立且复杂多余的局部结构，其可靠性可进行独立计算，再根据单个节点或弧进行分析。

3 通信网络系统抗毁性分析

评价通信网络系统的一个关键指标是抗毁性， 若没有平均分配网络节点和弧的路由,部分关键节点或弧就容易出现问题，一旦出现问题会中断大部分用户的网络连接，而其他的节点和弧出现问题，对用户影响相对来说比较小；网络节点或者弧的路由分配决定着网络的对称性，绝对平均分配的两者，则是对称的网络结构，这种结构的抗毁性是同类网络中最强的。如果路由分配用通过此节点/弧的路径数代替，那么通信网络的节点/弧的权值则表示的是路由分配的相对值；为了体现这种平均分配的特性，可以通过全部弧的权值的方差、极差表现，也就能分析出通信网络系统的抗毁性的强弱。以下为计算公式：

说明：公式中N指通信网络中弧的总和，Kmax指的是网络中弧的最大权值;Kmin指的是弧的最小权值。

那么可知：

(1) 若计算出的方差和极差值均较小，就表明了通信网络的路由分配相对比较匀称,则系统的抗毁性比较强；

(2) 若计算出的极差值较大，而方差很小，系统抗毁性的好坏就不能得到证明；

(3) 若计算出的极差和方差均较大，就表明了通信网络的路由分配并不匀称，则系统的抗毁性比较弱。

4 小结

综上所述，主要对通信网络系统可靠性评测技术进行了探讨，经过进一步处理由节点遍历法计算出的最小路集数据，可以使通信网络系统的可靠性得到更加全面地体现，同时，以此为基础分析了网络系统的抗毁性。目的是为了使网络设计更加完善，探索系统可靠性的不稳定因素和对通信网络系统的可靠性进行评测。其实计算机算法也能用这种改进方法轻松实现，首先标记通信系统网络中的所有弧，使用节点遍历法时比对和累计数据就可以了，这种计算不用对所有的节点的可靠度进行计算，使计算量大大减少。

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