提高计算机网络可靠性的方法研究

程林钢

摘要：针对当前网络可靠性不断受到挑战的问题，该文对提高网络可靠性的方法进行了研究。首先描述了网络理论、网络可靠性，对网络可靠性的影响因素进行了分析；其次对网络可靠性进行了优化，论述了网络可靠性优化的原则和网络可靠性优化的算法；最后对网络可靠性技术进行了分析，描述了网络可靠性的BFD和OAM两种方法。该文对于网络维护人员和科研人员都具有一定的积极作用。

关键词：网络；可靠性；协议

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2014）28-6611-03

随着网络通信技术的不断提高，依赖互联网的业务越来越多，其功能日益增强，使得网络的可靠性成为一切业务正常开展的基础。随着互联网覆盖的区域范围越来越大，工作、学习、生活等各方面都有着网络的影子，一旦网络出现故障或大面积的瘫焕，那么将会对该地区的经济、文化、环境、政治等造成巨大的影响。因此，提高计算机网络的可络可靠性是十分必要的。

1 计算机网络可靠性

1.1 网络理论

现在网络已经成为人们日常生活中的一部分，但对于网络的定义，到目前为止却没有一个统一说法。结合相关文献，对网络定义总结为：分布在不同区域的独立计算机通过各种通信线路、交互设备及网络协议能够进行通信的系统。

计算机网络主要有三部分组成，一是网络软件，主要由计算机操作系统、网络管理软件、网络协议及应用软件等组成；二是传输或交换设备，主要由通信线路、路由器、交换机及集线器等组成；三是用户设备，主要由服务器和客户端组成。

1.2 网络可靠性

网络不断发展的过程中，网络的可靠性方面研究一直伴随着技术的革新不断成长，已经由单一的技术变成了一门系统性的科学课程。根据国内外学者的研究分析，将网络的可靠性的度量从四个方面进行分析，分别是计算机网络的生存性、连通性、有效性和抗破坏性。

网络可靠性的定义是指在规定的时间（N个小时、一个月、一季度等）内，在特定的工作环境（温度、湿度、操作方式、辐射、负载等）下，网络能够满足业务正常工作的通信要求。

1.3 网络可靠性的影响因素

网络的可靠性影响的因素比较多，概括起来主要有以下几种：

1） 网络设备的影响

网络设备主要有用户设备和传输交换设备。其中用户设备是网络的终端，要保障网络的可靠性，最重要的就是保障用户设备的可靠性，如果用户设备出现故障，那么网络的应用就无从谈起。用户设备的性能越强，网络可靠性就会越高。例如，服务器端有两台服务器，一台作为主服务器，另一台作为备用服务器，当主服务器出现故障时，备用服务器立刻投入使用，虽然所花费的成本会高一点，但是網络的可靠性却得到了充分的保障；传输交换设备关系到网络之间的连通性，在传输系统里，布线工作是一个巨大而艰难的工程，当线路出现问题，在复杂的网络环境里，很难发现哪一条线路出现的问题，需要花费较大的代价。另外网络交换设备将不同区域的计算机有机地联系在一起，当交换设备出现故障时，网络之间的通信将中断。其中集线器主要用于连接用户设备，交换机用于连接区域网络，路由器用于广域网与局域网之间的连接。每个交换设备都有其自身的作用，当选择的设备性价比越高，其网络的可靠性也越高。

2） 网络拓扑结构的影响

在对网络进行规划时，网络拓扑结构是不得不考虑的重要问题，网络拓扑结构也是影响网络可靠性的重要因素之一。在不同的工作环境、应用领域、网络规模下其网络拓扑结构也是不同的。网络拓扑结构是网络各个设备之间的连接方式，当前网络的拓扑结构主要有：总线型、环型、星型和网状型。其中网状拓扑结构比较复杂，但可靠性相对较强，当某一设备发生故障时，并不会影响其他设备的正常工作。在大规模的网络结构设计中，一般采用网状拓扑结构。网络拓扑结构如图1所示。

3） 网络管理的影响

当前，一个区域很难由一家网络设备企业提供所有的产品，网络规模越大，所使用的品牌和设备种类就越多，为了保障网络的可靠性，减少误码率和故障发生率，在设备无法进行统一的情况下，就需要运用科学的网络管理手段来进行网络维护。在进行网络管理中，需要从两方面入手，一是选择合适的、科学的网络管理软件，看是否满足该区域网络的基本功能需求；二是针对当前网络用户及其相关人员制定相应的管理条例和制度，加强对技术人员的培训，使之养成良好的网络操作习惯。

2 网络可靠性的优化

2.1 网络可靠性优化的原则

为了提高网络的可靠性，需要对网络可靠性进行优化处理。在长期的网络可靠性管理中，科研人员和网络管理人员积累了大量的经验，为我们进行网络可靠性优化提供了很好的借鉴。其优化的原则是：

1） 遵循国际标准

网络是开放的系统，但系统并不是随心所欲，由某个企业自己随意定制规则，而是在开放的网络体系结构的大框架下，进行功能的扩展及升级。

2） 保持先进性

对网络可靠性进行优化，要着眼于未来，采用落伍的技术不仅不能使网络的可靠性得到提高，相反还增加了更多的漏洞，给不法分子提供可趁之机。

3） 有较强的冗余能力

网络的冗余一方面代表着需要投入更多的资金和人力，另一方面也是对网络可靠性的有力保障，以便于系统在发生故障时，后备的资源能够第一时间进行补充，保障整个网络的平稳运行。

4） 较强的互通能力

网络终端之间进行通信，要尽可能地提高主干网络的带宽，提高设备之间的响应速度，另外还需要尽可能地支持更多地网络协议。

5） 可管理性强

在设备的管理方面，应选择具有管理性能强的网络管理软件和设备。

6） 资源利用合理

网络的建设投入的资金总是有限的，充分利用当前的网络资源，选择合理的网络拓扑结构、网络布线、网络操作系统和应用软件等。

2.2 网络可靠性的设计

要提高网络的可靠性，其中非常重要的一点就是提高网络的容错性。当网络中的某一点出现故障时，有其他的设备迅速补充，保障该故障点无缝工作。在网络可靠性的设计过程中，一方面利用新的技术和设备，另一方面还要考虑现有设备的利用，使设计的网络可靠性提高的同时，具有较强的兼容性。

网络可靠性的设计，采用多层网络结构的思想，应用最广泛的是三层结构，分别是接入层、分布层和核心层。其设计如图2所示。

接入层是网络的起点，通过过滤的方式对网络流量和用户的准入进行控制，在该层的主要功能是为网络终端提供通信服务。

分布层位于网络三层的中间，将接入层和核心层有效的分隔开来，其主要功能是VLAN的聚合、确定联网方式、接入工作组、网络链路介质的转换和识别。

核心层是网络的主干，其主要功能是连接交换区、最大能力地进行数据包或数据帧的交换及访问其他服务等。

随着技术的进步，社会上越来越多的网络产品出现，在进行网络可靠性设计时，要根据需求目标选择合适的网络设备。

2.3 网络可靠性的算法优化

自上个世纪遗传算法被提出以来，经过几十年的发展，已经成为当前解决复杂问题优化的最有效方法。其求解过程采用“适者生存”的方式，对空间中的“染色体”不断地进行交叉、复制及变异等操作，使得不断进化，最终求得最优解。

利用遗传算法的流程对网络可靠性进行优化分析，得出网络链路成本与网络可靠性曲线之间的关系。其过程如下所示：

1） 基因表达

利用二进制编码的方法，对整个网络中的N个结点进行表达。

2） 选择适值函数

对网络中的结点进行成本值估算，最小值为1，最大值值为max，其适值函数为：

[f（x）=（x-1）/（max-1）] （1）

其中x为个体在群体排序后的位置，0≤x≤max。

3） 选择、交叉运算

对每个基因的选择其概率采用公式2，选中的概率与适值成正比。

[Pk=fk/j=1maxfj] （2）

在[1，N]之间随机选择进行交叉运算，需要注意的是，每次只能对某一结点进行操作。

4） 调整

当经过运算后的结点无法准确地表达出原来的网络拓扑结构时，对其进行调整，保证其网络的连通。

5） 结束运算

遗传算法不可能永远不断地运算下去，其结束条件采用比较多的是设定最大的遗传操作迭代数，其进化的程度则由最大适应值和平均适应值来管理。

3 IP网络可靠性技术

当前，IP网络成为互联网的主流，IP网络可靠性技术主要包含IP网络保护倒换技术和IP网络故障检测技术两个方面。IP网络保护倒换技术的基础是链路冗余，其标准时间为50ms，其代表为BFD技术；IP网络故障检测技术是以OSI网络参考模型为基础，在OSI模型的每一层面上都有故障检测机制，其主要模式有异步模式、回声模式和查询模式三种。

3.1 BFD技术

BFD类似于简单的“hello”协议，每对终端在他们通道上周期性地发送BFD包，在规定的时间内假如没有收到相应的BFD包，那么就认为该网络线路上出现了故障，此时，就需要对线路进行检查。有时在网络比较畅通的情况下，为了减少不必要的负载，终端之間进行协商，可以停止BFD包的发送。BFD包的格式如图3所示。

需要注意的是，BFD采用的异步模式发送BFD包，系统周期性地发送BFD包，当第一个包丢失时，系统并不会第一时间察觉，只有连续的丢失BFD包时，系统才会发现线路出现了故障。

3.2 OAM

OAM（Operation、Administration、Maintenance）是根据运营商的实际需要而对网络管理工作的划分。OAM机制是每个运营商都必须要做到的网络技术。

以太网的故障管理的功能主要有：环回检测功能、连续检测功能、告警指示功能和链路跟踪功能等。

环回检测功能主要是检测远程设备与本设备之间的连接状态，通过发送一个请求消息和应答消息的模式来进行实现。

连续检测功能主要是检测网络终端之间数据流是否正常，这是OAM的基本功能。以定时发送Hello进行验证，假如在规定时间内没有收到远程设备的消息，则认为设备之间的网络状态出现了问题。

告警功能主要是发现服务层的故障后，将故障通告给客户层。其故障的传播是由下向上，中间向两边扩散。

链路跟踪功能主要是进行故障定位和检测邻接关系。

4 小结

本文对计算机网络的可靠性进行了分析，由于本文的篇幅所限和网络可靠性工程的浩大，对于网络协议和网络故障具体原因并没有给出明确的解释，希望对此感兴趣的读者，在此基础上，进一步的研究。

参考文献：

[1] 徐仁佐，谢曼，郑人杰.软件可靠性模型及应用[M].北京：清华大学出版社，1994.

[2] 张文，杨红霞.网络互连设备[M].北京：电子工业出版社，2003.

[3] 赵莉萍.基于模糊神经网络的综合评判方法研究[J].预测，1998（13）：54-56.

[4] 陈利兵. BFD 技术在 IP 承载网中的应用[J].现代电信科技，2008（1）：61-64.