计算机网络的优化设计研究

叶 霏

湖北工业大学商贸学院，湖北武汉 430000

0 引言

计算机网络是计算机工作的重要基础，随着计算机技术的普及，网络对人们的影响越来越重要。如在校园网络中，校园网络集成了管理服务、学校教学等各种应用系统和任务，它已成了科研信息化、管理网络化、教学现代化的重要平台和学校信息化建设的重要基础设施之一。在现代化的工厂中，管理者通过建立局域网和能够部分连接广域网特定网络，把共有资源实现了共享，方便了科学管理和员工学习。但随着网络业务的增多和远程开放程度的增加，网络不得不支持越来越多的服务系统，因此，许多计算机网络系统表现的越来越不堪重负。要想使网络能够承担不断增加的重任和提高其利用率，就不得不对计算机网络实施优化。

计算机的网络优化是指通过分析、计算、测试等方式找出现行计算机中存在的影响其网络运行质量的问题，然后通过采取相应的科学技术手段进行修补或改善，从而优化计算机的上网速度，使网络达到更佳的运行状态，使网络资源得到充分利用。早期的一些算法考虑拓扑优化、流量分配较多，且多为试探算法，不能获得最优解，已经不能满足当前计算机网络设计的需求。

1 计算机网络设计的原则

在对计算机网络进行设计时，优先采用突现主要因素、缩小次要因素的原则简化设计问题，将复杂计算机网络设计简化成几个相对简单的模块进行优化，最终达到优化的目的。对于简单的模块，采用单变量优化法，即保持约束条件不变，让其他因素的影响控制在一定范围没，只对一个变量进行调整，以获得针对该变量的优化目标函数结果。当然，计算机网络优化的具体目的和实施要求不同，优化采取的具体方法和原则也不尽相同。

计算机网络的优化可以采用6组元法来确定，6组元分别为网络的总费用（D）、网络的拓扑结构（L）、网络中各条链路的容量（c）、网络中各条链路上的报文流量（λ）、全网络的吞吐率（γ）、网络的平均时延（T）。采用该种方法确定计算机网络中6组元之间的影响关系时，首先将计算机网络设计的整个任务分成若干子模块，在这些模块中逐一改变变量，进行单一变量优化，最后将逐一优化出来的结果组合，折衷取舍以获得整个计算机网络的优化结果。

在这些因素当中，它们随着时代变化和科技技术进步而出现不断变化的位置关系。如近些年来，计算机网络的硬件基础设备价格越来越低，而功能却越来越强大，高速通信信道也已连通了主要的信息集散点，大大降低了网络成本费用。那么，计算机网络流量分配、信道容量分配及拓扑网络结构优化已不再是计算机网络设计的重点。相反的，计算机网络链路容量、通信信道建设和维护成了人们关注的重点，怎样才能减少资源耗费和网络成本费用，怎样能够使全网内所有的信道都能获得较均匀的负荷且使平均延时变的更小，成为了计算机网络设计优化的关键问题。

2 计算机网络设计优化举例

随着世界计算机技术的不断发展和通信网络的飞速进步，人们把更多的目光投向了计算机网络链路容量的优化设计。研究人员以6元组法为基础，提出了一种适用于分布式和集中式计算机网络的链路容量优化设计方法，在本优化方法中，人们可以通过计算机网络链路容量的优化函数求得整体最优解，解决计算机网络链路容量设计的关键问题。其设计示例如下：

首先要选定一个等待优化的计算机局域或数据网络，这个网络可以是为社会提供服务的公共承载型的公用数据网，也可以是一个单位的公用局域或基于网上的一个信息系统数据网，如企业、政府机构或学校。前者的吞吐率γ为这个公用数据网上所有用户使用的报文流量总和，后者的吞吐量γ则是这个企业、政府机构或该单位内全体用户在使用这个信息系统过程中产生的报文流量总和。采用忽略次要因素的原则，把所有报文源产生的报文流都是Poisson流，那么相应的全网各链路上Poisson报文流也肯定都是Poisson流。在处理各报文源产生的报文流时，我们根据实际情况认为报文流都是按负指数分布的，其平均长度为1/μ。由此认为，各链路服务时间的分布也呈现除了负指数分布。另外，全网所有的链路都是M/M/1模型系统排队。采用某种确定的路由算法，则各链的报文流量（即报文到达率）λi（i=1，2，…，N）是确定的。网络拓扑结构在网络最初设计时已经确定，全网的平均时延为常用值T。Ci为i链的容量，Ki为i链的费率，则全网的链路总费用为，在全网平均时延不超过T的约束下，求使D最小的链路容量Ci，i=1，2，…，N。那么此时，呈现在我们面前的就是一个非线性规划的问题:

第二个约束条件在第一个约束条件中自动满足，所以上述非线性规划可写成：

从公式中，我们可以容易得出g（c）是凹函数，D（c）是凸函数。当函数D（c）取极值时满足库恩-图克（Kuhn-Tucker）条件，且为必要充分条件。当函数满足库恩-图克条件时，点C*，C*是本问题的K-T点，则C*是极值点。

因为D（c）和g（c）在其定义域内是连续可微的，C*在D（c)和g（c）的定义域内，故D（c）和g（c）在C*处连续且可以微分。通过g（c）是凹函数，D（c）是凸函数可知，在本非线性函数中的可行点C*满足库恩-图克条件，所以，C*是上述非线性规划的整体最优解。

可见，在本模型设计中，只要求出带约束条件的（3）式和（4）式，就能确定非线性规划的库恩-图克点C*，即这个非线性规划设计的整体最优解C*。

本设计算法通过求得问题的整体最优解而解决了目前许多计算机网络设计中容易存在的基础问题，即计算机网络链路容量的优化设计。采用该种优化设计模型很巧妙的解决了问题，同时满足了新形势下网络设计需要，摒除了以前网络设计计算方法中只能求出近似最优解和以网络建设费用等为关键条件的不合理。

3 结论

随着时代的发展，计算机网络对人们在影响在不断加强，而其优化设计也不得不随时代发展。计算机网络的优化是一个需要付出很多努力而很难得到最佳结果的多目标优化问题，为了简化设计，人们发展了突出主要因素，忽略次要因素的优化方法，把计算机网络设计问题简化为多种规划问题。

随着世界社会信息化不断发展和计算机网络用户的不断增加，会有越来越多人们参与到计算机网络使用和优化过程中，人们会找出更多更好的优化方法解决问题。相信，那时计算机网络能够满足人们对计算机网络的更高要求，计算机网络也能发挥其更加重要的理论意义和实用价值。

[1]李熙.基于智能计算的计算机网络可靠性分析研究[J].计算机技术与发展，2006.

[2]张红宇.嘉兴学院学报[J].计算机网络优化探讨，2006.