基于需求的军用通信系统网络可靠性评估研究框架

■ 吴东海周鸿志（中央军委装备发展部军事代表局驻成都地区军事代表室 成都 6004）

杜立华2李相东2（2 中央军委装备发展部军事代表局 北京 110840）

基于需求的军用通信系统网络可靠性评估研究框架

■ 吴东海1周鸿志1（1中央军委装备发展部军事代表局驻成都地区军事代表室 成都 610041）

杜立华2李相东2（2 中央军委装备发展部军事代表局 北京 110840）

对军用通信系统网络可靠性的定量或定性评估已成为当前制约我军信息系统建设的一个瓶颈问题，然而当前关于网络可靠性的研究仍处于一个理论发展时期，不同人员基于不同研究目的提出了不同的研究内容。笔者基于多年的工程实践经验，从军用通信系统寿命及任务周期内不同“用户”的网络可靠性评估需求出发，研究确立了军用通信系统网络可靠性评估的研究框架，系统地阐述了研究内容及重难点，并对今后的研究工作提出了相关建议。

军用通信系统 网络可靠性 研究框架

一 引言

随着军队信息化建设的发展，军用通信系统作为军事信息的基础传输平台，已成为我军基于体系作战能力形成的关键要素，其网络可靠性水平的高低直接影响体系作战整体效能的发挥，关乎信息化条件下战争的胜败，因此迫切需要对军用通信系统的网络可靠性进行定量和（或）定性的研究。

迄今为止，对通信系统网络可靠性的研究已有大量的文献发表，它们基于不同研究对象和目的，分别就网络可靠性的定义、测度、设计与综合评价方法、以及提高改善网络可靠性的途径等开展了广泛的讨论。然而业界在网络可靠性的定义、指标体系等多方面仍未形成共识，当前关于通信网系统可靠性的研究仍处于理论探索阶段，更鲜见工程应用的相关报告。本文总结了笔者长期从事军用通信系统可靠性工作的实践经验，提出基于不同人员评估需求的军用通信网系统可靠性评估研究框架，以期对今后的理论及其工程应用研究有所借鉴。

二 评估需求

对相同的评估对象，不同人员由于自身角色不同，其评估需求往往是不相同的，对军用通信系统网络可靠性评估也是如此。在工程实践中常见的军用通信系统网络可靠性评估需求包括诸如：

● 网络可靠性该用什么指标来衡量？

● 可靠性指标该如何确定，确定为多少才合理？

● 在一定约束条件下，什么样的网络最可靠？

● 如何验证网络可靠性达到设计或使用要求？

● 网络故障或遭受破坏干扰时，网络是否还可靠？

● 如何确保网络满足所需的任务可靠性水平？

● 网络能否完成所需通信业务，成功概率是多少？

上述问题分别包含了军用通信系统全寿命周期内的论证、设计、试验验证、规划、运行维护和使用等各个阶段不同人员对系统可靠性评估的需求。显然，不同阶段不同人员的评估需求是不相同的。

根据军用通信网寿命周期划分，大致可将不同人员区分为军用通信网的论证人员、设计人员、试验验证人员、网络规划人员、运行维护人员和最终用户等不同角色类型。

表1列出了不同角色人员对军用通信系统网络可靠性评估的主要需求。

表1 不同人员对军用通信系统网络可靠性评估需求

因此，军用通信系统网络可靠性评估的研究只有满足上述不同人员的可靠性评估需求才是有工程实践意义的。

三 研究框架

从工程实践需求来看，军用通信系统的网络可靠性研究必须回答下列几个问题：

● 什么是军用通信系统网络可靠性？

● 如何度量军用通信系统网络可靠性？

● 如何评估军用通信系统网络可靠性？

● 在什么约束条件下评才合理？

● 可靠性评估结果有何工程应用？

上述问题包含了军用通信系统网络可靠性“是什么、评什么、如何评、在什么条件下评，评了有什么用”等关键问题。从事物的认识规律来看，就是首先要认识和研究评估对象，然后选择合适的评估参数和确定相应评估方法，最终形成评估成果的应用。依据可靠性系统工程理论[1]的“认识故障规律，运用故障规律，形成技术能力”[2]的观点来看，这些问题包含了军用通信系统网络可靠性评估研究的基础理论、基础技术和工程应用三大方面的研究内容。研究框架如图1所示。

图1 军用通信系统网络可靠性评估研究框架示意图

3.1 基础理论研究

基础理论研究要解决的军用通信系统网络可靠性“是什么”的问题，也就是解决对评估对象的认识问题。

通信系统网络可靠性概念研究是随着通信网络技术的提高和人们认识的深入而不断发展的，包含了通信网模型、网络可靠性模型和网络可靠性定义等主要研究内容。

通信网模型要解决的是问题如何将纷繁复杂的实际物理通信网抽象成方便研究的逻辑模型。当前常见的是将网络抽象成由节点以及描述节点间链接关系的链路组成的图。从工程实践来看，建议将网络抽象为节点、链路和终端三要素组成，节点对应着物理网络中的交换路由控制类设备、链路对应物理网络中的传输类设备、终端则对应物理网络中的各业务终端类设备。当前的研究主要从网络拓扑结构上将网络分为简单网络和复杂网络[3]，前者包括星状网、环状网、树形网、蜂窝网等，后者主要是为研究真实网络表现行为及特征[4]而构建的，包括了ER随机网络模型[5]、小世界模型（SW，Small Worlds）[6]、无标度网络模型（SF，scale-free）[7]等网络结构模型。

网络可靠性模型是在通信网模型基础上依据不同的研究对象而建立的可靠性模型。当前的研究主要集中在基于网络连通的网络固有可靠性模型和基于网络流的网络使用可靠性模型。前者主要考虑了网络的拓扑结构、节点和链路故障、节点和链路性能对网络连通性能的影响；后者则是在网络连通的前提下，考虑以及网络信息流等因素对网络通信性能（如通信成功率、时延等）的影响。此外，也有部分研究提出了网络可靠性的层次模型。如将网络可靠性模型分为构建层、拓扑层和服务层[8]可靠性模型。

网络可靠性定义是概念研究的核心内容，当前在业界仍未得到统一[9]。当前的研究主要还是基于不同研究目的和研究重点对可靠性术语中定义[10]的“三规定一能力”进行细化。需要强调的是，可靠性定义的研究应结合实际网络和评估需求进行明确，并符合可靠性的一般要求。

可靠性就是与故障做斗争[11]的科学，故障研究就是要认清故障机理、构建故障模型，确定故障模式及其影响，建立故障定义，明确故障判据及其分类。军用通信系统由于其设备组成众多，相互连接关系复杂，造成网络故障的因素多样，使得网络故障呈现出系统性、多样性、传播性、层次性和动态性等特征[12]，无法用统一的故障模型来描述。已发表文献对网络故障的传播性和传播模型做了大量研究，建立了大量故障传播模型[13～19]来描述节点链路的容量与负荷之间关系、临近节点故障产生影响等，指出了复杂系统遭受攻击时所呈现的“鲁棒性和脆弱性并存”[20]等特征。需要指出的，当前网络故障研究主要是以网络故障后的行为表现为基础的，还不是严密的理论模型推导，在研究结果的假设、定义、建模、分析以及计算等方面还有许多问题值得去探讨。

3.2 基础技术研究

基础技术研究是在认识网络故障规律的基础上运用网络故障规律，解决网络可靠性评估“评什么，如何评和在什么条件下评”等关键技术难题，包括了指标参数体系、评估方法和任务剖面等研究内容。

指标参数体系研究是通过建立科学合理的指标参数确定程序，确立参数选择原则及要求，阐清参数间相互关系，最终明确可靠性参数定义及其计算方法用以评估实践，其研究重点是如何选择科学合理的可靠性参数以反映不同人员的可靠性评估的需求。

可靠性评估方法研究是紧密结合指标参数体系展开的评估实践研究。从工程实现方式上网络可靠性评估方法主要分为：（1）基于图论、概率论等理论的数学解析方法；（2）基于随机事件的计算机仿真计算方法；（3）基于真实试验网络的现场可靠性统计试验验证方法。数学解析方法主要解决了基于网络拓扑和网络部件故障下的网络连通性问题，包括了精确计算和近似计算两种算法；试验验证方法则构建真实试验网络，施加任务剖面，基于通信需求评估网络性能可靠性。仿真方法则通过构建网络模型、故障模型和业务模型，可对网络连通可靠性和网络性能可靠性进行仿真，主要采用蒙特卡洛仿真[21-24]方法，部分研究也将Petri网理论[25-27]引入网络可靠性仿真研究中。上述三种方法各有优劣，一般工程实践中采用多种方法相结合的形式。综合评价方法研究主要是解决单一参数无法综合衡量网络可靠性，单一评估方法结论可信度差的问题。当前部分研究人员试图采用层析分析法[28]、模糊综合评价法[29]、人工神经网络法[30]等得到网络可靠性的综合评估结论。

任务剖面技术是军用通信系统网络可靠性评估的关键技术之一。由于军事通信系统需要遂行多种复杂环境下的多样化军事任务，网络规模、拓扑结构、用户规模、通信需求、管理方式、使用地域等多种因素导致任务剖面复杂多变。任务剖面技术研究就是要建立一套从实际作战环境下提取典型任务剖面的方法，确立通信网任务剖面架构，并研究相对应的任务剖面加载技术，其核心是确定通信系统的业务剖面，包括业务种类、频度、分布、流向、流量等研究内容。

3.2 工程应用研究

工程应用研究在基础理论和基础技术已经得到解决的基础上形成的工程技术能力，主要解决军用通信系统网络可靠性评估在各寿命阶段工程应用中的技术问题，研究内容包括了网络可靠性的指标论证、方案设计、试验验证、规划、运维保障和相关的网络可靠性仿真、测试、监测等应用工具的开发等。从当前已发表文献来看，当前主要集中于网络可靠性分析和可靠性综合（也称为网络可靠性设计）两方面[31]的研究。

四 相关建议

4.1 以评估需求为研究出发点

目前，关于网络可靠性的研究有大量的文献发表，研究人员基于不同的研究目的对网络可靠性概念、指标参数和评估方法等多方面进行了深入的研究。以通信网可靠性研究的层次划分为例，张学渊[32-33]等人以通信网协议模型为基础将其分为拓扑层、设备层、路由层、基础层、业务层和管理层等进行研究，张凤林[34]等人则从网络组成的角度将其区分为设备层、网络层和业务层，黄宁[35]等人则提出以“业务为中心”将网络分为构建层、拓扑层和服务层。无论那一种层次划分，都反映了研究者基于不同角度提出的看法。

从我们多年来的实践来看：军用通信系统网络可靠性评估应以“满足不同人员对网络可靠性的评估需求”为研究出发点。

1992年ITU-T的建议[36-37]认为：用户的看法是业务质量的关键问题，网络服务性能从根本上决定了业务质量，因为没有用户就没有通信，也就更没有可靠性。当前国际标准化组织（ISO）提倡并推行的“以用户为关注焦点”的质量理念已经贯彻到各个组织的质量管体系建设里，可靠性作为大质量观的重要组成内容，也应坚持推行这一理念。此外对通信系统评价是直接与用户的需求紧密联系，并且也必须随着用户需求的发展不断变化提升的。因此对军用通信系统网络可靠性的研究应充分反映和满足系统全寿命周期内不同人员的可靠性评估需求，并符合一般可靠性系统工程的研究规律。

4.2 以仿真计算和试验验证主辅结合为主要解决技术途径

军用通信系统作为复杂的人造网络，当前业界提出了多种基于不同原理的综合评价方法，但都没有离开数学解析、仿真计算和试验验证三种评估方法[15]的范畴。

数学解析方法主要通过构建网络可靠性的数学模型来求解所需参数。从已发表文献来看，目前数学解析方法能较好的解决节点和（或）链路可靠性水平已知条件下的网络连通可靠性问题。但由于目前对通信网络是否存在统一的可靠性模型或失效分布模型存在较大争议，因此数学解析方法往往具有较大的局限性。

仿真计算方法通过模拟实际物理网络的拓扑结构、组成要素、通信协议、业务流程以及其他影响网络可靠性的主要因素，并模拟加载通信业务、故障、维修等网络中实际发生的随机事件，通过统计分析得出所需参数。仿真计算方法能将较好的从模拟网络行为表现来研究网络的可靠性，并且不受网络规模的限制，但由于其无法完全真实模拟实际网络，如无线通信信道、用户通信行为等，其结论的可信性一致备受军方用户的质疑。

试验验证方法则是通过构建试验网络，模拟实际使用条件下的典型运用模式，通过现场可靠性试验数据统计分析得出相关参数，其结论真实可信，但因受试验网的规模、场地、环境、人员以及费用的限制，一般只能构建典型试验网络进行试验，很难统计分析得出整个网络的可靠性水平，评估费效比差。

通过多年的工程实践，我们形成了以仿真计算为主、试验验证为辅的网络可靠性评估综合评估方法，其主要评估程序为：首先通过构建典型规模的试验网络开展试验验证，收集并整理大量实际条件下的网络可靠性数据；其次利用典型试验网络模拟构建网络仿真模型，加载网络中发生的实际事件，并用实测数据对仿真模型进行校准；最后构建整体网络的仿真模型统计分析相关可靠性参数。该方法较好的解决了结论可信性和评估可行性的问题，并得到各方用户的认同。

4.3 以工程实践为检验标准

网络可靠性评估是一项实践性很强的研究活动，应紧密结合工程实践需求开展。当前，网络可靠性研究作为“网络时代的新科学”[38]，有大量的相关研究成果和文献发表，然而基于工程实践的研究报告却很少。随着网络可靠性研究工作的深入，人们发现：网络可靠性很难用一个可靠性指标来衡量，于是提出了需要建立网络可靠性指标参数体系；网络可靠性评价很难用单一的评估方法来实施，于是提出了基于解析、仿真和试验的多种综合评价方法。此外，通信技术的发展使得即便网络连通还是可能会出现网络时延或拥塞从而影响通信业务的完成，因此网络可靠性研究从早期单纯考虑网络拓扑和网络部件故障的连通可靠性的研究，逐步转向还考虑网络部件性能以及用户需求等因素的网络性能可靠性研究。这些都是随着通信网技术的发展和网络可靠性评估需求的变化逐步发展的，因此，网络可靠性研究还需要在工程实践中加以检验。以上文4.1节中提及的通信网可靠性层次划分为例，工程实践过程中要求层次划分应是从逻辑上是清晰的，从物理形态上是可以区分的，从评估验证来看是可操作的，从承制单位的职责上是可明确的。就满足实践需求的角度而言，当前的网络可靠性层次研究还需要进一步结合实践需求。

五 结束语

装备可靠性工作历来是装备建设中的难题，而军用通信系统网络可靠性则更是难题中的难题。基于可靠性评估需求建立的通信系统网络可靠性研究框架，阐述了研究的基础理论、基础技术和工程应用研究内容和方向，其内涵也将随着我军信息系统网络可靠性研究的深入而不断丰富和发展。

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Network reliability evaluation research framework based on the demand of military communication system

10.3969/j.issn.1673-5137.2016.06.001

Military communication system network reliability quantitative or qualitative evaluation has become a bottleneck of our military information system, while the current theories about network reliability research is still in a period of development, personnel based on different research purposes proposed different research content. The author has established the military communication system network reliability evaluation research framework with years of experience in engineering practice, based on the network reliability assessment requirement of the military communication system lifetime and the task cycle of different "users”. This paper expounds the importance and difficulty of research contents, and the future research works are proposed.

Military communication system; Network reliability; Research framework