基于遗传算法的计算机网络可靠性优化设计

朱明波

【摘要】随着计算机网络的不断发展，处于信息社会中的人们对信息的需求越来越多。计算机网络可靠性作为衡量计算机网络性能的一大关键指标，要求也逐渐提高。此外，对计算机网络可靠性的深入研究也具有很大的经济和社会效益。本文首先介绍了国内外计算机网络可靠性的研究现状，并简明分析了一些影响计算机网络可靠性的因素，其中影响计算机网络可靠性的主要因素是网络设备，用户设备和网络管理。在此基础上，提出了基于遗传算法的计算机网络可靠性优化设计方案，并通过MATLAB进行仿真，编程和求解，最终用图表反映最终模拟结果。仿真结果表明，基于遗传算法的计算机网络可靠性优化设计是可行的。

【关键词】计算机网络可靠性 遗传算法 仿真 MATLAB

【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2018）19-0232-03

1.绪论

1.1选题背景及意义

计算机网络可靠性是在20世纪20年代初出现的，但当时人们对可靠性问题只有初步的认识。在第二次世界大战中，武器装备的不可靠性，给战国献血的教训，武器装备可靠性的成功经验以及不可靠性的失败，导致了可靠性的重要性逐渐加深。而可靠性问题是人们在社会实践过程中产生的，它的产生需要客观的情况， 其诞生和发展是社会发展的必然趋势。

现在计算机网络已经渗透并应用到人们生活的方方面面，计算机网络在一定程度上主宰并改变了我们的生活，使信息的获取，传输和利用变得更加高效和快速，但这也使得人们越来越离不开互联网。由此可见，计算机网络的可靠性非常重要，它的可用性可以直接影响到人们的生活，工作和学习，甚至影响企业乃至国家的正常运转。经过半个多世纪的发展，可靠性问题已经发展成为一个涉及面广泛的综合性，新的交叉学科。

1.2国内外研究动态

1.2.1国内研究动态

中国最早的可靠性工程开始于20世纪60年代，这是中国著名科学家钱学森率先提出的。20世纪70年代以后，研究人员开始研究计算机网络的可靠性。此外，计算机网络可靠性出现了许多新的算法，计算机网络理论的发展也有了很大的突破。

自20世纪90年代以来，中国计算机网络应用不断发展，从办公室，办公大楼几台电脑到几公里几十公里甚至是几千公里的广域网，都实现了从软、硬件到数据资源的共享。虽然如此，但计算机网络故障的影响也不容小觑，相关人员也开始进行计算机网络可靠性的优化设计。

目前，国内对计算机网络的可靠性问题的研究有了很大的进展，并逐漸地发展形成了较完整的理论体系。

1.2.2国外研究动态

在国外，最早的开始研究计算机网络可靠性的是Mr.Lee，他专注于在电信交换网络上的研究。由于计算机网络中各部件的故障，电信交换网络的总传输容量已经大大降低，呼叫拥塞导致了电信交换网络的大规模瘫痪。Mr.Lee将呼叫拥塞定义为电信交换网络的链路故障，首先提出基于连接性的计算机网络可靠性度量。1968年，在美国诞生了世界上第一个计算机网络Apranet，并由此引发了许多关于计算机网络可靠性的研究工作，而后Boesch首先提出来计算机网络可靠性优化与设计。

20世纪80年代以后，在大型的，国际化的指标体系发展的背景下，计算机网络的可靠性随着计算机网络的实际应用情况而不断变化，如交换设备、网络传输的可靠性；用户对整个网络服务质量的投诉率及满意度；用户终端；全连接网络等。计算机网络可靠性的研究越来越深入，新的潜力领域也将不断被开拓。这一现象有力地表明，计算机网络可靠性的研究将会有更大的推动力，其应用范围将会不断扩大，在实际应用中也将会取得越来越丰硕的成果。

1.3论文的研究目的和主要工作

1.3.1研究目的

本文将从计算机网络出发，针对所有的潜在风险，并考虑系统可靠性理论，遗传算法建立合适的数学模型，本文讨论如何有效提高计算机网络整体计算机网络的可靠性， 增加其可用性。

1.3.2主要工作

计算机网络可靠性的优化设计是计算机网络可靠性优化设计研究中的一大核心问题，它从理论上为计算机网络设计提供了指导性的计划。现在计算机网络的运行管理和规划设计全都离不开计算机网络的可靠性研究。本文将以计算机网络规划设计为主线，以现有网络的运行管理为辅，探讨计算机网络可靠性的优化设计。本文的主要研究工作可概括如下：

1）阐述计算机网络可靠性的相关理论。2）计算机网络可靠性的影响因素分析。3）对计算机网络可靠性进行优化设计。

2.计算机网络可靠性的相关理论及算法

2.1计算机网络

2.1.1计算机网络的定义

计算机网络是一个复杂的网络系统，它将分布在不同地区的不同计算机相互连接起来，并通过通信链路，交互设备和相关的网络协议将它们互连起来以实现特定的功能所谓独立意味着任何计算机都不能控制网络中的任何其他计算机，并且每台计算机可以自由访问计算机网络中的信息资源。计算机网络的本质是为计算机之间的通信提供路径，使得网络终端的计算机可以交换信息。计算机网络的形象是在一台独立的计算机中建立起一座桥梁，使其能够自由通信。

2.1.2计算机网络的特征

计算机网络本身的内在结构和可以完成的具体功能，决定了计算机网络有以下一些特征：

1）一个计算机网络有大量计算机。这些电脑经常分布在很远的地方，而且还有很大的区域差距。2）在计算机网络中，尽管互相共享资源，实际上每台计算机都具有较大的独立性，特别是在功能上。3）计算机网络中计算机的互联与传输，交换设备，通信链路等组成的通信设施是分不开的，计算机网络不是独立的。 4）计算机网络中的各种计算机系统进行通信和互操作，对计算机网络提出了更高的要求。

2.1.3计算机网络的组成

广义上讲，计算机网络主要由用户设备，传输交换设备和网络软件三部分组成。用户设备主要包括各种用户终端，服务器等。 传输和交换设备主要包括交换机，路由器，集线器和通信线路等。网络软件主要包括网络操作系统，用户应用程序和各种网络协议和网络管理软件。

2.1.4计算机网络的拓扑结构

计算机网络拓扑的本质是计算机网络的骨架，即连接到计算机网络的各种硬件设施的物理配置，而运行良好的计算机网络拓扑结构应符合以下要求：

1）现代建筑结构复杂，网络拓扑结构必须能够适应建筑物以及楼宇间之间的通信环境。2）网络拓扑结构要充分考虑网络建设施工的便利，能够以较低的成本完成网络架设。3）在计算机网络链路的介质选择上，应该充分考虑实际需要和成本。4）在进行网络拓扑结构设计时，要充分考虑到与不同厂商的设备的兼容性，确保开放性，从而保证能够随着时间的推移，能够方便的对现有网络进行升级和更新。5）在进行计算机网络拓扑结构设计过程当中，应该进行反复的论证，经过专家最终评审之后，才能够确定相应的设计方案。

2.2计算机网络可靠性

经过长时间的发展，各国学者都对计算机网络的可靠性进行了测量，一般可以概括为：计算机网络的抗破坏连通性，计算机网络生存性，计算机网络和计算机网络的有效性多种模式组件。如果计算机网络工作正常，网络中的基本节点和组件必须为每个用户终端提供可靠的链路。计算机网络的可靠性是其连接性的一大重要标准。

计算机网络可靠性是指计算机网络在规定的时间内在一定的连接条件下完成规定的功能，在网络连通的条件下，即满足通信要求的能力。同时，计算机网络运行能力是否在正常范围内，也是由其自身的拓扑结构决定的。

3.计算机网络可靠性的影响因素

3.1网络拓扑结构对计算机网络可靠性的影响

计算机网络的拓扑结构属于计算机网络规划问题。在计算机网络规划设计阶段，网络拓扑已经融入计算机网络，计算机网络的可靠性在很大程度上受网络拓扑结构的影响，体现在以下几个方面：

3.1.1总线结构网络拓扑

网络拓扑图本身就是一个链路图，两个连接图之间的链接是唯一的点，经常用在点对点的网络或局域网中，局域网内的所有节点通过总线卡直接连接到一个公共总线上作为传输介质 ，结构简单易于实现，易于扩展。但是，由于计算机网络中的所有节点只能通过总线传输介质发送或接收信息，可能会有两个或两个以上的节点在同一时刻在总线上发送信息，从而导致网络传输发生冲突，导致传输。同时，连接图中的任何一侧或节点故障都会导致网络瘫痪。虽然这种计算机网络的成本较低，但其容错性较差，可靠性较差。总线结构的网络拓扑结构图如图 1，图中Ci（i=1，2，…，n）表示计算机网络的结点。

3.1.2星型結构网络拓扑

星型结构的网络拓扑是以交换机为中心的，其他节点也通过中心节点进行。星型网络具有结构简单，易于实现对整个网络节点通信的控制，通过中心节点在任意两个节点之间进行通信，使计算机网络管理以及任何非中心节点故障不影响其他节点 的沟通。但是如果星型结构的网络拓扑中心节点出现故障，就会造成整个计算机网络的瘫痪。这种计算机网络拓扑结构也不适用于重要的计算机网络。但是，就网络可靠性而言，它比总线结构网络拓扑的网络拓扑更可靠。如图 2所示为星型结构的网络拓扑，Ci（i=1，2，…，n）表示其计算机网络结点。

3.1.3 n×m维网状网结构拓扑结构

3.1.4金字塔型网络拓扑结构

如图 4所示为金字塔型网络拓扑结构，其中Ci（i=1，2，…，n）表示计算机网络的结点。金字塔型网络拓扑结构因其具有良好的容错性和有效性而被大量的应用，如并行计算、网络计算、图像处理、模式识别与智能系统等联网系统。

3.2网络设备对计算机网络可靠性的影响

3.2.1用户设备对可靠性的影响

用户终端是直接面向用户的，其可靠性及其重要。计算机网络的日常维护主要是为了保证用户终端的可靠性。用户终端的交互能力越高，网络的可靠性就越高。例如，安装两块连接不同局域网段的网卡，远远高于网卡的可靠性。计算机网络的可靠性和效率直接受这些子服务器的可靠性的影响。通常，服务器的错误恢复能力，响应时间和可靠性与其可靠性成正比。在提高各子服务器可靠性的同时，应采用服务器双交换机系统，即在计算机网络运行系统中，我们使用两台服务器，一台作为主机，另一台作为备份机。尽管如此，计算机网络的成本将会增加，但是相应计算机网络的可靠性也会增加。

3.2.2传输交换设备对计算机网络可靠性的影响

在计算机网络建设和运行过程中，由布线系统引起的计算机网络故障一般最难找到，所以经常是最大的。因此，应采用标准的通信线路和布线系统。对于一个非常重要，且不关心施工成本的计算机网络来说，最好是布置双线以便及时切换计算机网络的故障。计算机网络集中器将多个用户终端连接到网络，通过它可以将设备的故障与计算机网络的其他部分分开，形成第一道防线，保证计算机网络的可靠性。集线器是单点故障设备。如果失败，用户将无法工作。交换机用于连接多个独立的局域网，并对其间的网络互连设备进行包过滤，可用于解决用户终端与服务器之间带宽和网络交换不足的瓶颈问题，以满足交互，提高整个网络的表现。

3.3网络管理对计算机网络可靠性的影响

通常大型计算机网络是由不同厂家的不同网络产品和设备组成的，规模庞大，结构复杂。 为降低故障率，保证信息传输的完整性，降低误码率和误码率，减少信息丢失，提高计算机网络的可靠性，网管应采用先进的技术，实时采集网络运行参数和 网络信息统计，网络监控运行状态，及时发现故障和排除故障。

在计算机网络规划，设计，建设和运行的实际过程中，要注意以下两个方面：一是科学合理地选择计算机网络管理系统，必须重视是否满足安全配置和计费管理需求以及遵循标准的网管协议。这样既可以管理网络本身的设备，又可以与其他计算机网络管理软件交换管理信息。使用计算机网络管理软件可以随时监控网络，及时发现故障，为网络管理和维护提供坚实的基础和策略，从而提高整个计算机网络的可靠性和效率。第二，为了保证计算机网络的正常运行，在制定必要的网络管理制度和条例的基础上，还要加强对计算机网络应用人员的培训和教育，养成良好的应用习惯及职业道德。为了防止人为的操作失误和恶意破坏，可运用行政和法律措施来确保计算机网络的正常运行秩序。

4.基于遗传算法的计算机网络可靠性设计

4.1遗传算法

遗传算法（Genetic Algorithms简称GA）是能有效解决最优化问题的一种方法。它是受到生物进化论的启发，将解决“适者生存”的问题，通过每代染色体的不断演变，包括繁殖，变异和交叉，最终收敛到最适合的子代，从而得到最优解或满意解的一种高度并行、自适应且随机的优化算法。遗传算法编码技术和遗传操作简单，优化的约束条件不受限制。目前，遗传算法越来越得到人们的重视，并在机器学习、神经网络、优化设计、遗传学等领域得到了成功应用。

对一个需要进行优化计算的实际应用问题，一般可按下述步骤构造求解该问题的遗传算法。

1）确定决策变量及其各种约束条件。2）建立优化模型，确定出目标函数的类型及其数学描述形式或量化方法。3）确定出个体的基因型X及遗传算法的搜索空间。4）确定解码方法，以及由个体基因型X到个体表现型x的对应关系或其转换方法。5）确定出由目标函数值f（x）到个体适应度F（x）的转换规则。6）确定出选择、变异、交叉运算等遗传算子的操作方法。7）确定遗传算法的初始种群数Pop-size、进化代数T、变异概率Pa、交叉概率Pc等参数。

4.2基于遺传算法的计算机网络可靠性设计

对于计算机网络中包含多个结点的基因的描述，本文选择较易操作的二进制编码步骤。

1）计算机网络节点基因的表达，如表格 1：

有4个结点的计算机网络图及结点基因表达如下所示。

2）适值函数的选择，函数构建如下：

式中x：个体在成本排序中的位置

Pop_size：种群规模

3）选择运算（进化）。根据每个基因的适值和其选择概率的正相关性，本文选择“转轮选择”来进行研究，其中Pk为选择概率，适值为fk的基因。

4）交叉运算（遗传）。此交叉运算只单次针对单独结点位置进行，对结点的基因表达的交叉则是随机处理。基因交叉的位置随机产生于[1，N]。一般状态时，其交叉率区间为（0.01，0.1）。

5）遗传算法的终止条件。以种群当前代最大适应值与种群平均适应值的比，（即种群的进化程度）或者提前给出遗传操作迭代数的极大限值来处理终止。

6）模拟。当α=2，β=2（其中α，β网络节点可靠度约束常数），N=6（其中N为计算机网络节点数），且遗传操作的迭代次数为100时，可靠度矩阵Ro和成本矩阵Cο分别为：

用MATLAB进行仿真得到如下图像：

最终得到，当计算机网络可靠度的最大值确定为 0.885 时，计算机网络链路的最小成本为 45。

5.结论

本文在分析影响计算机网络可靠性因素的基础上，建立了基于遗传算法的计算机网络可靠性优化模型。并通过MATLAB进行仿真，得出以下结论：

1）基于遗传算法的计算机网络可靠性设计有效，结果满足要求，也达到了预期的目标。2）仿真实例表明，本文所采用的遗传算法智能算法具有可操作性，具有实际应用价值。3）初步解决了计算机网络可靠性优化问题，同时也为计算机网络设计和建设者提供了一些理论参考。4）本文的缺点是模拟程序运行缓慢，占用大量的内存和运行时间。 将来需要编写更有效的仿真程序。

计算机网络的飞速发展，一方面促使计算机网络可靠性的影响因素不断增加，另一方面也为衡量计算机网络可靠性提出了更高的要求。因此，论文中提到的计算机网络可靠性的影响因素以及计算机网络可靠性体系还需进一步的完善、充实和改进。设计还应考虑到计算机网络在实际运行过程中的随机性、不确定性和人为因素等的影响。

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