计算机网络可靠性研究

王俊豪

【摘 要】随着计算机软硬件技术的不断发展，计算机互联在人们的日常生活中扮演着越来越重要的角色。为了能够提升用户体验，计算机可靠性研究被提上了日程，随着技术的记忆不发展，越来越多的学者開始对这一问题进行了深入的研究。本文就简要概述计算机可靠性研究的相关问题。其中以时间为轴线介绍了可靠性研究的背景和发展概况。然后从近似算法和精确算法两个方面介绍了网络可靠性评估的办法，并且简述了集中算法的原理。文章最后介绍了网络故障容错设的重要意义和基本理念。

【关键词】计算机；网络可靠性

一、研究背景

随着互联网技术的进一步发展，软硬件制造技术的提高，目前为止，计算机网络技术几乎各行各业都扮演着极为重要的角色。而随着应用范围的进一步扩大，人们对计算机网络的依赖程度也越来越高。因此，一旦计算机网络技术出现漏洞、故障甚至是崩溃，则会对用户的生活产生极大的影响。所以计算机网络的可靠性是十分重要的。举例来说，加入在金融领域中，计算机网络技术发生了较大的问题，导致网络瘫痪。则会导致一个投资银行的倒闭。在现实生活中也有很多类似问题导致业绩下降的例子，例如推特网在一段时间内故障频发，导致用户体验度下降，从而给竞争对手白白送去了很多用户流量。所以，在现今网络社会中，计算机网络技术的可靠性是尤为重要的，它不仅包含着用户提现的问题，更是商家赖以生存的命脉之一。

二、网络可靠性研究发展概况

早在20世纪60年代中期就有研究人员开始研究电信交换网络，其中发现，一旦网络出现了故障就会使得整个交换网的传输总量大大下降，引起整个信号网的堵塞，从而诱发网络瘫痪，造成用户体验大幅度下滑，经济损失巨大。研究人员将此类故障命名为链路故障，并且引入了网络可靠测度的概念，其中是以连通性作为衡量的标准。

随着计算机网络技术的进一步发展，20世纪70年代，美国国防部也开展了大量的关于计算网络可靠性的研究，并且在这个领域中投入了大量的人力物力和财力，引起了学者的广泛关注，越来越多的人投入到这一领域的研究之中，并且获得了丰硕的成果。在这一时期，网络可靠性研究的主要内容研究还是网络的连通性。并且给出了网络连通性的定义和标准。随后不少研究人员都提出了很多新的实用性强的理论。

至此到80世纪，计算机软硬件技术的快速发展，使用人员和计算机数量暴涨，网络负载急剧增大，流量也翻了多倍，研究人员发现，就算是网络保证可靠性和连通性的前提下，也难以满足用户的使用体验。网络拥堵、延时和崩溃的情况时有发生，从而导致部分功能无法正常使用。因此在这一时期研究人员将研究重点从网络连通性转移到了可靠性上。

之后从90年代一直到今天，计算机的普及和研究热潮的到来，网络可靠性的研究已经成为了计算机领域的热点之一。并且与计算机相结合的很多领域，例如：电力、金融、物流等都开始研究相关网络可靠性问题。

三、网络可靠性评估办法

研究人员定义可靠度为：产品在给定时间内，给定条件下完成所需功能而不出现失效的概率。目前来说，Ball将网络可靠度计算定义为NP难题。随着研究的进一步深入，目前关于此类的算法有两种：近似算法和精确算法。

（一）网络可靠性评估的近似算法

网络可靠性的近似算法适合于大中型网络，顾名思义，在计算的时候牺牲了计算的精度，为的是减少计算量提高运算速度。一般来说常见的近似算法有：模拟法、图变换法和上下界法。

本节主要介绍这几种算法的的基本理念。上下界法再求可靠度的过程中主要是算出网络的上下边界值来近似的求解出网络的可靠度的。图形变换法是按照一定的规则简化网络之后再进行可靠度的计算。经典的变化规则有-Y简化规则、串并联简化规则、多边形链简化规则和三角形简化规则。一般来说图形变换法只适用于具有特殊结构的网络。目前学者研究较多的就是近似算法，因为近似算法可以用于大中型网络的可靠度计算之中。目前大家的研究的重点就在如何能够提高计算精度并且还不降低计算的速度上面。

（二）网络可靠性评估的精确算法

上文已经介绍了，网络可靠性问题就是求解NP问题，精确类算法一般包含了以下几类：状态空间分解法、因子分解法、状态枚举法、容斥原理法等等。一般来说精确算法只能用在小型或者中性网络上，大型网络负荷数据量过大，不适合精确算法。本节对着状态枚举算法和容斥原理算法进行概述。

首先介绍一下状态枚举法。状态枚举法是在上世纪60年代被研究人员提出的，此法是通过列举正常使用条件下的所有互斥事件来进行网络可靠度的计算。因此这类方法只是比较适合小型网络，因为随着网络链数目只增加，互斥事件的数目将会急剧增长，所以此类方法计算量巨大，平时不使用。

容斥原理则是利用到了集合这一思想，将不可靠度表示成一个个不可分割的集合，再除去相交部分，其中不可分割的集合中包括着一些网络链路。次累计和不可分割，且无重复部分并且进行拆减之后就不是最小集合。一个集合必须对应的是网络的一个工作状态（正常或者故障）。此类方法也只是用于小型网络的计算中。

四、网络故障容错设

网络可靠度再高，可难免会出现一些问题，导致工作路径时效。因此为了保证在故障情况下能够将损失降到更低，不少研究人员也开始对故障容错系统进行设计，保证在路径失效的情况下，可靠度也能达到一定的阈值，这对网络安全保证工作有着极为重要的意义。一般来说容错技术有以下两大类：重路由容错和备用路径容错。其中重路由容错指的是将正常公祖的路径通过路由协议进行传导，保证在故障发生时，数据也可以有效的传递。备用路径容错指的是，在现有路径发生故障时将该故障路径的数据交由另一路径进行传输，此类方法可靠性高。

五、结语

随着计算机网络技术在生活中的不断普及和深化，用户在使用时越来越注意自身的体验，因此网络可靠性的保障就成了一个重中之重。现今已经有很多学者将自己的精力放在这一领域，相信随着时间和技术的不断发展，网络可靠性研究也会更加的深入、快捷和精确。

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