熊英

摘 要： 針對傳統(tǒng)驗證系統(tǒng)一直存在驗證效率及驗證精度低的問題，提出并設(shè)計基于雙驗證模塊的計算機網(wǎng)絡(luò)可靠性驗證系統(tǒng)。通過分析用戶設(shè)備、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對計算機網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響，給出計算機網(wǎng)絡(luò)可靠性與可靠度定義，構(gòu)建基于雙驗證模塊的可靠性驗證系統(tǒng)，實現(xiàn)對計算機網(wǎng)絡(luò)可靠性的驗證。實驗結(jié)果表明，在以驗證時延為指標(biāo)進行計算機網(wǎng)絡(luò)可靠性驗證時，采用改進系統(tǒng)與傳統(tǒng)驗證系統(tǒng)為對比，其驗證時延及效率均要優(yōu)于傳統(tǒng)驗證系統(tǒng)，具有一定的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞： 計算機網(wǎng)絡(luò)； 可靠性驗證； 雙驗證模塊； 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)； 交換設(shè)備； 時延

中圖分類號： TN711?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2018）16?0076?04

Abstract： In allusion to the long?existing problems of low verification efficiency and precision of the traditional verification system， a computer network reliability verification system based on the dual verification module is proposed and designed. The reliability and reliability degree of the computer network are defined by analyzing the influence of the user equipment and network topological structure on computer network reliability， so that the reliability verification system based on the dual verification module can be constructed and the verification of computer network reliability can be realized. The experimental results show that in comparison with the traditional verification system， the improved system has shorter time delays and better efficiency when the time delay is taken as the index to verify computer network reliability， which has a certain advantages.

Keywords： computer network； reliability verification； dual verification module； network topological structure； switching device； time delay

0 引 言

計算機網(wǎng)絡(luò)推動著人類社會的發(fā)展與進步，但日益擴大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模卻加大了網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管的難度，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜。在高速發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及日益復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，計算機網(wǎng)絡(luò)可靠性已成為網(wǎng)絡(luò)設(shè)計與分析中必不可缺的考慮因素之一[1]。對此，雖已經(jīng)利用MPLS快速重路由、IP路由快速收斂、RPRIPS、平穩(wěn)重啟、端到端LSP備份等多種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)可靠性進行了分析，提高了網(wǎng)絡(luò)可靠性，但快速發(fā)展的通信技術(shù)已經(jīng)將智能化大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)帶到人們?nèi)粘９ぷ髦?，人們對網(wǎng)絡(luò)的依賴性越來越大。網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)性能惡化與網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的失效都是造成網(wǎng)絡(luò)不可靠的因素，這些因素使得至今仍未有一個標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型來涵蓋全方面的可靠性，這為網(wǎng)絡(luò)可靠性的研究帶來了新的問題與挑戰(zhàn)[2]。所以，既要考慮設(shè)備的可靠性又要將一些網(wǎng)絡(luò)可靠性性能指標(biāo)的變化如網(wǎng)絡(luò)的連通性等列入考慮的范疇。

1 計算機網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響因素

1.1 傳輸交換設(shè)備對計算機網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響

在計算機網(wǎng)絡(luò)實際建設(shè)、運行過程中，集線器、交換機和路由器是影響計算機網(wǎng)絡(luò)可靠性和滿足計算機網(wǎng)絡(luò)日后發(fā)展需要的重要因素[3]。為了便于建設(shè)成本的計算機網(wǎng)絡(luò)在出現(xiàn)故障時能及時進行更換，需將線路設(shè)置成雙線。確保計算機網(wǎng)絡(luò)可靠性的首要防線是計算機網(wǎng)絡(luò)集線器將一些用戶終端集中起來連入網(wǎng)絡(luò)，通過它將所連設(shè)備的錯誤與計算機網(wǎng)絡(luò)其他部分隔開。集線器屬于單點失效設(shè)備，它與其他相連用戶之間是共存關(guān)系。若集線器出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，與它相連的客戶端就無法正常運行，由此可知，集線器正常運行與否決定了計算機網(wǎng)絡(luò)是否安全可靠[4]。因此，采用科學(xué)有效的措施來保證其可靠性是設(shè)計計算機網(wǎng)絡(luò)時著重考慮的因素。

交換機不但能達(dá)到局域網(wǎng)之間的連接，還能達(dá)到局域網(wǎng)與廣域網(wǎng)間、廣域網(wǎng)與廣域網(wǎng)間的連接。對路由器可靠性進行驗證時，容易受到協(xié)議選擇的影響，因此，需要選擇具備彈性的協(xié)議，或者采用最為保險的冗余路由設(shè)計技術(shù)[5]，以提高主路由器出現(xiàn)故障時，次路由的利用速度，確保計算機網(wǎng)絡(luò)的正常使用。

1.2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響

計算機網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是影響網(wǎng)絡(luò)可靠性的客觀因素，屬于計算機網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃范疇。由實踐可知，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只有應(yīng)用于不同領(lǐng)域及不同規(guī)模類型的計算機網(wǎng)絡(luò)中，才能提高計算機網(wǎng)絡(luò)可靠性[6]。因此，本文研究的重點內(nèi)容就是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對計算機網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響，對計算機網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的深入分析，將用部件直徑和連通度來度量計算機網(wǎng)絡(luò)有效性和容錯性的單一方法轉(zhuǎn)變?yōu)檫\用部件寬直徑、限制連通度、容錯直徑、限制容錯直徑、限制邊連通度等參數(shù)的代入分析方法。上述參數(shù)的出現(xiàn)，使計算機網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計更加精確科學(xué)。下面羅列出計算機網(wǎng)絡(luò)可靠性驗證中傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的利弊。

1） 總線結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一條鏈路連通圖，其經(jīng)常在點對點網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)中使用。公用的傳輸介質(zhì)總線結(jié)構(gòu)簡單，容易實現(xiàn)和拓展，因此總線結(jié)構(gòu)局域網(wǎng)中所有節(jié)點都連到這條總線上[7]。但是如果同一時刻有兩個或兩個以上節(jié)點利用總線發(fā)送信息，會造成傳輸沖突甚至失敗，其原因是計算機網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點只能通過總線傳輸介質(zhì)發(fā)送或接收信息，同時，造成網(wǎng)絡(luò)癱瘓的原因也可能是任何一條邊或節(jié)點發(fā)生故障。對于比較重要的計算機網(wǎng)絡(luò)來說，此計算機網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙蒎e度小、可靠性較低，所以不宜采用。

2） 星型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。星型結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)點是任意兩個節(jié)點之間的聯(lián)通都需要通過中心節(jié)點，并且任意除中心節(jié)點以外的節(jié)點發(fā)生故障不會影響其他節(jié)點的正常工作，這樣給計算機網(wǎng)絡(luò)的管理工作帶來便利[8]。缺點是一旦其中心節(jié)點發(fā)生故障，將會造成整個計算機網(wǎng)絡(luò)的工作癱瘓，因此這種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不適用于比較重要的計算機網(wǎng)絡(luò)。但相對于總線結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涠?，星型結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞挠嬎銠C網(wǎng)絡(luò)可靠性更高。

2 計算機網(wǎng)絡(luò)可靠性驗證系統(tǒng)分析

2.1 計算機網(wǎng)絡(luò)可靠性與可靠度定義

計算機網(wǎng)絡(luò)經(jīng)各國學(xué)者的分析研究，發(fā)現(xiàn)可靠度是驗證計算機網(wǎng)絡(luò)可靠性的重要指標(biāo)，且計算機網(wǎng)絡(luò)的可靠性、生存性、抗破壞性及多模式下的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備均能影響計算網(wǎng)絡(luò)的可靠性[9]。因此，當(dāng)前可靠性研究領(lǐng)域中，計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、寄出節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)正常運行下，可為用戶提供可靠的鏈路，提高計算網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

計算機網(wǎng)絡(luò)可靠度，即在網(wǎng)絡(luò)連通狀態(tài)下，時間及條件一定時，計算機網(wǎng)絡(luò)被完成功能規(guī)定的概率，也是達(dá)到計算機網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和規(guī)劃的關(guān)鍵參數(shù)之一，同時，計算機網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)決定了網(wǎng)絡(luò)運行范圍的正常與否。

2.2 可靠性驗證系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D了解網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫怯嬎銠C網(wǎng)絡(luò)可靠性驗證的前提，其由網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)造、目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)及關(guān)鍵鏈路位置所決定。再結(jié)合主動測量方法，衡量網(wǎng)絡(luò)可靠性，得到網(wǎng)絡(luò)可靠性驗證系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y模塊、數(shù)據(jù)庫模塊、網(wǎng)絡(luò)可靠性探測模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊、數(shù)據(jù)驗證模塊等組成，驗證系統(tǒng)模塊圖如圖1所示。

2.2.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y模塊

要達(dá)到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涮綔y的目的，需采用MIB庫中ipRoutingTable，ipTable等信息，經(jīng)過getrequest，getnextrequest原語來獲取，并使用有關(guān)方法解析整理最終獲得網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋄10]。網(wǎng)絡(luò)均有一定的拓?fù)淠Ｊ剑缈偩€型、令牌環(huán)形等?？梢罁?jù)SNMP的操作原理，獲取物理或鏈路層的標(biāo)記。目前以以太網(wǎng)為主流的網(wǎng)絡(luò)較多，探測出的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多為樹型結(jié)構(gòu)為主。為了讓拓?fù)涮綔y更加接近實際網(wǎng)絡(luò)，使用多種網(wǎng)絡(luò)形式進行判斷，讓結(jié)果更加準(zhǔn)確地反映實際情形。

2.2.2 數(shù)據(jù)庫模塊

網(wǎng)絡(luò)性能的狀況可以由多種性能指標(biāo)反映，不同時段中指標(biāo)的測量值會發(fā)生一定的變化，這些變化發(fā)生的主要原因是某些網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量周期性變化，這種周期性變化周期為1周。所以，要想實時獲得網(wǎng)絡(luò)性能狀況就要運用更加靈活的統(tǒng)計方法對其進行分析。為了能更加準(zhǔn)確客觀地對網(wǎng)絡(luò)性能進行驗證，運用可變閾值并將其與基線值進行結(jié)合，對網(wǎng)絡(luò)一些正常變化情況進行分析。例如，在丟包率為0且時延小于10 ms，性能為良則是丟包率小于2%或延遲小于100 ms，如果丟包率大于20%或延遲時間大于400 ms，網(wǎng)絡(luò)性能則為劣等網(wǎng)絡(luò)性能判斷條件下，系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)實際情況對考查網(wǎng)絡(luò)性能的多種參數(shù)進行相應(yīng)的變化。運用統(tǒng)計學(xué)的方法分析某一指標(biāo)下的大量樣本數(shù)據(jù)，求出樣本的平均值。數(shù)據(jù)庫模塊還需將可靠性驗證模塊得出的可靠性報告進行存儲，并對每天出現(xiàn)的最小與最大可靠性數(shù)值的時間進行統(tǒng)計。當(dāng)存儲空間不足時，系統(tǒng)會提醒用戶將曾經(jīng)所存儲的數(shù)據(jù)或統(tǒng)計資料刪掉。

2.2.3 網(wǎng)絡(luò)可靠性探測模塊

以網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)中的5個參數(shù)值為主要參考依據(jù)，以可自主發(fā)送數(shù)據(jù)包給目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)或單條鏈路的變長包技術(shù)為方法，來獲取相關(guān)的探測數(shù)據(jù)。

網(wǎng)絡(luò)可靠性探測模塊可以參考相關(guān)的測量指標(biāo)，并按照時間順序?qū)μ綔y得到的數(shù)據(jù)進行整理統(tǒng)計，得出可靠性性能參數(shù)。網(wǎng)絡(luò)可靠性性能參數(shù)均會儲存到中心數(shù)據(jù)庫中，并且可靠性驗證模塊會對子系統(tǒng)的探測報告進行分析。用戶會在兩種情況下得到驗證模塊以事件報告形式給出的提示：一種是子系統(tǒng)的報告數(shù)值超過當(dāng)前設(shè)定的閾值；另一種是子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)包在傳輸過程中丟失或接收失敗，得到提示的用戶可及時采取相對應(yīng)的措施。

2.2.4 網(wǎng)絡(luò)流量分析模塊

該模塊的任務(wù)是計算當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)流量和統(tǒng)計ICMP，TCP，UDP等相關(guān)數(shù)據(jù)，利用圖形化方法對用戶進行反饋，利于用戶了解目前網(wǎng)絡(luò)的情況。

2.2.5 數(shù)據(jù)發(fā)送模塊

數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的作用是在子系統(tǒng)受控制的情況下向中心服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)報告的頻率，前提是此頻率達(dá)到相應(yīng)閾值，如果中心服務(wù)器沒有反饋，會停止數(shù)據(jù)發(fā)送，待服務(wù)器激活后再次發(fā)送。

2.2.6 可靠性驗證模塊

可靠性驗證模塊是系統(tǒng)運行的核心，其在驗證網(wǎng)絡(luò)可靠性的過程中，通過測量網(wǎng)絡(luò)性能參數(shù)得到動態(tài)閾值，計算時延抖動、丟包率、時延3個參數(shù)，對3個參數(shù)做歸一化處理，得到能使網(wǎng)絡(luò)正常運行的精準(zhǔn)權(quán)重值，確定運行環(huán)境，獲取網(wǎng)絡(luò)可靠性驗證結(jié)果。

2.2.7 異常報警模塊

異常報警模塊主要用于對計算機網(wǎng)絡(luò)實時流量信息做異常報警處理，模塊一旦進行報警，說明流量已高于設(shè)定的閾值，加之異常信息種類不同，使用報警方式不同，獲得報警信息不同，如包含的可靠性參數(shù)值、數(shù)據(jù)報信息、時間信息等均會發(fā)生變化，根據(jù)錯誤及時間的累積，報警將隨之升級，并且將當(dāng)前流量統(tǒng)計中的最高帶寬利用率、最高延時、最高丟包率、最大流量的主機隔離，將報警信息保存至數(shù)據(jù)庫中。