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计算机网络可靠性优化设计研究

作者2019-04-02 09:39未知
第一章 绪 论
1.1 选题背景及意义
世界上第一台计算机于 1946 年在美国诞生,标志着人类开始迈入电脑时代。人类进入互联网时代的起点是 1969 年 12 月,阿帕网(ARPANET)在美国投入运行。随后互联网技术飞速发展,TCP/IP 协议诞生,以此为基础,局域网(Local Area Network 简称 LAN)和广域网(Wide Area Network 简称 WAN)相继发展,最终将人类带入互联网(Internet)时代。互联网时代的到来,给人类社会带来了翻天覆地的变化,互联网已经渗透到人们工作和生活的方方面面,极大的改变了人们的工作和生活方式,可以毫不夸张的说,现代人的衣食住行都离不开互联网。随着人类社会对互联网的依赖性不断加大,互联网的可靠性就显得尤为重要。一旦互联网出现问题,不仅会对整个社会的生产造成巨大的影响,也会直接影响到人们的日常生活,更可怕的是有可能会对国家的安全产生重要的影响。因此,确保互联网的可靠性就显得尤为重要。
上世纪 20 年代初,可靠性问题刚刚被提出,人们对于可靠性问题缺乏形象的认识。一直到第二次世界大战爆发,大量的新型武器装备投入到战场当中,在残酷的战争环境中,很多武器装备的不可靠,给武器的使用者带来了惨痛的教训。参战各国纷纷开始重视武器装备的可靠性问题,并在战后推广到其它行业和领域。由此可见,可靠性问题研究是人们在实践当中逐渐摸索到的,对于它的研究是科学技术发展到一定程度后的必然结果。经过长期的发展,可靠性问题涉及到的学科领域越来越广,逐渐形成一门新兴的综合性交叉学科。
对于计算机网络可靠性的研究最早可以追溯到现代互联网 Internet 的前身ARPANET。当时国美人最早建立 ARPANET 的目的,就是为了研究在核战条件下,网络的可用性。当今世界“和平”和“发展”早已成为主流,大规模战争爆发的可能性很小,但是这并不代表计算机网络就是安全的。因为计算机网络是一个庞大的复杂系统,很多方面的因素都有可能导致计算机网络产生风险,如:网络设计不够科学、用户操作失误、电子设备的老化、传输介质和设备接口之间不兼容、甚至是软件配置错误都有可能造成计算机网络的可靠性以及可用性出现问题。现在计算机网络还面临着一个十分重要的威胁,那就是无所不在的黑客攻击,极大的增加了计算机网络的风险。
20 世纪 90 年代后,计算机在全世界的使用量越来越大,从一开始办公室的几台电脑之间的通信,到整个单位电脑之间的通信,一直到全国范围内电脑都接入互联网,从而实现信息和软件的共享。计算机网络在给社会生产和人们生活带来极大便利的同时,由于其自身的一些特点,一旦出现网络故障,将会造成巨大的损失,甚至是无法弥补的损失。对于企业来说,一旦内部网络出现故障,就会造成数百万美元的损失。对于银行来说,问题更为严重,权威机构统计,计算机网络瘫痪 1 小时,会造成 600 万美元的损失,如果瘫痪超过一天,那么这个银行就彻底破产。对于证券机构来说,如果网络出现问题,那么会给网民造成巨大的经济损失。现在电力、交通、金融等各个行业都连入互联网当中,一旦出现大面积的网络瘫痪,会给国民经济的各个部门造成灾难性的影响,而且这种影响会蔓延到普通民众的日常生活当中,进而造成社会动荡,给国家安全和稳定造成影响。正是因为计算机网络对于国民经济、国家安全乃至人们的日常生活都产生如此重要的影响,因此要不断通过优化和设计,大力提高计算机网络的可靠性,尽可能的降低其出现故障的几率。
1.2 研究目的及主要工作
1.2.1 研究目的
随着人们生产和生活对于计算机网络的依赖性不断增加,计算机网络能否可靠运行逐渐成为管理着和用户关心的问题。文章立足于计算机网络潜在风险的全局,充分运用运筹学、系统可靠性理论,结合实际,建立相应的数学模型,对从整体上提高计算机网络的可靠性展开探讨,最大限度的提升计算机网络的可用性。
1.2.2 主要工作
计算机网络保持连通的概率和计算机网络可靠性的最优化问题是计算机网络可靠性优化设计研究中两个最核心的问题。前者是计算机网络可靠度的计算问题,后者则是综合评价多种不同的计算机网络可靠性指标体系,从理论上为计算机网络设计提供指导方案。现有计算机网络的运行、管理,以及新的计算机网络的规划、设计都离不开计算机网络的可靠性研究。文章将以计算机网络的规划、设计为主,现有网络的运行管理为辅,对计算机网络可靠性优化设计开展探讨,
主要包括以下几个方面的内容。
(1)阐述计算机网络可靠性的相关理论。
(2)分析影响计算机网络可靠性的相关因素。
(3)对计算机网络可靠性进行优化设计。
1.3 国内外研究动态
计算机网络可靠性研究始于上世纪的 60 年代,当时主要的研究对象就是计算机网络的拓扑结构以及连通性对于可靠性的影响。上世纪 70 年代末,计算机网络可靠性的研究主要集中在业务性能指标上。在这期间,可靠性的相关理论也在不断的发展,对影响计算机网络可靠性的研究范围也在不断扩展,网络维修能力、网络部件故障状态等因素也成为重要因素。随着互联网技术的迅猛发展,网络规模不断扩张,已经无法到现场进行试验,此时,仿真技术在互联网系统动态模拟当中的广泛使用,极大的促进了计算机网络可靠性的研究,同时为于计算机网络设计提供了辅助。
1.3.1 国内研究动态
上世纪 50 年代到 60 年代初期,我国开始尝试对电子产品的失效情况进行相应的研究,并为此成立了专门的机构,研究的重点主要放在应用环境以及可靠性调查等方面,当时的研究主要是针对军事领域以及航空航天领域。70 年代,计算机网络开始在国内出现,针对计算机网络的可靠性研究逐渐开展,并且出现了一些新的网络可靠性算法。这一时期,随着计算机网络力量的发展,可靠性研究也取得了丰富的成果。80 年代末期一直到 90 年代初期,我国开始重视科技和质量,极大的促进了可靠性研究的发展。这一时期,可靠性研究进行的如火如荼,培养了大批的高素质科研人才,极大的提升了我过产品的可靠性。
计算机网络的凝聚度和连通度在很长时间内被作为计算机网络可靠性的测度,尤其是在计算机网络可靠性研究的初期。但是研究人员很快发现,在实际的使用过程当中,尤其是需要完成大量的通信业务时,很多时候计算机网络即使是连通的,但是并不能按照预期的需求来完成业务量。
随着我国计算机技术的快速发展,我国逐步形成了比较完善的计算机网络可靠性研究的理论体系,尤其是在计算机网络硬件可靠性方面,取得了长足的进步。当前我国对于计算机网络可靠性研究的重点逐渐转向网络管理软件以及可靠性指标体系评价工作上来。当前,我国计算机网络可靠性研究取得了很大的成果,但是,我们应该清醒的看到,国际上对于网络可靠性的研究开始就比我们早 20年,再加上国外先进的组织管理制度,以及充足的研究经费和高素质的研究人才保障,这些都使得我们的研究与国际先进水平存在一定的差距。
1.3.2 国外研究动态
国外对计算机网络可靠性问题的研究最早集中在通信网络上,1955 年 Lee发现电信交换网络的传输容量由于计算机网络部件的故障而出现大幅度的降低,造成呼叫拥塞,最终导致通信网络出现大范围的瘫痪。Lee 首次将连通性作为计算机网络可靠性的测度。1968 年 ARPANET 诞生,对于计算机网络可靠性的研究获得了很大的发展,这一时期衡量计算机网络可靠性的标准仍然是网络的连通性。只要计算机网络以及相互通信的计算机之间是连通的,那么就可以判断计算机网络处于正常状态。Ball 深入研究了网络运行性能对可靠度的影响,认为对网络连通概率精确计算是 NP 难题,并对此进行了证明,得到广泛的认可。
随着计算机技术的不断发展,到上世纪 80 年代,计算机网络的用户数量快速增加,网络的规模在不断扩大,随之而来的是剧增的网络流量和负载。这时,计算机网络在连通的状态下也不能保证可靠的工作,网络性能会随着延时和拥塞而急剧下降,很多业务最终无法正常实现。这时,网络连通性已经不能作为衡量网络可靠性的唯一标准了,研究方向逐渐转向网络性能的可靠性。
20 世纪 80 年代以后,随着计算机技术的快速发展,计算机网络更多地深入到各个行业以及人们的日常生活当中,并发挥着越来越重要的作用。国际上对于计算机网络可靠性的衡量标准也随之发生了重要的变化。由于计算机网络的用户越来越多,因此用户的使用感受逐渐被纳入计算机网络可靠性的评价体系当中,如用户对网络质量的投诉率、用户对网络质量的满意度、网络连通率、平均无故障运行时间等。
从上世纪 90 年代末开始到现在,计算机网络以前所未有的速度快速发展,迅速普及,给整个人类社会带来巨大的变革,网络系统的可靠性研究随之迅速发展,并逐渐成为可靠性研究领域的一个重点。由于计算机网络已经深入到社会生产的各个领域和部门,如:电力、交通、物流等,计算机网络的可靠性受到越来越多的重视。
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