1、计算机网络综合可用性分析方法,2008年11月27日,王少萍 教授 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,2,提纲,研究背景及意义 计算机网络故障特征分析 计算机网络可靠性研究概况 基于网络性能综合可用性分析技术 结论与展望,3,研究背景及意义,复杂网络系统,军事通信系统,教育网系统,局域网,计算机网络应用越来越广泛； 计算机网络一旦发生故障，将造成无可估量的生命与财产损失； 容错计算机网络应运而生，但复杂度随之增加； 计算机网络可靠性（可用性）的研究至今尚无完整的理论体系； 如何评价网络的可用性没有统一的指标体系。,4,计算机网络可靠性故障特征,故障定义 网络不能在用户期望的时间范围内将
2、物质、信息、能量按用户需求完整、正确地在网络中传输的状态或事件。 故障模式 断路 间歇断路 延时 丢失 错误,某局域网故障统计数据故障模式分布,信息、能量不能按用户需求在网络中传输，即“网络不通”,即物质、信息、能量间歇性地不能按用户需求在网络中传输,即物质、信息、能量不能在用户期望时间范围内在网络中传输,即物质、信息、能量不能完整地在网络中传输,即物质、信息、能量不能正确地在网络中传输,5,计算机网络可靠性故障特性,故障原因,某局域网故障原因统计数据,6,网络故障特性研究,故障形成规律研究 过应力型故障 网络暴露在应力大于强度的环境中造成的。 与普通系统相同，受到力学、电学等各类应力-强度关
3、系作用，此外，还受到“流量负荷-容量”关系作用。,故障与正常的临界状态,耗损型故障 网络长时间暴露在一定应力条件下造成的，损坏是不断累积起来的。 与普通系统相同，受到机械耗损、电子耗损、化学耗损，此外，还受到传输耗损。,7,计算机网络可靠性故障特性,故障传播规律研究 纵向传播,横向传播 源于传播动力学的病毒传播 源于网络要素故障后应力（负荷）再分配,网络“雪崩”故障,8,计算机网络故障的扩散机理,容量有限，发生拥塞 队列长度过长，分组的延迟时间过大,9,网络可靠性的研究概况,网络的抗毁性 网络的生存性,网络的拓扑可靠性研究,基于性能的概率分析研究,网络的完成性,10,计算机网络可靠性定义,在人
4、为或自然的破坏作用下，网络在规定的条件和规定的时间内的生存能力。 在人为或自然的破坏作用下，网络在特定环境和规定时间内，充分完成规定的通信功能的能力。环境、时间和充分完成功能是这一定义的三要素。 当传输设备和交换设备发生故障时网络可以维持正常业务的程度。 网络由源点到终点能够成功地传输所需信息地概率。 在给定时间间隔，设备能在给定条件下执行要求功能的概率。,11,网络可用性评价指标体系,12,网络是一个图，它是否可靠当然在于它是否能够连通,网络拓扑可靠性研究的局限,节点和链路都存在故障概率,数学家、理论家,网络可靠性研究初期，计算机通信技术刚刚开始，通信媒介质量较差，站点交换设备的性能比较低，
5、网络的管理水平也没有跟上，网络经常处在断路状态，客户更关心计算机网络的站点之间能否通信。因此需要借助图论解决系统可靠性预计。,13,网络怎么这么慢？ 文件总是传输失败,网络拓扑可靠性的局限,随着计算机网络应用的发展，网络的应用环境恶化，拥塞崩溃成为网络应用中的一个突出的故障模式。,网络用户,14,基于网络性能的概率分析,网络能不能用当然与性能相关,性能测量,计算机网络科学家,随着现代信息技术的发展，电子产品的可靠性得到了迅速的提高，电子产品的连续无故障工作时间由原来的几百小时延长到30到40年，通信信道的质量也得到了提高，带宽拓宽，信道的传输误码率达到了109数量级。此时计算机网络站点之间能否
6、通信已不再是网络可靠性研究的重点，人们更关心现在的计算机网络完成功能的能力，即用完成性来衡量计算机网络的性能。,15,网络性能评价的局限性,如何设计一个健壮的网络,？,？,综合考虑容错计算机网络存在故障的条件下网络的性能问题，成为容错计算机网络系统综合可用性研究的主要内容。,工程师,关键节点,16,迫切解决的关键性问题,尚未形成网络综合可用性体系结构 网络可用性评价指标混乱 对典型网络设备的可用性分析不足 网络业务性能在网络可用性中反映不充分 极少考虑网络协议的影响,注：,传统的网络可靠性分析中通常不考虑设备及网络的故障恢复过程； 网络可用性研究不仅考虑设备及网络的故障过程，而且考虑故障的恢复
7、过程。,17,网络性能可靠性研究,计算机网络可用性体系结构的建立 容错计算机网络设备的可用性分析 网络业务流对网络可用性的影响分析 基于性能的网络综合可用性评价研究 局域网综合可用性分析 网络监听及局域网可用性的验证,18,网络可靠性影响参数,对于 结构的网络，参数主要包括：网络连接矩阵节点容量向量链路容量矩阵网络流量分配矩阵网络业务流量,网络结构参数,网络配置参数,协议相关参数,业务特性参数,强烈的相关性,严重的非线性,19,计算机网络性能可靠性研究体系结构,广域网,局域网,经济性能、响应速度,网络吞吐量,网络拓扑连通性,MTBF、MTTF,传输的差错率,20,物质基础,结构保证,性能可用,
8、N(G, C, f, , S, T) 其中： G = G(V, E)为计算机网络的拓扑结构图； C表示链路的容量集； f表示链路上的稳定数据流量集； 表示网络设备的故障率集； 表示网络设备的维修率集； S表示源节点的集合； D表示信宿节点的集合。,计算机网络性能可靠性研究体系结构,21,网络设备的故障模式,网络设备的固有故障网络设备的固有故障由设备的软硬件失效造成，与网络的业务流量无关。由固有故障决定的设备的可用度为,网络设备的拥塞故障拥塞是一种持续过载的状态，此时用户对节点资源（存储空间和处理器处理能力等）的需求超过了其固有的容量。,22,网络性能可靠性分析方法,设备层：广义随机Petri网
9、建立故障相关性模型； 拓扑层：排队论+图论建立网络的拥塞模型； 业务层：排队论+图论+性能评价建立综合评价指标。,23,网络设备层可靠性分析,基本处理单元处理器过热或系统盘存储的溢出，将有可能导致软件运行的异常，在极端的情况之下，甚至可能导致死机等故障模式。,24,设备软硬件故障相关性GSPN模型,25,典型网络设备GSPN模型,26,网络业务性能对网络可靠性的影响,网络拥塞成为网络的一个突出的故障模式网络设备的缓冲容量为有限值,27,基于排队论的网络拥塞机理,网络业务流的到达,节点容量,节点服务规律,队列服务规程,28,网络业务流对节点可用度的影响,网络流量,状态N的稳态概率,固有可用度,M
10、X/M/1/N模型,M/M/1/N模型,泊松业务流条件下,自相似业务流条件下,传统网络可靠性 研究区域,29,基于业务流的网络端端可用度,30,网络业务流条件下端端可用度,Poisson达到过程条件下网络可用度曲线,自相似达到过程条件下网络可用度曲线,在网络的使用过程中，应当 对网络的应用任务进行合理 的规划，避免网络过载。,31,源节点缓冲区容量对网络可靠度的影响,节点1缓冲容量对网络可靠度的影响,节点2缓冲容量对网络可靠度的影响,节点t缓冲容量对网络可靠度的影响,节点容量对网络可用度的影响,（1）节点s、t成为网络的关键节点 （2）单纯提高内部节点的容量对于提高网络整 体的可靠度作用不大,
11、32,链路可靠度对网络可用度的影响,链路（s, 1）可靠度对网络可用度的影响,链路（s, 2）可靠度对网络可用度的影响,（1）提高链路的可用度能够提高网络的可用度。 （2）通过提高链路的固有可用度的途径来提高网络可用度的效果将是有限的。,33,链路容量对网络可用度的影响,链路（s, 1）容量对网络可用度的影响,链路（s, 2）容量对网络可用度的影响,当网络中的业务量较高时，链路(s,1)的容量的变化对网络的可用度影响较大。 在网络的设计中应保证重要链路拥有合理的容量。,34,节点的拥塞控制,通过对网络业务流的监测表明：网络的业务量在不同时段变化非常明显。这就使得对于一定容量的节点在不同时段有不
12、同的可用度。,节点可用度变化曲线,35,节点拥塞控制,36,节点拥塞控制,节点可用度反馈控制系统效果,无反馈的节点可用度变化,37,计算机网络综合可用性评价,合理的指标体系建立原则为：(1) 综合全面，即考虑的指标必须反映网络可用性各方面的情况；(2) 普遍可抽取，所有的指标在不同体制的网络中均存在并可被提取；(3) 可量化，指标具备数值型或可通过数学方法被量化分析；(4) 可划分，指标概括性高，相互之间关联性小，便于简化分析。,网络的Power公式,38,计算机网络综合可用度,故障条件下，网络延迟时间,网络存在故障条件下，Power公式：,设网络的Power最大值为 ，则网络的综合可用度为：
13、,39,网络综合可用性实例分析,网络拓扑图,网络源节点到目的节点的最短路由选择方法为：从路由表中找出一条最短路径作为输出路径，当到达目的节点的最短路径多于一条时，将等概率的从这些最短路径中选择一条作为分组的输出路径。,40,网络综合可用度曲线,节点1可用度对网络综合可用性影响,节点2可用度对网络综合可用性影响,网络综合可用性曲线,网络管理者认为此区域网络的综合可用性不高,网络使用者认为此区域网络的综合可用性不高,网络管理者和使用者均承认的网络的综合可用性较高的区域,41,局域网可用性分析,体系结构特殊 拓扑结构特殊 协议特殊,42,以太网及CSMA/CD协议,以太网是20世纪70年代研究开发的
14、一种基带局域网技术。 CSMA/CD是一种争用型的介质访问控制协议。,CSMA/CD是一种分布式介质访问控制协议，网中的各个站（节点）都能独立地决定数据帧的发送与 接收。每个站在发送数据帧之前，首先要进行载波监听，只有介质空闲时，才允许发送帧。这时， 如果两个以上的站同时监听到介质空闲并发送帧，则会产生冲突现象，这使发送的帧都成为无效帧， 发送随即宣告失败。每个站必须有能力随时检测冲突是否发生，一旦发生冲突，则应停止发送，以 免介质带宽因传送无效帧而被白白浪费，然后随机延时一段时间后，再重新争用介质，重发送帧。,43,局域网可用性建模思路,局域网可用性定义:,网络中的工作站数量N；工作站可用度
15、AW ；网络带宽B;数据包平均长度L;数据产生速率；数据重传率。,局域网可用性影响因素：,当用户有数据要发送时，数据在(0 t)时间内发送出去的概率。,CSMA/CD协议分析“拥塞状态”工作站比例分析局域网可用性评价解算,局域网可用性模型分析步骤:,44,局域网可用性模型,局域网可用度,（1）局域网络中工作站的台数应该根据实际要达到的网络可用性的要求进行设计。 （2）网络中数据包的平均长度也直接影响着网络的可用性。局域网中一般将链路层的 最大传输单元 (MTU)限制在1500字节。,工作站数量对局域网可用性影响,数据包长度对局域网可用性影响,45,局域网可用性模型,数据产生率对局域网可用性影响,数据重传率对网络可用性影响,46,网络可靠性研究的发展趋势,网络可靠性与网络的性能评价结合将更加的紧密； 网络可靠性参数间的非线性与强烈的耦合性将成为研究的热点； 业务流特性与路由协议在网络可靠性评价中的分量将逐步的加大，并更加趋向于真实情况； 基于网络可靠性指标的网络拥塞控制方法将更加被重视； 网络可靠性的试验验证方法将成为网络可靠性研究发展重要保证。,请提宝贵意见！谢谢。,
