基於鏈路的通信網絡業務可靠性試驗方法
2023-09-23 22:18:25
專利名稱：基於鏈路的通信網絡業務可靠性試驗方法
技術領域：
本發明涉及一種基於鏈路的通信網絡業務可靠性試驗方法，屬於可靠性技術領域。
背景技術：
從1837年莫爾斯發明電報機、1876年貝爾發明電話機、1895年馬可尼發明無線電設備，到今天通信網絡的廣泛應用，如今的人類社會已經進入資訊時代，人們對信息的需求與日俱增，對通信能力的要求也越來越高，網絡可靠性逐漸成為了通信網絡的核心要求之一。
一般來說，建成一個網絡主要是通過網絡的硬體基礎設施，向用戶提供各種服務。和普通的系統類似，對網絡可靠性的考察就是度量網絡在規定時間、規定條件下完成規定功能的能力。但由於網絡的複雜性、動態性等特點，傳統的系統可靠性分析與評估方法已經不能適用。
為了保證通信網絡的可靠性，一方面要對設備進行可靠性試驗，結合網絡拓撲結構，考察與網絡設備故障相關的，受溫度、溼度、振動等環境條件影響的網絡拓撲可靠性；另一方面還要在網絡設備樣機生產完成後，搭建網絡，對網絡進行業務可靠性試驗，考察受網絡業務流程、流量等因素影響的網絡業務可靠性。
然而，通信網絡可靠性的前期研究多集中在可靠性分析上，採用圖論方法以設備可靠性數據為基礎分析網絡拓撲層可靠性的研究較多，但其中沒有考慮網絡業務運行過程中的可靠性問題，如由於擁塞、幹擾等原因造成的業務運行故障。目前，關於通信網絡業務可靠性試驗的研究剛剛起步，尚不能回答諸如應該如何進行試驗、應該測量哪些數據、如何通過這些數據計算網絡業務可靠性等問題。
發明內容
本發明的目的是為了解決通信網絡可靠性試驗中數據從產生、採集到分析和處理的問題，提出一種基於鏈路的通信網絡業務可靠性試驗方法，通過構建業務拓撲模型，進而產生測試中需要的業務剖面，根據業務具體需求動態收集網絡業務數據，並判斷是否出現網絡故障，最終得到網絡業務可靠性指數。
本發明的基於鏈路的通信網絡業務可靠性試驗方法，包括以下幾個步驟 步驟一通過網絡拓撲結構圖和網絡業務流程，得到業務拓撲模型，確定業務分支及分支上的鏈路； 1)建立網絡拓撲結構圖，在網絡拓撲結構圖上標註每一個服務所在的硬體設備； 2)將網絡業務流程以有向邊形式標註在網絡拓撲結構圖中，得到業務拓撲模型； 3)根據業務拓撲模型，確定業務分支數量，判定每條業務分支包含的鏈路； 步驟二根據實際使用情況產生網絡業務； 根據實際使用過程中，用戶對網絡服務的使用需求，確定網絡業務剖面，並依此產生網絡業務； 步驟三數據收集； 每隔Δt時間，根據網絡業務需求分別測量每條鏈路的相關參數值； 步驟四進行網絡業務可靠性綜合評估，得到網絡業務可靠性指數； 根據步驟三得到的參數值，進行網絡業務可靠性綜合評估，得到網絡業務可靠性指數值，網絡業務可靠性綜合評估具體包括以下步驟 (1)計算每條業務分支的服務水平； 根據每條鏈路的測量結果，計算每條業務分支的服務水平； (2)故障判斷； 根據用戶設定的故障判據，設置業務需求的門限值，判斷t時刻業務i的第j條分支是否發生故障。當測量結果滿足業務需求門限值時，認為沒有發生l類故障，記為0；當測量結果不能滿足業務需求門限值時，認為有l類故障發生，記為1，如下式所示；
式中，Fijl(t)是t時刻業務i的第j條分支是否發生l類故障的布爾計數量，正常狀態記0，故障狀態記1； (3)每條業務分支可靠性指數計算； 根據統計得來的布爾計量數，計算各業務分支的可靠性指數，如下式所示 式中，RIij是第i個業務第j條分支的可靠性指數；T是試驗時長，Δt是數據採集間隔；ωt是各類故障的權重，m是故障的種類，且
(4)每個業務可靠性指數計算； 根據業務分支比例，結合業務分支可靠性指數，計算業務可靠性指數，如下式所示 式中，RIi是第i個業務的可靠性指數；ωj是業務i中第j個分支流量所佔比例，且
p是每個業務所含分支數量； (5)網絡業務可靠性指數計算； 根據各業務可靠性指數，計算網絡業務可靠性指數，如下式所示 式中，RI是網絡業務可靠性指數；ωi是網絡中各業務權重，q是網絡業務的數量，且
本發明的優點在於 (1)本方法明確了網絡可靠性是網絡對多業務不同要求的支持能力，從用戶對每一個業務的要求出發考察網絡故障，解決了現存方法中「重網絡、輕業務」而導致的可靠性參數沒有考慮用戶感知的問題。
(2)本發明採用結合業務和網絡拓撲的業務拓撲模型，該模型把業務分解到網絡拓撲上，解決了現有方法中業務模型和網絡拓撲模型相分離，而導致的網絡可靠性計算和用戶業務無關的問題。
(3)本方法測量的數據來自業務拓撲模型中的鏈路，需要考察業務的流程，並根據業務的具體需求獲取數據，解決了現存方法中數據獲取方法不明確的問題。
(4)本方法提出的故障判斷來源於實際測量數據，並依據具體業務需求進行判斷，同時本發明提出了通信網絡可靠性指數的計算方法，解決了目前網絡可靠性研究中對測量數據缺少處理方法的問題。
(5)本方法還具有很好的實用性和經濟價值，建設完成後使用該方法可以較好地完成產品的可靠性鑑定試驗，判斷其可靠性水平，或根據此對網絡進行優化改進。避免過度追求高可靠性帶來的浪費，另一方面也能及時發現不滿足用戶需求的缺點，避免更大的經濟損失。
圖1是本發明所述試驗方法的流程圖； 圖2是本發明步驟四所述評估方法的流程圖； 圖3是實施例中的網絡拓撲結構； 圖4是實施例中的業務拓撲模型； 圖5a是實施例中第一業務第1條分支的吞吐量統計結果； 圖5b是實施例中第一業務第2條分支的吞吐量統計結果； 圖5c是實施例中第一業務第1條分支的吞吐量統計結果； 圖5d是實施例中第一業務第2條分支的吞吐量統計結果； 圖6a是實施例中第二業務第1條分支的誤碼率統計結果； 圖6b是實施例中第二業務第2條分支的誤碼率統計結果； 圖6c是實施例中第二業務第1條分支的誤碼率統計結果； 圖6d是實施例中第二業務第2條分支的誤碼率統計結果； 圖7是實施例中第三業務分支的時延統計結果。
具體實施例方式 下面將結合附圖和實施例對本發明作進一步的詳細說明。
本發明中所述的鏈路指兩個通信終端之間為傳遞信息所建立的連接，是一個由終端和連接電路所組成的有向路徑，在鏈路上的具體通信由專門設計的協議來控制；網絡業務可靠性指網絡對用戶使用服務的支持能力；服務指由網絡伺服器向用戶提供的一組網絡功能；業務指用戶對網絡服務的使用；業務剖面指網絡在完成規定業務傳輸這段時間內所經歷的業務量及業務流程的時序描述；業務分支指受網絡業務流程影響而產生的不同網絡路由需求。用戶對網絡服務的使用，按其業務量和業務分支可能出現的概率分布來定義。
本發明是一種基於鏈路的通信網絡業務可靠性試驗方法，流程如圖1所示，包括以下步驟 步驟一通過網絡拓撲結構圖和網絡業務流程，得到業務拓撲模型，確定業務分支及分支上的鏈路； 1)建立網絡拓撲結構圖，在網絡拓撲結構圖上標註每一個服務所在的硬體設備； 2)將網絡業務流程以有向邊形式標註在網絡拓撲結構圖中，得到業務拓撲模型； 3)根據業務拓撲模型，確定業務分支數量，判定每條業務分支包含的鏈路。
步驟二根據實際使用情況產生網絡業務； 根據實際使用過程中，用戶對網絡服務的使用需求，確定網絡業務剖面(包括業務類型、業務流程、流量大小等要素的時序信息)，並依此產生網絡業務。
步驟三數據收集； 每隔Δt時間，根據網絡業務需求分別測量每條鏈路的相關參數值，例如吞吐量、誤碼率、時延等等。
步驟四進行網絡業務可靠性綜合評估，得到網絡業務可靠性指數； 根據步驟三得到的參數值，進行網絡業務可靠性綜合評估，得到網絡業務可靠性指數值，網絡業務可靠性綜合評估的流程如圖2所示，具體包括以下步驟 (1)計算每條業務分支的服務水平； 根據每條鏈路的測量結果，計算每條業務分支的服務水平； 例如，平均吞吐量 式中，Vij(t)是業務i的第j條分支在t時刻的平均吞吐量；Vijk(t)是業務i第j條分支的第k條鏈路在t時刻的吞吐量，n是業務i的第j條分支包括的鏈路數量。
平均誤碼率 式中，Eij(t)是業務i的第j條分支在t時刻的平均誤碼率；Eijk(t)是業務i第j條分支的第k條鏈路在t時刻的誤碼率，n是業務i的第j條分支包括的鏈路數量。
時延 式中，Dij(t)是業務i的第j條分支在t時刻的時延；Dijk(t)是業務i第j條分支的第k條鏈路在t時刻的時延，n是業務i的第j條分支包括的鏈路數量。
(2)故障判斷； 根據用戶設定的故障判據，設置業務需求的門限值，判斷t時刻業務i的第j條分支是否發生故障。當測量結果滿足業務需求門限值時，認為沒有發生l類故障，記為0；當測量結果不能滿足業務需求門限值時，認為有l類故障發生，記為1，如下式所示；
式中，Fijl(t)是t時刻業務i的第j條分支是否發生l類故障的布爾計數量，正常狀態記0，故障狀態記1。
(3)每條業務分支可靠性指數計算； 根據統計得來的布爾計量數，計算各業務分支的可靠性指數，如下式所示 式中，RIij是業務i第j條分支的可靠性指數；T是試驗時長，Δt是數據採集間隔；ωi是各類故障的權重(由每條業務分支的重要性決定)，m是故障的種類，且
(4)每個業務可靠性指數計算； 根據業務分支比例，結合業務分支可靠性指數，計算業務可靠性指數，如下式所示 式中，RIi是業務i的可靠性指數；ωj是業務i中第j個分支流量所佔比例，且
p是每個業務所含分支數量。
(5)網絡業務可靠性指數計算； 根據各業務可靠性指數，計算網絡業務可靠性指數，如下式所示 式中，RI是網絡業務可靠性指數；ωi是網絡中各業務權重(由每個業務的重要性決定)，q是網絡業務的數量，且
實施例 某網絡提供視頻點播服務和網站信息服務，伺服器採用Sun Ultra 10333MHz，單核、單CPU、單線程，Solaris作業系統；交換機含16個埠；每個用戶群內配置100個終端用戶；鏈路採用10BaseT。
網絡有三個用戶群，第一用戶群和第二用戶群使用視頻點播服務，形成該網絡的第一業務和第二業務，第三用戶群使用網站信息服務，形成該網絡的第三業務。當用戶訪問多媒體服務點播時，如果有，則直接下載，如果沒有，則由多媒體服務訪問總服務，如果有則下載並傳回視頻；如果沒有，則返回用戶告知視頻沒有。網站信息服務則只為第三個用戶群提供服務。
網絡建設之初對第一業務和第二業務提出了如下需求 1、吞吐量＞1Mb/s； 2、誤碼率＝0％； 第三業務需要滿足對網站的訪問響應時間＜4s/page。
由於終端用戶的網絡帶寬等物理特性一般都能夠滿足可靠性的要求，因此客戶要求對該網絡(主要是主幹網)進行可靠性試驗，評價該網絡對這三個業務進行支持的能力，即該網絡的業務可靠性。
應用本發明的基於鏈路的通信網絡業務可靠性試驗方法，包括以下步驟 步驟一通過網絡拓撲結構圖和網絡業務流程，得到業務拓撲模型，確定業務分支及分支上的鏈路； 1)建立網絡拓撲結構圖，在網絡拓撲結構圖上標註每一個服務所在的硬體設備； 網絡拓撲結構圖如圖3所示，LAN1、LAN2和LAN3分別為第一用戶群、第二用戶群和第三用戶群，Server1、Server2、Server3為伺服器，Switch1～Switch6為網絡交換機，提供數據交換功能。
在網絡拓撲結構圖上標註每一個服務所在的硬體設備，LAN1和LAN2的多媒體服務配置在Server1和Server2上，總服務部署在Server3上。網站服務也配置在Server3上。
2)將網絡業務流程以有向邊形式標註在網絡拓撲結構圖中，得到業務拓撲模型； 在網絡拓撲圖上把LAN1、LAN2和LAN3對服務的訪問，即業務的流程，都以有向邊標註在該網絡拓撲圖中，則網絡拓撲結構與業務流程結合，得到業務拓撲模型，如圖4所示。
3)根據業務拓撲模型，確定業務分支數量，判定每條業務分支包含的鏈路。
根據業務拓撲模型，確定業務分支，實施例中，第一業務和第二業務各有兩條業務分支，第三業務僅有一條分支。LAN1進行視頻點播業務，由於視頻存放位置不同，則產生了第1條分支LAN1-Switch1-Switch3-Server1-Switch3-Switch1-LAN1(直接可從位於Server1的多媒體伺服器獲得視頻資源)和第2條分支LAN1-Switch1-Switch3-Switch6-Server3-Switch6-Switch3-Switch1-LAN1(位於Server1的多媒體伺服器無該類視頻資源，需從位於Server3的總伺服器獲取)；同理，LAN2的第1條分支為LAN2-Switch2-Switch4-Server2-Switch4-Switch2-LAN2，第2條分支為LAN2-Switch2-Switch4-Switch6-Server3-Switch6-Switch4-Switch2-LAN2；LAN3有LAN3-Switch5-Switch6-Server3-Switch6-Switch5-LAN3分支。各條網絡業務分支涉及的鏈路如表1所示 表1各條網絡業務分支涉及的鏈路 步驟二根據實際使用情況產生網絡業務； 試驗環境下對實際使用情況的模擬一般以類似案例、類似用戶行為的歷史數據等信息為參考，本案例的模擬情況為 ①業務類型視頻點播業務、網站訪問業務； ②業務發送頻率第一用戶群的業務請求頻率為不間斷髮送，第二用戶群的業務請求間隔為1s，第三用戶群的業務請求間隔服從λ＝10s的指數分布； ③業務發送量第一用戶群的視頻業務發送量服從λ＝1024Byte的指數分布，第二用戶群的視頻業務發送量為常數12000Byte，網站訪問業務發送量服從a＝2000Byte，b＝21000Byte的均勻分布。
④業務運行時長T＝24h。因為用戶對網絡上服務的使用情況以24小時為時長進行重複，因此，可靠性試驗選取的業務運行時長為24小時。
步驟三數據收集； 每隔Δt＝60s，根據業務需求分別測量各條鏈路的相關參數，具體測量情況如表2所示 表2測量各條鏈路測量的相關參數 步驟四進行網絡業務可靠性綜合評估，得到網絡業務可靠性指數； 根據步驟三測量得到的數據，進行網絡業務可靠性綜合評估，得到網絡業務可靠性指數值，具體如下 (1)計算每條業務分支的服務水平； 根據每條鏈路的測量結果，計算每條業務分支的服務水平，具體如下 第一業務(第一用戶群的視頻業務)的第1條分支的服務水平 式中，V11(t)是第一業務的第1條分支在t時刻的平均吞吐量；V11k(t)是第一業務的第1條分支的第k條鏈路在t時刻的吞吐量，共包括6條鏈路；E11(t)是第一業務的第1條支在t時刻的平均誤碼率；E11k(t)是第一業務的第1條分支的第k條鏈路在t時刻的誤碼率，同理共包括6條鏈路。
第一業務的第2條分支的服務水平 式中，V12(t)是第一業務的第2條分支在t時刻的平均吞吐量；V12k(t)是第一業務的第2條分支的第k條鏈路在t時刻的吞吐量，共包括8條鏈路；E12(t)是第一業務的第2條分支在t時刻的平均誤碼率；E12k(t)是第一業務的第2條分支的第k條鏈路在t時刻的誤碼率，同理共包括8條鏈路。
同理，得到第二業務(第二用戶群的視頻業務)的兩條分支的服務水平 式中，V21(t)是第二業務的第1條分支在t時刻的平均吞吐量；V21k(t)是第二業務的第1條分支的第k條鏈路在t時刻的吞吐量，共包括6條鏈路；E21(t)是第二業務的第1條分支在t時刻的平均誤碼率；E21k(t)是第二業務的第1條分支的第k條鏈路在t時刻的誤碼率，同理共包括6條鏈路；V22(t)是第二業務的第2條分支在t時刻的平均吞吐量；V22k(t)是第二業務的第2條分支的第k條鏈路在t時刻的吞吐量，共包括8條鏈路；E22(t)是第二業務的第2條分支在t時刻的平均誤碼率；E22k(t)是第二業務的第2條分支的第k條鏈路在t時刻的誤碼率，同理共包括8條鏈路。
第三業務(第三用戶群的網站訪問業務)的第1條分支的服務水平 式中，D31(t)是第三業務的第1條分支在t時刻的時延；D31k(t)是第三業務的第1條分支的第k條鏈路在t時刻的時延，共包括6條鏈路。
各條業務分支的吞吐量統計結果如圖5所示；誤碼率統計結果如圖6所示，圖中誤碼率測量結果均為0％；時延統計結果如圖7所示。
(2)故障判斷； 根據用戶需求，判斷t時刻業務i的第j條分支是否發生故障，判斷方法如表3所示 表3網絡業務故障判據 表1中，FVij(t)是t時刻業務i的第j條分支是否發生吞吐量過低故障的布爾計數量，正常狀態記0，故障狀態記1；同理，FEij(t)是t時刻業務i的第j條分支是否發生誤碼率過大故障的布爾計數量；FDij(t)是t時刻業務i的第j條分支是否發生時延過長故障的布爾計數量。
(3)每條業務分支可靠性指數計算； 根據統計得來的布爾計量數，計算各業務分支的可靠性指數，具體方法如下所示 對第一業務的第1條分支、第一業務的第2條分支、第二業務的第1條分支和第二業務的第2條分支，各條業務分支可靠性指數為 式中，RIij是業務i第j條分支的可靠性指數；ωV是吞吐量的權重，ωE是誤碼率的權重，ωV+ωE＝1。
根據故障判斷結果，第一業務的第1條分支中吞吐量超門限值個數為2，誤碼率超門限值個數為0；第一業務的第2條分支中吞吐量超門限值個數為2，誤碼率超門限值個數為0；第二業務的第1條分支中吞吐量超門限值個數為53，誤碼率超門限值個數為0；第二業務的第2條分支中吞吐量超門限值個數為2，誤碼率超門限值個數為0，取ωV＝ωE＝0.5，則有 對於第三業務的第1條分支，其僅有1個故障門限值，時延超門限值個數為85，因此 (4)每個業務可靠性指數計算； 根據業務分支比例，結合業務分支可靠性指數，計算業務可靠性指數，對第一業務和第二業務，業務可靠性指數為 式中，RIi是業務i的可靠性指數；ωj是該業務中各分支流量所佔比例，且
p是每個業務所含分支數量。在本實施例中，第一業務的第1條分支的流量比例為80％，第2條分支的流量比例為20％；第二業務的第1條分支的流量比例為90％，第2條分支的流量比例為10％，則有 RI1＝0.8×0.99930556+0.2×0.99930556＝0.99930556 RI2＝0.9×0.98159722+0.1×0.99930556≈0.98336806 對第三業務，由於只包含一個業務分支，因此，RI3＝RI31，即RI3＝0.94097222。
(5)網絡業務可靠性指數計算； 根據各業務可靠性指數，計算網絡可靠性指數，具體方法如下 式中，RI是網絡可靠性指數；ωi是網絡中各業務權重，且
這裡取ω1＝ω2＝ω3，計算得 由此可知，該網絡可靠性指數為0.975。
權利要求
1.基於鏈路的通信網絡業務可靠性試驗方法，其特徵在於，包括以下幾個步驟
步驟一通過網絡拓撲結構圖和網絡業務流程，得到業務拓撲模型，確定業務分支及分支上的鏈路；
1)建立網絡拓撲結構圖，在網絡拓撲結構圖上標註每一個服務所在的硬體設備；
2)將網絡業務流程以有向邊形式標註在網絡拓撲結構圖中，得到業務拓撲模型；
3)根據業務拓撲模型，確定業務分支數量，判定每條業務分支包含的鏈路；
步驟二根據實際使用情況產生網絡業務；
根據實際使用過程中，用戶對網絡服務的使用需求，確定網絡業務剖面，並依此產生網絡業務；
步驟三數據收集；
每隔Δt時間，根據網絡業務需求分別測量每條鏈路的相關參數值；
步驟四進行網絡業務可靠性綜合評估，得到網絡業務可靠性指數；
根據步驟三得到的參數值，進行網絡業務可靠性綜合評估，得到網絡業務可靠性指數值，網絡業務可靠性綜合評估具體包括以下步驟
(1)計算每條業務分支的服務水平；
根據每條鏈路的測量結果，計算每條業務分支的服務水平；
(2)故障判斷；
根據用戶設定的故障判據，設置業務需求的門限值，判斷t時刻業務i的第j條分支是否發生故障。當測量結果滿足業務需求門限值時，認為沒有發生l類故障，記為0；當測量結果不能滿足業務需求門限值時，認為有l類故障發生，記為1，如下式所示；
式中，Fijl(t)是t時刻業務i的第j條分支是否發生l類故障的布爾計數量，正常狀態記0，故障狀態記1；
(3)每條業務分支可靠性指數計算；
根據統計得來的布爾計量數，計算各業務分支的可靠性指數，如下式所示
式中，Rlij是第i個業務第j條分支的可靠性指數；T是試驗時長，Δt是數據採集間隔；ωl是各類故障的權重，m是故障的種類，且
(4)每個業務可靠性指數計算；
根據業務分支比例，結合業務分支可靠性指數，計算業務可靠性指數，如下式所示
式中，RIi是第i個業務的可靠性指數；ωj是業務i中第j個分支流量所佔比例，且
p是每個業務所含分支數量；
(5)網絡業務可靠性指數計算；
根據各業務可靠性指數，計算網絡業務可靠性指數，如下式所示
式中，RI是網絡業務可靠性指數；ωi是網絡中各業務權重，q是網絡業務的數量，且
全文摘要
本發明公開了一種基於鏈路的通信網絡業務可靠性試驗方法，包括以下四個步驟，步驟一通過網絡拓撲結構圖和網絡業務流程，得到業務拓撲模型，確定業務分支及分支上的鏈路；步驟二根據實際使用情況建立網絡業務剖面，並依此將業務加載到網絡上；步驟三明確各業務的故障判據，並從網絡上收集業務動態運行時的相關數據；步驟四根據各業務的故障判據設置門限值，並分別對各業務進行故障數分析和計算，進而根據給出的算法計算得到網絡可靠性指數。本發明明確了網絡可靠性是網絡對多業務不同要求的支持能力，提出了結合業務流程和網絡拓撲的業務拓撲模型，通過描述可實際進行數據測量的鏈路與每一個業務的關係，使故障判定有據可循。
文檔編號H04L12/26GK101741641SQ20091024167
公開日2010年6月16日 申請日期2009年11月30日 優先權日2009年11月30日
發明者黃寧, 李瑞瑩, 康銳, 陳衛衛, 劉玉青 申請人:北京航空航天大學