网络可靠性

MTBF、MTTF
19
计算机网络性能可靠性研究体系结构
6
6
4
4
2
2
0 0
性能可用
业务层
设备层
结构保证
N(G, C, f, λ,μ, 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； λ表示网络设备的故障率集； μ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。
– 纵向传播
网络系统
节点1 节点2 节点2
链路1 链路2 2/3 链路3
节点1 组件2
组件1
组件4 组件3
组件5
– 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
最大 连通 子图数
网络“雪崩”故障
组件1
元件1
元件2
元件3 元件4
元件5
t/时间
7
计算机网络故障的扩散机理
• 故障模式
– 断路 信息、能量不能按用户需求在网络中传输，即“网络不通” – 间歇断路 即物质、信息、能量间歇性地不能按用户需求在网络中传输 – 延时 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 – 丢失 即物质、信息、能量不能完整地在网络中传输 – 错误 即物质、信息、能量不能正确地在网络中传输
某局域网故障统计数据故障模式分布
4
计算机网络可靠性故障特性
• 共故性描障述原因 电信网络
网络类型
网络计算机网络
断路外因 通话中断
内信因息传输中断
间延歇· ·时断环 使路境 用条 模件 式通通话话时延断迟时续· ·硬 结件 构信· ·信息软 运息传件 行输传机输时制缓断慢时续
交通网络 交通中断
运输故-晚- 障点
0.85
Nt=5
pf 0.8
0.75
0.7
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
f(packets/s)
网络端端可用度曲线
A(G,f) AN
V1 , V1
C , , , f V1V3 V1V3 V1V3 V1V3
,V3 V3
V1
V3
vs
vt
V2
C , , , f V2V4 V2V4 V2V4 V2V4
V4
V2 , V2
V4 , V4
1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1
00
1000
2000
3000 fopt 4000 f( packets/s)
5000
6000
网络综合可用性分析
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
17
网络可靠性影响参数
完
k/N端平均传输丢失间隔时间
网 络 可 靠 性 参 数 体 系
通 可 M-k/N端连通可靠性 靠 性 1-k/N端连通可靠性
k/N端及时可靠性
及 时 可 M-k/N端及时可靠性 靠 性 1-k/N端及时可靠性
M-k/N端连通可靠度
网
络
M-k/N端平均断路间隔时间
可
1-k/N端连通可靠度
靠
1-k/N端平均断路间隔时间
G1.up
立即变迁(immediate transition)
弧 (arc)
标记(token)
禁止弧
t38
t4 G4.up
G3.up t5 t6
t7 y1 .up y2.up
t8
G6.up t15
t16
t11 y1.dn
t12
t13
t27
t14 y2.dn G6.dn
t28 t17
t9
x9 .up x0.up t19
此外，还受到“流量负荷-容量”关系作用。
– 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。
应力3
应力1
临界应力 强度曲面
应力2
故障与正常的临界状态
6
计算机网络可靠性故障特性
• 故障传播规律研究
16
网络性能可靠性研究
终端1
终端2
面向用户的局域 网可用性研究
集线器
V2
linkage
V4
一般拓扑结构广域网
t37
G2.up
t1
T.up t2 t3
数据盘故障 place 服务器A故障place
服务器B故障place
服务器系统状态 place
系统状态 place 时间变迁 (timed transition)
V1
心跳测试线
用性分析
V6
• 网络业务流对网络可用性
S
V3
V5
服务器A 共享数据盘A 共享数据盘B 服务器B
的影响分析
• 基于性能的网络综合可用
基于业务流的网络可用度分析
输入
输出
节点可用度曲线
有限容量的排队模型
f
pf 测算
pk
－
＋ pf 资源分配器
N
节点
节点可用度反馈控制
1 0.95 0.9
Nt=15 Nt=10
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，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。
V6
V3
V5
12
网络拓扑可靠性的局限
Subnet
V4(router)
V2(router)
7000
大
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8
网络可靠性的研究概况
网络的拓扑可靠性研究
✓ 网络的抗毁性 ✓ 网络的生存性
基于性能的概率分析研究
✓ 网络的完成性
9
计算机网络可靠性定义
• 在人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。
性
参
k/N端传输及时可靠度
数
k/N端平均传输延时间隔时间 体 系
M-k/N端传输及时可靠度
|
M-k/N端平均传输延时间隔时间 续
1-k/N端传输及时可靠度 1-k/N端平均传输延时间隔时间
整 可 M-k/N端完整可靠性 靠 性
1-k/N端完整可靠性
M-k/N端传输完整可靠度 M-k/N端平均传输丢失间隔时间
对于G(V,E), V N结, E构的M网络，参数主要包括：
•
网络连接矩阵
A
aij
pij
0
eij E, pij其为它eij的可靠度
• 节点容量向量 D d1, d2,…, dN
• 链路容量矩阵 C cij
• 网络流量分配矩阵 Q qij
• 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
• 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过程。
V6(router) T(Server)
V1(router)
V2(router)
V4(router)
linkage
黑箱
S(client)
V3(router)
V5(router)
Subnet V6(router) T(Server)
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
V1(router)
V2(router)
V4(router)
linkage
Subnet
S(client)
V3(router)
V5(router)
V6(router) T(Server)
？
？
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。
15
迫切解决的关键性问题
15
10
5
0
0
2000
4000 6000 8000
10000 12000
t(s)
13
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
V1(router)
V2(router)
V4(router)
linkage
Subnet
S(client)
V3(router)
V5(router)
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。
复杂网络系统 局域网
3
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。
丢失
通话不完整
丢包/丢码
运输丢失
错误 电话有串音、杂音 时错间包因/误子码
运输错误
故障原因
硬件
软件
结构
运行机制
某局域网故障原因统计数据
环境条件 使用模式
电力网络 电力供应中断
电压不稳 --
功率衰退 电压传输错误
故障模式
断路
间歇断路
延时
丢失
错误5
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-强度关系作用，
强烈的相关性
严重的非线性
18
计算机网络性能可靠性研究体系结构
广域网
OSI参考模型 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层
数据链路层 物理层
经济性能、响应速度
IEEE 参考模型
网络吞吐量
网络拓扑连通性
逻辑链路控制 媒体接入控制
物理层 传输媒体/拓扑结构描述
IEEE802 参考模型
的范围
局域网
传输的差错率
1
内部原因
0.5
网络部件故障
外部原因
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
1
网络故障
0.5
网络性能
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
1
1
0.5
(1) 容量有限，发生拥塞
0.5
(2) 队列长度过长，分组的延迟时间过
0
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
计算机网络综合可用性分析方法
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
2008年11月27日
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
2
研究背景及意义
军事通信系统 教育网系统
计算机网络应用越来越广泛；
linkage
V1(router)
T(Server) V6(router)
V5(router)
V3(router)
S(client)
网络怎么这么慢？ 文件总是传输失
败
网络用户
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。
traffic(Kbps)
25 2
1-k/N端传输完整可靠度 1-k/N端平均传输丢失间隔时间
正 k/N端正确可靠性 确 可 M-k/N端正确可靠性 靠 性
1-k/N端正确可靠性
k/N端传输正确可靠度 k/N端平均传输错误间隔时间
M-k/N端传输正确可靠度 M-k/N端平均传输错误间隔时间
1-k/N端传输正确可靠度 1-k/N端平均传输错误间隔时间
• 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。
10
网络可用性评价指标体系
k/N端连通可靠度
k/N端传输完整可靠度
k/N端连通可靠性
k/N端完整可靠性
连
k/N端平均断路间隔时间
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10－9数量级。此
时计算机网络站点之间能否通信已不
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。
14
网络性能评价的局限性
工程师
如何设计一个 健壮的网络
关键节点
拓扑层
物质基础
V2 , V2
, f sV1
V2
, sV1
V
, sV1
3wk.baidu.com
V
2
V ,f
C sV1
3
C , , , f V1V3 V1V3 V1V3 V1V3
V4 , V4
V4
C
, V
3
V
t
, V
3
V
t
, f V
3
V
t
V
3
V
t
V
2
V ,
V1V2 C , V1V2 , V1V2 , fV1V2
11
网络是一个图，它是
网络拓扑可靠性研究的局限 否可靠当然在于它是 否能够连通
节点和链路都存在故 障概率
V1(router)
V2(router)
V4(router)
linkage
Subnet
S(client)
V1
V3(router)
V2
V5(router)
V6(router)
V4
T(Server)
t18
x9.dn x0.dn
t29
G5.up
t20
t30
t21 G5.dn
t23 t22
t31 t32
t10 x4.up t24
x4.dn
x5.up
t25 x5.dn
t26
t33
t34 G2.dn
G4.dn t35
G3.dn
T.dn t36
G1.dn
基于GSPN的设备故障相关性建模
• •
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