1 引言
通信網(wǎng)可靠性的研究始于20世紀(jì)60年代，并由于DARPA對ARPANET的投入而得到真正的關(guān)注。伴隨著通信網(wǎng)的快速發(fā)展，通信網(wǎng)的可靠性也逐漸成為大家研究的熱門課題。到目前為止，無論在通信網(wǎng)可靠性的定義還是在通信網(wǎng)可靠性研究方法和可靠性測度評估等方面都取得了大量成果。這些成果在通信網(wǎng)的設(shè)計、規(guī)劃、運行、維護(hù)等各個環(huán)節(jié)得到了廣泛的應(yīng)用。
作為現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的基石，光纖通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展日新月異。隨著光網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和技術(shù)的不斷完善，光網(wǎng)絡(luò)的可靠性和生存性也越來越多地為人重視，并取得一些理論性和應(yīng)用性的研究成果。而ASON作為一種新型的智能光網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，作為下一代網(wǎng)絡(luò)的重要發(fā)展方向，關(guān)于ASON的可靠性和生存性的研究也漸漸地開展起來，尤其在ASON的保護(hù)和恢復(fù)生存性策略方面的成果較為豐碩。
本文通過對近些年光網(wǎng)絡(luò)可靠性研究的成果進(jìn)行總結(jié)和分析，從而引出光網(wǎng)絡(luò)可靠性的研究體系和研究方法。
2 通信網(wǎng)可靠性的相關(guān)知識
最早的可靠性定義是由美國AGREE在1957年的學(xué)術(shù)報告中提出的。1966年，美國的MIL-STD-721B給出了經(jīng)典的可靠性定義，即“產(chǎn)品在規(guī)定的條件下和規(guī)定的時間內(nèi)完成規(guī)定功能的能力”。它為世界各國的標(biāo)準(zhǔn)所引證，我國常用的可靠性定義也與此相同。目前，已有的通信網(wǎng)可靠性的定義多是基于經(jīng)典可靠性定義的五要素，即產(chǎn)品、規(guī)定條件、規(guī)定時間、規(guī)定功能和概率，并根據(jù)不同的研究范圍和適用情況進(jìn)行擴(kuò)展。目前通信網(wǎng)可靠性最為常見的定義是：“在人為或自然的破壞作用下，通信網(wǎng)在特定環(huán)境下和規(guī)定時間內(nèi)，充分完成規(guī)定的通信功能的能力”。
通信網(wǎng)可靠性的研究方法與傳統(tǒng)可靠性的研究方法類似，并具備一些自身的特點，現(xiàn)將主要的研究方法總結(jié)如下：
（1）基于可靠性測度的方法
可靠性測度就是對可靠性進(jìn)行估計和測量，它是可靠性的定量表示，通信網(wǎng)可靠性測度就是對通信網(wǎng)可靠性的定量表示。
目前引用范圍比較廣的4種可靠性測度是網(wǎng)絡(luò)的抗毀性、生存性、有效性和完成性。
?。?）基于數(shù)學(xué)的方法
劉普寅等綜述了5種典型的通信網(wǎng)可靠性數(shù)學(xué)研究方法，分別是布爾代數(shù)法、多項式法、模糊可靠性法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和遺傳算法。
?。?）基于仿真的方法
網(wǎng)絡(luò)仿真以其形象直觀、統(tǒng)計便利、試驗靈活的優(yōu)勢在通信網(wǎng)可靠性研究中發(fā)揮了巨大的作用。但是，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，故障模式的增加，完成仿真過程的計算量也會急劇增加，重要性抽樣法是解決該問題的可行技術(shù)。在基于仿真方法的可靠性研究中，如何減少計算量是重點問題之一。
?。?）基于綜合評估的方法
通信網(wǎng)可靠性的研究方法多種多樣，其可靠性測度和指標(biāo)也是不盡相同，將多種研究方法整合在一起，全面系統(tǒng)地解決通信網(wǎng)可靠性評價的綜合評估方法成為了近幾年可靠性研究的新熱點。綜合評估中的許多方法，如層次分析法、模糊綜合評估、證據(jù)理論和灰色系統(tǒng)理論等已經(jīng)在通信網(wǎng)可靠性統(tǒng)合評估中得到了較為廣泛的應(yīng)用。
3 光網(wǎng)絡(luò)可靠性的研究
?。?）光網(wǎng)絡(luò)可靠性的研究現(xiàn)狀
作為承載話音和數(shù)據(jù)等上層業(yè)務(wù)的通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，光纖通信網(wǎng)絡(luò)在短短的十幾年中得到了迅速發(fā)展。在經(jīng)歷了以點到點通信為主的SDH傳送網(wǎng)和初步具有交換選路功能的光傳送網(wǎng)之后，特別是近幾年，在 IP 業(yè)務(wù)高速增長所產(chǎn)生的帶寬需求以及波分復(fù)用技術(shù)所引入的新型帶寬利用模式的雙重驅(qū)動下，自動交換光網(wǎng)絡(luò) (ASON)應(yīng)運而生。ASON可以定義為一種基于SDH傳送網(wǎng)和光傳送網(wǎng)，通過分布式或部分分布式控制平面自由實現(xiàn)配置連接管理的光網(wǎng)絡(luò)。ASON方案直接在光纖網(wǎng)絡(luò)上引入了以 IP為核心的智能控制技術(shù)，可以有效地支持連接的動態(tài)建立與拆除，基于流量工程按需合理分配網(wǎng)絡(luò)資源，并能提供良好的網(wǎng)絡(luò)保護(hù)/ 恢復(fù)性能。因此，ASON代表了光通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)新的發(fā)展階段和未來的演進(jìn)方向。
近年來，伴隨著光網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展，光網(wǎng)絡(luò)可靠性研究取得了不少成果。光纖總規(guī)范和軍用長途光纜通信系統(tǒng)入網(wǎng)要求給出了一些光設(shè)備和光線路的的可靠性統(tǒng)計數(shù)據(jù)，統(tǒng)計認(rèn)為光纜鏈路是造成光網(wǎng)絡(luò)可靠性下降的主要因素。
（2）光網(wǎng)絡(luò)可靠性研究中的一些問題
雖然光網(wǎng)絡(luò)的可靠性研究在近些年取得了比較大的進(jìn)展，然而其可靠性的研究仍存在不少問題，具體如下：
●光網(wǎng)絡(luò)可靠性的研究方法缺乏系統(tǒng)性
隨著光通信網(wǎng)規(guī)模和技術(shù)水平的不斷發(fā)展，光通信網(wǎng)故障的影響面和影響深度也在擴(kuò)大，傳統(tǒng)的可靠性研究方法多注重系統(tǒng)局部細(xì)節(jié)的分析，在分析大規(guī)模復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可靠性時表現(xiàn)出了極大的局限性。系統(tǒng)工程的方法是解決復(fù)雜系統(tǒng)的分析和評估的有效方法。該方法的基本思路是，首先對通信網(wǎng)的可靠性問題進(jìn)行層次劃分，得到通信網(wǎng)的多個子系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)可以視為被細(xì)化了的可靠性子問題；采用可操作的方法對子問題進(jìn)行具體研究；將各子問題的研究結(jié)果進(jìn)行整合，得到整個系統(tǒng)的可靠性。
按照光網(wǎng)絡(luò)的研究特點，本文認(rèn)為可以把光網(wǎng)絡(luò)可靠性研究進(jìn)行層次劃分，具體參見表1。
表1 光網(wǎng)絡(luò)可靠性研究的層次劃分
相比以往的通信網(wǎng)可靠性分層方法，上述分層主要作以下改進(jìn)：
——本分層考慮到光網(wǎng)絡(luò)多層拓?fù)涞奶厥庑?。智能光網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淇梢苑譃閭魉推矫娴耐負(fù)浜涂刂破矫娴耐負(fù)洹？刂破矫娴男帕顐魉途W(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c傳送平面網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以不相同。一般來說，信令網(wǎng)的連通度更大，生存性要求更高。本方法使拓?fù)鋵拥目煽啃园凑諅魉推矫婧涂刂破矫娣珠_進(jìn)行研究。
——將路由層的可靠性擴(kuò)展為控制層。相比傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)，光網(wǎng)絡(luò)對控制的要求更為嚴(yán)格，ASON專門引入了新的控制平面。控制平面的智能與可靠，直接影響到光網(wǎng)絡(luò)的路由選擇和連接的建立，從而影響到整個通信網(wǎng)的業(yè)務(wù)性能和服務(wù)質(zhì)量。ASON中控制平面的生存性機(jī)制也是網(wǎng)絡(luò)生存性中重要的一部分。
——對網(wǎng)絡(luò)管理和DCN網(wǎng)的可靠性進(jìn)行了定位。隨著網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)管理的作用越來越重要。DCN則是負(fù)責(zé)實現(xiàn)控制信息和管理信令信息傳送的信令網(wǎng)絡(luò)。因此，光網(wǎng)絡(luò)的可靠性也需要考慮網(wǎng)管平面中MCN和控制平面中SCN的可靠性。
當(dāng)然，一個好的可靠性研究模型可以使通信網(wǎng)可靠性研究產(chǎn)生高速甚至跳躍性的發(fā)展。因此，未來光網(wǎng)絡(luò)的可靠性研究應(yīng)該多在算法、模型和統(tǒng)計學(xué)方法上進(jìn)行創(chuàng)新。
●業(yè)務(wù)層的可靠性尤其是全網(wǎng)業(yè)務(wù)可靠性是未來研究的重點和難點
下一代網(wǎng)絡(luò)是面向用戶、面向業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)。因此，通信網(wǎng)的可靠性研究必須跨越圖論階段，與業(yè)務(wù)性能緊密地結(jié)合起來，基于業(yè)務(wù)的可靠性研究將成為以后研究重點。
業(yè)務(wù)的可靠性可以分為單項業(yè)務(wù)可靠性和全網(wǎng)業(yè)務(wù)可靠性?，F(xiàn)通常使用網(wǎng)絡(luò)有效性測度對通信網(wǎng)中業(yè)務(wù)的可靠性進(jìn)行描述。網(wǎng)絡(luò)的有效性是基于網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)性能的一種可靠性測度，它指出了通信網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)部件失效的條件下滿足通信業(yè)務(wù)性能要求的程度。
目前的研究多為對SDH網(wǎng)絡(luò)和單條業(yè)務(wù)的可靠性研究，對網(wǎng)絡(luò)化的光通信網(wǎng)業(yè)務(wù)可靠性的研究成果還比較少?，F(xiàn)給出對光網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)業(yè)務(wù)可靠性進(jìn)行評價的一種可行方法，即基于保障有效性的可靠性研究方法。方法如下：
首先將光傳送網(wǎng)上傳送的業(yè)務(wù)狀態(tài)分為三個集合：正常工作狀態(tài)集、影響狀態(tài)集和中斷狀態(tài)集。其中：
——正常工作狀態(tài)：光傳送網(wǎng)上傳送的業(yè)務(wù)所經(jīng)過鏈路、節(jié)點均未受故障影響，源宿節(jié)點之間的業(yè)務(wù)可以正常提供。
——影響狀態(tài)：光傳送網(wǎng)上傳送的業(yè)務(wù)經(jīng)所過的鏈路或節(jié)點受故障影響，造成業(yè)務(wù)不能正常傳輸，但是由于采用了自動保護(hù)（恢復(fù)）策略，使得業(yè)務(wù)通過其它路由傳到目的節(jié)點。
——中斷狀態(tài)：光傳送網(wǎng)上傳送的業(yè)務(wù)經(jīng)過的鏈路或節(jié)點被毀，由于沒有采用抗毀策略或采用了抗毀策略仍然不能恢復(fù)所傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)。
保障有效性評價方法的評價基礎(chǔ)是故障對光傳送網(wǎng)上傳輸業(yè)務(wù)的影響。對于全網(wǎng)業(yè)務(wù)的有效性，可以定義保障失效指數(shù)（GII）和保障影響指數(shù)（GAI）兩個指標(biāo)來進(jìn)行評估。
由GII的定義可知，GII是評價網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點或鏈路失效后網(wǎng)絡(luò)損失業(yè)務(wù)的帶寬之和與全網(wǎng)傳輸?shù)臉I(yè)務(wù)帶寬之和的比值，該指標(biāo)反應(yīng)了由于網(wǎng)絡(luò)故障造成的網(wǎng)絡(luò)損失業(yè)務(wù)帶寬占整個網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)帶寬的比值，從而體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)故障對網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響程度，是衡量故障造成可靠性能力下降大小的指標(biāo)。
從GAI的定義可以看出，GAI是描述網(wǎng)絡(luò)故障造成網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的傳輸路徑改變，處于影響狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)可靠性的影響大小。它是用于評價受影響業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)配置業(yè)務(wù)后已經(jīng)提供的平均信息等效保障能力的影響程度，它主要通過評估故障對網(wǎng)絡(luò)的潛在影響程度來對網(wǎng)絡(luò)的保障效能進(jìn)行測度。
為驗證上述指標(biāo)的有效性，利用Core Director仿真軟件搭建某光傳送網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，具體業(yè)務(wù)配置和保護(hù)方式由于篇幅關(guān)系不予細(xì)說。
現(xiàn)依次使節(jié)點N1~N17失效，計算此時網(wǎng)絡(luò)的GII和GAI。若GII和GAI值比較大，則代表該節(jié)點對網(wǎng)絡(luò)性能的重要程度大。按照GII從大到小，在GII相同的情況下按照GAI從大到小進(jìn)行排序，從而得出全網(wǎng)節(jié)點重要度排序。
利用本文算法所得到的節(jié)點重要性順序與在同等網(wǎng)絡(luò)模型下基于生成樹數(shù)目準(zhǔn)則的節(jié)點刪除法的節(jié)點重要性排序有差別，本文認(rèn)為節(jié)點N13和N14具有相同的重要性，主要是因為這2個節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中都屬于邊緣節(jié)點，連通度相同。
本文的算法也可以用來比較不同節(jié)點數(shù)目之間節(jié)點的相對重要性，如節(jié)點N6和節(jié)點{N13，N14}相比，盡管在網(wǎng)絡(luò)中有兩個節(jié)點{N13，N14}失效，但其破壞程度仍然沒有節(jié)點N6失效對網(wǎng)絡(luò)的破壞程度嚴(yán)重，比文獻(xiàn)12方法引入跳面節(jié)點的概念只能評價單個節(jié)點重要性的方法具有更好的擴(kuò)展性和靈活性。另外，該方法可以很方便地推廣到對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點組（組內(nèi)節(jié)點可以不相鄰、組內(nèi)節(jié)點數(shù)也可以不相等）、鏈路（鏈路組）和子網(wǎng)重要性進(jìn)行判斷，具有很好的可擴(kuò)展性。
4 結(jié)束語
本文通過對通信網(wǎng)的可靠性和光網(wǎng)絡(luò)的可靠性的研究進(jìn)展進(jìn)行歸納，指出了光網(wǎng)絡(luò)可靠性研究中存在的兩個主要問題，并給出了一些可行性的建議。光網(wǎng)絡(luò)的可靠性研究是一個具有重大實際意義而又十分復(fù)雜的課題，也是光網(wǎng)絡(luò)甚至通信網(wǎng)發(fā)展過程中亟待研究的問題。相信在不久的將來，光網(wǎng)絡(luò)的可靠性研究會有更大的進(jìn)展。