基于需求的軍用通信系統網絡可靠性評估研究框架

■ 吳東海周鴻志（中央軍委裝備發展部軍事代表局駐成都地區軍事代表室 成都 6004）

杜立華2李相東2（2 中央軍委裝備發展部軍事代表局 北京 110840）

基于需求的軍用通信系統網絡可靠性評估研究框架

■ 吳東海1周鴻志1（1中央軍委裝備發展部軍事代表局駐成都地區軍事代表室 成都 610041）

杜立華2李相東2（2 中央軍委裝備發展部軍事代表局 北京 110840）

對軍用通信系統網絡可靠性的定量或定性評估已成為當前制約我軍信息系統建設的一個瓶頸問題，然而當前關于網絡可靠性的研究仍處于一個理論發展時期，不同人員基于不同研究目的提出了不同的研究內容。筆者基于多年的工程實踐經驗，從軍用通信系統壽命及任務周期內不同“用戶”的網絡可靠性評估需求出發，研究確立了軍用通信系統網絡可靠性評估的研究框架，系統地闡述了研究內容及重難點，并對今后的研究工作提出了相關建議。

軍用通信系統 網絡可靠性 研究框架

一 引言

隨著軍隊信息化建設的發展，軍用通信系統作為軍事信息的基礎傳輸平臺，已成為我軍基于體系作戰能力形成的關鍵要素，其網絡可靠性水平的高低直接影響體系作戰整體效能的發揮，關乎信息化條件下戰爭的勝敗，因此迫切需要對軍用通信系統的網絡可靠性進行定量和（或）定性的研究。

迄今為止，對通信系統網絡可靠性的研究已有大量的文獻發表，它們基于不同研究對象和目的，分別就網絡可靠性的定義、測度、設計與綜合評價方法、以及提高改善網絡可靠性的途徑等開展了廣泛的討論。然而業界在網絡可靠性的定義、指標體系等多方面仍未形成共識，當前關于通信網系統可靠性的研究仍處于理論探索階段，更鮮見工程應用的相關報告。本文總結了筆者長期從事軍用通信系統可靠性工作的實踐經驗，提出基于不同人員評估需求的軍用通信網系統可靠性評估研究框架，以期對今后的理論及其工程應用研究有所借鑒。

二 評估需求

對相同的評估對象，不同人員由于自身角色不同，其評估需求往往是不相同的，對軍用通信系統網絡可靠性評估也是如此。在工程實踐中常見的軍用通信系統網絡可靠性評估需求包括諸如：

● 網絡可靠性該用什么指標來衡量？

● 可靠性指標該如何確定，確定為多少才合理？

● 在一定約束條件下，什么樣的網絡最可靠？

● 如何驗證網絡可靠性達到設計或使用要求？

● 網絡故障或遭受破壞干擾時，網絡是否還可靠？

● 如何確保網絡滿足所需的任務可靠性水平？

● 網絡能否完成所需通信業務，成功概率是多少？

上述問題分別包含了軍用通信系統全壽命周期內的論證、設計、試驗驗證、規劃、運行維護和使用等各個階段不同人員對系統可靠性評估的需求。顯然，不同階段不同人員的評估需求是不相同的。

根據軍用通信網壽命周期劃分，大致可將不同人員區分為軍用通信網的論證人員、設計人員、試驗驗證人員、網絡規劃人員、運行維護人員和最終用戶等不同角色類型。

表1列出了不同角色人員對軍用通信系統網絡可靠性評估的主要需求。

表1 不同人員對軍用通信系統網絡可靠性評估需求

因此，軍用通信系統網絡可靠性評估的研究只有滿足上述不同人員的可靠性評估需求才是有工程實踐意義的。

三 研究框架

從工程實踐需求來看，軍用通信系統的網絡可靠性研究必須回答下列幾個問題：

● 什么是軍用通信系統網絡可靠性？

● 如何度量軍用通信系統網絡可靠性？

● 如何評估軍用通信系統網絡可靠性？

● 在什么約束條件下評才合理？

● 可靠性評估結果有何工程應用？

上述問題包含了軍用通信系統網絡可靠性“是什么、評什么、如何評、在什么條件下評，評了有什么用”等關鍵問題。從事物的認識規律來看，就是首先要認識和研究評估對象，然后選擇合適的評估參數和確定相應評估方法，最終形成評估成果的應用。依據可靠性系統工程理論[1]的“認識故障規律，運用故障規律，形成技術能力”[2]的觀點來看，這些問題包含了軍用通信系統網絡可靠性評估研究的基礎理論、基礎技術和工程應用三大方面的研究內容。研究框架如圖1所示。

圖1 軍用通信系統網絡可靠性評估研究框架示意圖

3.1 基礎理論研究

基礎理論研究要解決的軍用通信系統網絡可靠性“是什么”的問題，也就是解決對評估對象的認識問題。

通信系統網絡可靠性概念研究是隨著通信網絡技術的提高和人們認識的深入而不斷發展的，包含了通信網模型、網絡可靠性模型和網絡可靠性定義等主要研究內容。

通信網模型要解決的是問題如何將紛繁復雜的實際物理通信網抽象成方便研究的邏輯模型。當前常見的是將網絡抽象成由節點以及描述節點間鏈接關系的鏈路組成的圖。從工程實踐來看，建議將網絡抽象為節點、鏈路和終端三要素組成，節點對應著物理網絡中的交換路由控制類設備、鏈路對應物理網絡中的傳輸類設備、終端則對應物理網絡中的各業務終端類設備。當前的研究主要從網絡拓撲結構上將網絡分為簡單網絡和復雜網絡[3]，前者包括星狀網、環狀網、樹形網、蜂窩網等，后者主要是為研究真實網絡表現行為及特征[4]而構建的，包括了ER隨機網絡模型[5]、小世界模型（SW，Small Worlds）[6]、無標度網絡模型（SF，scale-free）[7]等網絡結構模型。

網絡可靠性模型是在通信網模型基礎上依據不同的研究對象而建立的可靠性模型。當前的研究主要集中在基于網絡連通的網絡固有可靠性模型和基于網絡流的網絡使用可靠性模型。前者主要考慮了網絡的拓撲結構、節點和鏈路故障、節點和鏈路性能對網絡連通性能的影響；后者則是在網絡連通的前提下，考慮以及網絡信息流等因素對網絡通信性能（如通信成功率、時延等）的影響。此外，也有部分研究提出了網絡可靠性的層次模型。如將網絡可靠性模型分為構建層、拓撲層和服務層[8]可靠性模型。

網絡可靠性定義是概念研究的核心內容，當前在業界仍未得到統一[9]。當前的研究主要還是基于不同研究目的和研究重點對可靠性術語中定義[10]的“三規定一能力”進行細化。需要強調的是，可靠性定義的研究應結合實際網絡和評估需求進行明確，并符合可靠性的一般要求。

可靠性就是與故障做斗爭[11]的科學，故障研究就是要認清故障機理、構建故障模型，確定故障模式及其影響，建立故障定義，明確故障判據及其分類。軍用通信系統由于其設備組成眾多，相互連接關系復雜，造成網絡故障的因素多樣，使得網絡故障呈現出系統性、多樣性、傳播性、層次性和動態性等特征[12]，無法用統一的故障模型來描述。已發表文獻對網絡故障的傳播性和傳播模型做了大量研究，建立了大量故障傳播模型[13～19]來描述節點鏈路的容量與負荷之間關系、臨近節點故障產生影響等，指出了復雜系統遭受攻擊時所呈現的“魯棒性和脆弱性并存”[20]等特征。需要指出的，當前網絡故障研究主要是以網絡故障后的行為表現為基礎的，還不是嚴密的理論模型推導，在研究結果的假設、定義、建模、分析以及計算等方面還有許多問題值得去探討。

3.2 基礎技術研究

基礎技術研究是在認識網絡故障規律的基礎上運用網絡故障規律，解決網絡可靠性評估“評什么，如何評和在什么條件下評”等關鍵技術難題，包括了指標參數體系、評估方法和任務剖面等研究內容。

指標參數體系研究是通過建立科學合理的指標參數確定程序，確立參數選擇原則及要求，闡清參數間相互關系，最終明確可靠性參數定義及其計算方法用以評估實踐，其研究重點是如何選擇科學合理的可靠性參數以反映不同人員的可靠性評估的需求。

可靠性評估方法研究是緊密結合指標參數體系展開的評估實踐研究。從工程實現方式上網絡可靠性評估方法主要分為：（1）基于圖論、概率論等理論的數學解析方法；（2）基于隨機事件的計算機仿真計算方法；（3）基于真實試驗網絡的現場可靠性統計試驗驗證方法。數學解析方法主要解決了基于網絡拓撲和網絡部件故障下的網絡連通性問題，包括了精確計算和近似計算兩種算法；試驗驗證方法則構建真實試驗網絡，施加任務剖面，基于通信需求評估網絡性能可靠性。仿真方法則通過構建網絡模型、故障模型和業務模型，可對網絡連通可靠性和網絡性能可靠性進行仿真，主要采用蒙特卡洛仿真[21-24]方法，部分研究也將Petri網理論[25-27]引入網絡可靠性仿真研究中。上述三種方法各有優劣，一般工程實踐中采用多種方法相結合的形式。綜合評價方法研究主要是解決單一參數無法綜合衡量網絡可靠性，單一評估方法結論可信度差的問題。當前部分研究人員試圖采用層析分析法[28]、模糊綜合評價法[29]、人工神經網絡法[30]等得到網絡可靠性的綜合評估結論。

任務剖面技術是軍用通信系統網絡可靠性評估的關鍵技術之一。由于軍事通信系統需要遂行多種復雜環境下的多樣化軍事任務，網絡規模、拓撲結構、用戶規模、通信需求、管理方式、使用地域等多種因素導致任務剖面復雜多變。任務剖面技術研究就是要建立一套從實際作戰環境下提取典型任務剖面的方法，確立通信網任務剖面架構，并研究相對應的任務剖面加載技術，其核心是確定通信系統的業務剖面，包括業務種類、頻度、分布、流向、流量等研究內容。

3.2 工程應用研究

工程應用研究在基礎理論和基礎技術已經得到解決的基礎上形成的工程技術能力，主要解決軍用通信系統網絡可靠性評估在各壽命階段工程應用中的技術問題，研究內容包括了網絡可靠性的指標論證、方案設計、試驗驗證、規劃、運維保障和相關的網絡可靠性仿真、測試、監測等應用工具的開發等。從當前已發表文獻來看，當前主要集中于網絡可靠性分析和可靠性綜合（也稱為網絡可靠性設計）兩方面[31]的研究。

四 相關建議

4.1 以評估需求為研究出發點

目前，關于網絡可靠性的研究有大量的文獻發表，研究人員基于不同的研究目的對網絡可靠性概念、指標參數和評估方法等多方面進行了深入的研究。以通信網可靠性研究的層次劃分為例，張學淵[32-33]等人以通信網協議模型為基礎將其分為拓撲層、設備層、路由層、基礎層、業務層和管理層等進行研究，張鳳林[34]等人則從網絡組成的角度將其區分為設備層、網絡層和業務層，黃寧[35]等人則提出以“業務為中心”將網絡分為構建層、拓撲層和服務層。無論那一種層次劃分，都反映了研究者基于不同角度提出的看法。

從我們多年來的實踐來看：軍用通信系統網絡可靠性評估應以“滿足不同人員對網絡可靠性的評估需求”為研究出發點。

1992年ITU-T的建議[36-37]認為：用戶的看法是業務質量的關鍵問題，網絡服務性能從根本上決定了業務質量，因為沒有用戶就沒有通信，也就更沒有可靠性。當前國際標準化組織（ISO）提倡并推行的“以用戶為關注焦點”的質量理念已經貫徹到各個組織的質量管體系建設里，可靠性作為大質量觀的重要組成內容，也應堅持推行這一理念。此外對通信系統評價是直接與用戶的需求緊密聯系，并且也必須隨著用戶需求的發展不斷變化提升的。因此對軍用通信系統網絡可靠性的研究應充分反映和滿足系統全壽命周期內不同人員的可靠性評估需求，并符合一般可靠性系統工程的研究規律。

4.2 以仿真計算和試驗驗證主輔結合為主要解決技術途徑

軍用通信系統作為復雜的人造網絡，當前業界提出了多種基于不同原理的綜合評價方法，但都沒有離開數學解析、仿真計算和試驗驗證三種評估方法[15]的范疇。

數學解析方法主要通過構建網絡可靠性的數學模型來求解所需參數。從已發表文獻來看，目前數學解析方法能較好的解決節點和（或）鏈路可靠性水平已知條件下的網絡連通可靠性問題。但由于目前對通信網絡是否存在統一的可靠性模型或失效分布模型存在較大爭議，因此數學解析方法往往具有較大的局限性。

仿真計算方法通過模擬實際物理網絡的拓撲結構、組成要素、通信協議、業務流程以及其他影響網絡可靠性的主要因素，并模擬加載通信業務、故障、維修等網絡中實際發生的隨機事件，通過統計分析得出所需參數。仿真計算方法能將較好的從模擬網絡行為表現來研究網絡的可靠性，并且不受網絡規模的限制，但由于其無法完全真實模擬實際網絡，如無線通信信道、用戶通信行為等，其結論的可信性一致備受軍方用戶的質疑。

試驗驗證方法則是通過構建試驗網絡，模擬實際使用條件下的典型運用模式，通過現場可靠性試驗數據統計分析得出相關參數，其結論真實可信，但因受試驗網的規模、場地、環境、人員以及費用的限制，一般只能構建典型試驗網絡進行試驗，很難統計分析得出整個網絡的可靠性水平，評估費效比差。

通過多年的工程實踐，我們形成了以仿真計算為主、試驗驗證為輔的網絡可靠性評估綜合評估方法，其主要評估程序為：首先通過構建典型規模的試驗網絡開展試驗驗證，收集并整理大量實際條件下的網絡可靠性數據；其次利用典型試驗網絡模擬構建網絡仿真模型，加載網絡中發生的實際事件，并用實測數據對仿真模型進行校準；最后構建整體網絡的仿真模型統計分析相關可靠性參數。該方法較好的解決了結論可信性和評估可行性的問題，并得到各方用戶的認同。

4.3 以工程實踐為檢驗標準

網絡可靠性評估是一項實踐性很強的研究活動，應緊密結合工程實踐需求開展。當前，網絡可靠性研究作為“網絡時代的新科學”[38]，有大量的相關研究成果和文獻發表，然而基于工程實踐的研究報告卻很少。隨著網絡可靠性研究工作的深入，人們發現：網絡可靠性很難用一個可靠性指標來衡量，于是提出了需要建立網絡可靠性指標參數體系；網絡可靠性評價很難用單一的評估方法來實施，于是提出了基于解析、仿真和試驗的多種綜合評價方法。此外，通信技術的發展使得即便網絡連通還是可能會出現網絡時延或擁塞從而影響通信業務的完成，因此網絡可靠性研究從早期單純考慮網絡拓撲和網絡部件故障的連通可靠性的研究，逐步轉向還考慮網絡部件性能以及用戶需求等因素的網絡性能可靠性研究。這些都是隨著通信網技術的發展和網絡可靠性評估需求的變化逐步發展的，因此，網絡可靠性研究還需要在工程實踐中加以檢驗。以上文4.1節中提及的通信網可靠性層次劃分為例，工程實踐過程中要求層次劃分應是從邏輯上是清晰的，從物理形態上是可以區分的，從評估驗證來看是可操作的，從承制單位的職責上是可明確的。就滿足實踐需求的角度而言，當前的網絡可靠性層次研究還需要進一步結合實踐需求。

五 結束語

裝備可靠性工作歷來是裝備建設中的難題，而軍用通信系統網絡可靠性則更是難題中的難題?；诳煽啃栽u估需求建立的通信系統網絡可靠性研究框架，闡述了研究的基礎理論、基礎技術和工程應用研究內容和方向，其內涵也將隨著我軍信息系統網絡可靠性研究的深入而不斷豐富和發展。

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Network reliability evaluation research framework based on the demand of military communication system

10.3969/j.issn.1673-5137.2016.06.001

Military communication system network reliability quantitative or qualitative evaluation has become a bottleneck of our military information system, while the current theories about network reliability research is still in a period of development, personnel based on different research purposes proposed different research content. The author has established the military communication system network reliability evaluation research framework with years of experience in engineering practice, based on the network reliability assessment requirement of the military communication system lifetime and the task cycle of different "users”. This paper expounds the importance and difficulty of research contents, and the future research works are proposed.

Military communication system; Network reliability; Research framework