摘 ?要：網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性設計的關鍵點是測試組網(wǎng)中參數(shù)的確定，通過振蕩測試法、極端數(shù)據(jù)流突變測試設計方案，網(wǎng)絡系統(tǒng)中斷、恢復時間長短測試，以及網(wǎng)絡系統(tǒng)正常運行平均無故障時間等策略確定測試環(huán)境的關鍵參數(shù);同時采用雙機容錯或多機容錯技術、網(wǎng)絡硬件冗余設計遵循、網(wǎng)絡拓撲結構抗毀性測試，流量數(shù)據(jù)異常監(jiān)測，數(shù)據(jù)容災備份、數(shù)據(jù)分布式異地云端備份等多種策略以期實現(xiàn)網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性的綜合設計。

關鍵詞：網(wǎng)絡;安全;可靠性;設計

中圖分類號：TP393 ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： The key point of reliability design of the network system is the determination of the parameters in the test network. The key parameters of the test environment can be determined through the Oscillation test method， the abrupt change test of the extreme data flow， the length of the break and recovery time of the network system， and test of the mean time between failures of the network. Meanwhile， the integrated design of network system reliability can be realized through using multiple technologies， such as the two-machine fault-tolerant or multi-machine fault-tolerant technology， the redundancy design of network hardware， test of invulnerability of the network topology， traffic data abnormity monitoring， data disaster recovery backup， and data distributed remote cloud backup， etc. .

Keywords： network; security; reliability; design

1 ? 引言（Introduction）

隨著計算機網(wǎng)絡技術的快速應用和發(fā)展，計算機網(wǎng)絡技術的應用已經(jīng)滲透到各行各業(yè)，無論政治、經(jīng)濟還是金融、商業(yè)、教育，各個行業(yè)越來越高度依賴計算機網(wǎng)絡互聯(lián)[1，2]。計算機網(wǎng)絡一旦出現(xiàn)故障，會對各行各業(yè)造成重大影響，以及產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟損失，甚至影響到國家政治安全。因此，對于計算機網(wǎng)絡技術可靠性的要求也越來越高，計算機網(wǎng)絡技術可靠性的研究會產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益和社會效益[3]。

在網(wǎng)絡系統(tǒng)設計中，充分保證整網(wǎng)運行的可靠性是基本原則之一?；诰W(wǎng)絡系統(tǒng)設計的可靠性要求，針對網(wǎng)絡系統(tǒng)的平均無故障時間、平均恢復時間等機制進行模擬測試。主要測試網(wǎng)絡系統(tǒng)的可維護性，系統(tǒng)發(fā)生故障后，能快速定位、解決故障，同時在系統(tǒng)運行過程中實時監(jiān)控系統(tǒng)的運行狀態(tài)，各類網(wǎng)絡應用系統(tǒng)的網(wǎng)絡環(huán)境通常需要配備相關的監(jiān)控服務器，通過實時監(jiān)控可提前發(fā)現(xiàn)異常狀態(tài)并發(fā)出預警信息，提前發(fā)現(xiàn)問題減少故障。如設備溫度過高、數(shù)據(jù)流量異常突起、處理器利用率突增等各類異常情況，通過更換或者增加相關網(wǎng)絡設備或調整網(wǎng)絡邏輯結構來規(guī)避可能出現(xiàn)的風險、故障，提前進行預防維護。

2 ?網(wǎng)絡可靠性設計原則 （Design principles for network reliability）

網(wǎng)絡結構通常分接入層、匯聚層、核心層。網(wǎng)絡層次越高可靠性要求也越高。為保證網(wǎng)絡可靠性，可靠性技術的實施要求嚴密、完整，在設計過程中可靠性的理念和方法不能進行簡單疊加和無限制的冗余。否則，會增大網(wǎng)絡建設成本以及后期網(wǎng)絡系統(tǒng)管理、維護的復雜度，會給網(wǎng)絡系統(tǒng)在運行過程中帶來潛在的安全風險。因此在對網(wǎng)絡系統(tǒng)進行早期規(guī)劃、設計時，要嚴格按照國際標準和國家標準對網(wǎng)絡類型、網(wǎng)絡拓撲結構和網(wǎng)絡功能層次進行劃分、確定，以此分析為前提來構建網(wǎng)絡業(yè)務邏輯模型、網(wǎng)絡概念模型，并在此基礎上確定網(wǎng)絡拓撲圖，準確找出網(wǎng)絡可靠性設計中最重要的關鍵節(jié)點和鏈路，合理規(guī)劃、設計、部署多套策略的網(wǎng)絡可靠性設計方法和技術。在網(wǎng)絡系統(tǒng)發(fā)生故障后，能夠快速定位故障點，并通過相關應對策略排除故障，并根據(jù)系統(tǒng)告警提前發(fā)現(xiàn)問題，通過更換設備或調整網(wǎng)絡結構來規(guī)避可能再次出現(xiàn)的故障[4]。

平均無故障時間MTBF（Mean Time Between Failure）[5]是整個網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性的重要參數(shù)指標，通常情況網(wǎng)絡系統(tǒng)階段累計工作時間與故障次數(shù)的比值為MTBF，用戶對MTBF的期望值趨于0。整個網(wǎng)絡系統(tǒng)在運行過程中系統(tǒng)環(huán)境中各物理設備和軟件組件無間斷無故障連續(xù)運行的平均時長，決定了用戶在系統(tǒng)使用時候的體驗。

在衡量整個網(wǎng)絡系統(tǒng)容錯能力中，有一個非常重要的指標：平均恢復時間MTTR（Mean Time to Repair），在網(wǎng)絡系統(tǒng)運行過程中各類物理設備和軟件組件出現(xiàn)故障時，網(wǎng)絡系統(tǒng)從故障狀態(tài)恢復到可正常運行狀態(tài)所消耗的平均時間。

網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性公式可表示為：

MTBF/（MTBF+MTTR） * 100%

其中，MTBF：平均故障間隔時間;MTTR：系統(tǒng)平均修復時間[3]。

通過系統(tǒng)可靠性公式可看出，MTBF與系統(tǒng)的可靠性成正比，提高MTBF可提高系統(tǒng)可靠性;MTTR與系統(tǒng)成反比，降低網(wǎng)絡系統(tǒng)平均修復時間可提高系統(tǒng)在實際運行中的可靠性。造成網(wǎng)絡系統(tǒng)運行低可靠性的因素眾多，通常主要因素有設備間以及設備本身的鏈路故障、設備軟硬件故障、非法數(shù)據(jù)溢出、網(wǎng)絡擁塞、用戶誤操作等。針對這些因素采取對應措施，提高網(wǎng)絡系統(tǒng)平均故障間隔時間，降低系統(tǒng)平均修復時間，從而提高整個網(wǎng)絡系統(tǒng)運行的可靠性以及提升用戶舒適體驗。

3 ?網(wǎng)絡硬件冗余設計（Redundancy design of network hardware）

網(wǎng)絡硬件冗余設計對于網(wǎng)絡抗災備份起著不可忽視的作用，硬件容錯的方法之一就是硬件堆積冗余，在物理層面可通過元器件的重復獲得一定的可靠性?；蜻x擇硬件待命儲備冗余。系統(tǒng)提供N+M模塊，當前狀態(tài)只有一塊或者某幾塊處于工作狀態(tài)，其余M1、M2、M3、M4——MM塊一直處于待命狀態(tài)。一旦工作狀態(tài)的模塊出現(xiàn)問題，立即喚醒待命模塊進入運行狀態(tài)，以此循環(huán)，直至所有待命模塊資源枯竭，采用此方法可獲得較高的穩(wěn)定性和可靠性。

雙機容錯或多機容錯技術的使用是確保網(wǎng)絡系統(tǒng)穩(wěn)定性的普遍做法，任何單點系統(tǒng)故障不會引起整個系統(tǒng)的癱瘓，系統(tǒng)提供相關工具在應用繼續(xù)的情況下可修復單點節(jié)點故障或者移除以及新增，同時通過系統(tǒng)冗余服務器監(jiān)管網(wǎng)絡系統(tǒng)下所有設備狀態(tài)和運行狀態(tài)。冗余設備都在使用，出現(xiàn)警示狀態(tài)后，及時調整帶寬，增大帶寬并提高網(wǎng)絡系統(tǒng)處理的速度。但在實際應用情況中可能產(chǎn)生數(shù)據(jù)庫服務器無法及時響應用戶需求[3]，用戶對于時間等待的要求就會面臨尷尬。如2020年初因疫情防控出現(xiàn)各大網(wǎng)絡學習平臺的用戶數(shù)量的極速暴增，導致網(wǎng)絡帶寬以及服務器的響應延遲，甚至爆崩。為了滿足在特定時間節(jié)點用戶訪問數(shù)量的激增所產(chǎn)生的訪問響應慢，以及系統(tǒng)可能爆崩的可能性，通常建議采用負載均衡服務器，通過多臺負載均衡服務器可獲得更高的速度，有效平衡數(shù)據(jù)訪問量，也可作為高可靠性的備份系統(tǒng)。

4 ? ?網(wǎng)絡拓撲結構（Network Topology）

拓撲可靠性并不能完全決定整個通信網(wǎng)絡的可靠性，但網(wǎng)絡拓撲設計的優(yōu)劣將直接影響著網(wǎng)絡的性能，網(wǎng)絡拓撲結構對整體網(wǎng)絡可靠性起著重要的作用，也是決定網(wǎng)絡可靠性的先天因素。借助自動網(wǎng)絡拓撲、手動網(wǎng)絡拓撲展現(xiàn)網(wǎng)絡拓撲關系，利用網(wǎng)絡拓撲結構分析出系統(tǒng)的可靠度。隨著網(wǎng)絡擴大或接入新設備，網(wǎng)絡結構將變得更加復雜，在網(wǎng)絡拓撲設計過程中拓撲結構的抗毀性和生存性是衡量有效度的重要指標。破壞整個或部分通信網(wǎng)絡的困難程度由網(wǎng)絡節(jié)點連接所要移除或破壞的最少網(wǎng)絡節(jié)點或鏈路數(shù)目來決定，由此可見抗毀性完全由網(wǎng)絡拓撲結構所決定，是可靠性的一個確定性指標。生存性最顯著的變化是引入了網(wǎng)絡部件的失效、故障概率，在隨機故障或蓄意破壞之下，保持通信網(wǎng)絡整體或部分連通的概率，其不僅受網(wǎng)絡拓撲結構的影響，同時還依附于網(wǎng)絡部件、設備的故障概率、網(wǎng)絡維修與管理等因素，因此網(wǎng)絡拓撲生存性是廣義的拓撲層可靠性。

5 ? 數(shù)據(jù)容災備份（Data disaster recovery backup）

數(shù)據(jù)容災備份的重要性體現(xiàn)在數(shù)據(jù)長期有效地保存，以及對歷史數(shù)據(jù)的備份，這些數(shù)據(jù)長期存儲在網(wǎng)絡硬盤上，增加了網(wǎng)絡存儲空間的開銷，同時消減了網(wǎng)絡存儲空間的利用率，降低了數(shù)據(jù)存取速度，消減了用戶感受的舒適度。為了有效利用實時數(shù)據(jù)信息，通常建議把利用率不高，但偶爾需要調用的數(shù)據(jù)保存在脫機備份介質上，以防止自然災害、黑客攻擊、人為破壞、非法越權操作等惡意篡改、誤操作等造成聯(lián)機數(shù)據(jù)丟失。在需要數(shù)據(jù)調用時采取授權限時訪問，以化解風險，把實時訪問數(shù)據(jù)存儲在聯(lián)機網(wǎng)絡存儲設備上。

同時，為了確保聯(lián)機存儲數(shù)據(jù)的安全需做好系統(tǒng)防護，確保桌面系統(tǒng)環(huán)境下產(chǎn)生的數(shù)據(jù)到達網(wǎng)絡環(huán)境再到數(shù)據(jù)服務器的系列風險的技術管控和反跟蹤、反向消除風險降到最低。

在網(wǎng)絡數(shù)據(jù)備份中按數(shù)據(jù)安全等級采取單項或多種備份策略混合模式進行網(wǎng)絡數(shù)據(jù)安全備份，安全級別較高采用完全備份，隨數(shù)據(jù)安全級別下降可采用增量或者按需備份等多種備份混合方式的數(shù)據(jù)備份策略。

6 ?網(wǎng)絡可靠性測試方法（Test method of network reliability）

6.1 ? 網(wǎng)絡測試內(nèi)容

網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性測試的主要內(nèi)容是：系統(tǒng)在持續(xù)運行不間斷的情況下、高負荷、高頻率極端數(shù)據(jù)流振蕩下的持久、穩(wěn)定、安全、精準的運行性能;單點故障情況下系統(tǒng)自動恢復時間。

網(wǎng)絡可靠性測試參數(shù)的設計是保證測試效果的重點[6]，主要測試組網(wǎng)設備參數(shù)，實際測試投入中難以搭建對等比例測試運行環(huán)境。檢驗網(wǎng)絡系統(tǒng)運行性能高可靠性的核心是：如何抽象和取舍模擬測試網(wǎng)絡系統(tǒng)的核心模塊。模擬測試網(wǎng)絡系統(tǒng)核心模塊抽象、簡化的基本原則和重點是：整體分析實際運行過程中網(wǎng)絡關鍵節(jié)點及系統(tǒng)性能壓力瓶頸，并充分暴露其運行過程中的薄弱點，重點保留網(wǎng)絡系統(tǒng)壓力瓶頸和關鍵節(jié)點以及易發(fā)生數(shù)據(jù)異常的模塊。

在組網(wǎng)測試環(huán)境中對網(wǎng)絡的協(xié)議模型和流量模型進行模擬[7]，保持環(huán)境在大壓力并且振蕩的條件下持續(xù)運行，對于當前復雜的網(wǎng)絡環(huán)境可在測試過程中增加異常數(shù)據(jù)和流量峰值，同步監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)整體運行狀況和異常情況作為測試結果數(shù)據(jù)進行反饋。

6.2 ? ?網(wǎng)絡測試參數(shù)

網(wǎng)絡系統(tǒng)協(xié)議模型可通過用戶組網(wǎng)的行業(yè)規(guī)劃設計和行業(yè)原型開發(fā)模式進行抽象，得出相對精準的網(wǎng)絡系統(tǒng)協(xié)議模型數(shù)據(jù)參數(shù)[8]。網(wǎng)絡系統(tǒng)在規(guī)劃設計階段，因無法預先監(jiān)控網(wǎng)絡系統(tǒng)持續(xù)數(shù)據(jù)流量而獲取模型參數(shù)。因而網(wǎng)絡系統(tǒng)重要數(shù)據(jù)參數(shù)不易確定，數(shù)據(jù)流量模型難以準確界定，各個子模塊數(shù)據(jù)邏輯難以準確劃分，成為限制組網(wǎng)方案模擬測試的主要因素。通常采取的措施是依據(jù)行業(yè)標準，根據(jù)行業(yè)特性分析，網(wǎng)絡系統(tǒng)規(guī)劃需求，以及借鑒前期開發(fā)經(jīng)驗設定具有普遍意義的參數(shù)。

而另一種非常規(guī)方法可采用預定義參數(shù)方式，類似數(shù)據(jù)結構中的折半查找法，可根據(jù)常規(guī)設定參數(shù)范圍，預先估計參數(shù)上下（m，n）限，然后對上下限參數(shù)值進行算術平均（m+n）/2，對于得出的算術平均參數(shù)按算術平均參數(shù)的幾何倍數(shù)增加來逐級設置網(wǎng)絡設計參數(shù)。當網(wǎng)絡系統(tǒng)參數(shù)隨著算術平均參數(shù)幾何倍數(shù)逐級遞增時，網(wǎng)絡系統(tǒng)變化異常、振蕩頻率加強等情況出現(xiàn)時，可對算術平均參數(shù)以幾何倍數(shù)逐級遞減來設置參數(shù)。通過算術平均參數(shù)折半查找法得到比較合理的網(wǎng)絡系統(tǒng)設置參數(shù)。

協(xié)議模型和流量模型的振蕩是持續(xù)振蕩測試的基本要求之一。實際運行過程中網(wǎng)絡系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和流量峰值是動態(tài)變化的。來自網(wǎng)絡系統(tǒng)各類數(shù)據(jù)流的輸入輸出變化頻繁，尤其是增加各類異常數(shù)據(jù)流后，將對網(wǎng)絡系統(tǒng)穩(wěn)定運行產(chǎn)生更大的負擔，并暴露出更多的系統(tǒng)脆弱節(jié)點。在進行實際網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性、健壯性測試過程中可不斷提高異常數(shù)據(jù)流、劇烈高頻的數(shù)據(jù)振蕩，虛擬出比實際網(wǎng)絡運行更加糟糕的運行環(huán)境，使網(wǎng)絡系統(tǒng)在運行過程中能夠更全面、更快暴露較長時間才能夠發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)絡系統(tǒng)缺陷。振蕩系數(shù)在網(wǎng)路系統(tǒng)測試過程可調整各類軟、硬件和數(shù)據(jù)在不同頻率下的振蕩結果，例如可分別以等差或等比數(shù)列的時間間隔為一個周期進行測試。與此同時還可進行路由條數(shù)振蕩測試，路由條數(shù)不斷高頻率變化可導致整個網(wǎng)絡系統(tǒng)中路由信息的不斷增加、刪除、修改，這將在網(wǎng)絡系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入輸出過程中引發(fā)大量數(shù)據(jù)包傳輸路徑的不斷變化、更新、響應延遲，給網(wǎng)絡測試系統(tǒng)的穩(wěn)定性帶來更大的壓力。另一方面可采用極端數(shù)據(jù)量跳水式的流量和頻率變化來暴露網(wǎng)絡系統(tǒng)潛在的問題：在持續(xù)測試時可預先采用數(shù)據(jù)流量的極低值進行低、中、高頻率的測試，以監(jiān)測極低值數(shù)據(jù)流量在不同頻率下的run狀態(tài)。然后在持續(xù)測試時間中采用數(shù)據(jù)流量的極大值進行低、中、高頻率的測試，以監(jiān)測極大值數(shù)據(jù)流量在不同頻率下的run狀態(tài)和突發(fā)瓶頸問題。在持續(xù)測試過程中也可通過在同一頻率中數(shù)據(jù)流量的突然變化來檢測網(wǎng)絡系統(tǒng)run狀態(tài)和系統(tǒng)異常情況，通過振蕩測試和極端數(shù)據(jù)流突變測試，會明確了解網(wǎng)絡系統(tǒng)的可靠程度。

6.3 ? 網(wǎng)絡硬件故障

網(wǎng)絡系統(tǒng)在出現(xiàn)單點故障情況（如，設備命令行執(zhí)行軟件重啟、設備斷電、設備上電等）下可快速恢復是高可靠網(wǎng)絡系統(tǒng)設計的又一重點，自動恢復時間越短越好。為精確計算各類網(wǎng)絡系統(tǒng)故障導致的網(wǎng)絡中斷/恢復時間，可接入各類專用的測試設備進行模擬測試，各類測試設備的輸入、輸出分別接入到模擬測試網(wǎng)絡系統(tǒng)的輸入、輸出口，確保被測數(shù)據(jù)流量路徑貫通整個網(wǎng)絡[9]。使上下行數(shù)據(jù)流通路徑經(jīng)過需要模擬的網(wǎng)路系統(tǒng)的流量瓶頸點和易出故障節(jié)點，避免測試路徑無效。在測試的過程中可通過灰盒測試、白盒測試監(jiān)測系統(tǒng)的正確性，在測試過程加入非法數(shù)據(jù)，檢測網(wǎng)絡系統(tǒng)的健壯性。測試設備停止數(shù)據(jù)發(fā)送，根據(jù)發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)量，測算出網(wǎng)絡模擬測試系統(tǒng)流量路徑恢復時間。Time=（發(fā)送報文數(shù)量-接收報文數(shù)量）/報文發(fā)送速率（pps）。

網(wǎng)絡系統(tǒng)中斷、恢復時間長短測試也可融合在持續(xù)振蕩測試中一起完成。使用網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性測試硬件、軟件、各類異常報文攻擊工具，可實現(xiàn)對網(wǎng)絡系統(tǒng)的可靠性的綜合測試。

7 ? 結論（Conclusion）

網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性測試需要在整網(wǎng)虛擬環(huán)境下測試運行，網(wǎng)絡系統(tǒng)可靠性測試通常情況下采用黑盒測試，不僅需進行端到端的測試，同步監(jiān)測各個關鍵模塊的實際運行情況，流量和協(xié)議控制層面的運行狀態(tài)，做好各類異常情況以及故障分類分析報告，總結解決問題的方式、方法，全面分析網(wǎng)路系統(tǒng)實際運行環(huán)境的行業(yè)性、特殊性、復雜性，對網(wǎng)絡系統(tǒng)的相關特性進行深入分析，在模擬測試網(wǎng)絡系統(tǒng)運行環(huán)境中不斷優(yōu)化配置各類參數(shù)，得到最優(yōu)最可靠的網(wǎng)絡系統(tǒng)，提升計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)運行的可靠性。

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作者簡介：

黃小蘭（1977-），女，碩士，講師.研究領域：信息系統(tǒng)，計算機應用技術.