EGS通信網(wǎng)絡(luò)可靠性分析研究

雷偉軍

（西安文理學(xué)院 數(shù)學(xué)與計算機工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

隨著計算機技術(shù)、通信技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，社會經(jīng)濟的信息化進程逐漸加快，以網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟為主要特征的新經(jīng)濟形態(tài)不斷壯大，政府辦公的電子化程度即電子政務(wù)不斷提高，電子政務(wù)的發(fā)展正在成為當(dāng)今信息化最重要的領(lǐng)域之一。

聯(lián)合國經(jīng)濟社會理事會將電子政務(wù)定義為：“政府通過信息通信技術(shù)手段的密集性和戰(zhàn)略性應(yīng)用組織公共管理的方式，旨在提高效率、增強政府的透明度、改善財政約束、改進公共政策質(zhì)量和決策的科學(xué)性，建立良好的政府之間、政府與社會、社區(qū)以及政府與公民之間的關(guān)系，提高公共服務(wù)的質(zhì)量，贏得廣泛的社會參與度[1]”。由此，可以看出，政府機構(gòu)利用計算機和網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)，將其辦公環(huán)境、管理和服務(wù)職能遷移到網(wǎng)絡(luò)上去完成，全面實現(xiàn)政府職能從管理型向服務(wù)型的轉(zhuǎn)變，因此電子政務(wù)的應(yīng)用有著非常美好的前景。

電子政務(wù)系統(tǒng)（Electronic Government System，EGS），是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，在電子政務(wù)的建設(shè)過程中構(gòu)筑一個穩(wěn)定而成熟的體系結(jié)構(gòu)是整個電子政務(wù)系統(tǒng)實施的關(guān)鍵。

在電子政務(wù)蓬勃發(fā)展的同時，電子政務(wù)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信息安全問題日益突出，并成為制約電子政務(wù)進一步發(fā)展和應(yīng)用的關(guān)鍵問題。電子政務(wù)系統(tǒng)涉及對國家秘密信息和高敏感度核心政務(wù)的保護，涉及到維護公共秩序和行政監(jiān)管的準(zhǔn)確實施，關(guān)系到為社會提供公共服務(wù)的質(zhì)量保證。基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)平臺上，電子政務(wù)容易遭到各種人為、自然、無意或惡意的因素等的破壞和攻擊。因此，加強電子政務(wù)網(wǎng)絡(luò)安全體系的建設(shè)，對于保障和促進電子政務(wù)的良性發(fā)展具有十分重要的現(xiàn)實意義。

1 電子政務(wù)安全邏輯模型

電子政務(wù)安全體系的構(gòu)建是一項復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及到電子政務(wù)系統(tǒng)的規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)、運行、維護過各；涉及到不同安全層次、不同職責(zé)部門；要滿足保密性、完整性、真實性、抗抵賴性、可用性和可控性等安全需求[2]。為構(gòu)建完善的電子政務(wù)安全體系，就要綜合考慮影響電子政務(wù)安全的各項因素，統(tǒng)籌處理各因素之間的關(guān)系，以提高電子政務(wù)信息系統(tǒng)的整體安全能力，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電子政務(wù)系統(tǒng)是一個以開放系統(tǒng)互聯(lián)（Open System Interconnect，OSI）即OSI參考模型的為依據(jù)的電子政務(wù)網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)，而網(wǎng)絡(luò)基本系統(tǒng)由網(wǎng)絡(luò)通信平臺、網(wǎng)絡(luò)鏈路傳輸平臺和公共服務(wù)應(yīng)用平臺組成，由此可以可出一個完整的電子政務(wù)網(wǎng)絡(luò)，由基本網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的三個平臺以及在此基礎(chǔ)上開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用軟件組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。在每個平臺之間可以設(shè)置不同的應(yīng)用可編程接口（Applicatipn Programming Interface，APP），這是因為不同的用戶可根據(jù)自己的應(yīng)用目的來選擇不同的接口關(guān)系，實現(xiàn)自己的應(yīng)用需求。

圖1 電子政務(wù)網(wǎng)絡(luò)安全體系Fig.1 E-government network security system

由電子政務(wù)網(wǎng)絡(luò)安全組成可以看出，通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)部分是其重要核心之一，該部分的可靠性對電子政務(wù)的應(yīng)用起著關(guān)鍵性的作用，它是保障電子政務(wù)網(wǎng)絡(luò)安全的基石。由于種種原因，大多局限于對電子政務(wù)應(yīng)用系統(tǒng)的安全研究，缺少對最基礎(chǔ)方面的研究。我國有關(guān)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性研究起步較晚，目前該方面的研究仍處于發(fā)展階段。該領(lǐng)域要研究的內(nèi)容比較多，比如通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性的度量指標(biāo)，評價準(zhǔn)則、系統(tǒng)可靠性的分析、預(yù)計的有關(guān)模型等。本文介紹電子政務(wù)網(wǎng)絡(luò)組成中，通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需求，并針對二端口的網(wǎng)絡(luò)可靠性以及全網(wǎng)絡(luò)可靠性運用有關(guān)理論方法進行分析探討。

圖2 網(wǎng)絡(luò)信息組成與其接口關(guān)系Fig.2 EGS Composition and interface relations

2 EGS通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性的需求分析

通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)（Communication Network System，CNS）它是使用者的語音、數(shù)據(jù)、圖像傳輸?shù)幕A(chǔ)，同時與外部通信網(wǎng)絡(luò)，如公用電話網(wǎng)、綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)、計算機互連網(wǎng)、數(shù)據(jù)通信網(wǎng)及衛(wèi)星通信網(wǎng)等相連，實現(xiàn)信息暢通。即利用各種傳輸介質(zhì)將許多分布的用戶結(jié)點與網(wǎng)絡(luò)結(jié)點鏈接起來，實現(xiàn)了某種信息傳輸功能的網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)。

在現(xiàn)實研究使用中，對可靠性目標(biāo)需求認(rèn)識有較大的差異性，這主要是由于通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在應(yīng)用范圍、人們認(rèn)識上的不同，可靠性需求存在較大的差異性。但總的來看，用戶對通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生存性、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的抗毀性、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的有效性和網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的完整性幾方面的要求。

2.1 通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生存性

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的生存性是指網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在部件隨機失效情況下的可靠性，或網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時間內(nèi)，在部分部件隨機失效的情況下還能完成確定的功能的能力。其中（1）規(guī)定的條件，主要是指所給定的使用環(huán)境、負(fù)荷、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、外來破壞等；（2）規(guī)定的時間，一般是指通信網(wǎng)絡(luò)的使用周期；（3）規(guī)定的功能，是指用戶要求的各種使用指標(biāo)。目前由于用戶需求的不同，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)生存性有如下3種方式[3]。

1）二端口（端－端）可靠性。在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)N中指定二個端口，比如，從源結(jié)點I和終結(jié)點H之間，當(dāng)在部分部件失效的情況下仍能完成信息傳輸?shù)哪芰Α?/p>

2）K端口可靠性。若在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)N中指定的，或隨機選擇的K個端口即結(jié)點之間，當(dāng)部分部件失效進，仍能完成信息傳輸功能的能力。

3）全網(wǎng)可靠性。當(dāng)在網(wǎng)絡(luò)所有結(jié)點間而在部分部件失效時，可完成信息傳輸功能的能力。當(dāng)前研究通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上面三種生存性，即可靠性時，主要從圖的連通性來研究來求解網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠度。

2.2 通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的有效性分析

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時間內(nèi)時，任意時刻t系統(tǒng)完成規(guī)定功能的能力，即網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的有效性。其度量指標(biāo)常用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的瞬時可用度與穩(wěn)態(tài)可用度表示。

2.3 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的抗毀滅性

網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)遭到外來攻擊或人為破壞的時，網(wǎng)絡(luò)的生存或重組能力，即網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的抗毀滅性。研究此可靠性指標(biāo)有連通度等，求解以上指標(biāo)的方法通常有網(wǎng)絡(luò)圖論等。

2.4 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的完成性

通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在各種狀態(tài)下完成一些指定業(yè)務(wù)性能指標(biāo)的功能能力，即網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的完成性。使用者關(guān)心的通信業(yè)務(wù)指標(biāo)主要有網(wǎng)絡(luò)的吞吐量、時延、接通率及阻塞概率等，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的部分部件失效時，經(jīng)常用這些指標(biāo)是否達(dá)到給定的閥值來判定。常用概率分析法或模糊評判法來計算。

3 兩端口通信的可靠性分析

對于一個通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可用圖N={Q，E}來描述，其結(jié)點集 Q（N）={q1，q2，…，qn}，對于每個結(jié)點 qj，可看作一個由結(jié)點交換機、話務(wù)終端等硬件組成的傳輸子系統(tǒng)。而對于邊集合E（N）={ei，j}，邊 eij=（qi，qj）表示相互連接點 qi和 qj之間的一條邊即稱鏈路，其可看作結(jié)點qi與qj間的信道。這樣通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性分析就可通過圖N的連通性分析而得到解決。對于給定的一個通信網(wǎng)絡(luò)N，如圖3所示。若將信息可靠性分析從指定結(jié)點I=qi傳輸?shù)紿=q2的問題，即兩端口通信可靠性分析。其中起初結(jié)點I稱為輸入源結(jié)點，到達(dá)的結(jié)束結(jié)點H稱為輸出終結(jié)點[4]。下面采用最小路法來求解兩端口通信的可靠性分析問題。

圖3 網(wǎng)絡(luò)圖Fig.3 Network diagram

若定義，從指定結(jié)點必須經(jīng)過一個邊序列（a1，a2，a3，…，ak）才可到達(dá) H 結(jié)點，那么稱邊序列 A=（a1，a2，a3，…，ak）是從 I到H的一條路。如果A是從I到H的一條路，若從A中除去任意一條邊后，則不能構(gòu)成從I到H的一條路，也就是說從I無法到達(dá)H結(jié)點，那么路A就為最小路。把最小路A中所包含的邊數(shù)就稱為路長，記為|A|形式。

比如，在圖 2所示的網(wǎng)絡(luò)圖 N={Q，E}中，結(jié)點集 Q={q1，q2，q3，q4}，邊集 E={a，b，c，d，e}，邊序列 A1={a，b}，A2={a，e，b}，A3={c，e，b}，A4={c，d}，A5={c，e，b}均為 N 中，從 I=q1到 H=q3的一條路，則 A1，A4，A5為最小路，A2，A3不是最小路，最小路的其路長有‖A1‖=‖A4‖=2，‖A5‖=3。

同時為了二端口通信可靠性分析提供方便，做如下假設(shè)：

1）系統(tǒng)NS或邊只有正常或失效兩種可能狀態(tài)；

2）其中的結(jié)點不能失效；

3）一條邊的失效不影響其它的邊，即邊與邊之間是相互獨立的。

對于假設(shè)（1）只需在可靠性設(shè)計時，對于某一特定的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)給出具體的失效判別依據(jù)就可以了；如果想要結(jié)點不可靠，可先在結(jié)點完全可靠的情況下，找出N中從I到H 的最小路，同時設(shè) A1，A2，…，Am，之后對每一條最小路 Aj添加上此路經(jīng)過的各結(jié)點所構(gòu)成一個新的邊，其結(jié)點序列為1，2，…，。例如在圖1所示的中，A5={c，e，b}到H的一條最小路，對于允許結(jié)點不可靠的情形下，可將 A5改寫成={q1，c，q4，e，q2，b，q3}就可以了。由經(jīng)可以看出，對于假設(shè)（2）來說是可以略去的。假設(shè)（3）給概率分析提供了方便。

網(wǎng)絡(luò)N中從結(jié)點I到結(jié)點H的二端口通信可靠性問題，如果用數(shù)量來描述的話，可先定義一隨機事件S，S就表示從I可能達(dá)到H這一事件，定義R5是N中從結(jié)點I到H的兩端口通信的可靠度，那么就會有：R5=P（S）=P（從I可以到達(dá)H）。

如果N中從I到H有m條最小路，并設(shè)為A1，A2，…，Am此中Aj表示了它是從結(jié)點I到H的一條最小路，同時表示在這條最小路中所途徑的各邊均正常，j=1，2，…，m。那么就有：

S={從I可到達(dá)H}={從I到H至少有一條最小路且該最小路途徑的各邊全都正常}=Aj，對于R5可表示為如式（1）所示。

由上面分析可得求解網(wǎng)絡(luò)的二端口通信可靠度的過程如下：

1）給定網(wǎng)絡(luò) N={Q，E}的結(jié)點集 Q（N），邊集 E（N）及 N 的鄰接矩陣C，確定網(wǎng)絡(luò)N的輸入結(jié)點以及輸出結(jié)點。

2）求出網(wǎng)絡(luò)N中，從輸入結(jié)點I到輸出結(jié)點H的所有最小路 A1，A2，…，Am。

3）按式1計算概率Rm。

在給定網(wǎng)絡(luò)N的情況下，找出從輸入結(jié)點I到結(jié)點H的所有最小路是二端口通信可靠性分析的關(guān)鍵所在。采用鄰接矩陣法求解網(wǎng)絡(luò)N的全部最小路[4]，其基本流程如圖4所示。

在網(wǎng)絡(luò)N求解由I到H的二端口通信可靠度時，先計算，如式2所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)最小路求解過程Fig.4 Network minimal path solving process

又是另一個關(guān)鍵問題。解決這個問題，就要將一些不相互斥的事件轉(zhuǎn)化成一些不相斥的事件之和。在圖2所示的網(wǎng)絡(luò)N 中，A1={a，b}，A2={a，e，d}，A3={c，e，b}均為最小路，但其并非互斥的隨機事件，這些事件變成之和，則容易求解RS，如式（3）所示。

利用概率論中的方法實現(xiàn)這種將事件并Umi=1Ai，并將其轉(zhuǎn)化為不交事件和

4 全網(wǎng)通信可靠性分析

網(wǎng)絡(luò)N的二端口可靠性分析考慮的是給定的輸入結(jié)點I與輸出結(jié)點H間的通信傳輸?shù)目煽啃詥栴}；全網(wǎng)通信可靠性分析則考慮的是網(wǎng)絡(luò)N中全部結(jié)點間的可靠性通信傳輸問題，所以它是一種全面的可靠性分析問題[5]。可以看出全網(wǎng)可靠性分析問題可以在二端口可靠性分析問題的基礎(chǔ)上來得到解，由于目前通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展很快，應(yīng)用廣泛變化快，所以只從生存性、有效性和完成性方面來定義全網(wǎng)通信可靠性度量指標(biāo)。

4.1 生存性（可靠性）度量指標(biāo)

還是先設(shè)通信網(wǎng)絡(luò) N={Q，E}，Q={q1，q2，…，qn}也就是說 N有n個結(jié)點，這時對任意一個結(jié)點qi定義輸入結(jié)點I=qi到輸出結(jié)點H=qj的二端口通信可靠度為rij，則可得到網(wǎng)絡(luò)N的一個n階可靠度方陣R，如式（4）所示。

設(shè)定網(wǎng)絡(luò)N的全網(wǎng)通信可靠度Rs，如式5所示。

上式中Wij為結(jié)點i與結(jié)點j之間的可靠性加權(quán)因子，根據(jù)qi與qj間的信息量或它們之間的通信中斷對通信網(wǎng)絡(luò)N完成規(guī)定功能的影響程度來決定，如果各結(jié)點的優(yōu)先級分為特優(yōu)先、優(yōu)先與一般優(yōu)先三個檔次，那么結(jié)點qi的重要性因子Wi和可靠性加權(quán)因子Wij的取值就有如式（6）所示。

對于Wij的取值也可按從qi到qj的信息流量Eij的大小而決定，且有如式（7）所示。

式中，Eij來表示從qi到qj信息的流量，Eji表示從qj到qi信息的流量。

4.2 有效性（可靠性）度量指標(biāo)

可定義網(wǎng)絡(luò)N的全網(wǎng)通信有效度A（t）如式（9）所示。

式中，D是網(wǎng)絡(luò)N中結(jié)點對組成的集合，而M為集合D中的元素的個數(shù)。

上式中，0

4.3 完成性（可靠性）度量指標(biāo)

我們已經(jīng)知道網(wǎng)絡(luò)在各種狀態(tài)下完成某些給定業(yè)務(wù)性能指標(biāo)的能力，則稱網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可靠性。業(yè)務(wù)性能指標(biāo)來確定網(wǎng)絡(luò)的各種狀態(tài)應(yīng)。比如所考慮的業(yè)務(wù)指標(biāo)是網(wǎng)絡(luò)的連通率，那么由于連通率和網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)流量有關(guān)，比如當(dāng)流量大而信道少時，連通率就低，相反時則高。但作為流量又可根據(jù)它的取值范圍，將其劃分成許多個不同的狀態(tài)[6]，若用S1來表示流量處在低峰期的狀態(tài)，用S2表示流量處在一般情況下的狀態(tài)，用S3表示流量處在高峰時期的狀態(tài)，如果用Sj表示處理于不同狀態(tài)下的連通率時，就可表示成如式11所示。

類似地，可定義網(wǎng)絡(luò)N的全網(wǎng)平均時延、全網(wǎng)平均吞吐量等。

5 結(jié)論

文中通過電子政務(wù)網(wǎng)絡(luò)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的需求分析，對基于二端口的網(wǎng)絡(luò)可靠性、全網(wǎng)可靠性在運用相關(guān)分析理論的基礎(chǔ)上進行了定量性的分析并給出了計算的式子，對電子政務(wù)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠性的研究進行了一些探討，對從最基本上保證電子政務(wù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的安全具有基礎(chǔ)性的現(xiàn)實意義，為進一步的全體研究電子政務(wù)網(wǎng)絡(luò)安全提供了一些參考。

[1]傅思明，錢剛，謝月明.網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)與網(wǎng)絡(luò)安全社會治理[M].北京：國家行政學(xué)院出版社，2013.

[2]張振，王惠芳.電子政務(wù)安全體系結(jié)構(gòu)研究與設(shè)計[J].網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)與應(yīng)用，2010（11）:23-25.ZHANG Zhen，WANG Hui-fang.Designand research on egovernment securityarchitecture[J].Network Security Technology&Application，2010（11）:23-25.

[3]王洪麗.計算機通信網(wǎng)絡(luò)可靠性設(shè)計技術(shù)研究[J].信息技術(shù)與信息化，2014（6）:98-99.WANG Long-li.Research on computercommunication network reliability design technology[J].Information Technology and Informatization，2014（6）:98-99.

[4]趙瑋，劉云.網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)的分析與評價[M].北京:清華大學(xué)出版社，2006.

[5]薛鵬，肖曉強，李皓平，等.基于參數(shù)測量的網(wǎng)絡(luò)可靠性分析系統(tǒng)實現(xiàn)[J].微計算機信息，2008（6）:127-128.XUE Peng，XIAO Xiao-qiang，LI Hao-ping，et al.Research and implementation of the network reliability analys is system[J].Microcomputer Information，2008（6）:127-128.

[6]李芮森，王在森，李娜，等.理論研究FlexRay網(wǎng)絡(luò)通信可靠性[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2012（11）:904-907.LI Rui-sen，WANG Zai-sen，LI Na，et al.Theoretical studies on flex ray network communication reliability[J].Journal of Xi’an Technological University，2012（11）:904-907.