計算機網絡的優化設計研究

葉 霏

湖北工業大學商貿學院，湖北武漢 430000

0 引言

計算機網絡是計算機工作的重要基礎，隨著計算機技術的普及，網絡對人們的影響越來越重要。如在校園網絡中，校園網絡集成了管理服務、學校教學等各種應用系統和任務，它已成了科研信息化、管理網絡化、教學現代化的重要平臺和學校信息化建設的重要基礎設施之一。在現代化的工廠中，管理者通過建立局域網和能夠部分連接廣域網特定網絡，把共有資源實現了共享，方便了科學管理和員工學習。但隨著網絡業務的增多和遠程開放程度的增加，網絡不得不支持越來越多的服務系統，因此，許多計算機網絡系統表現的越來越不堪重負。要想使網絡能夠承擔不斷增加的重任和提高其利用率，就不得不對計算機網絡實施優化。

計算機的網絡優化是指通過分析、計算、測試等方式找出現行計算機中存在的影響其網絡運行質量的問題，然后通過采取相應的科學技術手段進行修補或改善，從而優化計算機的上網速度，使網絡達到更佳的運行狀態，使網絡資源得到充分利用。早期的一些算法考慮拓撲優化、流量分配較多，且多為試探算法，不能獲得最優解，已經不能滿足當前計算機網絡設計的需求。

1 計算機網絡設計的原則

在對計算機網絡進行設計時，優先采用突現主要因素、縮小次要因素的原則簡化設計問題，將復雜計算機網絡設計簡化成幾個相對簡單的模塊進行優化，最終達到優化的目的。對于簡單的模塊，采用單變量優化法，即保持約束條件不變，讓其他因素的影響控制在一定范圍沒，只對一個變量進行調整，以獲得針對該變量的優化目標函數結果。當然，計算機網絡優化的具體目的和實施要求不同，優化采取的具體方法和原則也不盡相同。

計算機網絡的優化可以采用6組元法來確定，6組元分別為網絡的總費用（D）、網絡的拓撲結構（L）、網絡中各條鏈路的容量（c）、網絡中各條鏈路上的報文流量（λ）、全網絡的吞吐率（γ）、網絡的平均時延（T）。采用該種方法確定計算機網絡中6組元之間的影響關系時，首先將計算機網絡設計的整個任務分成若干子模塊，在這些模塊中逐一改變變量，進行單一變量優化，最后將逐一優化出來的結果組合，折衷取舍以獲得整個計算機網絡的優化結果。

在這些因素當中，它們隨著時代變化和科技技術進步而出現不斷變化的位置關系。如近些年來，計算機網絡的硬件基礎設備價格越來越低，而功能卻越來越強大，高速通信信道也已連通了主要的信息集散點，大大降低了網絡成本費用。那么，計算機網絡流量分配、信道容量分配及拓撲網絡結構優化已不再是計算機網絡設計的重點。相反的，計算機網絡鏈路容量、通信信道建設和維護成了人們關注的重點，怎樣才能減少資源耗費和網絡成本費用，怎樣能夠使全網內所有的信道都能獲得較均勻的負荷且使平均延時變的更小，成為了計算機網絡設計優化的關鍵問題。

2 計算機網絡設計優化舉例

隨著世界計算機技術的不斷發展和通信網絡的飛速進步，人們把更多的目光投向了計算機網絡鏈路容量的優化設計。研究人員以6元組法為基礎，提出了一種適用于分布式和集中式計算機網絡的鏈路容量優化設計方法，在本優化方法中，人們可以通過計算機網絡鏈路容量的優化函數求得整體最優解，解決計算機網絡鏈路容量設計的關鍵問題。其設計示例如下：

首先要選定一個等待優化的計算機局域或數據網絡，這個網絡可以是為社會提供服務的公共承載型的公用數據網，也可以是一個單位的公用局域或基于網上的一個信息系統數據網，如企業、政府機構或學校。前者的吞吐率γ為這個公用數據網上所有用戶使用的報文流量總和，后者的吞吐量γ則是這個企業、政府機構或該單位內全體用戶在使用這個信息系統過程中產生的報文流量總和。采用忽略次要因素的原則，把所有報文源產生的報文流都是Poisson流，那么相應的全網各鏈路上Poisson報文流也肯定都是Poisson流。在處理各報文源產生的報文流時，我們根據實際情況認為報文流都是按負指數分布的，其平均長度為1/μ。由此認為，各鏈路服務時間的分布也呈現除了負指數分布。另外，全網所有的鏈路都是M/M/1模型系統排隊。采用某種確定的路由算法，則各鏈的報文流量（即報文到達率）λi（i=1，2，…，N）是確定的。網絡拓撲結構在網絡最初設計時已經確定，全網的平均時延為常用值T。Ci為i鏈的容量，Ki為i鏈的費率，則全網的鏈路總費用為，在全網平均時延不超過T的約束下，求使D最小的鏈路容量Ci，i=1，2，…，N。那么此時，呈現在我們面前的就是一個非線性規劃的問題:

第二個約束條件在第一個約束條件中自動滿足，所以上述非線性規劃可寫成：

從公式中，我們可以容易得出g（c）是凹函數，D（c）是凸函數。當函數D（c）取極值時滿足庫恩-圖克（Kuhn-Tucker）條件，且為必要充分條件。當函數滿足庫恩-圖克條件時，點C*，C*是本問題的K-T點，則C*是極值點。

因為D（c）和g（c）在其定義域內是連續可微的，C*在D（c)和g（c）的定義域內，故D（c）和g（c）在C*處連續且可以微分。通過g（c）是凹函數，D（c）是凸函數可知，在本非線性函數中的可行點C*滿足庫恩-圖克條件，所以，C*是上述非線性規劃的整體最優解。

可見，在本模型設計中，只要求出帶約束條件的（3）式和（4）式，就能確定非線性規劃的庫恩-圖克點C*，即這個非線性規劃設計的整體最優解C*。

本設計算法通過求得問題的整體最優解而解決了目前許多計算機網絡設計中容易存在的基礎問題，即計算機網絡鏈路容量的優化設計。采用該種優化設計模型很巧妙的解決了問題，同時滿足了新形勢下網絡設計需要，摒除了以前網絡設計計算方法中只能求出近似最優解和以網絡建設費用等為關鍵條件的不合理。

3 結論

隨著時代的發展，計算機網絡對人們在影響在不斷加強，而其優化設計也不得不隨時代發展。計算機網絡的優化是一個需要付出很多努力而很難得到最佳結果的多目標優化問題，為了簡化設計，人們發展了突出主要因素，忽略次要因素的優化方法，把計算機網絡設計問題簡化為多種規劃問題。

隨著世界社會信息化不斷發展和計算機網絡用戶的不斷增加，會有越來越多人們參與到計算機網絡使用和優化過程中，人們會找出更多更好的優化方法解決問題。相信，那時計算機網絡能夠滿足人們對計算機網絡的更高要求，計算機網絡也能發揮其更加重要的理論意義和實用價值。

[1]李熙.基于智能計算的計算機網絡可靠性分析研究[J].計算機技術與發展，2006.

[2]張紅宇.嘉興學院學報[J].計算機網絡優化探討，2006.