淺議如何增強計算機網絡可靠性

羅云松

山東理工大學山東淄博255000

淺議如何增強計算機網絡可靠性

羅云松

山東理工大學山東淄博255000

隨著社會的發(fā)展和信息化的推進，計算機網絡在我們的生活中扮演著越來越重要的角色，鑒于當前計算機網絡普遍存在的不穩(wěn)定情況，為了讓計算機網絡更好的服務于民生和社會，提升計算機網絡的可靠性成為需要。本文簡單的陳述了計算機網絡的發(fā)展現(xiàn)狀，并在此基礎上探究了增強計算機網絡可靠性的一些思路，將理論與實際相結合，得出計算機網絡的可靠性設計原則，總結出了如何建設高穩(wěn)定性高可靠性計算機網絡的方案，結合當前硬件和軟件的開發(fā)成果，探索出了從軟硬件方面提高計算機網絡可靠性的一些方法。所述探索對于提高計算機網絡可靠性具有實際意義。

計算機網絡；可靠性；軟硬件；探索

一、引言

當前時代背景下，計算機網絡在人們的生產生活中具有極其重要的地位，可靠的計算網絡系統(tǒng)可以長時間穩(wěn)定的運行，在受到外界因素的干擾和破壞時，不會出現(xiàn)服務波動、停止服務甚至網絡崩潰的情況。所以，對于所有層面計算機網絡用戶群體而言，計算機網絡的可靠性是一個共同的關注點，計算機網絡的可靠性也成為廣大計算機網絡用戶的一個基本訴求。關于可靠性計算機網絡的建設原則的探索，如何解決搭建可靠性計算機網絡過程中遇到的問題的研究，為計算機網絡可靠性的提高提供理論和技術支撐，具有可操作性和實踐意義。

二、計算機網絡概述

現(xiàn)代的計算機網絡，是指將地理位置不同的具有獨立功能的多臺計算機及其外部設備，通過通信線路連接起來，在網絡操作系統(tǒng)，網絡管理軟件及網絡通信協(xié)議的管理和協(xié)調下，實現(xiàn)資源共享和信息傳遞的計算機系統(tǒng)。

近年來興起的互聯(lián)網即計算機網絡，是通過融合計算機技術和通信技術而產生的。上世紀五十年代計算機網絡的雛形產生，它是第一代有終端指向的計算機網絡，不過當時的所謂的計算機網絡還只是以單臺計算機為中心的遠程聯(lián)機系統(tǒng)。差不多十年后，第二代計算機網絡產生，相比較于第一代計算機網絡的以單臺計算機為中心，第二代計算機網絡是計算機-計算機網絡的以ARPAnet網為經典代表的分組交換網絡系統(tǒng)。可以真正意義上稱為開放性網絡的計算機網絡誕生于上世紀八十年代，標準的開放性特性具有革命性的意義。到了上世紀九十年代中期，計算機網絡轉化為現(xiàn)代化互聯(lián)網即Internet，這是個里程碑式的事件，隨著社會的進步和信息技術的發(fā)展，計算機網絡的發(fā)展越來越輝煌。本世紀初，“三合一網絡”概念的提出，打破了計算機網絡中“計算機”的限制，將計算機網、電信網、廣電網進行有機的組合，形成了第四代計算機網絡，其數字化特性更是符合現(xiàn)代信息技術發(fā)展的需要，加快了其自身的發(fā)展速度，近年來，計算機網絡的可靠性需求不斷提高，多元化范圍不斷拓展，成為未來一段時間計算機網絡發(fā)展的趨勢。

在上述計算機網絡的發(fā)展歷程中，出現(xiàn)于上世紀八十年代的局域計算機網絡具有重要的意義，因為它突破了單臺計算機的限制，第一次實現(xiàn)了多個計算機設備、工作站、數據庫等媒介的信息、資源的傳播和共享，這是極其重要的一步。為了探索如何提高計算機網絡的可靠性，筆者著重研究了計算機局域網絡的運行過程。

三、計算機網絡的可靠性設計原則

英國電氣工程師協(xié)會發(fā)表的論文中曾提到，在他們設計的天網網絡系統(tǒng)中，高可靠性是最重要的原則。由此可見，在一個成熟的計算機網絡系統(tǒng)中，可靠性具有舉足輕重的地位。無論是基于何種目的初衷建立的系統(tǒng)，實際應用才是體現(xiàn)其價值的唯一途徑。在計算機網絡中，網絡系統(tǒng)中各單元間的信息傳遞和交換是其工作的體現(xiàn)，計算機網絡運行過程中，在任一時間節(jié)點，任一組成部分出現(xiàn)錯誤，都會造成該系統(tǒng)的功能缺失，失去其應用的價值，因此，可靠性的高低直接影響著系統(tǒng)功能的維持，增強計算機網絡的可靠性是使用計算機網絡的必須工作。

計算機網絡的可靠性是指在一定的時間跨度內，一定的條件下，該網絡系統(tǒng)穩(wěn)定工作，各功能參數不發(fā)生實質性變化的能力。隨著計算機技術的發(fā)展和網絡系統(tǒng)設計的成熟，人們在一系列的網絡系統(tǒng)設計工作過程中，通過記錄、歸納和論證，總結出了成條理性的經驗和理論，將這些經驗和理論加以梳理和歸類，形成了更為科學化，系統(tǒng)化的網絡系統(tǒng)設計原則。這些準則經過時間和實際應用的考驗，已經日漸成為現(xiàn)代計算機網路設計的規(guī)范和參考。

（一）余度設計和容錯技術

為了提高網路系統(tǒng)的可靠性，在設計某一網絡系統(tǒng)的時候設計者們常常引入余度設計和容錯技術，以此實現(xiàn)將該網絡系統(tǒng)中的各個計算機等設備通過相關信息技術互相作為后備設備，通過這種設計，當此網絡系統(tǒng)中某臺計算機或者其他設備出現(xiàn)故障的時候，通過網絡與其相連接的計算機或設備就可以及時的代為承擔故障設備的工作，避免了由于網絡系統(tǒng)中某個單臺設備故障而導致整個網絡系統(tǒng)功能缺失甚至崩潰的情況，進而實現(xiàn)了計算機網絡的高穩(wěn)定性和可靠性。

（二）新興技術與傳統(tǒng)的綜合應用

隨著時代的發(fā)展，網絡環(huán)境變得日益復雜，要想提高計算機網絡的可靠性并長期維持，就需要適應網絡環(huán)境的變化節(jié)奏，不斷引入新技術和新興安全防護設備，結合當前網絡技術的發(fā)展，保證設計者們建立的網絡系統(tǒng)不僅可以適應現(xiàn)在的環(huán)境，還能夠滿足將來一段時間社會和技術的發(fā)展需求，在一定時間跨度內保持生命力，最大限度的實現(xiàn)每個網絡設計的價值。在運用新技術新設備的同時，設計者們還需要借鑒過去的技術和經驗，因為前人的設計往往是經過實踐考驗的，是具有可行性的，所以在進行網絡設計的過程中，將前人的技術和經驗進行優(yōu)化，帶入到自己的設計中去，選擇性繼承前輩們的智慧，防止過多的使用新技術而引入較大的風險。

（三）控制網絡建設投資，以最佳性價比的方案保證網絡可靠性

在計算機網絡的建設過程中，投資是必須考慮的一項因素，這就要求網絡設計者們具有全局性眼光，有計劃的減少計算機網絡建設過程中的費用，同時最大限度的控制后期系統(tǒng)維護費用。在軟硬件的使用方面，需要綜合考慮其性價比，盡量以低費用搭建出具有較高可靠性的網絡系統(tǒng)。

（四）選擇符合相關規(guī)范的終端設備

在設計完成后，根據實際情況，選擇質量優(yōu)良的終端產品，并且這些產品的相關參數都符合設計要求和可靠性設計規(guī)范，電氣元件需要符合國家或國際標準。

（五）系統(tǒng)的定期檢查維護

任何系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，都需要一個動態(tài)的管理，網絡系統(tǒng)也是如此，為了保證計算機網絡的可靠性，在系統(tǒng)的運行過程中，需要制定相關計劃，定期的維護。現(xiàn)代的計算機網絡系統(tǒng)往往具有較大的終端負載，處理的數據和信息量較大，這就需要盡量避免出現(xiàn)可以導致整個系統(tǒng)癱瘓的故障，在使用的過程中修復小的故障。同時，在系統(tǒng)的設計階段，可以引入自動檢查（修復）功能，即在網絡的運行過程中系統(tǒng)可以進行自檢，當發(fā)現(xiàn)微小問題時可以自動修復并預警，以便設計者可以及時定位故障位置和進行原因分析，從而降低了整個網絡系統(tǒng)發(fā)生大的故障的可能性，以此來增強計算機網絡系統(tǒng)的可靠性。

四、現(xiàn)實中的高可靠性網絡系統(tǒng)

在一個單位或者企業(yè)的信息系統(tǒng)組成中，計算機網絡是其最基本的組成部分之一，數據等信息都是通過計算機網絡實現(xiàn)傳遞和共享，因此，計算機網絡的穩(wěn)定新和可靠性就直接關系到該單位信息系統(tǒng)的建設水平和信息化效率，在建設信息化平臺的時候要著重搭建一個可靠性好，穩(wěn)定性高的計算機網絡。

計算機網絡按結構組成可以分為硬件和軟件系統(tǒng)，其硬件系統(tǒng)主要由計算機主機系統(tǒng)、網絡備份系統(tǒng)、接口電路模塊等結構組成，這其中主機系統(tǒng)最為核心，承擔著整個網絡系統(tǒng)信息處理和數據運算處理的任務。在軟件方面，一個計算機網絡系統(tǒng)中又包括管理系統(tǒng)和和防火盾系統(tǒng)等，在保障計算機網絡可靠性方面，防火盾系統(tǒng)具有更顯著的作用。

（一）通過硬件設計提高計算機網絡可靠性

就某個省份的地震監(jiān)測網而言，其網絡系統(tǒng)所檢測的信息量是極其巨大的，該計算機網絡系統(tǒng)對可靠性的要求是相當高的，因為一旦出現(xiàn)系統(tǒng)故障甚至癱瘓的情況，后果是極其嚴重的。在科學的設計完成后，就是硬件搭設的階段。一般情況下，一個計算機網絡系統(tǒng)中，各個設備的可靠性要比主機系統(tǒng)高，因此需要著重增強該網絡系統(tǒng)中主機系統(tǒng)的可靠性。在實際運用中，一個計算機網絡系統(tǒng)中的主機系統(tǒng)的可靠性主要通過冗余、備份等技術來實現(xiàn)。在地震監(jiān)測計算機網絡系統(tǒng)中，已經選用了可靠性好，穩(wěn)定性高的主機系統(tǒng)的前提下，采用冗余和備份技術可以有效增強整個監(jiān)測網絡系統(tǒng)的可靠性，為地震數據的監(jiān)測和預警提供長期的可靠的服務。

1.雙主機熱冗余。在地震監(jiān)測網絡的主機系統(tǒng)中，采用了兩臺相同的服務器作為主機，在運行過程中，兩臺服務器一方面各自承擔部分任務，另一方面互相監(jiān)測對方的運行情況。在系統(tǒng)工作的過程中，如果其中一臺服務器出現(xiàn)故障，停止運行，另一臺服務器會監(jiān)測到該故障服務器已經停止對網絡系統(tǒng)的支持，同時主動承擔發(fā)生故障的服務器的工作任務。這樣，整個系統(tǒng)的運行就不會停止，該監(jiān)測系統(tǒng)的各項性能都可以得到保持，從而實現(xiàn)了提高計算機網絡系統(tǒng)可靠性的目的，其工作原理如下圖1所示。

圖1 主機房的雙主機熱冗余原理

需要指出的是，當雙主機中的其中一臺發(fā)生故障后，另一臺的負載會加大，出于延長主機壽命的角度的角度，需要盡快的修復故障主機，再進行工作的重新分配，均衡兩臺主機的負載。

2.雙主機熱備份。在該地震監(jiān)測系統(tǒng)的輔助機房中，也是采用的雙主機系統(tǒng)，但是其中一臺是作為工作主機，另一臺作為備份主機的。在穩(wěn)定運行階段，工作主機承擔計算機網絡的支撐任務，工作主機則主要負責檢測工作主機的運行情況并提供預警，其工作原理如下圖2所示。

圖2 輔助機房的雙主機熱備份原理

在系統(tǒng)運行的過程中，一旦工作主機發(fā)生故障，備份主機會實時承擔原工作主機的全部工作任務，從備份主機切換為工作主機狀態(tài)，保障網絡系統(tǒng)繼續(xù)運行，增強主機系統(tǒng)的可靠性。在原工作主機恢復正常狀態(tài)后，系統(tǒng)管理員可以進行工作主機和備份主機的切換，也可以將原工作主機作為備份主機，監(jiān)測當前工作主機的運行情況，等待下一次替換。

通過雙主機熱冗余技術和雙主機熱備份技術的結合，大大增強了主機房和輔助機房的主機系統(tǒng)的運行可靠性，從而提高了整個計算機網絡系統(tǒng)的可靠性。

（二）通過軟件設計提高計算機網絡的可靠性

以曙光天羅100D防火墻系統(tǒng)為例，它的網絡拓撲結構如下圖3所示。

圖3 防火墻應用拓撲

該防火墻可以對與其相關聯(lián)的曙光高性能機群進行管理和阻擋網絡中的干擾信息和惡意攻擊等不良因素，從而提高系統(tǒng)的可靠性。

隨著科技水平的不斷提高，人們對于數據運算處理的要求越來越高，這就意味著需要越來越強大的高性能計算機供高層次學者選用。為了讓更多的用戶方便使用有限的高性能計算機群資源，這些高性能計算機群管理者們將原來的客戶端登入模式更改為現(xiàn)在的局域網或者互聯(lián)網服務器登錄模式，也就是說，任何一個互聯(lián)網用戶都可以登入這些機群。將這些高性能計算機群置于互聯(lián)網的開放性環(huán)境下，可能會受到互聯(lián)網中的非法連接和未授權入侵等，且大量的用戶使用會給計算機主機本身和網絡系統(tǒng)造成較大的負擔，如果不能有效過濾非法入侵和平衡高負載工作，整個系統(tǒng)可以隨時都會出現(xiàn)故障，甚至癱瘓。在此背景下，高性能計算機群持續(xù)運行的可靠性成為管理者們的基本要求。引入曙光天羅100D防火墻系統(tǒng)后，通過安全隔離防護、網絡訪問控制、節(jié)點映射安全管理等技術手段，可以優(yōu)先屏蔽干擾和惡意網絡入侵，為高性能計算機群提供了有效的安全防護，從而保障了系統(tǒng)的高可靠性。

此外，網絡防火墻是相對被動式的計算機網絡防護工具，在實際應用中，可以結合網絡入侵檢測系統(tǒng)、主機入侵檢測系統(tǒng)、IP加密技術等技術工具，全方位多層面的進行綜合防護，實時檢測與計算機群的接入訪問，可以快速的發(fā)現(xiàn)未授權入侵和惡意攻擊等，并且可以保護主機系統(tǒng)文件不被外界篡改或者管理人員錯誤操作導致的更改。此外，機群管理者該可以通過相關網絡協(xié)議，在任何地方通過網絡實現(xiàn)高性能計算機群的管理。綜合以上措施，高性能計算機群的運行可靠性得到顯著的提高。

五、結語

在信息技術高速發(fā)展的背景下，計算機網絡技術已然成為當前的主流技術之一，在國家層面的現(xiàn)代化建設和企業(yè)層面的信息化建設方面都有舉足輕重的作用，是現(xiàn)代社會不可或缺的工具。隨著計算機網絡系統(tǒng)的復雜程度的加大和功能的多元化增強，可靠性成為所有計算機網絡系統(tǒng)用戶的基本訴求之一，因此，需要遵循可靠性設計準則，從軟件和硬件等方面增強計算機網絡系統(tǒng)的可靠性，降低或者屏蔽環(huán)境中的干擾因素，從而保障整個系統(tǒng)的穩(wěn)定運轉。通過對如何增強計算機網絡可靠性的探究和實踐，可以推進我國計算機網絡技術的發(fā)展。

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