基于SLA建模和模糊AHP的軍事通信網絡系統保障效能綜合評估模型*

周 云

（78111部隊，四川 成都 610011）

0 引言

隨著軍隊信息化建設的推進，基于通信網絡的各類軍事信息系統被廣泛部署和應用，使得通信網絡承載的數據、語言以及視頻等業務類型日臻豐富，通信網絡資源需求越來越多，用戶保障要求越來越高。一方面軍事通信網絡資源建設滯后與用戶需求增長間的矛盾還將在一定時期內存在，另一方面現有軍事通信網絡資源使用管理還較為粗放，資源使用效益有待提升。傳統的軍事通信網絡系統保障效能評估方法主要集中在對通信網絡系統本身的性能指標評價上，隨著通信網絡技術和工程建設水平的不斷發展，通信網絡系統的性能指標不斷提升，但用戶應用感知并沒有隨之明顯提升，因而對通信網絡系統保障水平的評價也未明顯提高。用戶體驗質量（Qaulity of Experience，QoE）是一種以用戶認可程度為標準的服務評價方法。它綜合了服務層面、用戶層面和環境層面等多種影響因素，直接反映了用戶對服務的認可程度[1]。國際電信聯盟對QoE的定義為終端用戶對應用或者服務整體的主觀可接受程度[2]。為滿足用戶對通信服務質量的需求，服務等級協定（Service Level Agreement，SLA）的概念被提出，用于規范用戶和通信服務提供商之間服務質量的相關問題。SLA推動了以用戶為中心的通信網絡運營模式的轉變，在保證用戶服務質量的同時，促進了通信網絡運營者在網絡建設、管理以及維護等方面的提高。從用戶應用體驗出發，結合通信網絡系統運行指標，構建軍事通信網絡系統保障效能評估模型，才能全面客觀評價保障水平，抓準運維管理改進完善方向，不斷滿足各類用戶使用需求，有效提升軍事通信網絡系統保障能力。

1 效能評估指標體系

1.1 SLA業務管理數據模型

根據服務等級為用戶提供相應的服務質量（Quality of Service，QoS），基于SLA服務等級協議構建業務管理數據模型，將不同業務需求的用戶劃分為不同類別，以最大限度地滿足用戶對服務質量的需求。SLA業務管理數據模型從用戶視點、業務視點和網絡視點出發，包含SLA參數定義、提取和參數間映射機制3個方面內容的建模。GB923[3]提出了關鍵性能指標（Key Performance Indicator，KPI）和關鍵質量指標（Key Quality Indicator，KQI）的概念，對SLA進行量化表示。數據模型中用戶層通過服務等級協議向用戶提供服務承諾，業務層通過業務系統的關鍵質量指標（KQI）支持承諾的服務等級，網絡層通過承載網絡的關鍵性能指標（KPI）支持滿足業務系統質量指標要求。參數映射機制則完成從用戶需求到可度量指標參數的整體映射，實現業務質量監控和分析的量化表示[4]。SLA業務管理數據模型如圖1所示。

圖1 SLA業務管理數據模型

1.2 模糊AHP層次分析法

AHP層次分析法是一種簡捷、實用的定性與定量相結合的決策方法，關鍵在于以一定標度把人的主觀感覺數量化。它通過把復雜問題中的各種因素劃分為相互聯系的有序層次，然后根據一定的客觀現實判斷，把專家意見和分析者的客觀判斷結果直接有效地結合起來，將同一層次元素兩兩比較的重要性進行定量描述，最后利用數學方法計算所有元素的相對權重的排序向量。

模糊AHP層次分析法（Fuzzy Analytic Hierarchy Process，FAHP）是在傳統AHP層次分析法基礎上，考慮到人們對復雜事物判斷的模糊性，引入模糊一致性矩陣的決策方法。模糊AHP層次分析法很好地解決了傳統AHP判斷矩陣的一致性問題。

AHP判斷矩陣是通過元素兩兩比較得出的相對重要性值而構成的矩陣。在通信網絡系統評估模型中，針對不同的用戶和業務系統，根據同一指標集建立不同的AHP判斷矩陣，從而計算出不同的權重向量。根據實際通信網絡系統測量情況，由專家對QoS各個指標進行兩兩比較，建立模糊互補的判斷矩陣R=(rij)n×m，再轉換成模糊一致性矩陣最后利用歸一化處理得出權重向量

1.3 軍事通信網絡系統效能評估模型及指標體系

基于SLA業務管理數據模型的建模思想，結合模糊AHP分層分析模型，構建出軍事通信網絡系統效能評估模型。它由上而下劃分為總體效能層、系統效能層和關鍵指標層。軍事通信網絡系統效能評估模型如圖2所示。

圖2 軍事通信網絡系統效能評估模型

總體效能層是各類保障用戶對軍事通信網絡系統的使用效能評價。軍事通信網絡系統用戶依據其重要性，可劃分為領導指揮機構、作戰部隊、保障部隊（單位）和一般部隊（單位）等。總體效能層根據不同性質保障用戶對通信網絡系統使用要求的差異，分別擬定每類用戶的服務等級協議（SLA），主要涉及值勤維護、運行管理、障礙處置以及安全防護等服務內容，且在協議中承諾相應的服務保障水平。

系統效能層是對面向用戶提供的各類軍事業務系統的服務效能評價。軍事業務系統主要有VPN業務、DNS系統、文電系統、Email系統、Web系統、語音交換系統以及多媒體視頻系統等。按照業務特性，可將其劃分為數據交互業務、語音通信業務和流媒體業務3類。依據用戶服務等級協議（SLA）的承諾，它的服務保障需求和服務效能水平都存在相應的差異。每類用戶使用的多個業務系統的服務效能加權，則構成該類用戶使用業務系統的總體效能評價。

關鍵指標層是對業務系統關鍵質量指標和網絡關鍵性能指標的定義和計算。業務系統關鍵質量指標（KQI）包含業務服務量指標類，如總吞吐量、連接請求數、交易數、平均接收數、平均發送數、并發服務數、平均用戶訪問量以及并發用戶訪問數等指標；業務質量指標類，如平均響應時間、平均傳輸時間、平均傳輸延時、平均轉發時間、平均失敗率、平均丟失率以及TCP報文平均重傳率等指標；業務可靠性指標類，如業務平均無故障工作時間（Mean Time To Failure，MTTF）、業務平均故障間工作時間（Mean Time Between Failure，MTBF）以及業務平均修復時間（Mean Time To Repair，MTTR）等指標。網絡關鍵性能指標（KPI）包含通信設備指標類，如交換容量、接口速率、資源占用率、服務保障、路由交換以及設備可靠性等指標；通信鏈路指標類，如鏈路帶寬、傳輸時延、傳輸抖動、誤碼率、丟包率以及鏈路可靠性等指標。網絡關鍵性能指標、業務關鍵質量指標和業務系統效能，自下而上形成映射關系。

2 關鍵指標層向量計算

2.1 指標權重向量

2.1.1 模糊判斷矩陣

模糊判斷矩陣R=(rij)n×m表示本層次中第i個元素與第j個元素之間的模糊關系的相關程度。為了能夠定量描述任意兩個網絡關鍵性能指標KPI之間對業務關鍵質量指標KQI的相對重要程度，以及任意兩個業務關鍵質量指標KQI之間對業務系統的相對重要程度，可使用如表1所示的0.1～0.9標度法[6]。

表1 0.1～0.9標度法

2.1.2 模糊一致性矩陣

為了避免矩陣變化中的一致性檢驗[5]，先按照式（1）對判斷矩陣R求行和，即：

再利用εij=εik-εjk+0.5，作式（2）的變換：

從而得到模糊一致性矩陣Q。

2.1.3 指標權重向量

利用式（3）對模糊一致性矩陣Q的行歸一化處理，計算出下層各指標對上層指標的權重向量W=(w1,w2,w3,…,wn)，即：

2.2 指標效用分數向量

評估模型關鍵指標層中業務系統關鍵質量指標和網絡關鍵性能指標均為異綱量值，可按照式（4）和式（5）進行規范化處理。

（1）正指標即效益型指標，如帶寬、無故障時間等：

（2）負指標即成本型指標，如響應時間、丟包率等：

式（4）和式（5）中，xi為指標層中第i個指標的值，ximax和ximin分別為第i個指標在考察期內指標值xi的最大值和最小值。

通過對業務系統關鍵質量指標和網絡關鍵性能指標的異綱量規范化處理，分別得到業務系統關鍵質量指標（KQI）層的指標效用分數向量Dq=(d1,d2,d3,…,dm)和網絡關鍵性能指標（KPI）層的指標效用分數向量Dp=(d1,d2,d3,…,dn)。

2.3 指標影響因子向量

網絡性能直接影響業務質量。評估模型關鍵指標層中，業務系統關鍵質量指標與網絡關鍵性能指標存在強關聯關系。因此，業務系統關鍵質量指標受網絡關鍵性能指標影響的因子向量U=(u1,u2,u3,…,um)由網絡性能指標權重和性能指標效用分數共同決定，即：

式中，Wp為網絡關鍵性能指標權重向量；Dp為網絡關鍵性能指標效用分數向量；um為業務系統中不同類型關鍵質量指標的影響因子值，其中m指業務服務指標、業務質量指標以及業務可靠性指標等關鍵質量指標。

3 系統效能與總體效能評估計算

3.1 系統效能評估計算

系統效能層中，不同類型業務系統對業務質量指標的要求各有差異。由式（3）可分別計算得到業務系統關鍵質量指標對不同類型業務系統的指標權重向量，由式（4）和式（5）可分別計算得到業務系統關鍵質量指標對不同類型業務系統的指標效用分數向量，結合式（6）得到的網絡關鍵性能指標對業務系統關鍵質量指標的影響因子向量，則業務系統效能評估向量Z=(z1,z2,z3,…,zk)為：

式中，zk為不同類型業務系統的效能評估值，其中k指數據交互類、語音通信類以及流媒體類等業務系統；Wq為業務系統關鍵質量指標權重向量；Dq為業務系統關鍵質量指標效用分數向量。

3.2 總體效能評估計算

3.2.1 業務系統權重向量

軍事通信網絡系統保障的各類用戶重要性不同，形成的服務等級協議（SLA）差異直接體現在對各類業務系統的使用要求上，從而導致各業務系統相對于不同類型用戶的權重值也不同。業務系統賦權主要依靠專家的經驗、知識確定，通常采用德爾菲法[7]，即組織若干熟悉通信網絡運維管理的技術專家和通信網絡保障組織的業務專家，通過一定方式對各項業務系統的權重進行獨立估計。以平均估計值為基準，計算各專家估計值與平均估計值的偏差，并對產生較大偏差的估計值進行專家再估計，最終得到合理權重值，從而得到業務系統權重向量W=(w1,w2,w3,…,wk)，其中wk為不同類型業務系統的權重值，k指數據交互類、語音通信類以及流媒體類等業務系統。

3.2.2 總體效能評估

總體效能評估反映出各類保障用戶對軍事通信網絡系統總體的使用效能評價。基于不同類型保障用戶服務等級協議要求所反映出的業務系統權重，結合式（7）得到的業務系統效能評估向量，則總體效能評估向量E=(e1,e2,e3,…,el)為：

式中，el為不同類型保障用戶的總體效能評估值，其中l指領導指揮機構、作戰部隊、保障部隊（單位）以及一般部隊（單位）等保障用戶；Z為業務系統效能評估向量；W為業務系統權重向量。

4 實例分析

依據典型的軍事通信網絡系統保障實際對評估方法進行驗證。總體效能層選取作戰部隊和一般部隊作為保障用戶，系統效能層選取信息網站（數據交互類業務）、自動電話（語音通信類業務）和多媒體視頻（流媒體類業務）為主要業務系統，關鍵指標層包括典型業務質量指標KQI（業務事務量、響應時間、系統連接率）和典型網絡性能指標KPI（網絡帶寬、傳輸時延、丟包率）。

4.1 關鍵指標層向量

4.1.1 網絡性能指標權重向量

參考業務領域專家意見，采用0.1～0.9標度法定量地描述任意兩個網絡關鍵性能指標（KPI={網絡帶寬，傳輸時延，丟包率}）之間對業務關鍵質量指標（KQI={業務事務量，響應時間，系統連接率}）的相對重要程度，得到相應的業務質量指標的模糊判斷矩陣Ri，其中i為業務事務量、響應時間和系統連接率3個業務質量指標。根據式（1）～式（3），得到相應的模糊一致性矩陣Qi和網絡性能指標權重向量Wpi。Qi中i為業務事務量、響應時間以及系統連接率3個業務質量指標。Wpi中i為網絡帶寬、傳輸時延以及丟包率3個網絡性能指標。

4.1.2 網絡性能指標效用分數向量

根據某任務期間保障用戶的通信網絡的典型性能指標實際測量情況，網絡帶寬平均為51.97 Mb/s、傳輸時延平均為150.39 ms、丟包率平均為0.06%。一般的網絡性能測量考察周期為一年，根據歷史測量統計數據，網絡帶寬最大值為63.73 Mb/s，最小值為17.61 Mb/s；傳輸時延最大值為284.16 ms，最小值為117.89 ms；丟包率最大值為0.39%，最小值為0.03%。按式（4）和式（5）得到網絡關鍵性能指標（KPI）層的指標效用分數向量Dp：

4.1.3 業務質量指標權重向量

參考業務領域專家意見，采用0.1～0.9標度法定量描述任意兩個業務關鍵質量指標（KQI={業務事務量，響應時間，系統連接率}）之間業務系統的相對重要程度，得到相應的業務系統的模糊判斷矩陣，其中i為信息網站、自動電話以及多媒體視頻3個業務系統。按式（1）～式（3）得到相應的模糊一致性矩陣和網絡性能指標權重向量Wqi。中i為信息網站、自動電話以及多媒體視頻3個業務系統。Wqi中i為業務事務量、響應時間以及系統連接率3個業務質量指標。

4.1.4 業務質量指標效用分數向量

根據某任務期間保障用戶的通信網絡的典型業務系統質量指標實際測量情況，業務事務量平均為76.88 MB、響應時間平均為547.9 ms、系統連接率平均為36.74%。一般的網絡性能測量考察周期為一年，根據歷史測量統計數據，業務事務量最大值為95.52 MB，最小值為14.65 Mb/s；響應時間最大值為1 496.38 ms，最小值為319.56 ms；系統連接率最大值為43.57%，最小值為7.29%。按式（4）和式（5）得到網絡關鍵性能指標（KPI）層的指標效用分數向量Dq：

4.2 業務系統效能評估

4.2.1 指標影響因子向量

業務關鍵質量指標（KQI={業務事務量，響應時間，系統連接率}）受網絡關鍵性能指標（KPI={網絡帶寬，傳輸時延，丟包率}）影響的因子向量為U=(u1,u2,u3)，按式（6）得到：

4.2.2 業務系統效能評估向量

業務系統（信息網站、自動電話、多媒體視頻）的效能評估向量為Z=(z1,z2,z3)，按式（7）得到：

4.3 總體效能評估

4.3.1 業務系統權重向量

采用德爾菲法，依靠專家的經驗知識對各種業務系統（信息網站、自動電話、多媒體視頻）相對于不同類型用戶的重要性進行賦權估值。經去估值偏差處理后，得到各類業務系統（信息網站、自動電話、多媒體視頻）對各種類型用戶重要性的權重向量Wl，其中l指領導指揮機構、作戰部隊、保障部隊（單位）以及一般部隊（單位）4種類型

4.3.2 用戶保障總體效能

各類保障用戶（領導指揮機構、作戰部隊、保障部隊（單位）以及一般部隊（單位））對軍事通信網絡系統總體的使用效能評估向量為E=(e1,e2,e3,…,el)，其中l指領導指揮機構、作戰部隊、保障部隊（單位）以及一般部隊（單位）4種類型。按式（8）得到各類型用戶保障總體效能評估值：

4.4 對比分析

由上述各類型用戶保障總體效能評估值分析可知，當用戶對通信網絡系統指標無特定要求時，各類型用戶保障總體效能評價基本相當。為滿足某類用戶（如領導指揮機構）對通信網絡系統的特定要求時（表現在服務等級協定（SLA）的差異），如需要通信網絡系統提供高于現有網絡性能指標和業務質量指標15%的保障能力，則有：

該類用戶的保障總體效能評估值為：

對比實例中不同網絡性能和業務質量指標條件下通信網絡系統用戶保障總體效能評估數據，評估結果與通信網絡系統實際保障能力變化情況相符，該評估模型能較好地反映出通信網絡系統中主要評估因素對用戶保障效能的影響，定量評價服務等級協定（SLA）實際執行效果，可見模型方法具備合理性和可行性。

5 結語

從用戶對通信服務需求的角度出發，對軍事通信網絡系統進行保障效能評估，體現了提升通信網絡系統建設、運維和管理水平的本質要求。軍事通信網絡系統構成種類多、指標間關聯性強以及效能影響因素復雜，因此通過基于SLA業務管理數據模型的建模思想，結合模糊AHP分層分析法，構建出的軍事通信網絡系統效能評估模型，能準確定義通信網絡、業務系統和保障用戶的層級，有效分析各層間要素的相互關系。通過0.1～0.9標度法和關鍵指標層（KPI和KQI）模糊一致性矩陣歸一化、指標異綱量規范化效用分數向量、指標影響因子向量，對評估指標體系中各類指標的權重、效用以及相互影響度進行合理確定。運用德爾菲法將各類業務系統與不同類型用戶關聯賦權，通過對典型軍事通信網絡系統保障任務實際進行效能評估計算驗證。結果顯示，該模型的評估結果與理論分析相符，可為面向用戶保障需求的軍事通信網絡系統效能評估與優化配置提供科學依據。