基于M/M/S排队模型的网络及时可靠性加速试验方法.pdf

本发明公开了一种基于M/M/s排队模型的网络及时可靠性加速试验方法，包括如下步骤：步骤一：根据通信网络排队模型的延迟故障机理，获取排队模型的组成，确定服务强度要求；步骤二：获取网络及时可靠性模型；步骤三：基于相似理论获取可靠性加速模型；步骤四：进行网络及时可靠性加速试验；本发明给出了基于M/M/s排队模型的网络及时可靠性加速试验方法，可有效解决当前网络可靠性试验时间过长、费用过高或者短时试验样本量不足、置信度偏低的问题，进而提高试验效率。

权利要求书一种基于M/M/s排队模型的网络及时可靠性加速试验方法，包括如下步骤：步骤一：根据通信网络排队模型的延迟故障机理，获取排队模型的组成，确定服务强度要求；具体包括如下步骤：步骤1.1，获取排队模型的组成：排队模型的组成由输入过程、到达规则、排队规则、服务机构结构、服务时间、服务规则组成；M/M/s排队模型，表示输入过程为数据到达时间间隔为λ的负指数分布，到达规则为数据单个到达，数据源总体为无限源总体，排队规则为先到先服务，服务机构结构为s个服务台并联服务，容量为无穷，服务时间为服从平均服务时间为μ的负指数分布，服务规则为一次服务单个数据的排队模型；当网络数据包到达后，如交换机存在服务台空闲，则开始提供数据交换服务，否则排队等待，直到前面所有的数据包完成数据交换；如果逗留时间过长，达到故障判据时，则发生延迟故障；步骤1.2，确定排队模型的服务强度满足ρs=λ/sμ<1，ρs表示排队模型服务强度；步骤二：获取网络及时可靠性模型；具体包括如下步骤：步骤2.1，确定网络及时可靠度表达式，在网络中及时可靠度表达式为：R=P{D≤Dmax}    （1）式中，D表示网络数据传输时延，Dmax表示用户允许的最大时延，也就是故障判据，R表示网络及时可靠度，P表示网络实际时延不超过用户允许的最大时延的概率；步骤2.2，确定逗留时间分布函数，M/M/s的排队模型的逗留时间分布函数为：W(t)=P(W≤t)=1-e-μt[1+ps1-ρsμt],ρ=s-1,1-e-μt-ps(s-ρ-1)(1-ρs)[e-μt-e-μ(s-ρ)t],ρ&NotEqual;s-1.---(2)]]>式中：W是数据包在模型内的逗留时间，为等待时间与服务时间之和；t是时间自变量；W(t)表示数据包在模型内的逗留时间W不超过t的概率；当排队模型确定时，服务台数为s，s为常数，ps为模型中顾客数为s的概率，表达式可记为ps＝f(ρ)；实际上，式(2)就是通信网络及时可靠度的表达式；式(2)中，t就是给定的时延阈值Dmax；结合式(1)和式(2)，网络及时可靠性模型可以表达为：R=P(D≤Dmax)=1-e-μDmax[1+ps1-ρsμDmax],ρ=s-1,1-e-μDmax-ps(s-ρ-1)(1-ρs)[e-μDmax-e-μ(s-ρ)Dmax],ρ&NotEqual;s-1.---(3)]]>式中：R为网络及时可靠度；步骤三：基于相似理论获取可靠性加速模型；具体包括如下步骤：设式（3）为原始网络的可靠性模型，则相似网络的可靠性模型为：R′=1-e-μ′Dmax′[1+p′s1-ρ′sμ′Dmax′],ρ′=s-1,1-e-μ′Dmax′-p′s(s-ρ′-1)(1-ρ′s)[e-μ′Dmax′-e-μ′(s-ρ′)Dmax′],ρ′&NotEqual;s-1.---(4)]]>式中：R'为相似网络及时可靠度，D'max表示用户允许的最大时延，λ'为相似网络数据到达时间间隔，μ'为相似网络的平均服务时间，服务台数为s；令相似网络中的服务台数s不发生改变，考虑到ps＝f(ρ)，式（3）中实际有4个物理量，即R、λ、μ和D，令相似常数分别为cR、cλ、cμ和cD，表示相似网络中参数与原始系统中相应参数的变化倍数，即：R′=cR&CenterDot;Rμ′=cμ&CenterDot;μλ′=cλ&CenterDot;λD′max=cD&CenterDot;Dma---(5)]]>设相似网络中的可靠度R'与原始网络中的可靠度R保持不变，即：cR＝1；且取平均数据到达间隔时间和平均服务时间的相似常数相等，即cμ＝cλ；根据相似第一定理，联立式(3)、式(4)和(5)，则可得：cμ·cD＝1；由此，得到M/M/s排队模型的3个相似准则，该准则即为可靠性加速模型：cR=1cμ=cλcμ&CenterDot;cD=1---(6)]]>随着网络数据到达强度的增加，相同时间内到达的数据包个数增多，可靠性信息量增大，网络数据到达强度增大cλ倍以后，试验时长减小cλ倍，两次试验的数据量不变，即试验时长和网络数据到达强度的关系为：cλ＝t/t′    （7）式中：t为原始网络试验时长，t′为相似网络试验时长；步骤四：进行网络及时可靠性加速试验；具体包括如下步骤：步骤4.1，确定网络数据收集数量，假定网络模型为M/M/s排队模型，延迟故障服从二项分布，取值检验上限R，鉴别比D，生产方风险α和使用方风险β；查得可靠性鉴定试验中要求至少需要收集数据包的时延信息数量；步骤4.2，获取加速试验参数，若原始网络任务剖面参数以及时延阈值为λ、μ和Dmax，试验时长为t;按照（6）式规则选取λ、μ和Dmax相应的相似系数cλ、cμ和cD，得到λ’、μ’和D’max；按照加速试验参数进行时长为t'＝t/cλ的可靠性加速试验，得到该加速网络的及时可靠度；该值认为与原始网络的及时可靠度相同，即得到原始网络的及时可靠度。

说明书基于M/M/s排队模型的网络及时可靠性加速试验方法
技术领域
本发明属于网络通信以及可靠性技术领域，具体涉及一种基于M/M/s排队模型的网络及时可靠性加速试验方法。
背景技术
随着网络技术的不断发展与应用，对网络的定量与定性特征的科学理解，已成为一个极其重要的挑战性课题，甚至被称为“网络的新科学”。随着网络使用的普及，网络负载增大，由拥塞造成的及时可靠性已经成为网络定量特征理解的重要问题。
在一个新的网络建成前，在一种新的服务投入使用前，试验是考核网络可靠性的重要途径。然而，网络任务周期普遍较长，为了有效暴露故障，网络可靠性试验时间往往是其任务周期的数倍（参考文献[1]：张建涛,张剑.军用通信网综合可靠性试验与检验[J].电子产品可靠性与环境试验,25(2),2007:19‑22），这直接导致研制周期过长。为了快速在可靠性试验中暴露设计缺陷，确定网络可靠性水平，有必要采取加速试验，增大单位时间内的循环次数，加速故障模式的出现。加速模型是设计加速试验的前提。对网络及时可靠性而言，其故障模式为时延过长，网络的排队机制为探索延迟故障机理以及确定加速模型提供了支撑。相似理论是研究自然界和工程中各种物理过程相似原理的学说，是确定加速模型的理论依据。
现有的加速试验和加速模型的研究大多是硬件领域，并没有针对通信网络进行可靠性加速模型和试验方法的探索。尚无法解决网络可靠性试验时间过长、费用过高或者短时试验样本量不足、置信度偏低的问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决可靠性试验时间过长或短时试验评估置信度偏低的问题，提出一种基于M/M/s排队模型的网络及时可靠性加速试验方法，通过进行可靠性加速模型的推导和验证，制定网络及时可靠性加速试验方案。
一种基于M/M/s排队模型的网络及时可靠性加速试验方法，包括如下步骤：
步骤一：根据通信网络排队模型的延迟故障机理，获取排队模型的组成，确定服务强度要求；
步骤二：获取网络及时可靠性模型；
步骤三：基于相似理论获取可靠性加速模型；
步骤四：进行网络及时可靠性加速试验；
本发明的优点与积极效果在于：
（1）本发明方法提出了基于排队论的网络及时可靠性加速模型，在相似理论的指导下推导并验证M/M/s排队系统的网络可靠性加速模型，这是相似理论在加速试验上的又一应用，同时也是其在网络流上的又一应用，这是加速试验的核心，是规划加速试验的模型基础。
（2）本发明方法为网络可靠性加速试验方法建立理论基础：根据推导得出的加速模型，可以进一步确定通信网试验方法，这是产品加速寿命试验在网络对象上的推广，可有效解决当前网络可靠性试验时间过长、费用过高或者短时试验样本量不足、置信度偏低的问题，进而提高试验效率。
附图说明
图1是本发明的方法流程图；
图2是本发明中OPNET建立M/M/s排队模型示例图；
图3是本发明实施例中某通信网络拓扑示例图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明提出一种基于M/M/s排队模型的网络及时可靠性加速试验方法，包括如下步骤：
步骤一：根据通信网络排队模型的延迟故障机理，获取排队模型的组成，确定服务强度要求。
具体包括如下步骤：
步骤1.1，获取排队模型的组成：排队模型的组成由输入过程、到达规则、排队规则、服务机构结构、服务时间、服务规则组成。
M/M/s排队模型，表示输入过程为数据到达时间间隔为λ的负指数分布，到达规则为数据单个到达，数据源总体为无限源总体，排队规则为先到先服务，服务机构结构为s个服务台并联服务，容量为无穷，服务时间为服从平均服务时间为μ的负指数分布，服务规则为一次服务单个数据的排队模型。（参考文献[2]唐应辉,唐小我.排队论‑基础与分析技术[M].北京:科学出版社,2006:33）当网络数据包到达后，如交换机存在服务台空闲，则开始提供数据交换服务，否则排队等待，直到前面所有的数据包完成数据交换。如果逗留时间过长，达到故障判据时，则发生延迟故障。
步骤1.2，确定排队模型的服务强度要求：当ρs=λ/sμ<1时，ρs表示排队模型服务强度，排队模型能达到统计平衡，逗留时间构成概率分布，是本发明方法的前提条件；否则，数据到达累积会越来越多，排队模型无法达到稳态，排队时延会随时间呈递增趋势，此情形探讨延迟故障意义不大。
步骤二：获取网络及时可靠性模型；
具体包括如下步骤：
步骤2.1，确定网络及时可靠度表达式，可靠度是可靠性在概率上的度量值，在网络中及时可靠度表达式为：
R=P{D≤Dmax}    （1）
式中，D表示网络数据传输时延，Dmax表示用户允许的最大时延，也就是故障判据，R表示网络及时可靠度，P表示网络实际时延不超过用户允许的最大时延的概率。
步骤2.2，确定逗留时间分布函数，M/M/s的排队模型的逗留时间分布函数为：
M/M/s的排队系统的逗留时间分布函数根据参考文献[2]唐应辉,唐小我.排队论‑基础与分析技术[M].北京:科学出版社,2006:33，能够得到。