基于排队论的通信网及时可靠性加速试验方法研究

With the rapid growth of network usage and the heavy load of its traffic, the delay caused by network congestion has become one of the core issues of network reliability, which is called network transmission time reliability. Testing is an important way to assess network transmission time reliability before a new network is built or a new service is put into use. However, the length of time for one network mission scenario is usually very long. In order to assess network transmission time reliability effectively, we often need a large amount of samples, so the reliability test time is often several times of its mission cycle. In this proposal, the accelerated life testing method is extended to communication networks for the first time. The delay failure mechanism will be revealed for typical communication network queuing models, the accelerated model will be derived based on similarity theory, the accelerated testing method will be built for network transmission time reliability, and both the accelerated model and tesing method will be verified by OPNET simulation and our testing platform. By completing this proposal, a similar network can be built to do accelerated reliability testing at a higher flow stress level instead of the original network. In this way, both time and cost can be saved. It will help engineers to develop accelerated reliability testing schemes and evaluate network transmission time reliability scientifically. It will also provide a theoretical basis for network accelerated reliability testing and evaluation method.

随着网络负载的增加，由拥塞造成的传输延迟已经成为通信网络的主要故障模式。试验是确定网络及时可靠性水平的重要手段，然而网络任务周期普遍较长，可靠性试验时间更是任务周期的数倍，否则会造成样本数量少、试验结果置信度低的问题。本项目首次将产品加速寿命试验方法推广到通信网络对象，针对典型通信网排队模型揭示网络延迟故障机理，基于相似理论推导加速模型，构建通信网及时可靠性加速试验方法，并通过OPNET仿真和实验室试验平台进行模型和方法验证。通过本项目研究可建立起一套通过短时高应力试验确定网络正常应力条件下及时可靠性水平的方法，可有效解决网络可靠性试验时间过长、费用过高的问题，为科学制定网络可靠性加速试验方案，充分挖掘试验信息，给出高置信度的可靠性评估结论提供理论依据，并为形成一整套网络可靠性加速试验评估方法奠定理论基础。

针对通信网络任务周期长、可靠性指标要求超高（通常为0.99999），而开展常规可靠性试验所需要的样本量巨大这一问题，本项目将产品相似理论和加速寿命试验方法推广到了通信网络当中。项目以拥塞造成的传输延迟作为主要研究对象，根据时延组分分析揭示了网络延迟故障机理，针对不同网络通信机制和流量特征，建立了相应的排队模型，创新地推导了及时可靠性相似准则和加速模型，设计了加速试验方法，并通过仿真和试验结果对比验证了项目所提出方法的正确性，达到了保证样本量的同时缩短试验时间的目的。本项目的主要贡献如下：. （1）将相似理论应用于网络及时可靠性，推导建立了典型排队网络及时可靠性的相似准则，通过增大网络设备服务率建立相似网络，并在试验中按照相应的相似系数增大数据到达率，通过在相似网络上收集网络传输时延数据、计算及时可靠性经验估计值来对应估计原网络的及时可靠性。项目按照实验设计方法在多参数变化情况下对比相似网络和原网络可靠性试验结果，验证了模型的有效性。该方法适用于服务率已知且可以增加的网络对象。. （2）借鉴加速寿命试验方法，发现网络延迟主要来源于排队引发的超时，由此基于排队论、马尔科夫过程、拉普拉斯变换等推导建立了典型排队网络的及时可靠性加速模型并设计了加速试验方法。通过提高数据到达率开展网络加速试验，并根据试验结果外推得到正常应力下的网络及时可靠性评估值。通过多组实验进行模型验证，证明通过加速试验获得的可靠性评估结果与正常应力下网络的结果误差很小，且不受各种排队参数取值影响。与前一种基于相似理论的试验方法相比，本方法不依赖于网络服务参数的事先获取和调整，适用性更强。. （3）依据数据到达时间分布、服务时间分布、优先级、顾客源有无损失等特征，识别了以太网、AFDX、云计算等典型通信网络的排队模型，建立了数据在泊松到达和固定帧长情况下的及时可靠性加速模型，搭建仿真环境和实验室试验平台，开展了及时可靠性加速试验，验证了本方法在实际网络的应用效果。. （4）拓展研究了Ad hoc网络正确可靠性相似准则和基于该准则的试验方法，并进行了模型验证。