[發明專利]針對大規模區域故障的通信網絡脆弱性分析系統及其工作方法

有效

• 申請號: 201310675396.5
• 申請日: 2013-12-11
• 公開（公告）號: CN103684864B
• 公開（公告）日: 2017-02-15
• 發明（設計）人: 王曉亮;鄧晨;陸桑璐
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: H04L12/24
• 分類號: H04L12/24;H04L12/26
• 代理公司: 江蘇圣典律師事務所32237
• 代理人: 賀翔

技術領域

本發明涉及網絡脆弱性分析，特別分析物理網絡拓撲在大范圍區域故障下的行為特征，同時定位對網絡影響最大的潛在故障區域位置。

背景技術

計算機網絡已經成為當今社會通信的主要手段。隨著人們對網絡的依賴增強，用戶對網絡可靠性的要求也越來越高。另一方面，由于網絡本身的急速發展，大面積區域故障，如自然災害，人為破壞對網絡的影響日益凸顯，其頻率和破壞程度呈上升趨勢，已經成為影響網絡可靠性的不可忽略的主要問題之一。

網絡脆弱性分析可以幫助設計者和維護人員了解網絡系統在攻擊和故障情況下性能變化程度，從而指導我們對網絡系統的設計升級和運行維護管理。目前通用的網絡脆弱性分析與保障工作主要涉及網絡的邏輯拓撲，且只針對少量的網絡鏈路和節點故障，通過觀察在有限數量的網絡設備故障情況下，數據流量的變化，定位關鍵設備。

現有工作在物理網絡拓撲下如何有效分析大范圍區域故障對網絡性能的影響，尚未有可行的解決辦法。這主要是由于大范圍的區域故障具有很強的地理位置相關性，突發性和多故障特點。故障發生的位置，形狀和范圍均未知，而且網絡設備受故障的影響也難以預測。簡單沿用傳統的在邏輯網絡上的分析方法，利用確定性的區域故障模型，將過度地簡化網絡的脆弱性分析，無法反映區域故障的重要特征，從而導致網絡恢復策略失效或網絡保護過投資。因此，需要設計有效的針對自然災害等大規模區域故障的通信網絡脆弱性分析系統。

發明內容

本發明提供一種針對大規模區域故障的通信網絡脆弱性分析系統及其工作方法，其通過網絡脆弱性分析系統，可以評估通信網絡拓撲設計與網絡布線受自然災害以及人為破壞等地理位置相關的區域故障的影響程度，發現網絡在區域故障情況下的統計行為特征，并利用物理網絡的拓撲信息定位對該網絡影響最大的故障區域。

本發明提供了一種針對大規模區域故障的通信網絡脆弱性分析系統，分析大規模區域故障對通信網絡的影響并定位對網絡影響最大的故障位置，其特征在于：該系統包括

區域故障模型，模擬真實世界的物理網絡拓撲，拓撲結構包括鏈路容量，節點和鏈路的地理位置信息，模擬常見的區域故障，如地震、颶風等；

計算分析模塊，計算分析網絡鏈路被打斷的個數和容量，端到端節點對之間流量變化，端到端節點對主路徑和備份路徑同時被切斷的概率及其平均值；

GUI模塊，接收區域故障模型的參數輸入，如模型的選擇、變量值的設定并傳送至計算分析模塊，將計算分析結果即網絡中最脆弱的區域以可視化的方式標注出來。

本發明還提供了一種針對大規模區域故障的通信網絡脆弱性分析系統的工作方法，其包括如下步驟：

1）首先模擬真實世界的物理網絡拓撲構建區域故障模型，在該故障模型中，故障區域內的網絡設施會以一定的概率p被破壞，p越大表示該區域內的網絡越脆弱，而且被破壞的概率會隨著距離災害中心遠近以及所在災害區域的面積的不同而變化；

2）根據物理網絡拓撲對故障模型中的二維地理平面進行剖分，形成一系列網格，視每個網格中區域性故障對網絡設備的影響相同，然后以每個網格為故障中心，以給定指標Δ為衡量網絡性能的標準，首先計算區域故障發生在每個網格內時對網絡性能指標的影響Δn，然后通過幾何概率的知識，利用如下公式計算網絡性能指標，

Δ＝∑_n(area(n)/all?area)Δ_n

其中area(n)表示第n個網格的面積，all?area表示網絡部署的地理區域面積；

3）形成三個衡量網絡脆弱性的標準量：

（1）斷連的鏈路容量，即DLC：區域故障發生時，斷連的鏈路容量平均值。當鏈路容量為單位值時，表示平均斷連的鏈路數；

（2）點對之間減少的流量,即PTR：區域故障發生時，指定節點對之間的數據流量減少的平均值；

（3）點對之間斷連的概率,即PDP：區域故障發生時，指定節點對間工作路徑和保護路徑同時發生斷連的概率。

4）定位對網絡影響最大的故障區間的過程，具體為：依據上述計算出的三個衡量網絡脆弱性的標準量；將這些標準量從大到小排序，排在前面的對應的小方格集合構成了網絡中最脆弱的區域。

步驟1）所述的區域故障模型包括模擬地震的同心圓概率區域故障模型，以及模擬颶風，拖網損害光纜的線段故障概率模型，其中：

所述同心圓概率區域故障模型的結構為：

(1)由M個半徑依次為m·r,m=1,…,M的同心圓劃分成M個圓環，中心的圓環同時也是圓，每一個圓環都是一個均勻的碟狀概率區域故障，其中r為節距；