网络弹性技术（精选八篇）
网络弹性技术 篇1
弹性的概念在不同的环境中具有不同定义。在高性能计算和可靠性等领域,弹性指具有承受破坏的能力,同时将性能维持在最低可接受水平。通信网络弹性表现在通信网络所具备的伸缩和安全特质,自适应用户的需求,在遭受攻击的情况下也能最低运行。本文针对通信网络采用的主流技术,对IPv6、多协议标签交换(MPLS)、网络功能虚拟化(NFV)和软件定义网络(SDN)进行研究,分析这些技术在弹性方面的特性。
1 IPv6 弹性研究
IPv6作为下一代网络采用的技术,具有巨大的地址空间,能够简化分组头并减少分组碎片使得报文转发高效,增加流标签支持服务质量(Qo S),强制实施IPSec支持端到端安全。分析IPv6具有的弹性,主要表现在以下方面。
(1)巨大地址空间。IPv6的地址空间达到128位,支持各种移动设备、嵌入式设备自由接入网络,提供无所不在的连接,满足未来互联网发展和物联网发展的需要。为了增加地址分配的灵活性和减少难度,IPv6技术采用3种主流的地址分配方式:无状态自动配置、有状态地址分配和基于地址前缀代理的分配。
(2)无状态自动配置。节点设备连接到网络中后,将自动选择接口地址(通过算法生成IPv6地址的后64 bit)加上FE80的前缀地址,作为节点的本地链路地址。然后进行地址冲突检测,检测该接口地址是否有邻居节点已经使用。如果发现地址冲突,则无状态地址分配过程终止,节点将等待手工配置IPv6地址;如果在检测定时器超时后没有发现地址冲突,则该接口地址可以使用。此时将发送路由前缀通告请求,路由设备接收到该请求,则将发送地址前缀通告响应,将节点配置的IPv6地址前64 bit的地址前缀通告给网络节点,网络节点将地址前缀与接口地址组合,构成节点自身的IPv6地址。这种技术简化了IPv6地址的分配,无需中心服务器的配置,也不需要任何专用协议服务器,实现了网络的即插即用。
(3)移动性支持。在移动IPv4中存在三角路由问题,通信路由优化困难。移动IPv6使用邻居发现功能可直接实现外地网络的发现并得到转交地址,不需要外地代理;同时,利用路由扩展头和目的地址扩展头,移动节点和对等节点之间实现直接通信。移动IPv6支持IP节点在改变其在IP网络上的位置和地址的同时保持连接,同时降低了通信时延。
(4)IPsec。IPv6协议中强制支持IPSec,本身包含两种安全协议,即认证报头(AH)和封装安全载荷(ESP)。AH和ESP协议有两种工作模式:传输模式和隧道模式。传输模式直接对高层协议数据(如TCP、UDP等数据包)进行认证与加密;隧道模式对经不安全的链路或网络的专用IP内部数据包进行加密和封装。
2 MPLS 弹性研究
MPLS是一种围绕标签转发而开发的组网技术,以标记交换路径的形式为无连接的IP网络引入虚拟连接特性,采用“一次路由,多次交换”的方法来避免在核心骨干网上多次路由。MPLS在解决网络的扩展性、实施流量工程、支持多种Qo S保障的IP业务等诸多方面具备技术优势,具有网络服务的弹性。
(1)数据保护。MPLS采用重路由和保护倒换技术,实现了有效的流量修复,提供端到端或者本地保护,并且支持恢复。重路由:当检测到工作路径有故障时,自动重新创建路径(或者是重新创建故障路段)的一种路径修复机制,这是一种没有预先设置修复路径的修复机制;保护倒换:在网络内的某条传输路径因失效而导致不能传输用户数据流到达指定地点时,为了保护数据流的有效传输而将数据流导向其他有效路径的过程。保护倒换机制简化通信业务的快速修复从而最小化网络损耗,保证在网络发生不可用状态之前完成理想修复。
(2)运行管理维护(OAM)。MPLS的运行管理维护主要有BFD(双向转发侦测)、MPLS Ping、VCCV(虚拟电路连通性确认)等方式。MPLS Ping用于LSP端到端连通性的检测,模拟ICMP echo request和reply,在MPLS echo request消息中携带特定FEC的消息,通过ping和Traceroute发现和定位网络故障。连通性确认机制提供了链路级的故障检测能力,针对单条LSP进行连通性检测,LSP入口节点周期性发送OAM连通性检测报文,在LSP出口结点周期性检测,中间节点做穿通处理。
(3)流量管理与隔离。MPLS支持多种类型的业务共享相同的基于分组的IP网络,MPLS的报头携带足够的Qo S或Co S(服务分类)信息,边缘处理能够将非MPLS的Qo S/Co S映射到MPLS域中。网络边缘路由器执行速率限制,防止因一种业务降级而影响其他业务,使得网络骨干路由器可以更好地控制流量。
3 NFV 和 SDN 弹性研究
NFV采用虚拟化技术,基于通用的计算、存储、网络设备实现通信网络功能,将传统的网络设备与硬件解耦,跨服务器、机架和数据中心建立逻辑网络,提供独立于网络位置和状态的虚拟网络服务,新增加的工作量不需要物理网络的(重新)调配。NFV采用媒体访问控制(MAC)和IP地址完全租户专用技术,使得租户的任何故障或配置错误都不会影响其他应用或其他租户,并且虚拟层的任何故障不会传播到物理层,支持多重租赁和容错的全隔离。
SDN是一种软件集中控制、网络开放的三层体系架构。应用层实现对网络业务的呈现和网络模型的抽象;控制层实现网络操作系统功能,集中管理网络资源;转发层实现分组交换功能。逻辑上集中的SDN控制器基于软件,负责维护全局网络视图,并且向上层应用提供用于实现网络服务的可编程接口;通过控制器提供的全局网络视图,控制应用程序把整个网络定义成为一个逻辑的交换机,同时利用控制器提供的应用编程接口,网络人员能够灵活地编写多种网络应用,如路由、多播、安全、接入控制、带宽管理、流量工程、服务质量等。网络管理者可以从集中控制台根据网络示意图,对网络组件、服务和整体性能进行集中管理,而不需要接触网络各组件,增加了智能化和自动化。
4 结束语
BP神经网络对材料弹性模量的预测 篇2
【摘 要】讨论利用神经网络对梁的变形进行分析，利用分析的数据来预测梁的弹性模量，并与实际变形情况做比较，希望在工程实际应用中，提供材料力学分析的新方法。
【关键词】弹性模量 力学分析 神经网络 matlab
【中图分类号】G250.72【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0465-01
1 研究背景
本文所研究的梁的模型为伯努利梁，基于神经网络对函数具有很好的逼近这一特性，希望能借助神经网络获得梁的挠度与弹性模量的对应关系。
2 问题的描述？即悬臂梁的受力模型和几个参数是已知的，当悬臂梁采用不用的材料时，悬臂梁的变形情况是不同的，现在已知在几种不同弹性模量E的情况下所对应的最右端的挠度值：
现在面临的问题是，在不知道最右端挠度值和E、M、I关系的情形下，能利用的条件只有表1的一组数据，在已经测量到最右端挠度值w=0.0198的情况下，想预测材料的弹性模量E的数值。
3 BP网络求解过程
上述问题可以通过神经网络对数据的分析和预测来求解，利用挠度w作为网络的输入，E作为网络的输出，构建神经网络，利用这一神经网络来模拟w、E、M、I的相互关系，当有一个新的w输入的情况下，神经网络可以产生一个对应的输出，比较这一输出和通过计算所获得解析解的误差来分析神经网络的预测能力。
用BP神经网络求解问题的过程，可以分成如下步骤：1）原始数据输入；2）数据的归一化；3）网络建立；4）对已有数据进行仿真；5）将仿真结果与实际结果对比并修正网络；6）对新数据进行仿真。
下面给出具体程序，并对程序添加了注释
P=[ 0.2500 0.2380 0.2270 0.2170 0.2080 0.2000 0.1920 0. 1850 0.1790 0.1720 0.1670]；%以挠度w作为输入矩阵，为了提高神经网络隐含层函数对数据的识别能力，把挠度值w写为w*10
T=[2.0000 2.1000 2.2000 2.3000 2.4000 2.5000 2.6000 2. 7000 2.8000 2.9000 3.0000]； %以弹性模量E作为目标矩阵，单位为E+11Pa
net=newff（[0.1670 0.2500]，[10 1]，{tansig purelin}）；
net.trainParam.epochs=10000；
net=train（net，P，T）；
x=[0.198]；
y=sim（net，x）
TRAINLM， Epoch 0/10000， MSE 9.68058/0， Gradient 66. 1516/1e-010
TRAINLM， Epoch 4/10000， MSE 1.15301e-022/0， Gradient 5.68978e-012/1e-010
TRAINLM， Minimum gradient reached， performance goal was not met.
y=2.5132图2 神经网络训练情况
上述y=2.5193即为神经网络所预测得到的弹性模量数值，可以看到神经网络仅仅训练了4步，网络的总体误差为：MSE 1.15301e-022，下面分析这一网络的预测精度。根据计算悬臂梁最右端挠度的计算公式得到
参考文献
[1] 丛爽.面向Matlab工具箱的神经网络理论与应用 中国科学技术大学出版社.2008.09
[2] 郭丽华.人工神经网络基础 哈尔滨工程大学出版社.2006.11
应急物流网络弹性初探 篇3
关键词：应急物流,网络弹性,柔性,可靠性
0 引言
应急物流, 是指以提供突发性自然灾害、突发性公共卫生事件等突发性事件所需应急物资为目的, 以追求时间效益最大化和灾害损失最小化为目标的特种物流活动。应急物流作为一种对各类突发时间的物资、人员、资金的需求进行紧急保障的特殊物流活动, 它有着突发性、不确定性、弱经济性、非常规性等特点[1]。
从上述定义和特点可以看出, 应急物流主要是针对突发性事件而采取的物流活动;所以应急物流系统本身在进行紧急保障活动时, 也很有可能遇到突发性的攻击, 从而造成整个应急物流网络瘫痪, 这将给整个社会系统造成更为严重的后果[2]。因此, 当应急物流网络受到突发性攻击时, 使其能够迅速恢复到正常状态进行工作的能力就非常重要。而要增强应急物流网络的这种迅速恢复能力, 关键是增强整个应急物流网络的“弹性”。基于这一背景, 本文将作一初步探讨。
1 应急物流网络弹性
“弹性” (resilience) 这个概念是从材料科学中借用过来的, 指材料变形之后恢复到初始形状的能力。关于弹性的解释很多, 在不同领域都有研究者对其作过定义。在表1中, 列举了一些典型的弹性定义[3]。
基于以上对弹性的理解, 可将应急物流网络弹性定义为:应急物流网络在其弹性限度内遇到突发性外力作用下发生中断风险之后能迅速恢复到正常功能的能力。考虑到弹性是一种非常复杂而且综合的性质, 本文分解为柔性、可靠性来研究。其中, 柔性体现适应性、恢复性;可靠性主要体现稳定性、抗干扰性。从这两个方面的性质入手, 研究这些性质体现在弹性中的内涵, 从而达到研究应急物流网络弹性的目标。
2 应急物流网络柔性
2.1 应急物流网络柔性概念
柔性的概念是研究柔性的基础。柔性的定义应该反映柔性的本质, 才能保证对柔性及应急物流网络柔性研究的科学性及其在此基础上所建立的理论的合理性和实用性。但是对柔性的界定目前仍十分模糊, 在表2中, 列举了一些比较常见的对柔性的定义[4]。
2.2 应急物流网络柔性度量
研究柔性度量的目的在于增强柔性理论的实用性。有了合理的柔性度量体系, 就可以对柔性进行比较, 判别提高柔性方法的实际效果, 更好地制订提高柔性的方法与策略。
柔性度量的方法论研究存在两个不同的视角。一种观点认为, 对系统柔性的度量应当从系统内部本质属性而不是系统外部运作表现入手, 通过对系统本质特点的研究和分析来度量系统柔性的大小。另一种意见认为, 对于多数较为复杂的系统, 从系统内部视图对柔性分析, 往往很难将柔性的各个因素综合起来, 全面地反映系统整体的柔性;而从外部视图给出一些从外部可观测的、反映其适应变化能力的指标, 能够使系统中一些隐含因素对柔性所起的作用反映出来, 可以更加综合、客观地评价系统的整体柔性[5]。
关于柔性度量方法的研究, 在物流和供应链方面已经有了一定的研究成果。在供应链柔性度量研究方法方面, 主要有四大度量方法, 分别是:基于经济效果的度量方法, 基于信息理论的柔性度量方法, 基于系统物流特性度量方法, 多维柔性度量方法[6]。每种方法的原理及缺点如表3所列。
根据表3所列不同度量方法的特点, 认为可以把多维柔性的度量方法作为研究应急物流网络弹性度量一种方法。因为应急物流网络具有很多的不确定性, 没有固定的物理特性, 而且应急物流具有很强的弱经济性。因此, 可以结合应急物流本身的特性, 确定影响应急物流网络柔性的维度, 最后从不同的维度入手来研究整个应急物流网络的柔性。
3 应急物流网络可靠性
3.1 应急物流网络可靠性概念
在可靠性工程中, 可靠性指的是部件、产品或系统在规定的条件下和规定的时间内, 完成规定功能的能力。在供应链可靠性方面, 已有很多国内外学者对进行研究, 有了一定的研究成果。但目前对供应链可靠性, 还缺乏为大多数人认可的统一的权威性定义。许多学者和企业领导者基于自己的认识, 对供应链可靠性提出了不同定义。借鉴供应链可靠性研究成果, 可以对应急物流网络可靠性做出定义:在外界因素干扰下, 当发生突发性事件时, 应急物流网络在规定时间和条件下, 能完成应急物质需求、配送等应急任务的能力;完成这种功能的概率为可靠度, 可靠度作为一个非常重要的概率测度参数能有效地评价供应链运行状态。
应急物流网络的可靠性反映了应急网络应对突发事件的能力。其表现首先包含应急物资供应商提供应急物资的可靠性, 如正确的时间、正确的包装、正确的质量和数量等要求;其次包括服务的可靠性, 如在正确的时间把正确的物资和交付到正确的地点等[7]。所以, 在应急物流网络可靠性分析中, 可以从元件的可靠性入手, 把应急物流网络的各个节点看成是各个元件, 如应急物质供应商、应急物质储备中心、应急物流中心等[8]。通过提高各个节点的可靠性, 从而使整个应急物流网络的可靠性得到提升。
3.2 应急物流网络可靠性度量
通过对应急物流网络可靠性的度量, 可以更好地对可靠性进行定量分析, 找出影响可靠性变化的规律。有了合理的可靠性度量体系, 还可以对可靠性进行比较, 判别提高可靠性方法的实际效果, 更好地制订提高可靠性的方法与策略。
对可靠性度量方面的研究, 物流和供应链可靠性度量已有了一定的研究成果。考虑到应急物流可以看作是一种特殊供应链, 所以供应链可靠性度量对应急物流网络可靠性度量具有很高参考意义。目前对供应链可靠性度量主要有两派:经验指标度量和应用可靠性工程理论度量。经验指标度量, 是指利用在实际生产过程中积累丰富的施工、生产和管理经验, 提出评价系统可靠性的经验指标, 解决实际生产过程中的决策和设计中面临的系统可靠性问题, 这是一种最古老的方法[9]。由于各种系统特性千差万别, 评价不同系统的可靠性的经验指标也五花八门, 很难有一个统一的指标体系。应用可靠性工程理论度量, 是在结合供应链系统具体特点下进行的;该方法认为系统可靠性和供应链可靠性两者为共性和个性的关系, 因此在度量供应链可靠性时, 把供应链各节点企业看成是机械系统中的各零部件, 从而利用工程理论方法进行度量。这种方法缺点在于把供应链各节点企业机械地等同于系统中各零部件, 而忽略了供应链节点企业之间的关系。两种方法具体的研究成果如表4、表5所示[10]。
综上所述, 结合应急物流不确定性、弱经济性和非常规性等特点, 本文认为在进行应急物流网络可靠性度量时, 可以采用可靠性工程理论度量方法。因为应急物流本身就具有不确定性, 很难能够通过一些经济指标来衡量;而且应急物流又具有弱经济性, 因此, 从总体上看, 经验指标度量方法是行不通的。而应急物流相对供应链而言, 其组织结构就显得更加简单, 在使用可靠性工程理论度量方法进行度量时, 其可靠性模型也较为简单, 所以可靠性工程理论度量方法是一种行之有效的度量方法。
4 结论
从弹性的基本定义来看, 弹性是一个综合的概念, 它反应了系统的适应能力、抗干扰能力、稳定性和恢复能力等多种性质, 所以在研究过程中很难进行量化, 也没有一定的研究基础;加上应急物流网络本身的复杂性和特殊性, 因此在研究应急物流网络弹性时, 可以把弹性的性质看成是柔性和可靠性的结合体, 从研究应急物流网络柔性和可靠性入手;首先, 建立应急物流网络模型;然后, 通过度量的方法, 对应急物流网络的柔性和可靠性进行量化;接着, 对模型进行计算和仿真, 找出影响应急物流网络柔性和可靠性的因素和增强途径;最后, 结合柔性和可靠性在弹性中的体现, 总结出影响应急物流网络弹性的因素以及增强网络弹性的方法, 从而达到对应急物流弹性的研究。
参考文献
[1]Suleyman Tufekci, William A Wallace.The emerging area of emergency management and engineering.IEEE Transactions on Engineering Management.1998, 45 (2) :103-105.
[2]赵林度:《城市重大危险源应急物流网络研究》[J];《东南大学学报 (哲学社会科学版) 》2007, 9 (1) :27-29。
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[4]A Claudio Garavelli.Flexibility configurations for the supply chain management[J].Int.J.Production Economics, 2003 (85) :141-153.
[5]Bradley Hull.The role of elasticity in supply chain performance[J].Int.J.Production Economics, 2005 (98) :301-314.
[6]龚哲君、石双元:《集成几类柔性的一类企业系统总体柔性模型研究》[J];《系统工程理论与实践》2003 (12) :38-45。
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[9]王建、张文杰:《供应链系统可靠性分析》[J];《中国安全科学学报》2003, 13 (11) :73-76。
校园弹性扁平化计算机网络设计 篇4
一、校园计算机网络的设计思路
校园计算机网络采用弹性二层架构设计, 按照网络特点分成核心层、接入层。核心层设备采用两台高端核心交换机构成全冗余的网络核心, 接入层直接与核心层进行光纤链路连接, 采用六类布线互联, 为桌面用户提供全千兆的网络接入服务。弹性设计体现在学生宿舍网络, 其节点单独划分到一个VLAN, 采用认证计费的上网方式, 认证计费相关设备有进入提供上网服务的ISP提供。
二、二层架构组网方式
鉴于现有的网络飞速的发展, 校园网内的通讯终端越来越多, 包括Apple的Ipad, Iphone, Android等等移动终端渐渐成为网络应用的主要终端类型, 在新校区的网络设计引入弹性二层的设计方式, 起特点如下:
1、有线计算机网络采用传统的二层组网方式, 即接入层交换机通过光纤直接接入核心层。
2、无线计算机网络作为网络接入层的扩展, 直接连接在接入层交换机上, 用于笔记本和移动终端的接入。
3、计算机网络的认证和授权、统计, 即传统意
义上的AAA服务, 由独立的设备完成, 统一的为所有的网络客户端提供服务。
三、二层架构和传统的三层架构的比较
1、带宽方面
校园信息化发展日渐迅猛, 网络所承载的应用越来越多, 本期也要求网络的千兆主干, 千兆到左面。如果网络的层次较多, 如一个汇聚层交换机同时接入20台接入交换机, 而此汇聚交换机具备几个千兆或一个万兆上连接口, 假如每个接入交换机均为48个千兆接口, 那么, 会有960个千兆端口共享一个万兆端口, 收敛比为96:1;如果接入交换机直接使用千兆端口连接到核心交换机, 那么, 接入交换机的收敛比为48:1, 可见, 在汇聚交换机汇集了大量的接入交换机后, 三层架构的传输性能要低于二层的架构。
2、稳定性
通常网络设备设计稳定的要求通常为核心层设备>汇聚层设备>接入层设备, 三层架构由于比二层架构要多出一个汇聚层, 因此, 端到端的稳定性要低于二层架构。
3、故障隔离
三层架构的汇聚层交换机作为接入层的三层终结, 可以屏蔽大量的网络不安全因素, 当一个接入交换机所连接的终端产出的大量的二层网络故障不会直接影响到网络的核心;而采用二层架构的方式, 接入交换机所连接的终端产出的大量的二层网络故障会直接影响到网络的核心。因此, 从故障隔离的角度, 三层架构要由于二层架构。
4、设备性能和功能
核心层设备的处理性能和功能, 要大大的优于汇聚层设备的处理性能和功能, 依据本次的网络设计, 核心层设备和汇聚层设备均工作在三层的工作模式下, 从设备转发性能和功能的部署角度上分析, 二层架构的设备利用效率要优于三层架构的设备利用效率。
5、经济性
三层架构由于需要额外的汇聚层设备, 因此, 设备的投入要多于二层架构, 经济性较差。
四、扁平化计算机网络的优势
1、易于部署和管理
学校按此解决方案统一部署到架构设计所包含的所有产品中。部署中使用的参考配置提供了实现快速、高弹性部署的最佳实践方法。部署和配置指南包含配置范例, 允许通过一个网络管理系统或独特的网元管理器实施管理。网络基础架构可支持运营商更为轻松地部署协作等先进技术。
2、灵活性与可扩展性
方案的模块化特性使企业能够在需要时随时添加所需的组件, 而且无需花费巨资进行全盘升级即可使架构与企业同步扩展。
3、永续性与安全性
方案架构设计消除了网络边界, 在保护用户流量的同时提高了网络可用性, 即使在意外停机或攻击期间网络也能保持正常运行。
五、校园网络设计方案及智能网络身份服务
校园计算机网络采用弹性扁平化架构设计, 按网络系统特点分为核心层、接入层。核心层设备采用两台高端核心交换机构成全冗余的网络核心, 为校园网络用户的流量提供高速的数据交换及相关的网络服务, 建成一个高可用、高可靠、高稳定性的网络核心。核心层与接入层之间的骨干网络根据具体情况分别采用万兆光纤和千兆光纤互联, 保障网络用户流量的高速传输。接入层采用六类布线互联, 为桌面用户提供全千兆的网络接入服务。
1、互联网及教育网出口设计
在核心层交换机上启用策略路由, 为校园网内的用户流量提供按策略访问目的地的路由选路。在教育网及互联网出口处配置独立的防火墙设备, 用于安全控制, 同时防火墙还提供IPSEC SSL VPN接入等功能, 保证连接在Internet上的个人电脑、iphone、ipad、android等智能终端可以通过VPN的方式访问校园网。
2、学生宿舍网络设计
学生宿舍网络按宿舍楼的网络根据需求划分为多个VLAN, 层次上可进行弹性设计, 通过接入交换机, 上联到核心层交换机, 也可直接由运营商进行管理。建议使用PPPOE拨号方式计费的方式, 认证计费相关设备由核心路由器, 配合认证服务器完成。非宿舍楼区域, 包含无线网采用Web Loging的认证方式实现认证计费。
3、其它子系统设计
安防、多媒体、一卡通等业务子网通过部署相应的交换机直接互联到中心机房的网络核心交换机, 在核心交换机上根据业务子网的属性将接入端口划分到单独Vlan, 实现业务子网与校园网络的隔离, 考虑到全局vlan的限制, 可在全网部署Qin Q的方式, 保障Vlan资源。无线网络采用AC AP的模式进行部署, 使用无线网络控制器+瘦AP的方式为学校园区网络提供无线覆盖, 无线网络控制器放置于网络中心机房, 统一控制, 管理配置无线瘦AP;无线AP为园区网用户提供无线接入热点服务。使用统一的认证服务器系统, 根据时间、地点、接入终端的类型, 为不同用户群体和不同的终端类型分配统一的访问权限。
4、智能网络身份服务
在系统重配置统一智能身份服务引擎, 为整个校园网提供有线无线一体化的身份识别服务, 为不同的用户, 不同的访问终端提供身份识别以及网络访问的授权。例如, 可以为某老师的笔记本电脑授权全网的网络访问、为该老师的ipad授权邮箱以及Internet的访问、为该老师的android手机授权Internet的访问。
智能身份服务引擎提供了一个非常强大和灵活的基于属性的访问控制解决方案, 它在单一平台上集成了AAA (身份验证、授权和记账) 、终端状态、分析和访客管理服务。管理员可以以统一的方式集中创建和管理用户和端点的访问控制策略, 并获得与网络相连接的所有设备的端到端可见性。身份服务引擎可自动发现端点并对其进行分类, 基于身份提供适当级别的访问权限, 并通过检查设备的状态来执行端点法规遵从检查。
根据江苏联合职业技术学院南通卫生分院“十二五”发展规划, 在新校区建设中, 希望通过合理的校园计算机网络规划和建设, 达到以信息化促进教育现代化、管理现代化的建设目标。
《福建电脑》投稿信箱
《福建电脑》 (国际标准刊号:ISSN 1673-2782;国内统一刊号CN 35-1115/TP) 是福建省科技厅主管, 福建省计算中心和福建省计算机学会主办的计算机学科综合月刊。欢迎投稿。编辑部投稿信箱:fjdn@vip.163.com
摘要：本文阐述了校园计算机网络的设计思路、二层架构的组网方式, 比较了二层架构和传统的三层架构的特性, 说明了扁平化计算机网络的几点优势, 并进行了校园网络和身份服务的设计。
网络弹性技术 篇5
手写文字识别是图像模式识别领域的研究热点之一,由于汉字数量多,笔画书写变形复杂,因此也是计算机字符识别中较为困难的一个课题。提高文字的识别能力通常最主要的是两个方面入手:一是寻求更好的特征提取方法,二是找到更好的分类识别方法。
弹性网格技术是对模式子区域的特征描述,它能很好地利用汉字结构信息。采用弹性网格对文字图像进行划分,目的是使不同书写风格的同一类汉字,在相对应网格内的笔画分布概率接近,以使网格内特征向量保持相对稳定,它对不同书写分割所引起的笔划位置不稳定、局部字型变形等变化具有很好的适应能力,所以在手写文字识别中得到广泛的应用。
BP神经网络是基于误差反向传播算法的人工神经网络。因其能够实现从输入空间到输出空间的非线性映射,具有良好的鲁棒性,而被广泛应用于模式识别等领域。它是目前应用最广泛和成功的神经网络之一。
本文以提高汉字识别正确率和识别速度为目标,提出一种基于弹性网格和BP神经网络相结合的手写文字识别的方法。首先,对经过预处理后的文字利用传统弹性网格像素概率分布结合对角网格的特征的提取方法,提取出神经网络分类器输入特征向量;然后,针对BP神经网络算法的缺陷,提出改进方法;最后,在MATLAB环境下,对网络进行建立训练。
手写汉字的流程如图1所示。
1 弹性网格特征提取
1.1 传统弹性网格的构造
特征提取是模式识别中的核心部分,取得合适的字符特征是关系到识别率高低的关键。汉字的基本元素是笔划,基本的笔划有横、竖、撇、捺四种,而其它笔划如“折”、“勾”等的出现频率比较小。因此,一个汉字中“横、竖、撇、捺”四个笔划含量的多少客观上代表了字的特征。
根据汉字图像的笔划分布采用非均匀的网线划分汉字所得到的网格,就是非均匀网格,称之为弹性网格。首先将经过预处理的汉字按照一定的方向分解为横、撇、竖、捺四个方向,然后通过构造弹性网格,统计四个方向子图中黑色像素点在网格内的分布。图2中给出了“合”字的弹性网格。
1.2 对角弹性网格的构造
由于传统弹性网格对“撇”和“捺”的变化不能很好的适应,因此提出一种新的构造方式来弥补其不足,即通过对图像在45°和135°方向直方图投影来确定网格线的位置,如图3所示。
用f(x,y)来表示一个汉字的二值图像,设其大小为M*N,有
在45°方向投影时,在第m条投影线的总像素值为:
其中,(i0,j0)表示投影线的起点。
同理,当135°方向投影时,第n条投影线的总像素值为:
1.3 汉字方向的分解和方向特征提取
通过检测发现,AND分解策略对汉字在“横”和“竖”两方向上的分解效果较好,而OR分解策略在“撇”和“捺”方向上的分解效果较好。本文采用“AND”和“OR”分解策略相结合的方法,对“横、撇、竖、捺”四个笔画方向子图的获取如图4所示,具体如下:
(1)如果p1和p3为黑像素点,则p属于横向分量。
(2)如果p3和p7为黑像素点,则p属于竖分量。
(3)如果p2或p6为黑像素点,则p属于撇分量。
(4)如果p4或p8为黑像素点,则p属于捺分量。
对汉字图像构造弹性网格,假设得到的网格为Ω1,Ω2,…,Ωn,“横、撇、竖、捺”各方向的弹性网格特性分别表示为fH(x,y),fV(x,y),fL(x,y),fR(x,y),则有:
“横”的方向:
“竖”的方向:
“撇”的方向:
“捺”的方向:
式中,i=1,2,…,n,为网格的数目。
数据采用以“合”字为代表的100个汉字,每个汉字采用50个不同的书写样本,其中40个样本用于训练,另外10个用于测试。
方案一:仅采用传统弹性网格。
方案二:仅采用对角弹性网格。
方案三:采用纵横弹性网格和对角弹性网格相结合。
结果如表1所示。
通过测试,可以看到,8*8网格和4*9网格达到较好的效果,但由于8*8网格维数较高,故在本文中采用4*9网格。
2 BP神经网络
2.1 BP神经网络的基本原理
BP网络是一种多层前馈型神经网络,它可以实现从输入到输出的任意非线性映射。由于权值的调整采用反向传播的学习算法,因此称为BP网络。BP神经网络结构包括输入层、隐层和输出层,采用的是并行网格结构。 BP网络结构如图5所示。
BP算法的基本思想是:
(1)信息前向传播:输入层各个单元对应于输入模式向量的各个元素,经隐层逐层处理后传向输出层。第一层的神经元的状态只影响下一层神经元的状态。当输出层未能得到期望的输出结果,则转入反向传播。
(2)误差反向传播:神经网络的实际输出与期望输出的差值为误差信号,将输出误差按照某种形式原来通道返回。通过修改各层神经元的权值,使得误差均方最小。
2.2 BP算法的程序实现
BP算法的程序实现的具体步骤有:
(1)设置变量和参数,其中包括训练样本,权值矩阵,学习速率等。
(2)初始化,输入样本,选定结构合理的网络,置权和阈值为均匀分布的较小数值。
(3)前向计算
对l层的j单元,有,
其中,y
若神经元j属于第一隐层(即l=1),则有y(0)j(n)=xj(n)。
若神经元j属于输出层(l=L),则有y
(4)反向计算δ
对输出单元,δ
(5)按下式修正权值w
手写文字的BP算法流程如图6所示。
2.3 BP神经网络的改进
在实用中BP网络存在收敛速度慢,目标函数存在局部极小点等主要问题,因而提出了以下的改进办法:
(1)加入动量项
标准的BP算法在修正权值时,只是按照n时刻负梯度方向修正,没有考虑到以前的时刻的梯度方向,从而常常使学习过程中发生震荡,收敛缓慢。加入动量项校正,使每一次权值和阈值的修正量上按一定比例加上一次学习的修正量,使权值调节向着底部的平均方向变化。修正公式为:
Δwji(n)=αΔwji(n-1)+ηδj(n)yj(n),0<α<1
式中,第一项称为动量项,第二项是BP算法的修正量。加入动量项降低了网络对于误差曲面局部细节的敏感性。
(2)自适应调整学习率
学习率η也称为步长,在标准BP算法中定位常数,但在实际应用中,很难确定一个从始至终都适合的最佳学习率。学习速率的大小,直接关系到算法收敛的快慢。在平坦区域内η太小会使训练次数增加;而在误差变化剧烈的区域,η太大会因调整量过大,使得训练出现震荡,反而使迭代次数增加。自适应学习速率调整公式:
β1,β2为学习速率调整比例因子,ξ为允许反弹误差系数,E(t)为网络误差,β1>1,0<β2<1,ξ通常略大于1。
(3)动量-自适应学习速率调整法
通过结合以上两种方法改进BP算法,互补不足。这样对初始学习速率的选取就不会太敏感,由于学习速率的动态调整,因此学习速率会很快达到比较合适的值,由于动量项的引入还可有效的避免网络陷入局部极小和加快网络收敛速度的效果。
3 实验过程
采用上述经网格特征处理过的100个手写文字,使用MATLAB对神经网络进行训练并模拟。BP网络设计的一般原则:
(1)输入层神经元节点数的确定:输入层神经元个数根据识别汉字所提取的特征向量维数确定。本文中,由于特征向量是144维,所以输入层神经元个数取144。
(2)输出层神经元节点数的确定:需依据候选字的数目来确定。由于候选字数目的不同,故输出层神经元的数目也不同。此外,为减少输出层神经元数,通常采用二进制编码作为输出的目标向量。我们这里采取的候选字的数目是100个,对这些汉字进行二进制编码,最少需要7位,故需要7个输出端。
(3)隐层神经元节点数的设计:隐层节点数对神经网络的性能有一定的影响。隐层节点数少时,学习的容量有限,不足以存储训练样本蕴含的所有规律;隐层节点过多不仅会增加网络训练的时间,而且会将样本中非规律性的样本和噪声存储进去,反而降低泛化能力。一般方法是湊试法:
部分MATLAB代码为:
Net.trainParam.show=10;
Net.trainParam.lr=0.05
Net.trainParam.epochs=5000;
Net.trainParam.goal=0.000001;
Net=train(net,p,t);
改进的BP网络训练误差变化曲线如图7所示,BP和改进后的算法识别如表2所示。
4 结束语
实验结果表明,改进后的BP神经网络算法在学习训练迭代次数上比改进前的BP神经网络有所减少,训练时间缩短,识别正确率高。实践证明,基于弹性网格特征和神经网络的手写文字识别在应用中的算法取得了较好的效果。
摘要：提出一种有效的文字特征提取方法,在传统弹性网格基础上,采取与对角弹性网格相结合的方法进行特征提取,然后通过改进的BP神经网络进行文字识别。该方法集合了弹性网格特征和神经网络的优势,可有效提高手写文字的识别率、识别速度以及识别系统的泛化能力。实践证明,该方法用于文字识别准确性较高。
关键词：传统弹性网格,对角弹性网格,BP神经网络,手写文字识别
参考文献
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网络弹性技术 篇6
此前运营商接入网的收入主要来自于语音业务, 当时连接数×时长和固网接入的价值基本相等, 运营商关注接通率、呼叫保持时长等业务指标。随着互联网的兴起, 固网接入逐步导入了三重播放 (语音、IPTV、高速上网) , 接入网为此建立了简单的多业务管道, 分别对应固定带宽、保证带宽和尽力而为的3种业务策略。语音和IPTV一直是运营商的自营业务, 运营商在网络规划时, 就能较为准确地估算这两者需要的网络资源。而高速上网管道则出现了运营商不希望看到的增量不增收的“剪刀差”现象。同时, 运营商还面临以下3方面更具体的挑战。
●需要升级网络以应对膨胀的带宽需求。这导致了多代接入技术共存, 增加了网络运维难度。GPON、XGPON等多代技术会有共存期, 网络建设无法一步到位地实现FTTH。FTTB、FTTC等多种建网模式共存, 增加了设备种类和网络运维难度。
●需要更弹性地切分管道资源以满足多业务需求。一方面, OTT应用正在蚕食语音和IPTV业务的管道价值, 导致运营商可能需要将原来单业务独占管道的模型, 调整为多业务共享管道的模型。另一方面, 企业专线、Small Cell回程则可能需要随时从公众网络中切分出L2层的专用VLAN业务管道。所以网络需要灵活定义及自动化部署单业务管道、多业务管道的能力。
●需要网络虚拟化能力, 否则难以适应互联网的创新周期。互联网软件产品通常通过快速迭代实现演进。而这种敏捷开发需要一个可敏捷定制的虚拟网络, 以此分配网络资源和隔离产品开发中的试错成本。靠人工工单的逐个设备配置, 施工周期长且容易出错。移动回程、企业专网、虚拟运营商等可能与普通家庭用户共享同一个宽带网络, 但他们的需求有所不同, 他们希望在各自的虚拟化网络视图中, 对自己的网络拓扑和状态有更敏捷的控制。
固网宽带SDN三大特征
SDN的特征在于具有全局的网络视图, 可以集中控制网络的转发行为, 从而实现网络的可编程和自动化。SDN的特征有助于运营商实现弹性、敏捷、智能的宽带网络。
●敏捷——快速开发部署新业务:在同一网络平台上进行新业务开发、部署和维护, 快速迭代, 缩短业务上市周期;转发和控制分离, 控制功能采用软件实现, 新业务一般只需改变控制功能;软件与硬件分离, 硬件通用化, 缩短硬件开发时间, 延长硬件生命周期。
●弹性——业务驱动网络管道调整:由应用驱动网络管道自动配置, 提升网络价值, 为精细化流量经营提供基础。
●智能——智能运营和运维:即时采集、分析用户数据, 即时控制变更网络行为, 挖掘大数据服务价值;可按照忙闲时段分布, 合理开启和关闭网元和链路, 节约运营费用。
中兴通讯SDN关键组件
虚拟ONU, 实现简单接入管道
接入网具有显著的流量汇聚后再交换特性, 早在语音业务时代运营商就有大容量、少局所的集中控制需求, 以降低运营成本。现在, 到了100Mbit/s入户的All IP接入网时代, 铜线受传输损耗、串扰等条件的制约, 已经无法独自完成5km以上的无源传输任务。单模光纤因为其低损耗、长距、大带宽的优点, 促成了FTTH/FTTB/FTTC等解决方案的广泛部署。但除FTTH模式中, 局端的OLT (optical line terminal) 可以集中控制用户网络终端ONT (optical network terminal) 外, FTTB/FTTC方案, OLT都只能控制到多端口的MDU。要建立用户终端到网络的点到点逻辑管道, 必须依赖跨网元的网管系统, 协同MDU和OLT共同完成。另外, 对于MDU, 运营商也期望尽量简化安装开通流程。而当前的MDU, 需要预配置管理IP、做VLAN规划、配置MDU用户端口的带宽模板。MDU的数量是OLT的十倍、百倍, 这就需要EMS网管进行大量的配置管理。为实现自动化开通流程, 需要将规划的规则编排成网管脚本。
SDN的核心理念是集中控制和自动化配置。OLT的目标网络位置通常在综合接入机房, 可以覆盖上万用户, 是个合理的集中控制点。另外, 现有的ONU和OLT之间已经有自动发现和完善的认证机制, 有ONU向OLT的注册流程, 有不需要配置IP地址就能自动建立连接的带内管理控制通道。这些都为以OLT为中心控制上万用户提供了前提条件。
中兴通讯建议引入虚拟ONU (v ONU) 的方案, 作为多用户端口MDU或DPU (FTTDp方案) 的部署方式。如图1所示, v ONU实现资源分配到户的FTTH式管理, 可以方便地建立从OLT直达用户的简单逻辑管道, 利用OLT作为集中控制器, 达到控制所有覆盖范围内的用户接入的目的。
v ONU的主要特性包括:ONU MAC芯片有多个ONU实例, 每个ONU实例实现完整的GPON/XGPON标准;每个用户独占一个v ONU;MDU软件也采用虚拟机方式, 每个ONU有独立协议栈;v ONU支持与物理的单用户ONU相同的OAM和业务转发模型功能。
OLT集中控制v ONU方案的优势包括4方面。
●v ONU统一采用FTTH方式, 由OLT代理控制。这避免了由网络控制器直接控制数量巨大的MDU、ONT, 造成对网络规模和控制器性能的巨大挑战。采用v ONU后, FTTH/FTTB网络归一化成FTTH, 用户业务VLAN、GEM-PORT等规划和业务开通流程全采用FTTH方式, 简化网络运维。
●v ONU可以通过OLT离线配置, 解决了ONT和MDU缺少带外控制通道和冗余连接的问题。
●v ONU通过去除MDU带宽收敛、本地交换、简化Qo S机制, 实现由OLT集中处理不同用户之间的资源竞争。
●v ONU支持逐用户的资源控制, 方便局部硬件休眠等绿色节能方案的实现。
部署v ONU后, 接入网层面的SDN部署进程就主要与OLT相关了, 因为v ONU/ONU和OLT无论从现有的EMS网管, 还是未来新部署的SDN网络控制器的角度来看, 都是一个整体的网元。运营商可以掌握网络向SDN方式演进的节奏, 既可以借助现有的EMS和OSS系统, 沿用当前FTTH的自动放装和运维流程, 也可以利用新部署的接入域的SDN控制器, 通过OLT新增的Openflow Agent、OF-Config接口, 实现控制转发分离。
软件定义光层, 构建深度融合光网络
目前10M~20Mbit/s的接入网速率已经达到了普及的程度 (普及率45%) , 而未来数年, 50Mbit/s以上的速率将很快成为市场的主流 (预计普及率在25%以上) 。主流运营商普遍规划了接入设备到2018年可以满足50%~100%的用户开通100Mbit/s以上带宽的能力。
视频应用是流量增长的重要推手, 并且因为更多用户的使用习惯向在线点播、下载观看转变, 更多的流量从组播向单播转变。CDN将在城域网被广泛部署。接入网将显现出比长途骨干网更快的流量增长, 接入网设备至少规划2018年能应对3~4倍的未来流量增长。
主流运营商普遍建设的综合接入节点将是接入层光纤的汇聚之地, 这些光纤可以作为PON的主干光纤、IP RAN移动回程的光纤、企业专网的专线光纤。但这些光纤资源当前还很少是被上述不同使用场景共享的。
移动宽带目前需要利用经济可靠的PON光纤资源, 承载小基站来提升移动网络的覆盖深度。未来无线基带资源池化的C-RAN方案, BBU将向综合接入节点位置进一步地集中, RRU将更多且更靠近手机用户, 其大带宽、低时延、低抖动的移动前传业务要求, 将需要更多的综合接入节点的接入光纤资源。
当前固网接入的主流技术是单波长2.5G/1G的GE PON。单波长10G/2.5G的10G PON技术已经开始部署, 后续将演进到NGPON2。运营商面临不同使用场景下, 几代PON技术的长期共存需求。
SDN技术的核心是对资源的全局观, 可以集中协调不同应用之间的资源竞争, 狭义的Openflow控制器主要是对转发路径、流量工程等集中计算, 仅涉及MAC转发和路由转发。而OLT所在的综合接入节点, 面对如此多的不同光纤使用场景, 我们建议通过软件定义光层 (SDO) 技术, 将软件可编程的特性扩展到MAC层以下, 对PMD、PHY、波长都可以软件编程设置其工作模式, 从而实现对光纤资源的充分利用。可控制的物理实体主要是OLT和ONU的光层和MAC层。
SDO的主要特性如下。
●任意波长, 可配置P2P或P2MP的MAC工作模式;
●任意波长线路速率, PMD层的工作模式可设置 (GE/10GE/2.5G GPON/10G PON等) ;
●FEC、加密等算法可配置, 未来可配调制制式。
SDO技术带给运营商的好处有下面几项。
●同一ODN可以同时承载家庭用户接入, 及对延迟敏感高的移动业务、高安全要求的企业用户业务, 实现多张网的深度融合;
●OLT业务板卡归一化, 简化备品备件和运维;
●可以对TWDM-PON的ONU进行动态波长管理, 当ONU流量较低时, 可以聚集到少量波长上工作, 降低OLT功耗。
固网接入控制器, 实现网络能力开放
当前城域网一般是接入网设备的一个管理边界, 比如国内运营商以省一级单位管理下辖的所有接入设备, 随着OTT业务的冲击, 很多OTT服务都是跨省和跨运营商的, 运营商越来越需要集约化管理网络资源。而依靠逐级的OSS系统提供省级, 乃至全国级别的业务控制, 效果并不理想。
运营商引入SDN技术, 当OLT实现了控制转发分离后, 可以在接入域设置接入控制器v OLT对物理OLT进行集中控制, 然后在控制器上实现网络虚拟化。
如图2所示, 运营商利用固网接入控制器虚拟多个业务专网, 运营商想建设一张全国性的Wi-Fi承载网用于流量经营, 采用SDN和NFV技术, 可以将网络基础设施虚拟成多个逻辑网络, 企业Wi-Fi专网和普通固网业务隔离, 多层控制器实现分域情况下的端到端控制。云化部署的省级VNF实现Wi-Fi终端并发数量控制、认证、鉴权、APP消息推送等网络功能虚拟化。运营商可设立全国性的OTT对接中心, 统一开放后向接口给OTT服务商;终端植入运营商APP作为策略执行体。
另外, 运营商的业务连接通常是跨管理域的, 所以固网接入控制器v OLT, 必然需要有更高一级的业务编排层或控制器对其进行控制, 网络控制器的部署必然是个长期的过程, 不会一蹴而就, 各级SDN控制器/编排器会和当前已经建立的OSS系统长期共存。
接入网演进策略
从长期来看, 接入网并不会改变用户接入点数量众多、接入介质因地制宜的特点。在各种介质中, 光纤具备优异传输特性及提供更高带宽的潜力, 运营商会继续推进Fiber Deeper的战略, 使光纤无限接近用户接入点。但在广覆盖的同时, 网络的控制点需要减少和集中, 以降低网络运营成本。网络弹性和自动化配置能力需要增强, 以匹配互联网业务的开发部署周期。利用SDN控制转发分离、控制集中的特性, 采取下面的演进步骤, 最终可达成上述目标。
第一步聚合:沿用接入网汇聚后再交换的业务控制逻辑, 将转发和控制的能力先向OLT集中。OLT通过v ONU汇聚简单接入管道, 通过SDO实现ODN带宽资源的充分挖掘和弹性分配;实现接入网络的转发和管控OLT聚合以及固移网络的深度聚合。
第二步虚拟:在OLT上实现控制转发分离, 特别是L4—L7层可NFV实现的相关功能逐步上移到接入域控制器及其上的网络编排层实现。比如Vo IP的SIP ALG功能、DHCP Server/Relay功能、IGMP proxy功能、IP动态路由功能、统计数据及用户行为分析功能等;实现接入网络的“多虚一”和“一虚多”。
网络弹性技术 篇7
关键词：网络虚拟化,最大共享能力,生存性,弹性光网络
1 引言
随着大数据时代的到来,越来越多的高性能互联网应用需要通过一个大容量的动态光网络来承载,尤其是数据中心业务。但是传统光网络灵活性较差,配置周期较长,难以满足不同用户的灵活多变的业务需求且整体资源利用率较低,弹性光网络EON光网络应运而生。
同时,持续快速增长的光网络业务必然导致频谱灵活光网络规模化、层次化和复杂化的问题产生。因此,如何部署一套高速、高带宽动态的光网络基础设施用来支撑这些应用,由此网络虚拟化技术获得国内外学者的热衷。网络虚拟化技术可以屏蔽物理网络的复杂关系与限制,向用户提供灵活易于管理的逻辑网络资源。但是,由于不同租户共享底层网络资源,该技术也带来了严重的生存性问题,例如物理单链路故障、单节点故障、区域性故障(光纤切断、设备断电、系统崩溃等)引起的大量租户业务不能被提供服务。
因此,本文重点研究基于单链路故障场景下虚拟网租户业务及资源的部署问题,并提出了一种区分最大共享能力的虚拟网络生存性映射策略。仿真验证,该方法可以对网络资源进行高效合理的映射分配,提高业务接受比、降低网络阻塞率,满足用户的需求。
2 相关工作
针对光传送网所面临的控制不灵活和资源利用低效等问题,国内外已展开了对软件定义光网络的控制理论研究和网络实验,其标准化工作以及相关算法的研究已成为重要的研究领域热点之一。
2.1 数据中心光互联体系架构
为了能够解决数据中心内网互联的种种挑战,目前采用弹性光网络的技术来实现数据中心的互联,弹性光网络技术的核心思想是根据业务所需的带宽来灵活分配大小相符的频谱资源进行业务的传送。基于弹性光网络的架构,超波长、子波长以及混合传输速率的流量模式可以在底层的物理网络中共存,从而实现了低能耗、高可靠性、高效率的光传输通道[1]。为了能够支持多终端的云平台以及物理硬件设备的共享,并提高频谱的利用率,虚拟化技术被越来越多的科研人员所重视。文献[2]中详细介绍了一种业务感知的虚拟数据中心架构,将光网络的网络资源和数据中心IT资源的虚拟化结合起来。
2.2 网络虚拟化技术
随着网络虚拟化技术的成熟和光网络技术优势的明显,光网络虚拟化也日渐受到更多学者重视。国内外学者们分别从整体架构、应用场景、算法设计等角度对光网络虚拟化技术进行了深入研究,推动了光网络虚拟化的发展。文献[3]站在数据中心应用的角度,对光网络虚拟化技术进行了研究。文献[4]站在算法的角度,提出了光网络虚拟化映射的ILP模型和启发式算法。由上可见,随着越来越多的光器件具有可编程能力,光网络的虚拟化成为了可能。通过光网络整体架构和映射策略的不断完善,光网络虚拟化将很好地支持面向数据中心网络应用。
2.3 生存性技术
为了提高网络的可靠度,降低网络因为故障所遭受的损失,光网络引入了生存性的概念。光网络生存性主要分为保护和恢复机制。端到端保护分为专有路径保护和共享路径保护,文献[5]根据链路的共享程度将频谱隙设定相应的费用,用以提高最大共享能力。随着光网络规模的增加,网络的联结度增加,保护方式发展到利用预置保护圈(p-Cycle)[6]、保护球(p-Ball)[7]的保护机制。还有一些学者通过概率的角度对并发多故障进行研究,把每条光链路的故障事件认为是独立事件,计算端到端路径的故障概率,并建立了链路不相交的主备用路径的故障概率等于主备用故障概率之积的模型[8]。
3 问题描述
虽然网络虚拟化技术使得物理设备资源可共享化,但是资源的总数是一定且有限的。在数据中心光网络互联场景中,备份资源的有效分配是最关键的。
在实际网络中,一个物理链路故障,会寻找它的备份链路资源对其进行保护,若保护资源在同一条物理链路频谱间隙中共享,则在该受损物理链路同时部署了多个虚拟业务网请求情况时,至少有一个虚拟网业务因保护资源被占用而受损。其次,进行一个物理链路故障可能导致一个区域的物理链路在相对集中的时间内发生故障,并且恢复一个物理链路需要花费一定时间,在这段时间内,其他链路也可能故障。此时,如果先后收到影响的虚拟网络A和B共享了同一备份资源,则备份资源会用于恢复A,B将因备份资源无效而无法恢复。同时,在频谱灵活光网络中,网络资源的本质,从波长到频谱转化。因此对资源的管控变得复杂。在路由选择和资源分配中,要考虑到两个约束,波长一致性和频谱连续性。因此,链路故障场景下,本课题拟提出一种基于模糊优化度的可区分最大共享能力的生存性虚拟网络映射方法,该方法采用共享链路保护方式,并且区分频谱间隙(Frequency Slot,FS)的最大共享能力,以减少受损业务对保护频谱资源的竞争性。该算法对共享相同的保护频谱间隙的连接请求数量进行限制,从而提高业务恢复能力。
4 区分最大共享能力的虚拟网络模型
虚拟光子网的映射过程是指在满足底层物理网络资源容量约束的前提下,将多个具有不同拓扑结构的虚拟光子网同时映射到共享的基础架构中,并且保证物理网络资源以及数据中心服务器的应用资源得到充分的利用。虚拟网络架构如图1所示。
频谱灵活光网络中的虚拟化动态映射是一个NP问题,为了更好地描述映射的过程以及虚拟光子网与物理网络的映射关系,本文将采用表1中的符号。
4.1 优化目标
a.业务阻塞率ψ:虚拟网业务未成功映射的比率;
b.资源利用率φ:已分配的节点链路资源总量与总资源数量的比率,(1)式中α为权重因子;
c.资源冗余度γ:已分配的路由上保护频谱资源与工作频谱资源的比重;
d.保护成功率η:故障发生时,成功恢复的虚拟业务与受影响的虚拟网络总数的比重;
e.模糊优化度:
(2)式中ρ代表模糊优化度,也可理解为优化难度。Fi(i=1,2,3,4)表示阻塞率ψ,资源利用率φ,频谱冗余度γ,和成功保护率η。低的ψ和γ,高的φ和γ是我们需要的。Fbest和Fworst表示相对于我们期待的最好的最坏的结果。△为不确定因子。N表示参与评估的参数数量。仿真结果最接近理想值,ρ的值也就越小。(3)式中参数E是最终的权衡分数。参数θi为参数间的权重因子。我们设计的方案是为了找到一个恰当的算法得到一个最小的E值。
4.2 模型及变量约束条件
a.节点映射
一个物理节点最多承载一个虚拟节点,即不同的两个虚拟节点不能映射到同一个物理节点上。(4)式说明实际映射的物理节点的空闲资源需要大于等于虚拟节点请求所需的资源容量,才能够完成映射。
b.链路映射
要确保给任一虚拟光子网请求分配的连续空闲频谱段均能够满足带宽需求。式(5)表明映射的物理路由频域上的可用连续频谱段的容量比分配的空闲连续频谱段要多。式(6)强调了物理路由频域上lVST第kth的起始子载波如果能映射到物理路径lpij的fth子载波位置上,必须保证备份子载波数目小于等于该频谱隙的最大共享能力。
4.3 网络模型
以图2为例,一个虚拟网请求(三个虚拟节点、14FSs、55CRs),映射到一个六节点的物理网络上。根据带有较大需求的虚拟业务节点映射到空闲较大容量的物理光节点中,节点映射结果为。方框里面的值代表计算单元资源需求/容量。利用D算法求得最短工作路径为。
(a)专有保护方式(b)共享保护方式
传统方式如图(a),根据最短路,保护资源专有分配给每个工作路径。对于创新方法,多条虚拟路径共享一个工作路径,已分配的备份资源优先被选择。如图2(b)所示,当工作路径映射成功,则它的保护路径,然后链路L15和L52的权值更新为0。对于工作路径,由于链路L52备份资源已经被虚拟网络链路占用,则根据最短路为的保护路径。保护资源在L25上共享。同样,的保护路径。我们还可以看到FSs的共享结果。以物理链路为例,共享FSs 1~4,同时FSs 5-8被独占。所以该链路上的备份资源为。
(a)传统专有保护(b)传统共享保护(c)创新共享保护
创新方法同样区分了保护频谱隙的最大共享能力如图2。假设ε=5,则如果一个频谱隙的保护连接数目超过5,那么与它邻接的子载波将尝试分配。另外,不难看出传统方式的ε为1是一个特例,而最大共享方式也可被理解为其ε没有限制,甚至为∞。
5 区分最大共享能力的虚拟网络生存性映射算法的设计
传统方法———专有保护映射算法(Dedicated Link Protection,DLP)
每条工作路径都有一条相应的保护路径。有算法没有采用任何优化的措施,但是计算复杂度很低,执行速度很快,成功恢复率很高。因此,当资源优化和保护成功率相比并不是特别重要的时候,可以采用专有保护映射算法。
传统方法———最大共享映射算法(Maximum Shared Protection Mapping,MSPM)
多条虚拟路径共享一个保护路径。该方法主要为了节约频谱资源,降低业务阻塞率。但是多个虚拟网络备份资源的无限共享,会在故障发生时大大降低业务的恢复效率。同时相比DLP算法资源利用率也有所下降。
创新方法———优化共享映射算法(Optimum Shared Protection Mapping,OSPM)
本文提出了适用于链路故障场景下虚拟网络业务的资源映射的算法———区分最大共享能力的虚拟网络生存性映射算法,并实现应用资源和带宽资源的协同虚拟化。该方法相对于DLP算法降低了业务阻塞率和资源冗余度,同时相比MSPM提高了业务保护成功率和资源利用率,获得了很好的权衡优化效果。OSPM算法可以分为两个步骤。
节点映射:每个虚拟节点在满足地理位置和交换能力的条件下映射到对应的物理节点上链路映射。当一个虚拟子网请求到达,按所需计算资源的大小逆序排列。然后寻找一组满足计算资源需求的物理节点集合,用来作为所选虚拟链路两端的虚拟节点。映射原则为带有较大需求的虚拟业务节点映射到空闲较大容量的物理光节点中。在整个过程中,首先考虑的是网络负载的均衡,这样可以很好的确保网络资源的利用率。
链路映射:每条虚拟链路的映射过程中,在保护FSs资源的分配上不能超出频谱隙上最大连接数ε的限制。如果保护连接数目超出了该链路本身的最大共享度,那么将会尝试分配与它邻接的连续空闲频谱块资源。具体算法描述如下:对于每个虚拟链路的工作路径映射,在满足一定频谱宽度的条件下,通过采用D算法映射到物理路径上,并检测该路径上每个物理链路是否满足波长一致性和频谱连续性。之后,为了提高映射的成功率与简化算法,采取两个阶段的保护路径映射过程。在第一阶段,在物理拓扑GP上构造辅助结构图GA。在GA上计算工作路径PW的保护路径PB,频谱资源的分配采取首次命中方法(First Fit,FF)。在1st备份资源分配中,根据保护共享,我们优先选择保护拓扑GBP中已分配的备份资源进行映射。如果第一阶段的映射失败,第二阶段的映射才会启动。第二阶段是在GP上寻找最短路由并进行2nd保护资源分配。在保护拓扑GBP中,空闲和已占用的子载波将同时被查询和映射。如果第二阶段映射失败,这意味着没有一条合法的保护路径被找到,该虚拟链路的映射失败,从而导致该虚拟网路请求的阻塞。如果第一阶段与第二阶段之一成功分配,我们就在辅助图GA中更新路径(lV→PB)的权重为0,同时更新保护拓扑,GBP=GBP∪PB。同样的方式一致循环直到全部虚拟网业务请求结束。算法流程如图3所示。
6 仿真与实验
将本文提出的优化共享映射算法与传统的DLP和OSPM算法比较。仿真中采用14个节点的NSFNET拓扑。假设每段物理链路的容量为5000GHz,子载波的粒度为12.5GHz,每个节点的CPU容量为2000。虚拟光网络的业务请求随机产生,业务的到达和故障的到达均服从泊松分布。其中虚拟节点的个数设定为3或4,每个节点请求的CPU资源占节点资源比例的0.5%到1.0%之间均匀分布,每根虚拟链路请求的带宽在{12.5,25,50,100}Gbps中随机分布。节点连接概率为50%,75%,100%。OSPM算法中最大能力为ε=3或ε=5。
从图4中看出,相比DLP算法,OSPM和MSPM在业务阻塞率上均有明显的下降,这是因为DLP方法对每一条工作路径都预留一份专有的保护资源,这不可避免的引起资源的大量占用,从而导致阻塞率增加。同时随着最大共享度的增加,阻塞率减少。图5为三种映射算法在虚拟网请求节点数目为3或4情况下的频谱资源冗余度对比,对于DLP,冗余度在1.67左右固定。对于OSPM和MSPM,由于高的节点连接概率意味着更多的虚拟链路需要被部署,大的共享能力意味着可共享的备份连接子载波数目更多,所以冗余度随着请求网络规模以及最大共享能力的增长而降低。
图6为三种映射算法的资源利用率对比结果。备份子载波的共享能力越小,资源利用率也就越高。其中MSPM资源利用率最低。并且,还可以发现节点连接概率越高的利用率也越高,特别是当业务量很大时。图12描述了有故障发生时的虚拟网路请求的保护成功率。我们可以发现DLP由于专有保护,在任何情况下都是最优的。同时MSPM的回复率最低,特别当故障数目为3时,相比之下降低迅速,为了节约资源可恢复率甚至达到了11.6%的下降趋势。OSPM方案可以得到一定程度的缓解,并且在共享度为3时相比DLP恢复率只是有轻微的减小。
通过以上分析,OSPM方法相对于DLP算法降低了业务阻塞率和资源冗余度,同时相比MSPM提高了业务保护成功率和资源利用率,获得了很好的权衡优化效果。为了进一步验证提出算法的优化能力,我们提出模糊优化度作为衡量标准(公式-2)。把四个仿真结果作为输入参数,得到模糊优化度如表2。其中,{ρ1-ψ,ρ2-φ,ρ3-γ,ρ4-η},{θ1,θ2,θ3,θ4=0.25}。
基于区分最大共享能力的OSPM算法目标是找到一个最优的共享度,得到较权衡的结果。可以看到,当我们四个仿真参数权重因子要求一致时,OSPM算法当ε=3时,分数最低,效果最好。如果我们希望提高保护成功率而不关注资源的浪费,在故障频发场景,OLP方法将是好的选择。如果我仅仅希望降低阻塞,节约频谱,MSPM是最好的选择。但是现实中,我们更多的需要一个更权衡的方式,这时我们提出的算法显然有着明显的优势。
7 结束语
结合频谱灵活光网络的特性和快速发展的光网络对生存性的要求,在链路故障场景中的虚拟网络映射下提出自己的算法,重点解决了多虚拟光网络租户共享同一套光网络资源的场景下,备份资源的最大共享无法对已有虚拟网络业务请求快速恢复的问题。基于最大共享能力的虚拟网络映射算法的研究,采用区分频谱间隙的最大共享能力的方式,克服已有方法的局限性,减少备用资源对故障恢复的约束,增加虚拟网重映射的成功率,提高物理网络资源的利用率。
参考文献
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弹性整体道床施工技术 篇8
新武当山隧道位于湖北省十堰地区武当山镇附近,穿越国家风景名胜区武当山,新武当山隧道整体道床设计里程:Dz1K46+980～Dz1K54+655,全长7 675 m。设计近期采用60 kg/m,BNbRE高强耐磨钢轨,一次铺设跨区间无缝线路。远期预留特重型轨道75 kg/m钢轨条件。道床采用套靴式弹性支承块整体道床结构,支承块每千米铺1 760对。弹性整体道床采用预埋铁座式弹性可调扣件,轨下橡胶垫板采用B60-10-17型。
2 整体道床施工工艺
2.1 施工测量
1)施工测量要点。施工测量体系采用新武当山隧道贯通测量成果,施工前对施工段内的中线水平进行联测并按施工要求增设控制桩和标桩。2)中线控制桩设置按“弹性整体轨道暂行技术条件”执行。桩间距直线段为100 m,桩体埋设牢固,施工中不宜破坏,复测查找方便。3)施工标桩设在线路中线上,桩间距在直线段为6.25 m,标桩定位用经纬仪和水准仪进行。4)在混凝土浇筑过程中实施监控量测,时刻注意排架轨面系的变化,发现有超标情况立即校正。
2.2 测量控制
为了加强整体道床施工质量管理,提高整体道床工程质量,制订以下测量操作规程,在施工中严格遵守。
水平测量:1)轨排调整时,仪器须置于轨排中间,后视两个水准点,两次视线高差不大于2.0 mm时,视线高取平均值,当大于2.0 mm时,必须重新对后视,校核水准仪,该高差值作为调整备档数据;2)每组开始调整前必须复测,验收上一组已施工完毕的整体道床高程,每个轨排中间支承块中心高程,数据整理填表后交工程部存档。两组整体道床衔接轨排高程变化不应大于2 mm,大于该值时应及时查找原因;3)调整完毕,最后一遍验收高程时,必须把仪器重新架在该组轨排一头,重新后视两水准点后再测高程。
中线测量:中线桩每100 m一个,放中线时必须穿4个～6个中线桩进行校核,中线差值不得大于2.0 mm。
测量资料整理:轨排调整完毕后,中线、高程、高低、轨向、水平、轨距各项数据必须重新测取,数据满足规范要求后,现场分填两张表格,中线、高程由测量组负责,填写高程、中线数据表,测量组负责人签字;高低、轨向、轨距、水平由技术员负责填写、签字,两张表格由测量组当天(特殊情况可第2天)交资料室,以方便做资料,存档。
每组调整完毕后,通知现场质检人员、监理进行检查验收。整体道床开盘浇筑前,由工班负责填写报验单,测量班、技术、安质签字后方可开盘。
2.3 底面凿毛及清洗
1)根据控制基标检查仰拱填充面顶面的高程,保证基底面与内轨顶的高差不小于设计高差,以确保道床的厚度及钢筋制安的精度。消除因基底面过高对轨排就位等后续工序的影响。
2)凿除基底面上的水泥砂浆薄膜、松动石子或松弱混凝土层,并用水冲洗干净、湿润,保证无积水。
2.4 钢筋网、伸缩缝沥青木板安装
1)道床钢筋按设计尺寸绑扎牢固,铺设底面距轨面614 mm,用预制水泥垫块垫平,无歪斜扭曲现象。
2)伸缩缝间隔沥青板按设计里程安装在两支承块中间,与线路中线垂直,板两侧钻孔插入固定钢筋。整块间隔板分为固定和活动两部分,固定板高度低于道床顶面标高60 mm,活动板和固定板浮放对齐,高度超出道床顶面。当浇筑道床混凝土达到一定强度时,及时取下活动板使道床顶面在固定板上形成一条60 mm深的横缝,供后工序填充沥青胶砂。
2.5 组合式轨道排架铺设
1)支承块悬挂:
弹性支承块按顺序摆放到组装平台上,用吊机吊起空排架移动至组装平台上方对位,再用快速扣件将支承块与排架下挂篮扣紧即形成可供铺设的6.25 m长小型轨排。
2)轨排铺设:
用吊机吊起轨排运至铺设地点,粗调定位。相邻轨排间使用夹板连接,轨缝留6 mm～10 mm并按100 m准确里程调整轨排端头位置。
3)轨排精调定位:
多榀轨排连接成轨道后,其轨面系的精调锁定由排架支腿和轨向锁定器完成。其中轨距1 435 mm和1∶40的轨底坡为定值不调,高低、水平由左右支腿螺栓调整,轨向由轨向锁定器调整。调整时应严格按“内轨高程→中线→轨面高低及轨向→水平及三角坑→复核高程及中线”的程序进行。排架精度达到要求时,拧紧支腿螺栓,锁定左右轨向锁定器。
2.6 道床混凝土浇筑
道床板浇筑前进行最后的复测,满足精度要求后可浇筑混凝土。混凝土应做好提前试验,掌握其胀、缩特性。
1)混凝土输送泵整备与管道布置。
输送泵置于组装平台后部,本身整备完好,并有处理各类故障的应急措施。输送管道布置在排架侧面,采用支架与排架隔开。浇筑混凝土时做到布料充实均匀,不污染排架和支承块,随浇筑数量逐根拆短管道长度。混凝土浇筑结束后及时检修保养输送泵和清洗管道。
2)混凝土输送。
混凝土由搅拌式输送车从洞外运至工点,运输过程中要保证混凝土质量,卸车时做到卸料准确、均匀、避免遗撒。
3)道床捣固与平整。
道床捣固使用插入式振捣棒,作业时分前后两区间隔2 m捣固,前区主要捣固下部钢筋网和支承块底部,后区主要捣固支承块四周与底部加强。捣固时应避免捣固棒接触排架和支承块,遇混凝土多余或不足时及时处理。混凝土施工过程中加强轨道排架轨面系的控制。道床使用专用量具控制断面形状,做到一步到位。道床混凝土浇筑完毕后及时抹面收光,初凝后洒水养护,强度达到5.0 MPa后方可拆除支承架。
4)道床养生及清理。
道床拆模后应及时修补残损部位和进行养生工作。养生强度达到要求后全面清理道床表面,铲除多余灰渣,各部清扫干净。支承块表面不得有任何残留物,预埋铁座刷涂除锈漆防护。
2.7 组合式轨道排架倒用
道床经24 h养生后可拆除轨道排架。拆除顺序为:轨排间连接夹板→快速扣件→模板间插销→轨向锁定器。然后,松动支腿螺栓和模板,用吊机吊起排架重新悬挂支承块循环使用。
2.8 水沟、电缆槽施工
水沟、电缆槽先施工,达到28 d强度指标,满足铺设龙门吊轨道要求后,施工道床。水沟、电缆槽每400 m设汇车道一处,长度20 m,在整体道床施工到位前施工。
3 整体道床施工中的体会
1)支承块是弹性整体道床的一个重要组成部分,它的质量好坏直接影响着道床的质量。支承块进入施工场地前要进行严格的质量检查验收。2)弹性整体道床配套专用机具设备的加工精度,特别是轨道排架的加工精度应满足设计要求,这是确保道床施工质量和精度的关键。3)施工轨道排架的几何位置精细调整,中线标桩的测设及调整人员应相对固定,责任到人。测量环节是保障今后轨道质量最重要的技术关键之一。4)整体道床混凝土浇筑时,由于长距离运输加上洞内外温差影响,混凝土的坍落度与和易性都要根据实际情况加以调整和控制,保证混凝土质量的同时,也要保证混凝土的流动性。试验人员要全过程监控混凝土的浇筑。5)设计整体道床的隧道多为长大隧道,同时由多个作业队施工,但是整体道床是个系统工程,应统一规划,比如全隧统一预留调头洞室和错车道等便于整体道床的施工。
参考文献
[1]TBB 10210-97,铁路混凝土与砌体工程施工验收规范[S].
[2]YJG F26-2002,弹性整体道床施工工法[S].
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