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1、提高计算机网络可靠性的方法研宄 张晓杰 u， 姜同敏 S 王晓峰 1 (1.北京航空航天大学工程系统工程系，北京 100191; 2.曙光信息产业有限公司产品设计中心，北京 100084) 摘要：为研宄提高计算机网络可靠性的方法，研宄建设高可靠计算机网络的途径，满足国民经济和社会生活对高可靠计算 机网络的需要，在简要介绍计算机网络发展现状的基础上，从工程实践角度总结出计算机网络的可靠性设计原则，并通过某 单位计算机网络的硬件设计实例，提出了完整的网络系统硬件可靠性设计方案。通过结合某研宄所计算机网络的软件设计实 例，提出了一套网络系统的软件可靠性设计方法。该可靠性设计技术对提高计算机网络的可靠
2、性设计水平具有参考价值。 关键词：计算机网络；网络可靠性；局域网络；服务器机群；防火墙系统 中图法分类号 ： TP393.02 文献标识码 ： A 文章编号： 1000-7024(2010)05-0990-05 Study on methods of improving computer-network reliability ZHANG Xiao-jie12, JIANG Tong-min1， WANG Xiao-feng1 (1. Department of System Engineering of Engineering Technology, Beijing University o
3、f Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191, China; 2. Product Center, Dawning Information Industry Limited Company, Beijing 100084, China) Abstract： To satisfy the urgent demand for high-reliable computer network in the country, on the methods of improving the computer- network reliability and t
4、he ways to construct a reliable computer-network are researched. First, the computer-network status quo is briefly introduced. Then the computer-network reliability design principles in engineering practice are concentrated. Finally, by researching the computer-network design in a company and a rese
5、arch center separately, the network hardware and software design methods are es- tablished. The reliability design technology is used to enhance the reliability in the computer network. Key words： computer network; network reliability; local area network; cluster of server; firewall system 计算机网络产生于
6、20世纪 80年代 1 35， 90年代中期建立的 In- temet 就是计算机网络发展的辉煌成就。 21 世纪初提出了综合数字业务的第 4 代计算机网络一一 “ 三合一网络 (计算机网、电信网和广电网 )” 1， 3,5。近 3 年来，计 算机网络正在朝高可靠性和多综合业务的方向发展。 在计算机网络发展的进程中，一个重要里程碑就是 20 世 纪 80 年代出现的计算机局域网络 (local area network， LAN)4,6， 它使得一个或几个单位的个人计算机、工作站、数据和语音 通信设备、控制设备和安全设备连接起来，互相共享资源和 交换信息。 1980 年 2 月美国电气和电子工
7、程师学会组织颁 布的 IEEE 802 系列标准，对局域网的发展和普及起到了巨 大的推动作用。本文对可靠性的论述主要针对计算机局域 网展开。 2 计算机网络的可靠性设计准则 英国电气工程师学会曾发表论文指出： “ 在提供通信的英 国天网系统的设计研制中，中心课题首先是可靠性 ” 8。计算 机网络是应用系统的基础，实现了单位内部各部门间以及与 外单位的信息联系，网络系统在任何时间、任何地点发生的任 收稿日期： 2009-05-07;修订日期 ： 2009-07-27。 作者简介：张晓杰 （ 1977 )，男，山西阳泉人，博士研究生，工程师，研究方向为系统可靠性工程；姜同敏（ 1949 一 )，男
8、，北京人，教授，博 士生导师，研究方向为系统可靠性试验工程；王晓峰 （ 1964 )，男，黑龙江哈尔滨人，博士后，副教授，研究方向为系统的故障诊断。 E-mail： zxj2007- 0 引言 计算机网络能够始终如一地可靠工作，不受干扰和破坏， 可靠性日益成为计算机网络不同使用层次用户共同关心的核 心问题 m，可靠性也成为计算机网络的基本要求。探讨高可靠 计算机网络的设计准则，解决计算机网络的可靠性设计和建 设问题，确保计算机网络能够可靠地正常运行，具有较高的理 论和现实意义。 1 计算机网络概述 计算机网络是计算机技术与通信技术紧密结合的产物， 是通过数据通信系统把分布在不同地理区域，具有独
9、立功能 的计算机，通过功能完善的网络软件实现数据通信、资源共享 和协同工作的一种计算机系统。 计算机网络的发展历史可以追溯到 20 世纪 50 年代初产 生的面向终端的第一代计算机网络 15，它是以单台计算机为 中心的远程联机系统。第二代计算机网络是产生于 20 世纪 60 年代中后期的分组交换网 1， 35，即所谓的计算机一计算机网 络其典型代表是 ARPAnet 网。第三代基于开放的标准化 一故障，都能直接给上述应用带来灾难性的损失，其可靠性直 接关系到应用的好坏，解决好可靠性问题己成为计算机网络 正常运行的前提。 计算机网络的可靠性是指网络系统在规定条件下和设计 规定的时间范围内，保持系
10、统正常运行的能力。计算机网络 的可靠性设计准则是对设计实施过程中的工程经验进行充分 总结，使之条理化、系统化、科学化，成为计算机网络规范化设 计和建设过程所必须遵循的要求和原则。 (1) 提高计算机网络的任务可靠性通常采用余度设计和容 错技术，具体表现为网络中的各台计算机可以通过网络彼此 互为后备机，一旦某台计算机出现故障，故障机的任务便可由 其它计算机代为处理，避免了单机无后备使用情况下，某台计 算机故障导致网络系统瘫痪的现象，从而保证了计算机网络 的可靠性。 (2) 提高计算机网络可靠性要综合考量新技术的采用。既 要考虑主干网络技术的发展，采取适度超前的技术和设备，使 设计的网络能够适应现
11、在和将来的技 术发展趋势，不至于在 短时期内被淘汰，确保系统具有较长的生命周期，最大限度地 满足业务发展的需要；又要实施合理的继承性，谨慎使用新技 术，降低风险，使计算机网络的设计具备良好的兼容和扩充能 力，能够实现高可靠网络的平滑升级。 (3) 提高计算机网络的可靠性要求统筹考虑全寿命周期费 用，尽可能地降低网络系统的造价，使后期的运行、维护费用 降至最少，力求使系统达到最佳的性价比。计算机网络主要 软、硬件设备应采用广泛应用且具有良好性能价格比的产品， 充分考虑保护网络的建设投资。 (4) 提高计算机网络的可靠性，应根据现有的实际条 件，在 设计中选择质量优秀、有良好声誉的网络产品，并且所
12、用的网 络产品都应满足可靠性设计指标要求，严格遵守计算机网络 的相关规范，所有器件及子系统均需满足最新、最高的国内外 标准 17,91(例如 1995 年通过的国际标准 ： ISO/IEC 11801;欧洲 标准 ： EN 50173;北美标准： ANSI/EIA 568A;中国标准 ： GB 50173-1993、 GB/T 50311-2000 等）。 (5) 提高计算机网络的可靠性，还需要对运行中的网络进 行定期人工 /自动的检查维护。现代计算机网络具有较大的 规模和较高的异构程度，需要尽量避免由于网络线路中断以 及设备故障等原因造成的网络系统瘫痪。但是发生故障又在 所难免，所以只有及时
13、发现计算机网络故障，具有方便的故障 恢复措施、远程监控、配置的能力，才可以保证计算机网络时 刻达到规定的可靠性指标，保证整个网络系统具有强大的功 能、优越的性能和工作任务可靠性，使计算机网络真正具有较 高的系统可靠性。 3 高可靠计算机网络的工程实例 计算机网络是单位信息系统中最基础的组成部分，是数 据和语音传递的基本通道；它关系到用户现在和将来一段时 期内，单位信息化水平和网络应用系统的成败，在设计过程中 应使整个计算机网络更可靠、更经济、性能更好。 计算机网络按照系统可划分为硬件系统和软件系统两部 分。计算机网络的硬件系统主要由主机子系统、网络备份子 系统、接口电路、通信线路等部分组成，其
14、中，主机子系统 1是 整个计算机网络的数据运算中心和数据存储中心，是整个网 络可靠性的核心。计算机网络的软件系统主要有网络管理子 系统和防火墙子系统等，其中防火墙子系统是网络系统可靠 性的主要保障 1。 3.1 计算机网络的硬件可靠性设计工程实例 中国数字地震观测网 是全国地震行业信息服务网络，是 整个数字地震观测网络和地震应急指挥的技术基础平台，该 观测网络项目涉及全国 31 个省（市）自治区，它的建设规模 是我国有史以来最大的防震减灾工程。其中，某省是中国数 图 1 某地震局 的网络拓扑结构 字地震观测网络的主要节点之一，该省地震局地震数据信息 网络平台是中国地震信息服务系统的 60 个大
15、中城市地震信 息服务系统节点之一，同时也是该省防震减灾 “ 十一五 ” 重点 建设项目，因此地震局信息中心对系统的可靠性做了突出要 求，服务器的选型需要在保证最佳性价比前提下，突出对可 靠性的要求，地震局选择了基于 AMD Opteron 处理器的曙光 服务器。 根据地震局对信息化平台的应用需求和应急规程要求， 该省地震局主机房主要包括：测震、前兆、强震动、信息的专 用服务器、数据库服务器、备份服务器、存储管理服务器、中 间件应用服务器、统一数据交换平台、公用 GIS 服务器、信息 发布、数据共享、网络管理服务器、网络防病毒服务器、邮件 应用服务器、基本网络功能服务器、 VOIP 应用管理服务
16、器。 某楼辅助机房，主要包括：应急专用服务器、基础数据服务 器，震害评估查询服务器，该地震局的计算机网络拓扑结构 如图 1 所示。 计算机网络正式运行后，各种数据不断的进出主机子系 统。主机是否可靠，是整个计算机网络能否高速高效运行的 关键，在该省地震局项目中使用曙光天阔 A620r-F服务器作为 主机主要是基于其高可靠性、高可用性和高扩展性的特性。曙 光天阔 A620r-F是一款性能卓越、稳定可靠、配置灵活的新一 代双路双核 64 位服务器，采用 2 路 AMD OpteronTM 2000 系列 处理器，利用超传输技术高速连接更多的 CPU 和芯片组资源， 具有处理速度快、可用性强等特点，
17、最重要的是它还经过了一 系列的可靠性测试 8，完全满足地震信息平台对服务器主机可 靠性的需求。 一般来说，网络中设备的可靠性较主机子系统要高的 多 1，主机子系统的可靠性基本上靠采用冗余、备份、热插拔、 容错、集 群等技术来实现。对该局数字地震观测网而言，主机 子系统的可靠性极其重要，它的故障对网络运行的影响尤为 突出，因此该省地震局主机房和辅助机房的服务器主机采取 了以下两项措施对可靠性加以保证。 (1) 双主机热冗余。在地震局的主机房采用两台 A620r-F 服务器作为工作主机，正常情况下两台工作主机均为计算机 网络提供支持，并相互监视对方的运作状况；主机房内的双主 机热冗余工作原理如图
18、2 所示。当一台主机出现异常造成不 能支持网络系统正常运作时，另一台主机就会主动接管异常 主机的工作，继续支持信息的运作，从而确保系统能够不 间断 地运行，达到增强地震局主机房服务器主机子系统可靠性的 图 2 主机房的双主机热冗余原理 目的。但正常运行主机的负载会有所增加，此时必须尽快将 异常机修复以便缩短正常机负载持续时间。当异常主机经过 维修恢复正 常以后，系统通过硬件动态监控和调度，可以将正 常主机所接管的工作切换回己被修复的异常主机 1， 7， 1112。 (2) 双主机热备份。在地震局的辅助机房，采用一台服务 器为工作主机，另一台服务器为备份主机，正常运行状态下， 工作的主机为计算机
19、网络提供支持，备份的主机监视工作主 机运行的情况 (工作主机也同时监视备份主机是否正常，有时 备份的主机也会因某种原因出现异常，工作的主机可尽快通 知管理员解决，确保下一次切换的可靠性 )； 辅助机房中的双 主机热备份工作原理如图 3 所示。当工作主机出现异常而无 法支持网络运营时，备份主机将会主动接管工作主机的工作， 继续支持系统的运作，从而保证主机子系统的可靠性。当工 作主机经过维修恢复正常后，管理员既可以将备份主机的工 作切回工作主机；也可以启动监视程序，监视备份主机的运行 情况，此时原来的备份主机就成了工作主机，原来的工作主机 就成了备份主机 1， 1112。 图 3 辅助机房的双主机
20、热备份原理 在主机可靠性的其它方面，地震局的网络主机天阔 A620r-F服务器还支持多网卡冗余，当系统正常时多网卡自动 分摊网络流量，使系统网络通讯带宽提高，而在有网卡损坏或 出现线路故障时 ，其工作自动切换到其它网卡，不会由于网卡 故障影响正常服务。 在电源系统上，天阔 A620r-F 服务器配置 SSI兼容专用服 务器 600W 电源，可选 1+1 冗余电源。它支持热插拔电源技 术，大大提高了服务器主机的供电可靠性；支持电源状态记忆 功能，当外部供电系统出现故障而使服务器掉电时，系统将在 供电系统恢复正常以后自动开启，并继续提供服务，无需系统 管理员进行管理。 此外，曙光天阔 A620r-
21、F服务器主机选配了采用最新技术 设计的硬件监控和管理系统，可独立检测系统的硬件故障，自 行启动冗余部件并向用户做出提示， 从而在根本上保证了地 震局数据信息网络平台的可靠性。 3.2 计算机网络的软件可靠性设计工程实例 某研宄所顺利置入曙光高性能计算机群，为保证该机群 的可靠性，伴随它一同进入的还有曙光天罗 100D 防火墙系 统，其网络拓扑结构如图 4 所示。系统安装实施后，防火墙能 对高性能机群进行高效的管理和可靠的功能保护。 目前，随着高性能计算需求的不断增加，己建或新建的高 图 4 某研究所防火墙应用网络拓扑 性能计算机群为了方便多用户使用、扩大用户的使用范围，已 逐渐由原来的客户端
22、/服务器模式 (C/S)转向浏览器 /服务器模 式(B/S)， 直接面向局域网乃至互联网用户，用户可以直接通过 网络登陆高性能机群。因此，机群管理者不仅希望能对局域 网内部的使用者进行有效管理控制，而且还希望机群具有更 高的可靠性。 某研宄所引进的曙光高性能计算机群主要是用来进行科 学研宄方面的大型计算。只有将机群接入研宄所内部局域网 才能满足用户的使用要求，这就意味着机群将直接面对局域 网的用户。据 IDC 统计， 70%的可靠性问题来自内部，这使得 与局域网连接的高性能计算机面临着严重的可靠性问题，高 性能机群的可靠性就显得尤为重要。因此该研宄所采用了曙 光天罗 100D 防火墙系统进行全
23、面防护，其计算机网络的拓扑 结构图如图 5 所示，为高性能机群打造了立体安全。 (1) 安全隔离防护：通过防火墙 SNAT(源地址转换 )设置以 及一系列规则 的配合，在机群与局域网以及互联网之间建立 起一道可靠的屏障。这就使得所有对机群进行访问的信息， 不是直接到达机群，而是必须与防火墙的规则进行匹配，合乎 要求的才能对机群进行访问。大大提高了机群的可靠性，从 根本上保证了机群的安全。 (2) 网络访问控制：用户可以通过天罗防火墙方便的实现 对访问的控制。只向合法的计算机开放访问权限，而不合法 的用户则将被 “ 拒之墙外 ” 。计算机局域网内只有获得访问许 可的用户才能对机群进行访问，而其它
24、用户的访问都将被拒绝。 强大的访问控制功能，从根本上阻断了攻击的路径，是一种更 彻底的防 护，进一步降低了安全风险，保障了机群的可靠性。 (3) 节点映射安全管理：端口映射是保证可靠性的又一关 键技术 : 端口映射由于是采用 DNAT(目的地址转换 )的方式， 对内部机群的网络信息进行了隐藏，提高了机群的可靠性。 在机群的对外访问端口发生改变的时候，只需要在防火墙 上对端口映射加以修改，就能实现对机群的访问。而不必在 客户端对端口设置进行更改，方便了管理。 端口映射可以 对机群各节点进行映射，实现对节点的直接访问。而不必像 传统的访问方式：首先访问管理节点，再访问其它节点。 综合以上 3 点，
25、曙光天罗防火墙是高性能机群的可靠网 关，为高性能机群筑起了一道坚实的安全长城。同时，也是防 火墙在高性能机群应用上的一个成功案例，是天罗系列防火 墙在机群应用方面的典范。 防火墙为高性能机群提供了基本的安全防范，然而防火 墙只能提供被动的、静态的保护，所提供的安全级别较低，如 果与网络入侵检测系统 (NIDS)、 主机入侵检测系统 (HIDS)、 互 相配合，则可以提供动态的安全防护，再加上 SKVM、 机群监 控的管理协调，将全面提升计算机群的安全等级。 天罗 100D 防火墙的存在，通过其安全隔离防护、访问控 制管理、端口映射等功能，大大加强了网络的安全性和可靠 性。此外，结合防火墙的 V
26、PN 隧道功能，对通信的数据进行 加密，更是在传播途径中加强了网络数据的可靠性。 网络入侵检测系统 (NIDS)能监视网络流量，通过侦听特 定网段的数据包，实现对该网段实时监视、发现可疑连接和非 法访问的闯入等，防范网络层至应用层的各种恶意攻击和误 操作，从而极大地缩小所需管理的安全范围，实现针对网络入 侵的安全防护。 主机入侵检测系统 (HIDS)能防范对主机系统文件的恶意 篡改和误操作，实时监视可疑连接、定期检查系统日志，扫描 用户行为，发现非法访问闯入等。因此主机入侵检测系统可 以很好地弥补网络入侵检测系统的盲区，二者形成互补，对绕 过防火墙的攻击行为进行细粒度的检测和防御，实现从网络
27、到主机的全面防护。 基于 Over IP 技术的曙光 SKVM， 提供了相对弹性的管理 方案，网管人员可以在任何地方，透过 TCP/IP 网络来远程管理 分散在世界各地机房中的机器。同时，曙光机群安全管理系 统可以实现网络资源的集中管理，使得整个安全体系成为一 个整体，从而使得高性能服务器机群的整体可靠性达到了一 个新的高度。 4 结束语 计算机网络是当今世界公认的主流技术；是国家实现现 代化的基础设施；是企业信息化的重要途径。可靠性是规模 大、异构程度高的现代计算机网络的根本要求，从工程实践中 总结的可靠性设计准则，可以指导建设高可靠的计算机网络， 保证网络运行中免受干扰 ，克服因为线路中断
28、以及局部故障 导致整个计算机网络瘫痪的缺陷，具备方便的故障恢复措施 和全方位的监控配置能力。对计算机网络可靠性进行的深入 探讨，有助于促进我国计算机网络设计水平的提高。 参考文献： 1 汪新民，耿红琴 .网络工程实用教程 M.北京 :北京大学出版社 , 2008. 2 罗跃川 .计算机网络教程 M.北京 :经济科学出版社， 2007. 3 刘永华，张峰庆 .计算机组网与维护技术 M.北京 :清华大学出 版社 ,2006. 4 甘登文，叶继华，万宇文，等 .计算机网络及通信 M.北京 :机械工 业出版社， 2007. 5 程良伦 .网络工程概论 M.北京 :机械工业出版社 ,2007. 6 李文
29、正 .现代计算机网络技术 M.北京 :中国水利水电出版社， 2007. 7 段宁华 .计算机网络应用与实践教程 M.北京 :清华大学出版 社 ,2007. 8 张晓杰，曾照阳 ,姜同敏，等 .服务器开关电源的可靠性测试 J. (上接第 928 页） 始终和服务器端未断开连接。客户端初次请求服务器端数据 时，通过 TCP/IP 协议的 “ 三次握手 ” 建立和服务器端连接，当 客户端或服务器端之间有数据流时，通信内容为 XMPP 流信 息，查看服务器连接状态和客户端状态都为 ESTABLISHED 状 态，说明 HTTP长连接存在。当服务器端和客户端在一段时间 内没有进行通信时，服务器连接状态将
30、变为 CLOSE_WAIT 状 态，客户端连接状态将变为 FIN_WAIT_2 状态，此时的客户端 和服务器端处于半连接状态，但是一旦有数据流产生，服务器 和客户端状态又将转变成ESTABLISHED 状态。当客户端关 闭或者退出时，服务器端将通过 “ 四次挥手 ” 终止连接，同时释 放服务器端资源。通过如上的实验说明，使用 Comet 技术实 现 HTTP 长连接是有效的，也是 可行的。 第二个方面，通过计算消息发送时间和消息实际接受时 间的时间差，并且考虑消息长度对时间延迟的影响，我们通过 实验得到了如表 1 所示的结果。 表 1 消 息 延 迟 测 试 消息字符数 平均时间延迟 /ms
31、消息发送次数 100 49.93 177 200 39.61 114 300 42.66 119 400 39.34 116 500 46.58 153 600 48.02 144 700 50.82 176 800 37.41 104 900 35.87 105 1000 42.88 102 平均延迟 43.312 如上的测试结果说明，利用 Comet 技术构建的 Web IM 系 统将很好的解决消息延迟的情况，和预期的结果一致。 6 结束语 Web IM 系统以游览器作为客户端可以很好的方便用户 使用，用户无需安装其它的软件，就可以通过网络连接到 IM 系统。本文中设计的 Web IM 客
32、户端将和服务器端进行 HTTP 长连接，从本质上实现了基于 C/S 架构的连接方式。服务器 推送技术的使用在用户体验方面有所改进， Web IM 用户将不 会感觉到消息延迟。更大的优点在于，不使用 AJAX 周期请 求也为服务器端减少了负载，同时降低了客户端和服务器端 的网络流量。 仪器仪表学报 (增 ),2008,29:128 -132. 9 肖德宝 .计算机网络 M.武汉 :华中科技大学出版社， 2006. 10 彭祖林 .网络系统集成工程测试与鉴定验收 M.北京 :国防工 业出版社 ,2004. 11 冯蕾 .计算机网络集成在实际中的应用 C.沈黎颖 .自动化技术 与治金流程节能减排一一
33、全国冶金自动化信息网 2008 年会 论文集 .北京 :冶金自动化 ,2008:492-494. 12 唐忠 .双机容错服务器解决方案的研究 J.大众科技 ,2008,106 (6):65-66. 参考文献： 1 Gregw. Cometd with Jetty EB/OL. http:/ gregw/2006/08/03/1154583360000.html. 2 周婷 .Comet: 基于 HTTP 长连接 服务器推 ” 技术 EB/OL.IBM DeveloperWorks 中国 .http:/ web/wa-lo-comet/,2007-08-31. 3 薛真真 .基于服务器推送和事件
34、流处理技术的实时 Web 系统 研宄 D.杭州 :浙江大学， 2008. 4 邹奕婷，赵方 .B/S 模式下基于 Jabber 的 IM 系统的构建方法 J.计算机应用与软件 ,2008,25(12):196-198. 5 XMPP. Protocol EB/OL. http:/www.xmpp.org/, 2004-09-20/ 2007-05-12. 6 成富 .实战 Comet 应用程序开发 EB/OL.IBM DeveloperWorks HI. http:/ comet/,2008-07-15. 7 Philip McCarthy.使用 Jetty 和 Direct Web Remo
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