IP网络运行质量模糊综合评估方法研究

第40卷第2期电子科技大学学报Vol.40No.22011年3月JournalofUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMar.2011IP网络运行质量模糊综合评估方法研究夏靖波，罗赟骞(空军工程大学电讯工程学院西安710077)【摘要】针对现有网络运行质量评估方法不能同时反映指标重要性和决策者偏好性的问题，提出了采用WOWA算子的网络运行质量模糊综合评估方法。WOWA算子在合成计算时结合了反映指标自身重要性的权重和反映决策者主观偏好的权重，充分考虑了指标本身的重要性和决策者偏好的重要性。实例表明，与普通模糊综合评估方法相比，该方法不仅能够得出正确评估结果，而且能够反映决策者的偏好使得评估更加灵活和适应性更强。关键词模糊综合评估;网络管理;网络性能;服务质量;WOWA算子中图分类号TP393.07文献标识码Adoi:10.3969/j.issn.1001-0548.2011.02.022FuzzyComprehensiveEvaluationMethodofIPNetworkOperationalQualityXiaJing-boandLUOYun-qian(TheTelecommunicationEngineeringInstitute,AirForceEngineeringUniversityXi’an710077)AbstractThefuzzycomprehensiveevaluationmethodbasedonWOWAoperatorispresentedforsolvingtheproblemthatthecurrentnetworkoperationalqualitymethodcan’tsimultaneouslyreflectthemetrics’importanceanddecision-maker’spreference.TheWOWAoperatorcombinestheweightswhichreflectetheimportanceofmetricandtheweightswhichreflectetheimportanceofthedecision-maker’spreference,sothatitcompletelyconsiderestheimportanceofthemetricsanddecision-maker’spreferenceintheaggregationprocess.Thecasestudyshowsthatthemethodincomparisonwiththenormalfuzzyevaluationmethodcannotonlyachievethecorrectevaluationresults,butalsoreflectthedecision-makers’preference.Keywordsfuzzycomprehensiveevaluation;networkmanagement;networkperformance;qualityofservice;WOWAoperato收稿日期：2009−09−25;修回日期：2010−07−06基金项目：部级预研项目；国家综合业务网理论及关键技术重点实验室开放基金(ISN-9-08)；陕西省自然科学基础研究计划(2009JM8001-1)作者简介：夏靖波(1963−)，男，博士后，教授，博士生导师，主要从事通信网络管理与评估方面的研究.IP网络运行质量评估可用于网络优化和网络运维考核，为网络管理者提供管理的科学依据。因此，网络质量评估一直是一个热门课题。国际上，IETF和ITU-T制定了相应的网络性能指标，但没有建立宏观的评估模型[1-2]。文献[3-5]分别提出了基于测量的线性加权网络性能评估方法，但它们的研究都只是从网络性能的角度选择指标体系，不能全面反映网络运行状态。文献[6]对网络监测和管理的指标进行分类，其概念较为抽象，需要具体量化，且没有对评估方法进行研究。文献[7]采用模糊综合评估方法对校园网性能进行评估。文献[8]提出了网络质量的概念，给出评估指标体系和计算指标值的方法，并采用模糊综合评估的方法对质量进行计算。文献[9-10]分别提出了采用支持向量机和神经网络的移动网络质量评估方法。这些研究初步探讨了从网络多个方面评估网络运行状态，但采用的评估方法均没有考虑决策者的偏好性。针对上述问题，本文在文献[8]给出的网络质量评估指标体系的基础上，提出了基于WOWA算子的模糊综合评估方法，对网络运行质量进行综合评估。1网络运行质量的概念及其指标体系文献[8]给出的网络质量概念没有给出质量的时间范畴，不能全面反映IP网络质量的特点。定义1对该概念进行了修正。定义1IP网络运行质量为IP网络在实际运行过程中向用户提供的服务特性与用户的要求一致程度。“向用户提供的服务特性与用户的要求一致程度”反映了对网络运行质量的测度，它既包括了IP电子科技大学学报第40卷268网络的实际运行能力，又包含了网络满足用户要求的能力。“实际运行过程”指出了质量的时间范畴，其包含的只是网络生命周期中运营时段的质量。可以从网络管理功能模型和网络地域两个维度对网络运行质量进行理解[8]。本文主要从网络性能、网络安全和网络维护3个方面对驻地网络运行质量进行研究。根据全面性、非重复性、可测性和可比性等原则，采用文献[8]给出的网络运行质量统计指标体系，如图1所示。网络性能指标B1网络安全指标B2网络维护指标B3节点性能遵从性C1链路性能遵从性C2故障间隔时间遵从性C9故障修复时间遵从性C10目的层准则层指标层网络运行质量综合指标A网络隔离设备正常使用率C3漏洞扫描系统正常使用率C8入侵检测系统正常使用率C7防病毒系统正常使用率C5防火墙正常使用率C6补丁分发系统正常使用率C4图1网络运行质量评估指标体系图中的指标建立在月统计的基础上，指标的统计值均采用隶属度向量[8]的方式表示。2WOWA算子文献[11]基于加权平均算子(weightedmean，WM)和有序加权平均算子(orderedweightedaveraging，OWA)提出了加权有序加权平均算子WOWA，该算子相对于只考虑数据源重要性的WM算子和只考虑数据值重要性的OWA算子，不仅考虑了数据源的重要性(数据源的可靠性或专家的可信性)，同时还考虑了数据值的重要性(算子的结果是否应该对指标的最小值、最大值或它们之间的冲突敏感)，被广泛应用于数据融合、人工智能领域。定义2[11]设p和w是两个n维的加权向量，分别为：121[,,,]1[0,1]1,2,,nniiipppppin===∈=∑p121[,,,]1[0,1]1,2,,nniii===∈=∑w那么，定义映射WOWA:nf→RR是一个n维WOWA算子，满足WOWA12()1(,,,)nniiifaaaaσω==∑。其中，{(1),(2),,()nσσσ}是{1,2,,n}的一个变换，使得对于所有i=2,3,,n有(1)()iiaaσσ−≥；并定义**()()ijjjijiwpwpσσω⎛⎞⎛⎞=−⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎜⎟⎝⎠⎝⎠∑∑≤，w*为由点集(0,0),jjiiwn⎧⎫⎛⎞⎪⎪⎨⎬⎜⎟⎪⎪⎝⎠⎩⎭∑∪≤插值得到的单调递增函数。WOWA算子是一个介于最小和最大之间的算子，它具有幂等性、单调性和约束条件的交换性。当对于所有i=1,2,,n，wi=1/n时，=ωp，WOWA算子退化为WM算子；当对于所有i=1,2,,n，pi=1/n时，=ωw，WOWA算子退化为OWM算子。WOWA和OWA算子定义了orness测度(用于反映决策者的乐观程度)，利用不同orness测度计算出权向量，WOWA和OWA算子能够模拟决策者的各种决策偏好。定义3[12]设w为OWA算子的有序加权向量，则orness测度表示为：11orness()()1njjnjwn==−−∑w(1)当式(1)值为1时，等效于Max算子，属于乐观决策；其值为0时，等效于Min算子，属于悲观决策；其值为0.5时，属于等可能决策。利用该值可以通过求解最大熵规划模型或最小方差规划模型等方法[12]确定权向量w。本文采用最大熵规划模型求解权重向量w，最大熵规划模型为：111Maxlnst1()0111011,2,,niiiniiniiiww..niwnwwinαα===−⎧−=⎪−⎪⎨⎪==⎪⎩∑∑∑≤≤≤≤，(2)3采用WOWA算子的模糊综合评估方法模糊综合评估中常用的合成运算有4种，这些合成运算很难同时反映各要素的客观属性的重要性和主观决策的偏好。最常用的加权平均合成(.,⊕)反映了各指标的重要性，但并不能反映决策者的偏好。第2期夏靖波，等:IP网络运行质量模糊综合评估方法研究269WOWA算子综合了WM和OWA算子，能体现指标自身的重要性，又能反映决策的偏好。因此，将WOWA算子应用于模糊综合评估方法中，提出了基于WOWA算子的模糊综合评估方法。该方法与传统的模糊综合评估方法最主要的区别在于，WOWA算子中同时包含反映指标自身重要性的权向量p和反映决策者主观偏好的权向量w。基于WOWA的模糊综合评估方法计算步骤如下：1)建立评估对象的因素论域U={u1,u2,,un}。2)建立评语论域V={v1,v2,,vm}以及评语分值S={s1,s2,,sm}。3)采用三角模糊数层次分析法[13-14]确定评估因素自身重要性的权值向量W={w1,w2,,wn}；该方法在构造判断矩阵时充分考虑了人判断的模糊性，解决了层次分析法没有考虑到人判断的模糊性的缺陷，使得指标相对权重的确定更加科学。4)建立模糊关系矩阵R，在评估对象的因素论域U与评语论域V之间进行单因素评估，且：111212122212.........mmnnnmrrrrrrrrr⎡⎤⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎣⎦R(3)式中，rij表示论域U中第i个因素ui对应于评语论域V中第j个等级vj的隶属度。本文的隶属度由指标月统计的隶属度向量直接给出。5)WOWA权重向量ω的合成。ω由权重向量p和权重向量w合成，p=W，权重向量w由决策者的偏好确定，该权重根据最大熵规划模型求解得到。由w通过点集(0,0),jjiiwn⎧⎫⎛⎞⎪⎪⎜⎟⎨⎬⎜⎟⎪⎪⎝⎠⎩⎭∑∪≤}插值，构造单调递增函数w*。插值函数w*有多种，如模糊量词法[11]和二阶Bernstein插值法[15]。由函数w*和调整后的p计算合成权重ω。由定义2可知，权重向量p将根据输入值的排序而重新排序；输入值是模糊关系矩阵R。排序时将R中的每一行看作一个元素，对每一行进行比较。对R的每一行实现从高到低的排序，得到排序后的新矩阵′R。排序时采用将评语分值向量S和R的行向量ri的合成值作为排序值。计算方法为：iE=Sr(4)按照每一行的排序顺序对权重向量p中的元素进行调整，得到新的权重向量(1)(2)(){,,,}npppσσσ′=p。将该权重向量′p代入w*求出合成权重ω。6)模糊综合计算，由指标层向目标层逐层采用WOWA算子逐级进行综合计算得到模糊综合评估结果B={b1,b2,,bm}。将合成权重ω和重新排序后的矩阵′R进行合成即可得到评估值。当orness=0.5时，该算子退化为加权平均算子，该评估方法退化为普通的模糊综合评估方法。7)计算最终评估结果，将各等级的分值sj与被评估对象在各等级的隶属度bj综合，得到评估结果：1mjjjTsb==∑(5)该评估结果不仅可以实现对多评估对象间的横向比较排序，也可以实现对单评估对象在时间上的纵向比较。4实例分析根据某驻地IP网络网管系统中一个月的统计网络运行质量数据，按照第3节的模糊综合评估方法对其网络运行质量进行综合评估。综合评估的结果表明了该网络运行质量在不同决策偏好下的评估值，具体评估过程如下：1)获取网络运行质量评估指标的原始测量数据值。在网络管理系统的支持下，获取某驻地IP网络在一个月中的网络运行质量统计数据。网络管理系统对网络性能数据和网络安全数据的