1. 引言
随着互联网技术进入5G/6G高速发展阶段,现代互联网络已构成数字经济时代的核心支撑体系。在该体系下,网络稳定性直接决定了系统服务的连续性——若关键节点发生异常,可能引发数据链路中断、服务崩溃等连锁反应。因此,及时准确的故障诊断能够确保系统尽快恢复正常运行,从而减少损失。
Dahbura和Masson [1]提出了一种时间复杂度为
的算法,能够有效识别故障处理器集合。有两种知名的诊断模型,一种是由Preparata等人[2]提出的PMC模型,另一种是由Maeng和Malek [3]介绍的MM模型。在PMC模型中,任意两个相邻的处理器可以互相测试。在MM模型中,一个处理器会将相同的任务发送给它的两个相邻处理器,并比较反馈结果。Sengupta和Dahbura [4]提出了一种MM模型的特例,称为MM*模型,其中每个处理器必须测试其任意一对相邻处理器。
Figure 1. Two diagnosis structures:
and
图1. 两种诊断结构:
和
网络的拓扑结构可以用图来表示。在一般故障模型下,Hsu等人[5]于2007年提出了PMC模型下的局部可诊断性概念,并指出以往的研究主要集中在系统的整体可诊断性上,而忽略了网络内的局部信息。通过计算每个处理器的局部可诊断性,可以更准确地推断整个网络的状态。此外,他们提出了两种PMC模型下的结构:
和
,可用于确定处理器v的局部可诊断性(见图1),其中t是v的邻居数。
2009年,Chiang等人[6]指出局部可诊断性与传统可诊断性密切相关。他们研究了在MM*模型下单个顶点的局部可诊断性,并提出了一个名为扩展星形(Extended Star)的局部结构,并基于该结构设计了相应的算法。这些研究为系统级故障诊断提供了更多方法和可能性。
此外,2022年,Chen和Hsu等人[7]提出了PMC模型下更一般的结构。同年,Chen和Lin等人[8]提出了MM*模型下改进的、更全面的结构,并设计了相关算法。2024年,Lv等人[9]提出了MM*模型下条件故障局部诊断的更高效算法,并优化了故障节点数的上界。
随后,一些研究人员(如Lin [10]-[12]、Chen [7] [8]、Lin [13]和Yuan [14]等)设计了一些重要的局部故障诊断算法。在这些算法中,对于网络中的任意给定节点,研究人员找到了包含该节点的特定子结构,并使用这些算法在故障诊断策略下进行子结构自诊断,从而确定该节点是否出现故障。这种方法更适合于故障分布不均匀的大规模网络,我们可以通过局部诊断来维持多处理器网络的功能。
在传统多处理器系统的系统级诊断中,通常假设不同的处理器可以同时出现故障。然而,一种特殊情况是,如果某个处理器v的所有邻居都出现故障,则无法通过v的邻居来判断v是否出现故障。实际上,这种情况的概率非常小。因此,Lai等人[15]引入了一种称为条件故障诊断的度量方法,声称故障节点集合不能包含任何处理器的所有邻居。
此外,大规模故障可能导致网络断开,并将网络分割成多个连通分量。同时,考虑到故障节点的邻居也可能受到影响,那么正常工作的处理器通常会处于一个安全的子网络(即连通分量)范围内。在这种情况下,作为条件故障诊断的推广,Fàbrega等人[16]提出了h-限制故障模型,要求每个连通分量包含的节点数超过h。为了更好地反映网络的系统级可诊断性,Zhang和Yang [17]于2016年推广了条件可诊断性的概念,提出了h-限制可诊断性,即在每个无故障连通分量包含超过h个顶点的条件下,系统能够保证识别出的最大故障节点数。h-限制可诊断性在许多重要网络中受到了广泛关注,例如文献[18] [19]。然而,据我们所知,目前尚未有关于在h-限制故障模型下一般网络的局部诊断问题的研究结果。因此,基于上述研究,我们将定义h-限制局部可诊断性,并设计相应的局部诊断结构。
本文主要提出了一种新的概念——可诊断性,并提供了判断系统是否在任意处理器处h-限制局部可诊断的充分条件;设计了网络中任意顶点v的结构TM(v; h)。本文的结构安排如下:第2节介绍预备知识;第3节介绍限制局部可诊断性的概念,第4节提出了验证网络h-限制局部可诊断性的充分条件;最后,第5节总结了本文的研究成果。
2. 基本概念及符号说明
在多处理器系统的研究中,图论已成为一种重要的数学工具。系统可以通过无向简单图G进行有效建模。在此图中,任意顶点v和边(u, v)分别表示单个处理器v以及两个处理器u和v之间的通信链路。图G中的顶点集(边集)分别用V(G) (E(G))表示。
路径是一个序列
,包含k + 1个不同的顶点,且满足
(
)。P的长度为k。如果
,则称P为一个环。从顶点u到v的最短路径长度称为u和v之间的距离。图G的围长,记为g(G),是指G中最短环的长度。
对于图G中的任意顶点v,与v相邻的顶点集合记为
。顶点v的度定义为
。图G中所有顶点的最小度记为δ(G) (简写为δ)。如果图G中每个顶点的度均为k,则称G为一个k-正则图。如果两条边有一个公共顶点,则它们也被认为是相邻的。对于任意集合
,定义
。
在无向图G中,对于任意两个顶点
,如果在G中存在一条连接u和v的路径,则称u和v是连通的。如果图中任意两个顶点都是连通的,则称G为连通图。对于任意非空集合
,G[S]是以S为顶点集的G的子图,其边集由两端点均在S中的边组成。称G[S]是由S诱导的子图。进一步地,如果G[S]是一个连通子图,并且S与V(G)\S之间没有边,则称G[S]为G的一个连通分支。
对于任意
,G-F表示从G中移除F中的顶点及其相关边后得到的子图。如果子图G-F不连通,则称F为G的一个顶点割。G的顶点割中顶点数的最小值称为G的连通度,记为κ(G)。两个集合S1和S2的对称差定义为
。
可诊断性相关概念 PMC模型定义如下:对于任意两个相邻顶点u和v,用
表示u对v的测试结果。当u无故障时,如果v无故障,则
;否则,
。假设u出现故障,则无论v是否故障,
均为随机值0或1,这表明该测试结果不可靠。
假设F是V的一个子集。如果F是G中的故障顶点集合,则集合{σ(u, v)|u和v在G中相邻}称为与F一致的症状。由于故障顶点测试其邻居的结果可以随机为0或1,因此与F一致的症状并非唯一。所有可能由F产生的症状集合记为σ(F),即σ(F) = {σ|F与症状σ一致}。
对于V(G)的任意两个不同子集
和
,如果
,则可以判断故障顶点集合是
还是
,因此称
为可区分对。以下是几个重要结论:
引理2.1. [15] 图G是t可诊断的,当且仅当对于任意两个不同的集合
,满足
且
,
是一个可区分对。
引理2.2. [1] 给定图G以及其中任意两个不同的子集
,在MM*模型下,
是一个可区分对,当且仅当至少满足以下三个条件之一:
1) 存在三个顶点
以及
,使得
。
2) 存在三个顶点
以及
,使得
。
3) 存在三个顶点
以及
,使得
。见图2。
Figure 2. Distinguishable pair
under the MM* model
图2. MM*模型下的可区分对
局部可诊断性概念 对于局部诊断,Hsu和Tan [5]提出了以下定义。
定义2.3. [5] 给定图G和正整数t,设F是V(G)的一个子集,包含至多t个顶点,且设σ(F)是与F一致的症状。对于任意顶点
,如果对于任意子集
,满足
且能产生症状σ(F),则
包含顶点v,称图G在顶点v处是局部t可诊断的。
以下是限制诊断度的概念。
定义2.4. [17] 图G的顶点子集F是一个h-限制顶点子集,当且仅当G-F的每个连通分支至少包含h + 1个顶点。
定义2.5. [17] 图G是h-限制t可诊断的,当且仅当对于每一对不同的h-限制顶点子集
,满足
(
),
和
是可区分的。图G的h-限制可诊断度,记为
,是指G为h-限制t可诊断的最大t值。
3. h-限制局部可诊断性
在过去几十年中,学者们已经得到了许多关于整个网络的h-限制可诊断性的结果。现在,我们考虑h-限制局部可诊断性,并基于定义2.3和引理2.1引入以下定义。
定义3.1. 给定图G和正整数t,设F是V(G)的一个h-限制顶点子集,满足
,且设σ(F)是与F一致的症状。对于任意顶点
,如果对于任意h-限制顶点子集
,满足
且能产生症状σ(F),则
包含顶点v,称图G在顶点v处是h-限制局部t可诊断的。
根据定义3.1,可以得到以下结果。
引理3.2. 给定图G和顶点
,图G在顶点v处是h-限制局部t可诊断的,当且仅当对于任意两个不同的h-限制集合
,满足
和
且
,
是一个可区分对。
证明 首先,证明充分性。假设G在顶点v处不是h-限制局部t可诊断的。根据定义3.1,存在两个集合
,使得
且
是一个不可区分对,这与假设矛盾。
接下来,证明必要性。假设G在顶点v处是h-限制局部t可诊断的。假设存在一个不可区分对
,使得
。根据定义3.1,
,这与假设矛盾。证毕。
上述引理可用于判断系统是否在任意顶点v处是h-限制局部t可诊断的。
对于图G和正整数h,使得G在顶点
处是h-限制局部t可诊断的最大t值,称为G在顶点v处的h-限制局部可诊断度,记为
。现在,我们将考虑每个顶点处的h-限制局部可诊断度与G的h-限制可诊断度之间的关系。
引理3.3. 图G是h-限制t可诊断的,当且仅当G在每个顶点处都是h-限制局部t可诊断的。
证明 首先,证明充分性。假设G不是h-限制t可诊断的。根据定义2.5,存在至少一对不同的h-限制集合
,满足
和
,且
和
是不可区分的。由于
,可以选择一个顶点
。根据引理3.2,可以得出G在顶点v处不是h-限制局部t可诊断的,这与假设矛盾。
接下来,证明必要性。假设存在一个顶点v,使得G在v处不是h-限制局部t可诊断的。根据引理3.2,存在两个不同的h-限制故障顶点集合
,满足
和
,且
,
和
是不可区分的。根据定义2.5,可以得出G不是h-限制t可诊断的,这与假设矛盾。证毕。
根据上述结果,可以得到以下推论。
推论3.4. 给定图G,对于任意正整数t,G的h-限制t可诊断度为:
.
4. MM*模型下的限制局部诊断性
在本节中,我们会继续探究在MM*模型下的限制局部诊断性,首先我们将通过定理4.1给出图G中任意顶点v在MM*模型下为h-限制局部t-可诊断的充分条件。然后我们设计了一种新的结构
,通过分析结构中点的测试结果,我们便能得到点v的故障状态。
4.1. 限制局部诊断性
在给出定理4.1之前,我们先了解点覆盖的相关概念以及介绍所用到的参数
。图G的点覆盖是指一个点子集Q,属于V(G),使得E(G)中的每条边至少有一个端点在Q中。具有最小数量的点覆盖数被称为最小点覆盖。对于图G中的任意顶点v,
表示任意
中
的最小顶点数,满足
,G[S]连通且
,即
.
定理4.1. 给定连通图G,顶点
和正整数
,任意两点之间没有公共邻点,如果对于每个h-限制集合
,满足
的点覆盖数大于等于
,其中
是G-F中包含v的连通分支,则图G在顶点v处是h-限制局部
可诊断的。
证明 我们通过反证法来证明。假设图G在顶点v处不是h-限制局部可诊断的。根据引理3.2,存在两个不同的h-限制集合
和
,使得
并且
,使得
和
是不可区分的。令
,则
,由于当
(分别
)并且
时,
(
)和
的每个连通分支至少有h + 1个顶点。即
也是一个h-限制顶点子集,并且
。
假设
是G-F的一个的连通分支,使得
,根据定理4.1的条件可得
的点覆盖的顶点数大于等于
,将这个数值与
以及点v属于
进行比较,可以得出
无法成为
的点覆盖,换句话说,在
的点覆盖中至少有一个顶点位于
之外。
Figure 3. A path which from edge e to point v through sets
or
图3. 一条从边e到点v经过集合
或
的路径
因此根据点覆盖的性质,如图3在
中存在一条边
,这条边位于
之外。由于边e、节点x和y以及点v都属于同一个连通分支
,因此存在一条从边e到点v经过集合
或
的路径。根据引理3.2的条件1,
是一对可区分的集合。这就产生了矛盾,从而得到图G在顶点v处是h-限制局部
可诊断的。 □
4.2. 结构
给定正整数
和
,设G是一个图,使得
,并且G有一个h-限制故障顶点集F,满足G[F]的每个连通分支至少包含两个顶点。对于任意顶点
,设
,
。在下文中,我们提出了子图
,其顶点集
和边集
的设计如下(如图4所示)。
的构造过程:
步骤1. 设
和
。
步骤2. 设
。
对于每个顶点
,设
是
中从u出发的一条路径,满足以下条件:
1)
的长度为
;
2) 对于每个
,
;
3) 对于任意两个顶点
,
,并且对于每个
和
,有
。
设
。
步骤3. 设
。
的构造过程:
设
。
那么,我们有:
Figure 4. Diagnostic tree structure TM(v; h)
图4. 诊断树结构TM(v; h)
定理4.2. 给定一个图G,一个顶点
和一个正整数
,假设
,并且对于任意一个h-限制故障集合
。如果G中存在结构
,则图G在顶点v处是h-限制局部(
)-可诊断的。
证明 根据定理4.1,对于任意h-限制故障集合
,只需证明在
中包含v的连通分支
的点覆盖数大于等于
。
因为
并且F是h-限制故障集,所以肯定存在某个
,使得
。由于树
中
的连通性,存在一条从v到u的路径
在
中。那么
是一条包含
个顶点的路径。因此,
此时
是一个包含路P的树结构,我们可以得到
的点覆盖数至少是
。因此,在
中包含v的连通分支
满足定理4.1中的条件。因此,根据定理4.1,图G在顶点v处是h-限制局部可诊断的。证毕。
5. 总结
本文提出了一种基于局部诊断的大规模网络故障诊断方法,引入了h-限制故障模型,并设计了子网络结构
。通过理论分析,给出了在MM*模型下顶点v的限制局部可诊断性条件。该方法能够高效判断特定顶点的工作状态,同时保障网络的局部连通性,提升了网络可靠性。尽管如此,本研究仍存在局限性,如模型的适用范围和动态适应性有待进一步验证。未来工作将聚焦于优化诊断算法、扩展模型适用范围,并探索其在动态网络中的应用。本文的研究为大规模网络的局部故障诊断提供了一种新的思路,具有重要的理论和实际意义。
基金项目
山西省基础研究计划资助项目(202103021224058)。
NOTES
*通讯作者。