ОБЩИЙ ПОДХОД К ПОСТРОЕНИЮ МОДЕЛИ СЕТИ СВЯЗИ

(Лекция 8)

Концептуальная модель сети связи

Разработка комплексной модели сети с точки зрения системного подхода является сложной и актуальной проблемой. Комплексная модель сети необходима не только для определения оптимальной модели структуры сети связи, оптимального комплекса технических средств и алгоритмов функционирования, но должна также учитывать характеристики надежности, управление сетью и систему технического обслуживания сети связи в целом, неотъемлемой частью которой является система контроля технического состояния сети связи.

Создание цифровой сети интегрального обслуживания (ЦСИО) требует достаточно больших расходов, которые включают расходы на ее проектирование, реализацию и эксплуатацию. Можно сказать, что проблема стоимости является компромиссом между стоимостью создания сети и стоимостью ее эксплуатации. Однако экономия средств на проектирование сети может привести к серьезным негативным последствиям во время ее работы.

Процесс моделирования сети в зависимости от имеющейся априорной информации можно разделить на три этапа:

- концептуальное моделирование;

- логическая модель;

- математическая модель.

На этапе концептуального моделирования обычно производится описание модели. При этом учитывается уже имеющиеся модели сети, а также цели создания сети, требования к характеристикам, учет ограничений и выбор критериев оценки эффективности системы, что позволяет сравнивать разные модели сети.

Следующим этапом в рамках концептуальной модели является формализированное описание, что позволяет выделить структурное (морфологическое) описание сети и на его основе провести декомпозицию системы на ряд более простых функциональных модулей, процессов, блоков. (Морфологический, относящийся к выражению грамматических значений в пределах одного слова.) Таким образом, в результате концептуального моделирования можно получить ряд более простых моделей, к которым можно применить вышеизложенную методику или полученное математическое описание модели.

Использование методологии общей теории систем позволяет рассматривать задачи синтеза и анализа открытых информационных сетей как части всего жизненного цикла, который включает этапы проектирования, внедрения и эксплуатации.

Говоря о цифровой сети интегрального обслуживания (ЦСИО) как о системе, прежде всего имеют в виду ее структуру и архитектуру. Архитектура ЦСИО описывает ее внутреннее строение, алгоритмы работы, структуру и состав процедур доступа, обмена и управления, а структура характеризует внешнее строение ЦСИО, в частности, географическое размещение набора аппаратных средств и конфигурацию связей между ними.

Под структурой понимают основу организации сети (элементы и связи между ними). Структура ЦСИО является статистической характеристикой сети, поскольку не отображает способа доставки информации. Структура сети может рассматриваться в разных аспектах, которые отличаются степенью детализации данных и целевой направленностью задания – абстрактному, географическому и физическому. Модель структуры ЦСИО отображают с помощью графа.

Структура (топология) сети с пакетной коммутацией зависит от большого количества переменных, а именно: расположение источников и получателей информации (нагрузки), которая передается между ними, требований к значениям задержек в сети и надежности, стоимости каналов и узлов и т. д. Поэтому разработка структуры сети является процессом оптимизации, в котором некоторые переменные или их функции выполняют роль целевых функций, а другие ограничений, и ставится задание определения таких параметров сети, как местонахождение узлов, трассы каналов между узлами, емкости каналов и потоки в каждом из них.

Лицо, принимающее решение (ЛПР) в части структурной и архитектурной организации перспективных ЦСИО, на начальных этапах проектирования интересует не единичное точное решение, заключающеюся в поиске графа сети, а целый комплекс вопросов, из которых основными являются следующие:

- проверка технического задания (ТЗ) на непротиворечивость, оценка меры выполнимости ТЗ;

- обоснование выбора критериев оптимальности, ограничений и отдельных условий;

- оценка предельно допустимых значений надежности, вероятностно-временных и стоимостных характеристик проектируемой ЦСИО;

- определение уровня иерархичности, характера разветвленности, связности и других интегральных топологических характеристик;

- выбор лучшей концепции построения ЦСИО;

- выбор оптимального типа технических средств (ТТС), в том числе технического обслуживания (ТО) и управления потоками, или определения требований к ним по надежности, быстродействию и т. д.;

- исследование наиболее общих свойств предлагаемого проекта сети, в частности, устойчивости к входным условиям и чувствительности интегральных показателей по отношению к внутренним параметрам;

- определение оптимальной стратегии внедрения сети;

- выявление "узких" по тому или другому показателю звеньев сети и выработки предложений по их расширению.

ЦСИО является многофункциональной системой, в которой реализуется главная функция (доставка информации) и набор составляющих ее подфункций. К последним относятся: функции коммутации, маршрутизации, повышения достоверности, обеспечения надежности, устранения отклонений фактического состояния элементов от расчетного.

Поскольку в реальной сети эти процессы протекают параллельно и взаимоувязано, ЦСИО следует рассматривать как некоторую кибернетическую систему, которая состоит из управляющих подсистем. Управляемой является подсистема доставки, параметры которой (пропускная способность, точность, надежность) изменяются во времени.

Управляющая система, в кибернетическом смысле есть совокупность датчиков, средств обработки информации, контроля и регулирования работы управляемой подсистемы. Обе подсистемы связаны обратной связью (каналами "служебной" связи). Управление сетью определяют как реакцию на изменения характера поступающей на обслуживание нагрузки и структуры сети, вызванные отказами (повреждениями) элементов, перегрузками и так далее.

Система управления сетью в соответствии с функциями может быть разделена на системы управления структурой сети, управления нагрузкой и управления потоками нагрузки.

Целью управления структурой сети при отказах (повреждениях) является обеспечение необходимого качества функционирования сети при неизменной внешней нагрузке путем изменения структуры (перераспределения) существующих средств связи и (или) введением резервных средств связи. При отсутствии функциональной и структурной избыточности управления структурой сводится к введению резервных средств.

Управление внешней нагрузкой заключается в поддержке уровня нагрузки по результатам его контроля в пределах допустимых значений. Методом управления нагрузкой является ограничение передачи информации по обходным путям и ограничения входной нагрузки.

Управление потоками нагрузки обеспечивает необходимое качество функционирования сети с учетом надежности элементов и локальных перегрузок. На основе контроля потоков нагрузки по заданной структуре сети и входной нагрузке вырабатывается план распределения потоков нагрузки в сети, оптимальный с точки зрения выбранного критерия.

Таким образом, ЦСИО можно рассматривать как совокупность управляемого объекта (подсистема "Доставка"), который реализует целевую функцию ЦСИО с необходимыми показателями и объекта управления (подсистема "Эксплуатация"), который обеспечивает необходимые показатели надежности и управления ЦСИО.

Целевая функция и функция управления являются сложными функциям, которые можно декомпозировать. Методы декомпозиции позволяют осуществлять последовательную разбивку системы на части, которые в свою очередь разбиваются на составные части. После такой декомпозиции можно получить математическое описание модели.

Функционирование систем и сетей связи определяется как переход из одного состояния в другое, поэтому, при математическом описании модели используются три метода математического моделирования:

- информационный,

- цепей Маркова,

- метод фазового пространства.

При использовании информационного метода на основе анализа информации контроля, как средству взаимосвязи объекта и субъекта, делается вывод о ценности указанной информации для субъекта как меры неопределенности (энтропии) объекта, величина которой растет с увеличением количества состояний системы. Задача контроля функционирования систем и сетей связи может быть представлена как задание процессу уменьшения неопределенности сведений о состоянии системы в необходимый момент времени. Вводя в рассмотрение меру априорных знаний о состоянии системы – средней априорной неопределенности и мере средней апостериорной неопределенности сведений о состоянии системы после контроля, можно определить среднее количество контролируемой информации между указанными величинами. Априорная неопределенность состояния сети связи в любой момент времени контроля определяется вероятностными свойствами этого состояния – законом распределения априорной вероятности разных состояний. Неопределенность знаний о состоянии системы после контроля характеризуется апостериорной вероятностью, которая рассчитывается по формуле Байеса. Таким образом, находится мера неопределенности искомого состояния системы в момент времени контроля. В такой постановке задачи необходимо найти взаимосвязь апостериорной вероятности с контролируемыми характеристиками объекта контроля.

При использовании метода цепей Маркова переходы между разными состояниями системы описываются марковским процессом (цепью). При условии, что в любой момент времени контроля система находится в одном из состояний, процесс контроля функционирования представляется в виде вероятностной схемы двумя известными способами:

- построение матрицы вероятностей перехода;

- построение диаграммы переходов или графа вероятностей перехода системы из одного состояния в другое.

Более подробно свойства марковских цепей и их использование при построении ММ рассмотрены в разделе 6 и в [1].

Для определения вида систем и сетей связи можно использовать метод фазового пространства. В этом случае состояние системы характеризуется векторами контролируемых величин и влияющих воздействий, а процесс контроля функционирования определяется как процесс восприятия изменений управляемых величин, сбора, обработки, хранения и отображения информации о равнодействии указанных векторов с целью принятия решения из получаемых управляющих действий.

Считается, что ММ построена, если выбран и обоснован набор ограничений и выбраны и обоснованы целевые функции.

Для определения характеристик ММ необходимо провести анализ параметров. Описание любой системы и условий ее функционирования характеризуется определенной совокупностью параметров, причем на разных этапах анализа и оптимизации нужны разные способы описания. Основную роль играют группы параметров (параметрические базисы). Для произвольной системы выделяются базисы внешних и внутренних параметров. Внешние параметры, в свою очередь, разбиваются на два класса – входные и выходные.

В зависимости от степени комплексности и степени детализации исходные параметры подразделяются на интегральные и дифференциальные. Кроме этого, в зависимости от цели операции среди выходных могут быть выделены: переменные – критерии, которые максимизировались или минимизировались в процессе оптимизации; переменные – ограничители (лимитеры), на которые накладываются ограничения (рис. 5.1).

Внутренние переменные разбиваются на две группы: управляемые и неуправляемые. Первые – модельные параметры, непосредственно влияя на которые, алгоритм осуществляет оптимизацию, вторые – разные производные от управляемых, которые могут быть как контролируемыми, так и неконтролируемыми. На переменные этого базиса также могут накладываться ограничения (табл. 5.1).

Успех проектирования, внедрения и эксплуатации ЦСИО зависит не только от выбранных моделей функционирования, используемого математического аппарата, но и от выбранных критериев оценки эффективности системы. В качестве оценки эффективности можно воспользоваться моделью, которая включает как систему, то есть ЦСИО, так и пользователей ЦСИО (уровни 5–7, OSI). При этом используемые критерии должны зависеть от системы привязки к реальным процессам, которые имеют место в ЦСИО. Кроме того, необходимо выделять взаимосвязанные процессы (подпроцессы) в единственном процессе доставки информации в ЦСИО. Например, рассматривая с 1-го по 4-й уровни ЭМВОС, можно выделить процессы коммутации, маршрутизации и ограничения потоков.

Обобщающим для всех перечисленных процессов является процесс доставки информации пользователям. В этом случае можно выделить следующую цепочку критериев:

- функция ценности информации (для процесса доставки);

- функция производительности сети (для процесса обмена информацией);

-

Синтез структуры сети связи

В прагматичном смысле интегральная цифровая сеть связи является вторичной сетью связи, основное задание которой заключается в обеспечении обмена информацией между пользователями с заданным качеством.

Это задание успешно решается лишь путем создания эффективной структуры системы доставки, системы эксплуатации (СЭ) и включенной в ее состав системы технического обслуживания (СТО).

Таблица 5.1

Наиболее распространенные параметрические базисы системы относительно подсистемы доставки СС

Опыт эксплуатации сетей позволяет сформулировать следующие принципиальные требования, которым должны удовлетворять СЭ:

- сети строятся как самоорганизованные и самообновляющиеся, однако во всех сетях предусмотрена возможность вмешательства обслуживающего персонала;

- обеспечивается высокий уровень автоматизации процессов диагностики и изменения конфигурации сети и ее отдельных компонентов;

- локальная диагностика элементов сети, позволяющая обнаруживать отказы в момент их возникновения, а также при периодической плановой диагностике;

- централизованная диагностика предусматривает наличие в сетях центров техобслуживания (ЦТО), выполняющих одновременно функции сбора и обработки статистических данных.

Эксплуатация ЦТО (в широком смысле) – это процесс использования ресурсов сети в соответствии с потребностями в обмене данными, то есть объектом эксплуатации в данном случае является сеть в целом. СЭ охватывает широкий круг вопросов и может быть разделена на подсистему общей эксплуатации (управление состоянием внешней среды) и подсистему технического обслуживания (управление состоянием внутренней среды).

Действие внешней среды (входной поток заявок; поток внешних действий; документации, материалов, энергии и так далее; экологические и социальные действия.

Действием внутренней среды является поток отказов, вызванный несовершенством технологии изготовления, физической прочности (обрыв или короткое замыкание), конструктивными, алгоритмическими, программными, технологическими ошибками, ошибками обслуживающего персонала.

В основу СТО положена высокая надежность и автоматизация процессов возобновления работоспособности. Отказ отдельного устройства элемента сети, как правило, не оказывает значительного влияния на качество функционирования всей сети. Это объясняется разными видами избыточности, используемыми в ЦСИО.

Эксплуатационные расходы, связанные с использованием большой численности обслуживающего персонала высокой квалификации, могут быть снижены путем автоматизации процессов технического обслуживания и выбором оптимальной СТО. Очевидно, что полностью децентрализующая СТО даже при высокой степени автоматизации процессов техобслуживания не будет оптимальной, поскольку требует присутствия технического персонала. С другой стороны, полностью децентрализующая СТО также не решит поставленного задания. По этой причине вместе с автоматизацией выдвигается проблема оптимальной структуры СТО, то есть выбору такого количества ЦТО и такого их расположения, чтобы обеспечить минимум эксплуатационных и капитальных вложений.

Синтез структуры сети связи с учетом системы технического

обслуживания

Алгоритм поиска решения задачи оптимизации топологии сети основан на двух общих подходах: на многократном построении решений и на трансформации решений с целью улучшения некоторых начальных заданных решений. Сначала задается некоторая исходная модель. Потом с помощью метода целенаправленного перебора структур исходная сеть оптимизируется путем включения или исключения отдельных ребер графа сети. На каждом этапе осуществляется расчет стоимостного критерия и ограничений, которые характеризуют показатели надежности, а также определяется направление траектории оптимизации. Структура полученного варианта сети зависит от структуры исходной сети, процедур изменения структуры и очередности их проведения.

Структура сети может быть задана географическим размещением своих элементов и связей между ними или получена специальным методом генерации решений, которые выполняются автоматически машинными алгоритмами поиска.

Общая автоматизация структуры сети и СТО обеспечивает нахождение оптимума общего задания, включая подсистемы доставки. Однако задание общей оптимизации из-за больших размерностей современных сетей является чрезвычайно сложным заданием, для которого нет методов поиска точного решения. Поэтому целесообразно рассмотреть задание общей оптимизации структуры сети и СТО для базовой системы передачи данных, которая достаточно просто может быть трансформирована для общей модели оптимизации иерархической сети.

Критерии эффективности Таблица 5.2.

Поиск по сайту: