5. 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. 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 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 вещественную основу организации сети (элементе и связки 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, которое заключается 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 типажа 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 системовиделяющая 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, точноть, 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 основt 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 состояний системы. Задание контроля функционирования систем и сетей связи может быть представлено 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 Байєса. Таким образом, находится мера неопределенности искомого состояния системы в момент времени контроля. В данной постановке задания 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.

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 математическая модель 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 (лимиторы), 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. Как модель оценки эффективности воспользуемся моделью, которая включает как систему, то есть ЦСИО, так и метасистему, то есть пользователей ЦСИО (уровни 5–7, ЭМВОС). 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 из 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);

• в

  нешние вероятностные характеристики (для процессов коммутации, маршрутизации и ограничения потоков).

Таблица 5.1

Наиболее распространенные представители параметрических базисов системы относительно подсистемы доставки СС

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 структуре системы доставки, системы эксплуатации (СЭ) и включенной в ее состав системы технического обслуживания (ТО).

Опыт эксплуатации зарубежных сетей позволяет выделить ряд следующих принципиальных пределов, которые характеризуют СЭ:

• сети строятся как самоорганизованные и самообновляюдиеся, 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 позволяет обнаруживать отказы в момент их возникновения, а также при периодической плановой диагностике;

• централизованная диагностика предусматривает наличие в сетях центров техобслуживания (ЦТО), которые выполняют 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 системы ТО 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.

Большие эксплуатационные расходы, связанные с использованием большой численности обслуживающего персонала высокой квалификации могут быть снижены путем автоматизации процессов ТО и выбором его оптимальной системы. Очевидно, что полностью децентрализующая система ТО даже при высокой степени автоматизации процессов техобслуживания не будет оптимальной, поскольку требует присутствия технического персонала. С другой стороны, полностью децентрализующая система ТО также не решит поставленного задания. По этой причине вместе с автоматизацией выдвигается проблема оптимальной структуры системы ТО, 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.

Задание общей автоматизации структуры сети и системы ТО 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 систем ТО для базовой системы передачи данных, которая достаточно просто может быть трансформирована для общей модели оптимизации иерархической сети.

Таблица 5.2. Критерии эффективности

Пусть заданы

1. координаты и виртуальный канал (ВК)

2. матрица расстояний между узлами коммутации

3. матрица трафика между ВК

4. набор типов линий связи с соответствующими параметрами надежности и пропускной способности

4. набор типов ВК с характеристиками надежности и интенсивности обслуживания

где –коэффициент готовности; – интенсивность возобновления работоспособности; – интенсивность обслуживания;

4. набор типичных центров ТО (ЦТО) средств тестового диагностирования, которые различаются составом, и тому подобное.

Нужно определить:

1. топологию базовой сети ;

2. распределение потоков в линиях сети ;

3. распределение пропускных способностей линий

;

4. производительность ВК

;

5. число и места размещения ЦТО

;

6. типы ЦТО

;

7. разбивка множества ВК на зоны ТО

с тем, чтобы минимизировать приведенные расходы на сеть в целом:

,

где – приведенные расходы на базовую сеть; – приведенные расходы на систему ТО.

Для решения задачи оптимизации используются методы эвристического программирования. Задача эта весьма сложная и мы коротко остановимся только на некоторых важных моментах.

Последовательность действий такова.

Сначала выполняется декомпозиция задания на две подзадачи – оптимизацию топологии базовой сети и оптимизацию структуры системы ТО сети. Метод решения этой задачи включает итеративное решение поставленных подзадач с использованием информации, полученной на предыдущем шаге поиска: при оптимизации системы ТО топология сети учитывается с помощью таких характеристик, как число линий, инцидентных ВК и производительность ВК.

Структура системы ТО на этапе оптимизации топологии учитывается с помощью повышения вероятности включения в топологию сети линий, инцидентных узлам, которые находятся на как можно меньшем расстоянии от ЦТО.

Для оптимизации топологии сети используются так называемые MST -алгоритмі или алгоритмы, построенные на основе MST -алгоритмов (например, метод размытых эвристик – МРЭ).

В качестве методов локальной оптимизации могут быть использованы наиболее распространенные и универсальные методы трансформации – методы замены линий.

Модификация, необходимая в алгоритмах оптимизации структуры базовой сети для учета структуры системы ТО, полученной на некотором шаге, является весьма незначительной и заключается в следующем. При использовании алгоритмов генерации решений кроме "успешности" топологии сети, полученной на предыдущем шаге, учитывается структура системы ТО, а именно: места размещения и тип ЦТО.

В процессе генерации решений необходимо также ввести проверку дополнительного, нового для заданий оптимизации структуры сети, ограничения. Оно заключается в недопустимости образования такой структуры сети, которая не может быть обслужена с заданным качеством данной системой ТО без ее изменения. Другими словами, на каждом этапе генерации решения частичные решения должны приниматься лишь тогда, когда не требуется изменения числа и состава зон ТО и типа ЦТО в зонах. Реализация такой проверки выполняется достаточно просто и по сложности линейно зависит от числа ВК и числа ЦТО, несущественно влияя на общее время поиска решений.

Подход, основанный на локальной оптимизации, содержит две возможности:

• после каждой коррекции структуры сети оптимизировать структуру системы ТО;

• проводить оптимизацию структуры системы ТО лишь после нахождения локального минимума в задании оптимизации структуры сети.

Анализ свидетельствует в пользу первого подхода, поскольку оптимизация структуры при втором подходе не является асимптотически оптимальной и требует дополнительных вычислений.