CC BY
26УДК 004.725.7 DOI: 10.12737/23240
Ф.Ю. Лозбинев, Е.В. Колесник, А.А. Гамов
ЭЛЕМЕНТНАЯ И СТРУКТУРНАЯ НАДЁЖНОСТЬ МУЛЬТИСЕРВИСНОЙ КОРПОРАТИВНОЙ СЕТИ СВЯЗИ
Представлен доработанный вариант методики расчетной оценки коэффициента готовности мультисервисной корпоративной сети связи органов власти Брянской области. Предложена методика проектной оценки элементной надёжности сети на основе нормативных значений структурной надёжности её магистралей. Приведены результаты расчетов Южной, Северной и Западной магистра-
лей при различных вариантах оборудования и топологической схемы, а также при различных способах технического обслуживания сети.
Ключевые слова: телекоммуникационная сеть, радиоэлектронные средства, волоконно-оптическая линия связи, показатели надежности, коэффициент готовности оборудования, элементная надежность, структурная надежность.
F.Yu. Lozbinev, E.V. Kolesnik, A.A. Gamov
ELEMENT AND STRUCTURAL RELIABILITY OF MULTISERVICE CORPORATE COMMUNICATIONS NETWORK
In the paper there is offered a method for the design evaluation of hardware reliability in communications network elements in terms of standard values of its trunk structural reliability. To carry out a generalized assessment of communications equipment reliability in general and for the evaluation of network directions reliability there is considered such an index as availability. With the use of the procedure developed the design assessment of time between failures of southern, northern and western trunks in the telecommunications network at different kinds of equipment and a topology and also at different methods of maintenance works is carried out. The computations are carried out in terms of standard coefficients of readiness for existing networks and communications networks of the following generation without taking into account the influence of destabilizing factors. The
В опубликованных ранее работах [1; 4; 5] предложена методика оценки коэффициента готовности элементов мультисервисной корпоративной сети связи органов власти Брянской области на основе логико-вероятностного подхода.
В результате выполненных исследований обозначены перспективные направления, в числе которых - определение минимально допустимых значений среднего времени между отказами каждого объекта для обеспечения нормативных значений коэффициента готовности в оконечных точках, а также расчетная оценка влияния времени восстановления объектов связи на
assessment of the influence of time for reconstruction of communications facilities upon a coefficient of network trunks availability is fulfilled. The following options of maintenance works are considered: an existing choice when equipment failures at the places are eliminated by experts coming from a regional center; a choice providing for trunks obligatory reservation of communication channels up to each endpoint. On the basis of results obtained the conclusions on purposeful methods of maintenance to ensure standard values of readiness coefficients for existing networks and communication networks of the following generation are formulated.
Key words: telecommunication network, radio-electronic means, fiber-optic communication trunk, reliability indices, coefficient of equipment readiness, element reliability, structural reliability.
коэффициент готовности магистралей мультисервисной корпоративной сети.
В работе профессора А.Н.Назарова [3] обозначены различия между элементной и структурной надёжностью сетей связи. Надёжность сети связи - способность сохранять работоспособность в условиях, создаваемых воздействием внутренних дестабилизирующих факторов (ДФ). В задаче анализа надёжности сетей связи выделяют аспекты элементной (аппаратурной) и структурной надёжности. Элементная надёжность - свойство, присущее элементу системы связи, сохранять работоспособность с качеством не хуже заданно-
го на некотором интервале времени. Под структурной надёжностью понимается свойство сети связи обеспечивать связность пользователей (элементов сети связи) с качеством не хуже заданного на некотором интервале времени [3].
В рамках настоящей работы предлагается способ проектной оценки аппаратурной надёжности элементов сети связи
Кг = То
на основе нормативных значений структурной надёжности её магистралей.
Для проведения обобщенной оценки надежности оборудования связи в комплексе и оценки надежности направлений (соединений) сети связи применяется коэффициент готовности Кг, определяемый показателями То и Тв [3]:
+ Тв), (1)
где То - время наработки на отказ объекта связи (наработка от начала эксплуатации до возникновения отказа); Тв - время восстановления объекта связи (продолжительность восстановления до работоспособного состояния).
Для проектной оценки необходимой надёжности элементов сети связи следует принять следующее допущение: коэффи-
циенты готовности всех оконечных точек магистрали Кг от одинаковы и равны коэффициенту готовности магистрали Кг у.
В этом случае при использовании в сети только радиоэлектронных средств (РЭС) с одинаковыми коммутаторами коэффициент готовности магистрали Кг у определяется следующим образом:
Кг у = Кгк
где Кгк - коэффициент готовности системы коммутации, принимается равным 0,99999 [2, с. 79]; пк - количество коммутаторов до оконечной точки; прэс - количество радиомаршрутизаторов до оконечной точки; Кг г - коэффициент готовности ¿-го РЭС.
прэс
П Кг1,
¿=1
(2)
При использовании в сети коммутаторов различного типа с различными значениями коэффициента готовности формула (2) должна быть представлена в следующем виде:
"•к прэс
Кг от = П Кгк г П Кгг ,
¿=1
(3)
¿=1
где Кгк г - коэффициент готовности ¿-го коммутатора.
Для дальнейших исследований следует ввести новый показатель - коэффициент синхронизации готовности оконечных точек магистрали К* на основе нормативно-
го коэффициента готовности магистрали в целом [Кг].
При использовании в сети только РЭС этот коэффициент будет определяться следующим образом:
пк 1/пр
Кс* = ([Кг] / П Кгк1) .
¿=1
При использовании волоконно-оптических линий связи (ВОЛС) в сочетании с РЭС коэффициент синхронизации
готовности оконечных точек будет определяться следующим образом:
1/пр
Кс** = ([Кг ] / (К гтсП Кк г ))
¿=1
Здесь [Кг] - нормативные значения коэффициента готовности для действую-
щих сетей (0,997) и сетей связи следующего поколения (0,9994) [3, с.141]; Кгк г - ко-
п
п
эффициент готовности г-го сетевого коммутатора; Кг тс — коэффициент готовности транспортной сети, принимается равным 0,99995 [2, с.79].
Здесь Кс* — коэффициент синхронизации готовности оконечных точек магистрали при использовании в сети только РЭС; К С** — коэффициент синхронизации готовности оконечных точек магистрали при использовании в сети ВОЛС в сочетании с РЭС; Тв — время восстановления объекта связи.
С использованием разработанной методики выполнена проектная оценка времени между отказами радиомаршрутизаторов Южной, Северной и Западной маги-
Тогда из формулы (1) с учётом изложенного получаются формулы для расчёта необходимого времени наработки на отказ объекта связи: То = К** (Тв/(1-Кс*),
То = К*(Тв/(1-К**).
стралей телекоммуникационной сети органов власти Брянской области при различных вариантах оборудования и топологической схемы, а также при различных способах технического обслуживания. Расчёты выполнены на основе нормативных коэффициентов готовности для существующих сетей ([Кг]=0,997) и сетей связи следующего поколения ([Кг]=0,9994) без учёта воздействия дестабилизирующих факторов. Результаты приведены в табл. 1,2.
Таблица 1
Время То (в часах) между отказами объектов в течение года при нормативном коэффициенте готовности магистралей [Кг] = 0,997
Вариант технического обслуживания Южная магистраль Северная магистраль Западная магистраль
РЭС ВОЛС+ РЭС РЭС ВОЛС+ РЭС РЭС ВОЛС + РЭС
вариант 43914 5467 24617 8204 74618 8201
Техобслужива на местах (Тв=1 ч) 5489 683 3077 1025 9327 1025
каналов (Тв=0,2 ч) 1098 137 615 205 1865 205
Таблица 2
Время То (в часах) между отказами объектов в течение года при нормативном коэффициенте готовности магистралей [Кг] = 0,9994_
Вариант технического обслуживания Южная магистраль Северная магистраль Западная магистраль
РЭС ВОЛС+ РЭС РЭС ВОЛС+ РЭС РЭС ВОЛС + РЭС
вариант 250888 30755 138411 46135 440649 46132
на местах (Тв=1 ч) 31361 3844 17301 5767 55081 5766
каналов (Тв=0,2 ч) 6272 769 3460 1153 11016 1153
Результаты, представленные в табл. 1 и 2, позволяют сформулировать следующие выводы:
1. Для обеспечения нормативного коэффициента готовности [Кг] = 0,997 при используемой в настоящее время техноло-
гической схеме (ВОЛС в сочетании с РЭС) и существующем варианте технического обслуживания (отказы оборудования на местах устраняются специалистами, выезжающими из областного центра) необходимо иметь оборудование, обладающее следующим временем наработки между отказами:
- для Южной магистрали - не менее 5500 ч (около 7,5 мес.);
- для Северной и Западной магистралей - не менее 8200 ч (11 мес.).
Если отказы оборудования устраняются специалистами на местах отказов (при этом время восстановления объекта принимается равным 1 ч), необходимо иметь оборудование с временем наработки между отказами:
- для Южной магистрали - не менее 680 ч (~1 мес.);
- для Северной и Западной магистралей - не менее 1000 ч (~1,5 мес.).
В случае использования варианта, предусматривающего обязательное резервирование каналов связи до каждой оконечной точки (при этом время восстановления принимается равным 0,2 ч), необходимо иметь оборудование с временем наработки между отказами:
- для Южной магистрали - не менее 140 ч (~6 суток);
- для Северной и Западной магистралей - не менее 200 ч (~8 суток).
2. Для сетей связи следующего поколения нормативный коэффициент готовности [Кг] = 0,9994 при используемой в настоящее время технологической схеме (ВОЛС в сочетании с РЭС) и существующем варианте технического обслуживания (отказы оборудования на местах устраняются специалистами, выезжающими из областного центра) обеспечить невозможно, поскольку требуемое время наработки между отказами составляет:
- для Южной магистрали - не менее 30,7 тыс. ч (около 3,5 года);
- для Северной и Западной магистралей - не менее 46,1 тыс. ч (более 5 лет).
Пк
Кг от = П Кгк I ¿=1
где Кгк I - коэффициент готовности ¿-го
Если отказы оборудования устраняются специалистами на местах отказов (при этом время восстановления объекта принимается равным 1 ч), необходимо иметь оборудование с временем наработки между отказами:
- для Южной магистрали - не менее 3800 ч (~5 мес.);
- для Северной и Западной магистралей - не менее 5800 ч (~8 мес.).
В случае использования варианта, предусматривающего обязательное резервирование каналов связи до каждой оконечной точки (при этом время восстановления принимается равным 0,2 ч), необходимо иметь оборудование с временем наработки между отказами:
- для Южной магистрали - не менее 770 ч (~1 мес.);
- для Северной и Западной магистралей - не менее 1150 ч (~1,6 мес.).
3. Представляется целесообразным выполнить оценку затрат на восстановление объектов связи для всех рассмотренных здесь вариантов.
В работе [1] в числе актуальных задач обозначена оценка влияния времени восстановления объектов связи на коэффициент готовности магистралей мульти-сервисной корпоративной сети. В настоящей работе такая оценка выполнена. Для её проведения усовершенствована методика, предложенная в [1; 4; 5].
Северная и Западная магистрали исследуемой сети в сочетании с ВОЛС имеют и участки (радиолинки), построенные на основе использования средств наземного беспроводного радиодоступа (Летош-ники-Клетня, Дубровка-Рогнедино, Выго-ничи-Жирятино, Трубчевск-Суземка, Уне-ча-Мглин-Сураж, Клинцы-Рогнедино-Красная Гора). В сети также могут быть использованы коммутаторы различного типа с различными значениями коэффициента готовности. В таком случае формула (3) должна быть представлена в следующем виде:
прэс
К г тс П Кг¿ ¿=1
коммутатора; Кг тс - коэффициент готов-
ности транспортной сети; Кг i - коэффициент готовности i-го РЭС последней мили; пк - количество коммутаторов; прэс - количество радиомаршрутизаторов.
Процесс расчётной оценки коэффициентов готовности по изложенной уточнённой методике автоматизирован в рамках возможностей табличного процессора Excel.
При выполнении расчётной оценки влияния на коэффициент готовности оконечных точек МКСС времени восстановления объектов связи (без учёта воздействия дестабилизирующих факторов) получены результаты, представленные в табл. 3-5.
Рассмотрены следующие варианты технического обслуживания сети:
- существующий вариант, когда отказы оборудования на местах устраняются специалистами, выезжающими из областного центра (табл. 3);
- вариант, когда отказы оборудования устраняются специалистами на местах отказов (при этом время восстановления принимается равным 1 ч) (табл. 4);
- вариант, предусматривающий обязательное резервирование каналов связи до каждой оконечной точки (при этом время восстановления принимается равным 0,2 ч) (табл. 5).
Влияние на коэффициент готовности магистралей сети среднего времени восстановления объектов. Существующий вариант техобслуживания
Таблица 3
Коэффициенты готовности магистралей Кг у
Магистраль R2-AP1- DreamStation DreamStation ВОЛС * ВОЛС **
F5060 5n-24D* 5n-24D**
Южная 0,98707 0,99252 0,99347 0,99962 0,99977
Северная 0,99279 0,99562 0,99635 0,99786 0,99889
Западная 0,97575 0,98610 0,98772 0,99521 0,99755
Таблица 4
Влияние на коэффициент готовности магистралей сети среднего времени восстановления объектов. Вариант техобслуживания № 1 (обслуживание сети специалистами на местах отказов, восстановление в течение 1 часа)
Магистраль Коэффициенты готовности магистралей Кг у
R2-AP1-F5060 DreamStation 5n-24D* DreamStation 5n-24D** ВОЛС * ВОЛС **
Южная 0,99698 0,99828 0,99845 0,99987 0,99990
Северная 0,99812 0,99886 0,99903 0,99950 0,99971
Западная 0,99590 0,99768 0,99790 0,99936 0,99964
Таблица 5
Влияние на коэффициент готовности магистралей сети среднего времени восстановления объектов. Вариант техобслуживания № 2 (резервирование каналов связи, восстановление в течение 0,2 часа)
Коэффициенты готовности магистралей Кг у
Магистраль R2-AP1- DreamStation DreamStation ВОЛС * ВОЛС **
F5060 5n-24D* 5n-24D**
Южная 0,99934 0,99960 0,99963 0,99991 0,99992
Северная 0,99957 0,99972 0,99976 0,99983 0,99987
Западная 0,99911 0,99946 0,99951 0,99980 0,99986
* На последней миле - только R2-AP1-F5060. ** На последней миле - только DreamStation 5n-24D.
Результаты, представленные в табл. 3-5, позволяют сформулировать следующие выводы:
1. Для Южной магистрали при использовании ВОЛС на магистральных направлениях и средств радиодоступа на последней миле изменений в организации технического обслуживания сети и резервирования каналов связи не требуется. При этом коэффициенты готовности оконечных точек соответствуют требованиям как для существующих сетей связи (Кг = 0,997), так и для сетей связи следующего поколения (Кг = 0,9994) [3]. Расчётное время нахождения оконечной точки в нерабочем состоянии при этом составляет 2-3 часа в год.
2. Для Северной магистрали сети при использовании ВОЛС на магистральных направлениях и средств радиодоступа на последней миле выполняются требования к коэффициенту готовности для существующих сетей (Кг = 0,997). Расчётное время нахождения оконечной точки в нерабочем состоянии при этом составляет 1019 часов в год.
Для выполнения требований к сетям следующего поколения (Кг = 0,9994) необходимо предусмотреть либо техническое обслуживание сети специалистами на местах (расчётное время нахождения оконечной точки в нерабочем состоянии 3-4 часа в год), либо резервирование каналов связи (расчётное время нахождения оконечной точки в нерабочем состоянии 1 час в год).
3. Для Западной магистрали сети при использовании ВОЛС на магистральных направлениях и средств радиодоступа на последней миле требования к коэффици-
енту готовности для существующих сетей (Кг = 0,997) выполняются только при условии использования на последней миле исключительно радиомаршрутизаторов типа Вгеат81а11оп 5п-24Э. При этом суммарное время нахождения оконечных точек в нерабочем состоянии составит 21 час в год.
Для выполнения требований к сетям следующего поколения (Кг = 0,9994) необходимо предусмотреть либо техническое обслуживание сети специалистами на местах, при условии использования на последней миле только радиомаршрутизаторов Вгеат81а11оп 5п-24Э (расчётное время нахождения оконечной точки в нерабочем состоянии составит 3 часа в год), либо резервирование каналов связи (расчётное время нахождения оконечной точки в нерабочем состоянии составит 1-2 часа в год).
4. Снижение значений Кг оконечных точек Западной магистрали объясняется наличием дополнительных радиолинков до последней мили (по одному в Жирятино, Суземке, Мглине и Гордеевке и по два в Сураже и Красной Горе).
5. Численные эксперименты с варьированием расстояния последней мили показали, что разницей в расстоянии можно пренебречь: при изменении расстояния последней мили в несколько раз (в большую или меньшую сторону) величина Кг оконечной точки изменяется в пределах тысячных или десятых долей процента. Объяснить этот результат можно тем, что изменение расстояния последней мили не имеет значения для используемых типов радиомаршрутизаторов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Лозбинев, Ф.Ю. Методика оценки готовности телекоммуникационных сетей органов власти на примере территории Брянской области / Ф.Ю .Лозбинев, А .П. Кобышев //Вестник Брянского государственного технического университета. —2015. —№2. —С. 110-115.
2. Системный проект на создание мультисервисной корпоративной сети на территории Брянской области. — М.: Интеллект Телеком, 2008. —117 с.
3. Назаров, А.Н. Модели и методы расчета показателей качества функционирования узлового оборудования и структурно-сетевых параметров се -тей связи следующего поколения / А.Н.Назаров,
К.И.Сычев. - Красноярск: Поликом, 2010. —389 с.
4. Лозбинев, Ф.Ю. Развитие логико-вероятностного подхода к оценке надёжности корпоративных сетей связи / Ф.Ю.Лозбинев //Вестник славянских вузов.—Тирасполь: Изд-во Приднестр. гос. ун-та, 2015. —С.130-136.
5. Лозбинев, Ф.Ю. Совершенствование методов оценки надёжности мультисервисной корпоративной сети связи на основе логико-вероятностного подхода / Ф.Ю.Лозбинев, Е.В.Колесник, А .А.Гамов //Научно-технический вестник Брянского государственного университета. —2015. —№ 2. —С.52-66.
1. Lozbinev, F.Yu. Procedure of assessment of telecommunications networks readiness of local authorities by the example of Bryansk region/ F.Yu. Lozbinev, A .P. Kobyshev// Bulletin of Bryansk State Technical University. - 2015. - №2. - pp. 110-115.
2. System project for creation of multiservice corporate network in Bryansk region. - M.: Intellect Telecom, 2008. - pp. 117.
3. Nazarov, A.N. Models and Methods for Computation of Functioning Quality Indices in Junction Equipment and Structural-Networks Parameters of Communications Networks of Future Generation/ A .N. Nazarov, K.I. Sychyov. - Krasnoyarsk: Polycom, 2010. - pp. 389.
4. Lozbinev, F.Yu. Development of logic-probabilistic approach to assessment of corporate communications networks reliability / F.Yu. Lozbinev// Bulletin of Slavic Colleges. - Tiraspol: Publishing House of Pridnesrovsky State University, 2015. - pp.130136.
5. Lozbinev, F.Yu. Improvement of assessment methods of multiservice corporate communications networks reliability based on logic-probabilistic approach/ F.Yu. Lozbinev, E.V. Kolesnik, A .A. Gam-ov// Scientific-Engineering Bulletin of Bryansk State Technical University. - 2015. - № 2. - pp. 5266.
Статья поступила в редколлегию 03.03.2016. Рецензент: д.т.н., профессор Брянского государственного технического университета
Аверченков В.И.
Сведения об авторах:
Лозбинев Фёдор Юрьевич, д.т.н., профессор, зав. кафедрой «Математика и информационные технологии» Брянского филиала Российской академии народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации, профессор кафедры «Компьютерные технологии и системы» Брянского государственного технического университета, е-шаП: dpts @ЬгуашкоЬ1.га. Колесник Елена Владимировна, магистрант Брянского филиала Российской академии народно-
го хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации, е-шаП: dpts@bryanskob1.ru.
Гамов Александр Анатольевич, магистрант Брянского филиала Российской академии народного хозяйства и государственной службы при Президенте Российской Федерации, е-шаП: dpts@bryanskob1.ru.
Lozbinev Fyodor Yurievich, D.Eng., Prof., Head of the Dep. of Mathematics and Information Techniques of Bryansk Branch of FSBEI HE "Russian Academy of National Economy and State Service" under the President of the Russian Federation, Prof. of the Dep. "Computer Systems & Techniques" of Bryansk State technical University, e-mail: dpts@bryanskobl.ru. Kolesnik Elena Vladimirovna, undergraduate of the training direction "Applied Mathematics", Bryansk
Branch of FSBEI HE "Russian Academy of National Economy & State Service" under the President of the Russian Federation, e-mail: dpts @bryanskobl.ru. Gamov Alexander Anatolievich, undergraduate of the training direction "State & Municipal Management", Bryansk Branch of FSBEI HE "Russian Academy of National Economy and State Service" under the President of the Russian Federation, e-mail: dpts@bryanskobl.ru.
