CC BY
95
К ВОПРОСУ УПРАВЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬЮ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Легков К.Е., к.т.н., Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского, constl@mail.ru
Буренин А.Н., к.т.н., доцент, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского, constl@mail.ru
Ключевые слова:
инфокоммуникационная система, качество обслуживания, службы, управление, услуги, эффективность.
АННОТАЦИЯ
Рассматриваются вопросы организации процессов управления ин-фокоммуникационной сетью спе-цильного назначения (ИКС СН) входящих в состав сложных инфокоммуни-кационных систем, обеспечивающих поддержание на требуемом уровне показателей качества обслуживания спецпользователей и направленных на непосредственное изменение параметров, определяющих качественные показатели функционирования ИКС СН - процессов управления эффективностью. Целью является формирование моделей и процедур управления эффективностью ИКС СН, которая достигается путем рассмотрения ИКС СН как объекта управления, представления ее в виде многоуровневой модели, каждый из уровней которой предоставляет соответствующие услуги, характерные для данного уровня. Показано, что для выполнения задач, возлагаемых на ИКС СН, особенно в условиях силового и информационного противоборства, требуется чтобы она предоставляла обоснованный ранжированный перечень гарантированных услуг связи соответствующих служб: телефония, передача данных (ПД), электронная почта (ЭП), файловый обмен (ФО), видеоконференцсвязь (ВКС) и т.д. требуемого качества, для чего необходимо решить многокритериальную оптимизационную задачу. Сделан вывод о том, что многоуровневое управление ИКС СН в сложных условиях невозможно без гибкого оперативного
распределения предоставляемых спецпользователям услуг в реальном масштабе времени. При этом обеспечение гибкости, масштабируемости и возможности наращивания номенклатуры требуемых услуг при управлении ИКС СН невозможно без рациональной организации процедур управления комплексом предлагаемых услуг. На основе выбора качественных показателей и критериев эффективности функционирования ИКС СН предлагаются постановки задач управления, обеспечивающих функционирование ИКС СН с требуемыми показателями качества обслуживания, и выявление необходимых условий для построения основных механизмов решения частных задач управления, совокупность которых гарантирует формирование механизмов решения основной задачи - управление эффективностью ИКС СН. Введенное понятие состояние управления ИКС СН, позволившее достаточно строго рассмотреть варианты достижения целей, поставленных перед ИКС СН, и связать их с процедурами управления, а также сформулировать ряд оптимизационных задач для создания процедур оптимального управления эффективностью ее функционирования. Основными результатами являются полученные механизмы и процедуры управления эффективностью ИКС СН, которые могут служить базой для создания конкретных алгоритмов управления и соответствующего специального программного обеспечения комплексов средств автоматизации АСУ ИКС СН.
Инфокоммуникационные сети специального назначения как объект управления
Телекоммуникационные и инфокоммуникационные сети специального назначения в соответствии с Законом РФ «О связи» [1] предназначены для предоставления требуемых услуг связи пользователям структур для нужд обороны, безопасности государства и поддержания правопорядка спецпользователям.
Функционирование инфокоммуникационных сетей специального назначения (ИКС СН) осуществляется в сложных условиях, когда возможны различные структурные и информационные воздействия, носящие в значительной степени предумышленный характер [2-4], предполагает гибкое оперативное изменение их структуры и организацию управления ими в реальном масштабе времени. При этом необходимые гибкость, масштабируемость и возможность наращивать номенклатуру требуемых услуг обеспечивают построение ИКС СН в соответствии с концепцией глобальной информационной инфраструктуры (СМ) [5, 6] и широкое применение современных информационных, телекоммуникационных технологий и технологий управления рис. 1.
Услуги, предоставляемые ДЛ органов управления, спецпользователям систем управления и прикладным процессам средств автоматизации ПУ АСУ - 1Р-телефония, ПД, ЭП ,ФО, ВКС и пр.
Сервера служб ИКС СН
Услуги инфраструктурного уровня ИКССН.
Услуги промежуточного уровня ИКС СН
Услуги базового уровня ИКС СН (сети связи, приложения пользовател] ПУАСУ)
Объектовая сеть
Биллинг аренда Безопасность Поиск Аутентификация
Объектовая сеть
Объектовая сеть4
Рис.1. Многоуровневая архитектура современных ИКС СН
Несмотря на сложность обеспечения функционирования ИКС СН в сложных (подчас конфликтных) условиях [2-4], требуется, что бы она была способна передать требуемый объем информации с гарантированным качеством от одних индивидуальных или корпоративных спецпользователей к другим спецпользователям во время интенсивных структурных и информационных воздействий на программно-аппаратные комплексы и оборудование как самой ИКС СН, так на автоматизированную систему управления ею (АСУ ИКС СН), что предопределяют разработку специальных подходов к организации управления ИКС СН.
В настоящее время известно значительное число способов организации управления сетями и услугами [7 9], кото-
рые не всегда применимы и эффективны при управлении ИКС СН в силу ее сложности и мультисервисности. Поэтому, и с учетом того, что архитектура современных ИКС СН содержит три основных уровня (рис. 1), управление ею также целесообразно организовать по трем уровням управления: управление инфраструктурным уровнем, управление промежуточным уровнем, управление базовым уровнем ИКС СН, на каждом из которых процессы управление осуществляются по пяти основным задачам, к которым относятся задачи управления производительностью уровня, безопасностью, структурой и адресацией, ресурсами уровня и сбойными ситуациями.
При этом каждый уровень архитектуры ИКС СН целесообразно представить сетевыми моделями:
- инфраструктурный уровень целесообразно представить совокупностью сетей услуг (каждая сеть представляет собой множество узлов услуг или серверов услуг, связанных виртуальными каналами с определенной пропускной способностью), при этом спектр услуг, которые предлагаются в рамках этого уровня ИКС СН, достаточно широк и может динамически меняться вместе с изменением доступных ресурсов и условий функционирования;
- промежуточный уровень целесообразно представить совокупностью сетей услуг middleware, каждая из которых представляет собой множество соответствующих серверов (сервера безопасности, аутентификации и т.д.), связанных виртуальными каналами с определенной пропускной способностью, при этом компоненты услуг уровня используются, прежде всего, для обеспечения межсетевого взаимодействия и совместного функционирования нескольких приложений средств управления и спецпользователей, позволяя объединять компоненты услуг базового уровня и поддерживать инфраструктуру, которая необходима для предоставления всего набора услуг;
базовый уровень достаточно просто представляется сетевой моделью, т.к. фактически представлен совокупностью транспортной сети, сетей доступа и сетей традиционной связи (телефонная сеть, сеть передачи данных и т.д.).
При представлении каждого уровня сетевой моделью, управление на каждом уровне ИКС СН целесообразно осуществлять по пяти основным задачам сетевого управления, к которым относятся задачи управления производительностью сети уровня, безопасностью, структурой и адресацией, ресурсами сети уровня и сбойными ситуациями, рис. 2.
I
Управление ИКС СН
Управление инфраструктурным уровнем ИКС СН:
- управление производительностью инфраструктурного уровня ИКС СН;
- управление безопасностью инфраструктурного уровня ИКС СН;
- управление структурой и адресацией инфраструктурного уровня ИКС СН;
- управление ресурсами инфраструктурного уровня ИКС СН;
- управление сбойными ситуациями инфраструктурного уровня ИКС СН.
Управление уровнем middleware ИКС СН:
управление производительностью уровня middleware ИКС СН; управление безопасностью уровня middleware ИКС СН; управление структурой и адресацией уровня middleware ИКС СН; управление ресурсами уровня middleware ИКС СН; управление сбойными ситуациями уровня middleware ИКС СН.
4
Управление базовым уровнем ИКС СН: управление производительностью базового уровня ИКС СН; управление безопасностью базового уровня ИКС СН; управление структурой и адресацией базового уровня ИКС СН; управление ресурсами базового уровня ИКС СН; управление сбойными ситуациями базового уровня ИКС СН.
Рис.2. Архитектура задач управления ИКС СН
Из всех процессов управления, каждый из которых в той или иной степени влияет на эффективность ИКС СН, непосредственно влияют на параметры, отражающие ее качественные характеристики, только процессы управления производительностью каждого из трех уровней, т.е. управление эффективностью ИКС СН представляет собой композицию процессов управления производительностью инфраструктурного, middleware и базового уровней.
Процедуры управления эффективностью ИКС СН
Функционирование ИКС СН с определенными качественными показателями, при которых ее основные цели выполняются, характеризуются определенным состоянием
управления S [10], при этом все состояния управления, которые могут встречаться в процессе управления ИКС СН, можно подразделить на два подмножества - управляемых, при которых заданная цель ИКС СН CICN всегда достигается, и неуправляемых, когда эта цель ClCN не достигается.
Обозначим {S} множество всех возможных состояний управления S, встречающихся в процессе управления ИКС СН. Пусть {S г} - подмножество множества состояний управления {5"}, где ИКС СН неуправляема, т.е. не все цели из С = {С/сд,} достигаются, a {Ss} - подмножество состояний управления, где ИКС СН управляема, т.е. все цели из С = {С/ГЛ,} достигаются.
Очевидно,что
{S»}U{Sr} = {5}. (1)
Каждому элементу множества {5"} целесообразно поставить в соответствие число, не превышающее 1 из множества P{S}, которое определяет вероятность появления этого состояния S. В силу чрезвычайной сложности ИКС СН число элементов множества {5"} настолько велико, что под P{S} допустимо понимать плотность вероятности, т.е.:
j>{S} clS = 1 • (2)
s
Соотношение (2) определяет, что вне области {S} не могут встретиться реальные состояния управления ИКС СН S .
Для выполнения целей при управлении эффективностью ИКС СН необходимо соответствующим образом (с помощью управления) изменить состояние управления Sc = F(UCZC), которое зависит от управления Uc и совокупности внешних воздействий на ИКС СН Zc. При выборе определенного управления Uc/ics получается вполне конкретное качество обслуживание спецпользователей, т.е. вполне определенное значение качественных показателей
функционирования ИКС СН Q(.....а это приводит к некоторой экстремальной задаче:
тах , (3)
Решение этой экстремальной задачи некоторое управление ис/;с.5, являющееся оптимальным управлением эффективностью ИКС СН. В этом решении использована модель ИКС СН и учтен ресурс, выделяемый на управление 2 .
Многоуровневое управление ИКС СН в сложных условиях невозможно без гибкого оперативного распределения предоставляемых спецпользователям услуг в реальном масштабе времени. При этом обеспечение гибкости, масштабируемости и возможности наращивания номенклатуры требуемых услуг при управлении ИКС СН невозможно без рациональной организации процедур управления комплексом предлагаемых услуг.
Для выполнения конкретной задачи в различных сложных условиях ПУ АСУ требуется определенное соотношение предоставляемых гарантированных услуг связи, которое обеспечивает тот или иной уровень эффективности функционирования ИКС СН, определяемых в плоскости предоставляемых услуг, в конечном счете, значениями показателей качественного функционирования соответствующих служб ИКС СН (1Р-телефония, ПД, ЭП, ФО, ВКС и пр.), т.е. соответственно £>„,/ф5(?т Яш. С2п . Яукх ■
~ I (£?Д>гф' От. Огм 0 п. Он;'-.
), (4)
где 0(1) — /-я задача.
Таким образом, необходимо решить многокритериальную задачу по такой организации управления услугами ИКС СН (совокупности предоставляемых услуг спецпользователям - ДЛ и прикладным процессам ПУ АСУ), которая обеспечит экстремум показателю эффективности функционирования ИКС СН при проведении 0(1) задачи, т.е.:
ех1гОХ: = ехХг[/""Ш„,ГФ, 0Ш (_)п )]. (5)
В принципе, эта задача может быть решена методами многокритериальной оптимизации по Парето (решением задачи оптимизации является множество Парето) [11].
Каждая служба ИКС СН при проведении 0{1) задачи должна обеспечить соответствующим объектам АСУ определенный уровень услуг связи, который требует соответствующей организации этой службы. В условиях функционирования служб при конфликте их параметры, в общем случае, являются случайными величинами, а случайное время предоставления соответствующей услуги, может быть получено при рассмотрении основных схем информационного взаимодействия и будет равно сумме случайного числа случайных значений времен проведения технических операций по получению и предоставлению конкретному пользователю (ДЛ или прикладному процессу ПУ АСУ) соответствующей услуги связи:
Nou,
fou) _ у Aj) (<5)
Servis / j texoper '
7=1
где t(JJ — /-я техническая операция по получению и предоставлению соответствующей услуги связи.
Для приведенных основных служб ИКС СН могут быть получены соответствующие выражения:
N,pnom
то( 0 = у tu) . (7)
11РТФ tex о/РТФ 1 '
7=1 NeD0,„
тоа) = у . (8)
1 PD 'texoPD 1 '
7=1
N^'om
r0(i) = У • (9)
^ Чех о EM 1 '
7=1
Nn\Hh
tft= z n°)
7=1
7°'"= V /<" . (11)
JttS texoVKS 1 '
y=i
Вместе с тем, учет случайного числа технических операций по предоставлению соответствующей услуги связи ИКС СН достаточно сложно организовать, поэтому, учитывая, что для большинства используемых служб при организации обслуживания дисперсия случайного числа технических операций невелика, то целесообразно использовать величину среднего значения числа операций Nov), т.е.
-ЛТФ
N out
тои) = у (U) . (12)
11РТФ tex о1РТФ 1 '
1=1
nfd 7=1
—ЕМ А' 04)
Тои> = у t'n ■ (14)
1 ЕМ ЧехоЕМ 1 '
7=1
Л' от
7=1 N от
TOU) у А,) (16)
1VKS ¿_i 'texoVKS Х '
7 = 1
Как правило, для каждой технической операции длительностью tlJ) t}J) „г,/ t(,J) t\i}r, ,.„c может
tex о1РТФ ' tex uPD ' tex oEM ' tex oh / ' tex и IKS
быть задана функция распределения случайного времени ее проведения F<Т^о1РТф), F(t^oPD <T^oPD),
p(fU) <т(7> \ rr(fU) <pj) \ F(fU) <т<л \
1 \ЧехоЕМ texoEM ) ' 1 \ЧехoFT ~ 1 texoFT ) ' 1 \Чех oVKS ~ 1 tex oVKS ) '
при этом применяя преобразование Лапласа-Стильтьеса (ПЛС) [12] к выражениям (12) (16), можно получить вид функций распределения случайных времен Т"р(рф, Т^1',
Т^;', Т°т{1>, Т'.^,;' либо непосредственно, либо на основе
четырехмоментной аппроксимации с последующим применением семейства распределений Пирсона [12].
Выбор критериев эффективности стратегий управления ИКС СН не может быть формализован и базируется на результатах обоснования основных показателей эффективности ее функционирования. Так если выбраны такие свойства ИКС СН как P{t<tяgJ (вероятность своевременной предоставления соответствующей услуги и Т*Д (среднее время
предоставления услуги), то в качестве критериев оптимальности выработанного плана управления услугами, нужно выбирать такие, которые бы производили учет этих параметров при формировании плана управления, а процедура управления услугами в ИКС СН позволяла формировать план управления по максимальному значению оценки Велите*
чины гсд=Р[\ <\яоп} или минимальному значению величины < /*пап . Естественно, что тогда в качестве показателя эффективности плана управления выбирается Р*д или , а
правило выбора плана управления будет состоять в выборе исходящего направления в соответствии с критерием максимального Р\ или минимального значения инее? д — О Ооп
формации агрегированной по конкретному показателю эффективности ИКС СН, представленной в виде матриц
Р*(0 = |^(0| илит•
При выборе критерия оптимальности плана управления необходимо учитывать и степень сложности получения численного значения соответствующего показателя. Так получение достоверной (состоятельной) оценки вероятности своевременного предоставления услуги для всей ИКС СН представляет собой задачу достаточной сложности, практическое выполнение которой потребует значительных временных и вычислительных затрат и, самое главной, не позволяет использовать эти значения при организации оперативного управления эффективностью ИКС СН. Это же справедливо и для такого показателя эффективности как вероятность отказа в предоставлении услуги, вероятность отказа в обслуживании полного требования и т.д.
В этом плане выбор показателя более предпочтителен и для каждого фрагмента ИКС СН с однотипными технологиями формируются частные планы управления '/' е Г , в качестве критериев оптимальности которых,
выбираются либо Т^ = \rnin (/а*,)|, либо Т^ = \rnin (г'усту)|.
При этом возможны два варианта применения этих критериев при построении плана управления эффективностью.
Первый вариант представляет собой непосредственное построение планов управления в ИКС СН по выбранному показателю . Он предусматривает уточнение текущих
оценок показателей Т*Д = или Тд =|^,„,„/| ПРИ обслуживании каждого спецпользователя после успешно обслуженного требования. Вместе с тем данный вариант в явном виде не учитывает структурные изменения в ИКС СН в
результате воздействий. Поэтому для оперативной реакции на них при управлении эффективностью ИКС СН необходимо вводить соответствующие механизмы управления/ которые блокируют на время восстановления вычисление оценок средних значений величин или ^устке}.
Второй вариант связан с получением аналитических выражений для средних времен обслуживания. Действительно среднее время обслуживания зависит от среднего времени задержки его на каждом узле услуг ИКС СН, среднего времени его непосредственного обслуживания, от длины трассы обслуживания, измеренной в числе обслуживаемых участков и времени передачи требования на трассе обслуживания.
Время обслуживания будет величиной случайной. Пусть известны вероятности соответствующих состояний узлов обслуживания ИКС СН Р.орс),....Р.г(ф..Р.п(^,...Р.В соответствии с этим задержка обслуживания возникает только тогда, когда вновь поступившее требование застанет все каналы обслуживания соответствующего узла услуг ИКС СН занятыми. Тогда среднее время задержки и обработки обслуживания на узле услуг ИКС СН составит:
П7)
Полученные аналитические выражения для средних времен обслуживания выделяют те параметры плана управления эффективностью ИКС СН, которые влияют на качество обслуживания. Так, чем меньше в трассе обслуживаемых узлов услуг, тем при прочих равных условиях меньше среднее время обслуживания. То есть, выделен один из параметров, непосредственно влияющий на механизм управления — это число обслуживаемых узлов услуг в трассе обслуживания. Среднее время обслуживания зависит также от времени задержки обслуживания на каждом узле услуг -это второй параметр. Пропускная способность каналов и
трактов - третий параметр, определяющий формирование плана управления.
Таким образом, исходя из определенного существенного свойства ИКС СН - среднего времени обслуживания спецпользователей, возможно выделить параметры (показатели), по которым необходимо осуществлять оптимизацию плана управления эффективностью и строить исходя из этого стратегию и процедуры управления методами многокритериальной оптимизации либо по Парето, либо скаляризацией и получением одного интегрального показателя [11].
Литература
1. Легкое К.Е. О некоторых подходах к повышению эффективности системы управления в рамках изменения подхода к автоматизации и информации // Мобильные телекоммуникации. — 2013. - №7. - С.48.
2. Легков К.Е. Основные теоретические и прикладные проблемы технической основы системы управления специального назначения и основные направления создания инфокоммуникационной системы специального назначения // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2013. -Т.7, №6. - С. 42-46.
3. Легков К.Е. Процедуры и временные характеристики оперативного управления трафиком в транспортной сети специального назначения пакетной коммутации // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. -2012. -Т.6, №6.-С. 22-26.
4. Легков К.Е., Донченко A.A. Вероятность потери пакета в беспроводных сетях со случайным множественным доступом к среде передачи // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. -2011. - Т.5, №5. - С.32-33.
5. Легков К.Е., Донченко A.A., Садовое В.В. Современные технологии беспроводного широкополосного доступа 802.1 6Е и LTE: перспективы внедрения на транспорте // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2010. - Т.4, №2. - С.30-32.
6. Легков К.Е., Донченко A.A. Беспроводные MESH сети специального назначения // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. -2009. - Т.З, №3. - С.36-37.
7. Легков К.Е., Донченко A.A. Анализ систем передачи в сетях беспроводного доступа // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2009. - Т.З, №2. - С.40-41.
Г?
QUESTION OF EFFICIENCY CONTROL IN SPECIAL PURPOSE INFOCOMMUNICATION SYSTEMS
Legkov K.E., Military space academy of a name A.F. Mozhayskogo, deputy chief of chair of technologies and means of technical providing and operation of automated control systems (armies), Candidate of Technical Sciences, constl@mail.ru
Burenin A.N., Military space academy of a name A.F. Mozhayskogo, associate professor of technologies and means of technical providing and operation of automated control systems (armies), Candidate of Technical Sciences, associate professor, constl@mail.ru
Abstract
Questions of the organization of management processes by an info-communication network of a special purpose (ICN SP) the difficult infocommunication systems which were a part providing maintenance at demanded level of indicators of quality of service of specialusers and directed on direct change of parameters, defining quality indicators of functioning ICN SP ? management of efficiency are considered. The purpose is formation of models and procedures of management by efficiency ICN SP which is reached by consideration ICN SP as object of management, its representations in the form of the multilevel model, each of which levels provides the corresponding services, characteristic for this level. In article it is shown that for performance of the tasks assigned to ICN SP, especially in the conditions of a power and information antagonism, it is required that it provided the reasonable ranged list of the guaranteed communication services of the relevant services: telephony, the data transmission (DT), the e-mail (EM), the file exchange (FE), video conferencing (VC) of, etc. demanded quality for what it is necessary to solve a multicriteria optimizing problem. The conclusion that multilevel management ICN SP in difficult conditions is impossible without flexible expeditious distribution of services provided to specialusers in the real scale of time is drawn. Thus ensuring flexibility, scalability and possibility of building of the nomenclature of demanded services at management ICN SP is impossible without the rational organization of procedures of management of a complex of offered services. On the basis of a choice of quality indicators and criteria of efficiency of functioning ICN SP statements of problems of the management providing functioning ICN SP with demanded indicators of quality of service, and identification of necessary conditions for creation of the main mechanisms of the solution of private problems of the management which set guarantees formation of mechanisms of the solution of the main objective - management of efficiency ICN SP are offered. The entered concept a condition of management ICN SP which has allowed rather strictly to consider options of achievement of the objectives, put before ICN SP and to connect them with management procedures, and also to formulate a number of optimizing tasks for creation of procedures of optimum control by efficiency of its functioning. The basic results are the received mechanisms and procedures of management by efficiency ICN SP which can form base for creation of concrete algorithms of management and the corresponding special software of complexes of means of automation of management information system ICN SP.
Keywords: information communication system, quality of service, service, management, services, efficiency.
References
1. Legkov, K 2013, 'About some approaches to increase of system effectiveness of control within change of approach to automation and information', Mobile telecommunications, no. 7, p. 48.
2. Legkov, K 2013, 'Main theoretical and application-oriented problems of a technical basis of management system of a special purpose and main directions of creation of infocommunication system of special assignment', T-Comm: Telecommunications and transport, vol. 7, no. 6, pp. 42-46.
3. Legkov, K 2012, 'Procedures and time response characteristics of operational management of traffic on the transport network of a special purpose of package switching', T-Comm, vol. 6, no. 6, pp. 22-26.
4. Legkov, K & Donchenko, A 2011, 'Veroyatnost of loss of a packet on the wireless networks with accidental multiple access to the environment transmission', T-Comm, vol. 5, no. 5, pp. 32-33.
5. Legkov, K & Donchenko, A & Sadovov, V 2010, 'The modern technologies of broadband wireless access 802.16E and LTE: implementation perspectives on transport', T-Comm, vol. 4, no. 2, pp. 30-32.
6. Legkov, K & Donchenko, A 2009, 'Wireless MESH networks of a special purpose', T-Comm, vol. 3, no. 3, pp. 36-37.
7. Legkov, K & Donchenko, A 2009, 'The analysis of transmission systems on networks of wireless access', T-Comm, vol. 3, no. 2, pp. 40-41.
