CC BY
6
УДК 621.39
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-11-91-99
МЕТОДИКА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННОГО НАПРАВЛЕНИЯ В СЕТИ СВЯЗИ С ПАМЯТЬЮ В УСЛОВИЯХ НЕСТАБИЛЬНОСТИ
ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕМЕНТОВ СЕТИ
С.А. Иванов
В статье представлена методика, предназначенная для обеспечения информационного обмена корреспондентов в сети связи с памятью, в условиях воздействия на сеть преднамеренных и непреднамеренных деструктивных воздействий. Представленное решение основано на обоснованном распределении сеансового потока данных информационного направления по доступным составным каналам связи маршрутов, удовлетворяющих требованиям, с дублированием передаваемых блоков данных в памяти элементов маршрута в течении времени их актуальности.
Ключевые слова: сеть связи с памятью, нестабильность элементов сети, информационное направление, маршрутно-адресная таблица, маршрут передачи данных.
Постановка задачи. Проектное обоснование ресурсов сетей связи общего пользования на этапах их строительства и развития основано на положениях теории массового обслуживания [1] и направлено на максимизацию коммерческой прибыли. Естественным следствием реализации данного подхода является существенное превосходство суммарных потребностей пользователей ресурсов сетей связи. При перегрузках ресурсов элементов сети возникают сбои, приводящие к снижению качества обслуживания пользователей (юридических и физических лиц) или невозможности оказания услуг. Это отрицательно сказывается на деятельности потребителей. Особенно существенными могут быть последствия для критической инфраструктуры [2].
Как правило, перегрузка ресурсов носит временный характер и не возникает единовременно на всех элементах сети, хотя другие элементы могут продолжительное время работать в режиме, предшествующем перегрузке, что обусловливает низкую надежность проходящих через них маршрутов. В таких условиях целесообразно распределять поток данных в информационном направлении по нескольким маршрутам с одновременной буферизацией на транзитных узлах с целью повышения устойчивости информационного обмена.
Представленные обстоятельства обусловливают научную задачу, заключающуюся в обеспечении устойчивости информационных направлений потребителей, функционирующих в условиях нестабильности элементов сети связи с памятью.
Суть методики заключается в последовательном и обоснованном распределении сеансового потока данных по доступным и удовлетворяющим требованиям маршрутам информационного направления взаимозависимость которых не более требуемой (рис. 1), а также хранения, в допустимый временной интервал, блоков данных на транзитных элементах сети связи, включенных в маршруты информационного направления при их сбоях, вплоть до восстановления готовности отказавшего оборудования.
Условия разработки методики - нестабильность характеристик элементов сети связи в результате преднамеренных и непреднамеренных деструктивных воздействий.
Показателем эффективности является вероятность своевременного получения данных в информационном направлении Рпер^ 11 < т^) на требуемом временном интервале ¿у.
Вводимые ограничения:
рассматривается сеть связи с памятью в стационарном состоянии;
корреспонденты информационных направлений не перемещаются.
Принято допущение: памяти элементов сети связи достаточно для хранения передаваемых данных в период, соответствующий требованиям по своевременности [3].
Исходными данными в методики являются:
состав сети связи, включающий О узлов и Ь линий, и структура в виде графа Я = (О,
Ь);
Н категорий данных по различным признакам - вид передаваемых данных, предельное время доставки, приоритет передачи данных и др.;
требования корреспондентов к информационному обмену, которые определяются категорией передаваемых данных, достоверностью передачи, предельным временем доставки (своевременностью - допустимое время (ти) передачи И-ой категории данных, определяемое потребностями корреспондентов, где И = 1, 2...Н;), приоритетом передачи, временем устойчивого функционирования (¿у в течении которого будет обеспечена своевременность передачи данных с вероятностью Рпер) и др.;
требования к маршрутам, устанавливающие порядок применения критериев выбора алгоритма маршрутизации (по виду передаваемых данных, предельному времени доставки, приоритета передачи данных и др.) и определяющие условия выбора алгоритма маршрутизации на текущий сеанс в информационном направлении;
предельный коэффициент сходства маршрутов информационного направления Кстр, позволяющий регулировать степень критичности элементов сети для текущего сеанса информационного направления;
правила распределения блоков сеансового потока данных по удовлетворяющим требованиям маршрутам информационного направления;
Р метрик элементов сети, которые позволяют описать их состояние с достаточным уровнем для принятия решения на формирование маршрутов передачи данных в информационных направлениях в различных условиях;
интервалы обновления данных о метриках элементов сети А^, зависящий от их показателей динамики. Обновление данных в маршрутно-адресных татбицах осуществляется на основе протоколов взаимодействия;
информационные направления корреспондента /ь Места подключения корреспондентов входят в перечень метрик элементов сети;
алгоритм маршрутизации (вариант и критерии работы алгоритмов могут зависеть от категории передаваемых данных, времени их актуальности для корреспондентов, категории защиты передаваемой информации, требований к устойчивости информационного направления и т.д.; алгоритмы маршрутизации могут быть уникальными - разрабатываться заново под конкретную задачу, либо возможно использование известных алгоритмов и их модификаций [4-7]).
ВЛИ^
^К^ корреспондент информационного направления
|-1—п поток данных информационного направления,
'-'—и передающийся к1
фрагмент потока данных информационного | | направления, передающийся к1 по составному
каналу одного из маршрутов
С54
/1
узел связи
линия связи
линия привязки корреспондента
маршрут передачи данных в информационном направлении
Рис. 1. Графическое представление распределения фрагментов потока данных информационного направления, передающихся корреспондентом К1, по составным каналам маршрутов, удовлетворяющих требованиям
Критерием вероятности функционирования информационного направления на требуемом временном интервале являются нормативные значения требований системы управления к связи.
Используемые методы: метод маршрутизации данных в сетях связи с памятью, отказами и перегрузками; методы теории графов; методы теории вероятности.
Описание методики.
Рассмотрим работу методики относительно одного информационного направления, функционирующего на ресурсах сети с имеющейся нагрузкой множества пользователей.
Основные элементы методики представлены блок-схемой (рис. 2, 3).
В блоке 1 задают исходные данные и формируют Р весовых матриц графа сети по соответствующим метрикам с периодом обновления
»Р ( )=( ^ ( ))Ц .1 ,
где d ■ - весовые коэффициенты, учитывающие соответствующую метрику элемента сети. р Я!
На основе данных весовых матриц формируется общая динамическая маршрутно-адресная таблица сети связи
до={А(о, ад.... ад.... ад) .
В блоке 2 корреспонденты информационного направления формируют сеансовый поток данных характеристики которого являются условиями выбора в блоке 3 алгоритма маршрутизации на текущий сеанс, на основе которого в блоке 4 с учетом загрузки ресурсов сети определяют количество М существующих маршрутов в информационном направлении, по которым возможно передавать неделимые составляющие потока данных. Количество маршрутов можно найти пошагово методом динамического программирования, где количество маршрутов будет увеличиваться поэтапно с продвижением по вершинам сети. Количество маршрутов к текущей вершине Мтек будет зависеть только от количества маршрутов к предыдущим вершинам Мпред, ребра которых входят в текущую вершину:
М = У М .
тек / / пред пред
В блоке 5 строят вариационный ряд маршрутов информационного направления по основному показателю их формирования. Для удобства использования вариационного ряда его члены нормируются [8].
В блоке 6 проверяют маршруты информационного направления на критичность для информационного обмена, для чего выполняют действия блоков 7-13 [9].
Цель проверки заключается в исключении между маршрутами информационного направления критических взаимовлияний путем поэтапного исключения маршрутов относящихся к младшим членам вариационного ряда и имеющих превышающий требования коэффициент сходства со старшими членами требуемого, при этом коэффициенты сходства т-го маршрута со старшими, относительно себя, членами вариационного ряда определяется как
У г
Кст =,
Ят
где Кст - коэффициент сходства т-го маршрута с 7-м старшим, 7=1,2...т-1; Гт - совпавший
элемент маршрута, Ят - количество элементов т-го маршрута.
Если любой из вычисленных коэффициентов сходства т-го маршрута превышает Кстр
(УКс"т > Кс^), то в блоке 10 его исключают из множества возможных маршрутов для передачи сеансового потока данных информационного направления.
В блоках 14 и 15 распределяют блоки сеансового потока данных информационного направления по маршрутам, при этом размер блоков определяют в соответствии с минимально допустимым размером для реализуемых на сети технологий и количеством М' маршрутов скорректированного вариационного ряда.
Передают данные в информационных направлениях с их промежуточным дублированием в памяти элементов составных каналов (по методу маршрутизации данных в сети связи с памятью, отказами и перегрузками) на допустимое время ¿доп g с целью обеспечения устойчивости информационного обмена в условиях массовых независимых и зависимых сбоев элементов сети (блоки 16-30) [9]. В случае сбоя очередного элемента в составном канале маршрута в бло-
93
ке 21 проверяют возможность передачи блоков данных по другому маршруту. При этом блоки данных хранят в оперативной памяти в течении допустимого времени их нахождения в очереди (блоки 18, 22) с их дальнейшем переносом (при необходимости) в постоянную память (блок 24). Информации о сохраненных на узлах составных каналов данных систематизируется в формируемой корреспондентской маршрутно-адресной таблице
ад = {As k (0, D2s k (0. •.. Dpsk (0.... Dpsk (t)} , где DpS k(t) - весовая матрица, элементы которой dps k(t) содержат сведения о параметре сохраненных для корреспондента данных.
начало
1
Задают исходные данные, формируют весовые матрицы элементов сети
г 2
Отправитель формирует сеансовый поток данных
г 3
т
Выбирают сеансовый алгоритм маршрутизации
4 "
Определяют количество
I существующих маршрутов в информационном направлении
5
Строят вариационный ряд маршрутов по основному показателю их построения
6
Проверяют маршруты на критичность для информационного обмена по критерию сходства со старшими маршрутами вариационного ряда
7
Принимают i=2
Вычисляют коэффициенты сходства i-го маршрута со старшими, относительно себя, членами вариационного ряда
|ot9J
да
13
Переходят к проверке следующего i=i+1 члена вариационного ряда
10 — Исключают i-й маршрут из вариационного ряда
11
Корректируют вариационный ряд
Определяют размер блоков данных в соответствии с I' количеством маршрутов скорректированного вариационного ряда и минимально допустимым размером для реализуемых на сети технологий
■ 15
Распределяют по заданному правилу блоки сеансового потока данных по маршрутам информационного направления
16
Передают блоки данных по маршрутам
17
Принимают на каждом транзитном узле блоки данных
Г Запоминают блоки данных в оперативной памяти телекоммуникационного оборудования
т
[3J
Рис. 2. Блок схема методики (начало) 94
В постоянной памяти блоки данных хранятся до поступления команды об их удалении или истечении времени их актуальности, что проверяется условием:
Ч < tвg + Ч н + Ч вп , (1)
где ть - присваивается при формировании сеансового потока данных для каждого из Ь блоков данных в соответствии с категорией передаваемых данных (тй), где Ь е [1, В], В - количество
блоков в потоке данных; ¿ь н - вычисляется путем вычитания из текущего времени ¿тек метки времени отправки корреспондентом ¿ь 0 Ь-го блока:
Ч н ^тек
1Ь 0 '
¿ь вп - необходимое время передачи блока данных от текущего узла до получателя измеряется заблаговременно для всех возможных составных каналов связи различных маршрутов каждого транзитного узла.
допустимое
Рис. 3. Блок схема методики (окончание)
При этом допускается, что все последующие элементы сети связи, по заданному маршруту, готовы к передаче блока данных. Исходные данные для формирования таких данных, например, возможно получить на физической сети на основе команды «pmg_» [10, 11];
?в- время подготовки к передаче блока на следующий узел маршрута, получают путем прогнозирования. Для выполнения требований к точности прогнозирования необходимо набрать статистические данные, объем которых позволит выполнить требования к прогнозированию на установленном промежутке времени [12].
В блоке 31 получатель принимает блоки данных и в блоке 32 передает сообщение об успешном приеме блоков данных, что является сигналом для удаления их дублей из памяти узлов связи маршрута. При обнаружении корреспондентом поврежденных блоков данных на основе характеристик Т$к(() принимается решение о передаче необходимых блоков с наиболее выгодных (близких по установленным метрикам алгоритма маршрутизации) узлов связи.
В блоке 33 проверяют степень завершенности сеанса с заданной периодичностью, которая может задаваться на наихудший случай [13], либо оптимизироваться в соответствии с интенсивностью изменения показателей состояния элементов сети [14].
Оценка эффективности методики проведена по двум направлениям: 1. Оценка применения распределенной передачи блоков сеансового потока данных информационного направления.
Примем среднюю вероятность сохранения работоспособности элементов сети ррб г в условиях воздействия внешних дестабилизирующих факторов в соответствии с ГОСТ Р 531112008 [15], по которому Р ^г может принимать значения: Р^г = 0,9, при ущербе ВДФ 10%,
Ррб г = 0,7, при ущербе ВДФ 30%.
Вероятность передачи данных Р1пер при функционировании одного маршрута вычисляется по формуле:
Ят _
Р1 = Р =ТГ Р
пер т ^ ^ рб г ' г=1
где Рт - вероятность работоспособности маршрута передачи данных информационного
направления, Ят - среднее количество элементов сети в маршруте.
При функционировании М1 маршрутов по которым осуществляется распределенная (равномерная) передача блоков сеансового потока данных информационного направления вычисляется по формуле:
Рпер = 1 "П (1 - Рш)'
пер
т=1
где Рт - вероятность работоспособности т-го маршрута.
Зависимость вероятности передачи данных Р от количества М1 маршрутов в ин-
формационном направлении для значений Ррб г по [15] при Ят = 10 приведена на рис. 4.
Начальные точки обеих кривых соответствуют вероятности передачи данных при функционировании одного маршрута в информационном направлении.
2. Оценка эффективности реализации потенциала постоянной памяти телекоммуникационного оборудования узлов связи в процессе передачи блоков сеансового потока данных информационного направления.
Перенос блоков данных в постоянную память телекоммуникационного оборудования при превышении очереди в оперативной памяти обеспечивает их сохранение для последующей передачи в случаях отказов, повлекших отсутствие маршрутов от текущего транзитного узла к корреспонденту-получателю.
Если в процессе передачи, при сбоях вызвавших перенос блоков данных в постоянную память, выполняется условие (1), то вероятность передачи данных стремится к единице Рпер ^ 1. При этом оказываемая информационным направлением нагрузка на пропускную способность С сети связи приблизительно соответствует нагрузке Хт генерируемой в информационном направлении С = Xт .
Если в процессе передачи, при сбоях вызвавших перенос блоков данных в постоянную память, условие (1) не выполняется, то вероятность передачи данных в донном способе стремится к зависимости приведенной на рис. 2. При этом оказываемая информационным направлением нагрузка на пропускную способность С сети связи обратно пропорциональной Рпер нагрузке Хщ генерируемой в информационном направлении, что обусловлено необходимостью повторного запроса блоков данных передача которых произошла с ошибкой С = Хт /Рпер .
1
0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
0 10 20 30 40 50
Рис. 4. Зависимость вероятности передачи данных от количества маршрутов
Научная новизна заключается в том, что в отличии от известных методик разработанная позволяет: повысить вероятность передачи данных в сетях связи с нестабильными характеристиками элементов осуществляется за счет распределения потока данных по всем, удовлетворяющим требованиям, маршрутам информационного направления; снизить время передачи потока данных и нагрузки на пропускную способность простых каналов со стороны информационного направления при возникновении отказов и перегрузок элементов сети осуществляется за счет использования в процессе передачи данных памяти оборудования транзитных узлов. При этом получение корреспондентами необходимых данных осуществляется путем их маршрутизации от наиболее выгодных узлов, определяемых на основе вводимой в методике корреспондентской маршрутно-адресной таблицы, систематизирующей информацию о сохраненных на узлах составных каналов данных.
Таким образом эффект методики определяется снижением степени критичности любого элемента сети связи для функционирования информационного направления, а также сглаживанием пиков нагрузки на элементы сети. Эффективность методики определяется повышением вероятности и снижением времени получения корреспондентом данных информационного обмена в условиях нестабильности элементов сети, а также снижением нагрузки на пропускную способность каналов связи. Данные результаты обеспечиваются путем распределения потока данных информационных направлений по всем возможным маршрутам с дублированием передающихся блоков данных в памяти узлов по мере их продвижения в сети.
Список литературы
1. Кутузов О.И. Моделирование систем. Методы и модели ускоренной имитации в задачах телекоммуникационных и транспортных сетей. СПб: «Лань», 2018. 132 с.
2. Стародубцев Ю.И. Закалкин П.В., Иванов С.А. Структурно-функциональная модель кибепространства // Вопросы кибербезопасности. 2021. № 4: Т. 44. С. 16-24.
3. Иванов С.А., Стародубцев Ю.И., Вершенник Е.В. Теорема о своевременной передаче переменной нагрузки по каналу связи с памятью и отказами // Системы управления, связи и безопасности. 2021. № 5. С. 15-39. DOI: 10.24412/2410-9916-2021-5-15-39.
4. Олифер В., Олифер Н. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 5-е изд. СПб.: Питер, 2016. 992 с.
5. Васин Н.Н. Основы сетевых технологий на базе коммутаторов и маршрутизаторов. Бином. Лаборатория знаний, 2017. 270 с.
6. Стародубцев П.Ю., Сухорукова Е.В., Закалкин П.В. Способ управления потоками данных распределенных информационных систем // Проблемы экономики и управления в торговле и промышленности. 2015. № 3 (11). С. 73-78.
7. Мельник В.С., Горячев А.В. Построение географически-распределенной компьютерной системы и оценка ее надежности // Изв. СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2019. № 5. С. 19-25.
8. Венецкий И.Г. Вариационные ряды и их характеристики. М.: Статистика, 1970.
160 с.
9. Патент 2747092 РФ. Способ передачи данных в сетях связи с нестабильными характеристиками элементов. Ю.И Стародубцев, С.А. Иванов, Вершенник Е.В., Закалкин П.В., Вер-шенник А.В., Васюков Д.Ю., Сергеев С.М. Опубл. 26.04.2021.
10. Таненбаум Э., Уэзеролл Д. Компьютерные сети. 5-е изд. СПб.: Питер, 2017. 960 с.
11. Коммутация и маршрутизация IP/IPX-трафика. М.: Компьютер Пресс, 1998. 320 с.
12. Рабочая книга по прогнозированию / Отв. ред. И.В. Бестужев-Лада. М.: Мысль, 1982.426 с.
13. Патент 2623791 РФ. Способ определения оптимальной периодичности контроля процессов. Синев С.Г., Сорокин М.А., Стародубцев П.Ю., Сухорукова Е.В. Опубл. 29.06.2017.
14. Патент 2718152 РФ. Способ определения оптимальной периодичности контроля состояния сложного объекта. Ю.И Стародубцев, С.А. Иванов, Вершенник Е.В., Вершенник А.В., Закалкин П.В., Шевчук А.Л., Карасенко А.О. Опубл. 30.03.2020.
15. Устойчивость функционирования сети связи общего пользования. Требования и методы проверки // ГОСТ Р 53111-2008. М.: Стандартинформ, 2009. 16 с.
Иванов Сергей Александрович, канд. техн. наук, докторант, sa-ivanov@inbox. ru, Россия, Санкт-Петербург, Военная академия связи им. С.М. Буденного
METHOD OF ENSURING THE FUNCTIONING OF THE INFORMATION DIRECTION IN THE MEMORY COMMUNICATION NETWORK UNDER CONDITIONS OF INSTABILITY OF THE NETWORK ELEMENT'S CHARACTERISTICS
S.A. Ivanov
The article presents method intended to provide information exchange of correspondents in a communication network with memory, in conditions of exposure to the network of intentional and unintentional destructive influences. The presented solution is based on a reasonable distribution of the session data flow of the information direction over the available composite communication channels of routes that meet the requirements, with duplication of the transmitted data blocks in the memory of the route elements during the time of their relevance.
Key words: communication network with memory, instability of network elements, information direction, routing-address table, data transmission route.
Ivanov Sergey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, doctoral candidate, sa-ivanov@inbox.ru, Russia, St.Petersburg, Military academy of communications
