Методика синтеза структуры транспортной сети телекоммуникационной системы Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 004.735

В. М. Соколов, С. А. Ясинский

МЕТОДИКА СИНТЕЗА СТРУКТУРЫ ТРАНСПОРТНОЙ СЕТИ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

В статье предложена методика синтеза транспортной сети телекоммуникационной системы, отличительными особенностями которой являются: нахождение вершиннонезависимых путей между корреспондирующими парами узлов; использование для распределения пропускной способности модели базового квазиравномерного распределения нагрузок и ресурсов с использованием «золотой» геометрической прогрессии; взаимосвязанный учет коэффициента связности информационных потоков, сигналов тактовой сетевой синхронизации и сигналов системы единого времени.

транспортная сеть, телекоммуникационная система, сеть WAN.

Введение

В практике проектирования и эксплуатации телекоммуникационных систем (ТКС) существует ряд проблем, обусловленных необходимостью оценки различных локальных и глобальных характеристик конструктивнотехнического, технологического, эксплуатационного и экономического характера. Данные проблемы концентрируются в задачах анализа и синтеза ТКС. Задача анализа требует по известным конструктивно-техническим и технологическим характеристикам сети определить величины эксплуатационных и экономических показателей. Задача синтеза подразумевает определение с учетом ограничений конструктивно-технических и технологических характеристик сети, обеспечивающих требуемые значения эксплуатационных характеристик при оптимизации экономических показателей либо показателей устойчивости ТКС [1].

Характеристики и показатели качества функционирования транспортной сети (ТС) ТКС в условиях воздействия дестабилизирующих факторов будут определять требования к устойчивости, пропускной способности, управляемости и ресурсопотреблению. Для обеспечения требуемых характеристик и показателей качества функционирования ТС ТКС определяющее значение имеет ее структура, для построения которой нужен значительный расход ресурсов, что делает необходимым разработку соответствующей методики.

114

1 Постановка задачи синтеза структуры транспортной сети

Сложность решения задачи синтеза ТС ТКС обусловила выделение ряда этапов в алгоритме ее решения на стадии системного проектирования [1], [2]:

- подготовительный этап и формирование исходных данных;

- определение топологической структуры ТС ТКС (основных структурных свойств сети), для чего в основном используются эвристические методы либо методы, сочетающие формальный и эвристический подход вследствие сложности формализации условий реализуемости узловой основы;

- оптимизация линейной основы, включающая определение пропускных способностей линий передачи ТС ТКС, а также выбор и распределение технических средств (систем передачи) на линиях передачи с учетом обеспечения требований по структурно-потоковой устойчивости (СПУ) и по пропускной способности для корреспондирующих пар локальных сетей (КП ЛС);

- назначение процедур управления сетью;

- разработка программного и математического обеспечения;

- экономические расчеты.

Этап системного проектирования (синтеза) и предшествующий ему подготовительный этап являются наиболее важными в процессе проектирования и построения ТС ТКС, так как ошибки моделирования, допущенные на ранних стадиях создания систем, как правило, приводят к их существенному росту на более поздних этапах [2].

Следовательно, задача синтеза структуры ТС ТКС должна включать:

- максимизацию показателя устойчивости на подготовительном этапе синтеза ТС, представленного в векторном виде через функцию от надежности (Нтр), живучести (Жтр) и помехоустойчивости (Птр), то есть Утр =

= f (Н*, Жур, ГрР);

- определение топологической структуры ТС, которая может быть представлена в виде графа G(А, В), где А = {a.}, i = 1,N, - множество вершин графа, соответствующее узловой основе; В = {bqiJ-},i, j = 1,N, i ф j,q = 1,3, -множество ребер графа, представляющих линейную основу;

- определение потоковой структуры сети, представленной графом G(A, В, U), где U = {uqij},i, j = 1,N,i ф j,q = 1,3, - множество пропускных способностей и которые соответствуют пропускным способностям множества ребер bqj, i, j = 1, N, i ф j, q = 1,3;

- расстановку систем передачи.

Топологическая и потоковая структуры ТС реализуются с помощью линейного Ry (А ) = {rv , v = 1,Qy } и узлового RJ1 (В) = {rц , ц = 1, Qл } ресурсов сети, где f - тип оборудования сетевого узла, обеспечивающего коммутацию информационных потоков на различных уровнях; гц - тип системы переда-

115

чи, который характеризуется обеспечиваемой пропускной способностью и*. системы передачи.

В качестве целевой функции задачи синтеза транспортной сети целесообразно использовать функцию, характеризующую расход сил и средств на ее построение. Минимизация целевой функции производится с учетом требований системы связи к транспортной сети по качеству, инвариантности к различным состояниям, устойчивости и пропускной способности, а также с учетом ограничений, связанных с топологической и физической реализуемостью ТС ТКС:

I n

W(R(Б), R(Л)) = £W(r*) + £W(rv) ^ min;

1 1 S

• Y(R,) = {y. (r*); i, J = UN, * = Щ"}; ксв opt = max min Kcb (R, fc),

V

где W(rv) - приведенная стоимость расхода сил и средств на развертывание (аренду) оборудования сетевых узлов; W(r*) - приведенная стоимость расхода сил и средств на развертывание (аренду) систем передачи; Y(RJ - ограничения, связанные с топологической и физической реализуемостью ТС; y (r*) = 1 -если между узлами а. и а. возможно использование r* системы передачи, y (r*) = 0 - в противном случае; Ксв - коэффициент связности ТС ТКС; S = = {S } - множество стратегий построения ТС; F = {fc} - множество стратегий злоумышленника.

2 Методики синтеза топологической и потоковой структуры транспортной сети

Методика синтеза структуры ТС ТКС декомпозирована на методику синтеза топологической структуры и методику синтеза потоковой структуры, которым предшествует подготовительный этап к синтезу. На заключительном этапе синтеза производится выбор и распределение систем передачи на сети с учетом обеспечения требований по СПУ [1], [2].

Для обеспечения СПУ ТС задается требуемое число вершинно-независимых путей передачи информационных потоков, которое учитывается в виде коэффициента связности, совместно с учетом коэффициентов связности системы тактовой сетевой синхронизации (СТСС) и системы единого времени (СЕВ), которые определяются количеством реберно-независимых остовных деревьев.

116

Общая схема методики синтеза структуры ТС приведена на рисунке 1.

На рисунке 1 обозначены: А - множество вершин графа, соответствующее узловой основе ТС; В - множество ребер графа (линейная основа); Z -полюсы сети, которые представляют собой КП ЛС; V - потребности КП ЛС по образованию потоков информации; Ксв - коэффициент связности информационного направления, который выражается числом вершинно-независимых путей передачи информационных потоков; КсвСТСС, КсвСЕВ - коэффициенты связности СТСС и СЕВ, которые характеризуют число реберно-независимых путей передачи синхросигнала и сигнала единого времени соответственно; U - пропускная способность множества ребер; У - структурная устойчивость ТС; Ry = (А) - линейный ресурс сети; R/B) - узловой ресурс сети.

На подготовительном этапе к синтезу структуры ТС производится ее декомпозиция на ряд уровней структурно-физической реализуемости с последующей максимизацией показателя устойчивости, представленного в векторном виде через функцию от надежности, живучести и помехоустойчивости [1].

Подготовительный этап к синтезу структуры ТС ТКС |

Декомпозиция подуровня опорной сети ТС ТКС на ряд уровней структурно-физической реализуемости (СФР) .

1 ■

Повышение устойчивости в рамках каждого уровня СФР .

Этап синтеза структуры ТС ТКС

Синтез топологической структуры ТС ТКС G (А, Б)

Определение множества путей между всеми КП ЛС ПУ на канальном уровне с помощью модифицированного алгоритма Йена

Нет

Определение топологии физического уровня с помощью суперпозиции множества путей между КП ЛС

I

Определение реберно-независимых остовных деревьев с помощью модифицированного алгоритма Прима для построения СТСС и СЕВ

Нет

Определение множества виртуальных путей между КП ЛС на сетевом уровне с помощью модифицированного алгоритма Йена по критерию минимума задержки

Исходные данные: А, В, Z,

v к‘р к*р к*р

z,’ св z,’ свСТСС’ га СЕВ

Синтез потоковой структуры ТС ТКС G(A,B,U,Y)

Распределение ресурса пропускной способности КП ЛС в соответствии с базовой моделью распределения ресурсов

Определение пропускных способностей ребер

G (А, В, U)

Распределение систем передачи G(A, В, U, У, Ял, Яу)

Частичное использование методики на этапе эксплуатации ТС ТКС

Рис. 1. Общая схема методики синтеза структуры ТС ТКС

117

Синтез топологической структуры ТС на физическом уровне осуществляется путем суперпозиции кратчайших вершинно-независимых путей между КП ЛС, полученных с помощью модифицированного алгоритма Йена на канальном уровне, в соответствии с заданными коэффициентами связности для информационных направлений.

Модифицированный алгоритм Йена для поиска кратчайших вершиннонезависимых путей представлен на рисунке 2.

На рисунке 2 обозначены: as - вершина-источник; а( - конечная вершина; D(x) - длина пути до вершины ах из источника as; w (i, j) - длина ребра, - требуемый коэффициент связности информационных потоков.

Отличительной особенностью модифицированного алгоритма Йена является нахождение вершинно-независимых путей между КП ЛС согласно заданному коэффициенту связности информационного направления. Для сравнения результатов применения предложенного модифицированного алгоритма Йена с результатами известных работ [2]-[4] введен коэффициент относительной структурной устойчивости у. Данный коэффициент определяется как отношение количества узлов (Na), необходимых для разрыва всех путей между КП

Na. . ----

ЛС, к общему количеству путей между ними (Nn ), то есть у =-—, i = 1, N,

n

жщ

где nst - путь от локальной сети пункта управления-источника (s) к локальной сети пункта управления-стока (t), которые составляют КП ЛС.

Результат сравнения модифицированного алгоритма Йена с алгоритмом поиска реберно-независимых путей и алгоритмом Йена по критерию максимума коэффициента относительной структурной устойчивости у приведен в таблице.

Для предложенного модифицированного алгоритма Йена у = 1, то есть выход из строя одного узла или ребра приводит к разрыву не более чем одного пути. Для алгоритма нахождения реберно-независимых путей и алгоритма Йена у < 1, то есть выход из строя одного узла или ребра приводит к разрыву более чем одного пути.

Структура, полученная путем суперпозиции кратчайших вершиннонезависимых путей между КП ЛС на канальном уровне, является основой для поиска реберно-независимых минимальных остовных деревьев, число которых задано коэффициентами связности для СТСС и СЕВ. Коэффициенты связности для СТСС и СЕВ характеризуют число реберно-независимых путей передачи синхросигнала и сигнала единого времени соответственно.

Реберно-независимые минимальные остовные деревья определяются с помощью модифицированного алгоритма Прима. Модификация алгоритма Прима заключается в многократном применении алгоритма Прима на графе, из которого исключаются ребра предыдущих минимальных остовных деревьев. Далее определяется топологическая структура на сетевом уровне ТС.

118

Начало

Рис. 2. Модифицированный алгоритм Иена

119

ТАБЛИЦА. Результат сравнения модифицированного алгоритма Йена с алгоритмом поиска реберно-независимых путей и алгоритмом Йена по критерию максимума коэффициента относительной структурной устойчивости у

Алгоритм Все пути Три пути

Модифицированный алгоритм Йена у = 1 у = 1

Алгоритм поиска реберно-независимых путей у = 0,6 1^ o' II

Алгоритм Йена у = 0,375 со ГО II

Синтез потоковой структуры включает этап определения пропускной способности ребер и этап обеспечения требуемой устойчивости за счет выполнения взаимосвязанных требований по СПУ для информационных потоков, СТСС и СЕВ в условиях преднамеренных воздействий.

Для распределения пропускной способности ТС используется модель базового распределения нагрузок и ресурсов [1]:

_ ki —

V (ь) = Ф'-1 -100% /1ФJ-1, i = 1,..., kj, j = 1,.

J=1

,kj, i < j, где Ф « 0,618.

Расстановка систем передачи производится с учетом пропускных способностей ребер и технических параметров систем передачи.

Заключение

В разработанной методике синтеза структуры ТС ТКС, в отличие от известных из работ [2]-[4], при задании требований к структурно-потоковой устойчивости сети совместно учитываются требуемые коэффициенты связности для информационных потоков, сигналов СТСС и СЕВ.

При формировании топологической структуры ТС осуществляется суперпозиция заданного количества вершинно-независимых путей между корреспондирующими парами локальных сетей, полученных с помощью модифицированного алгоритма Йена, с последующей их суперпозицией с ребернонезависимыми путями передачи сигналов СТСС и СЕВ, полученных на основе модифицированного алгоритма Прима. Учет данных особенностей позволяет повысить структурную устойчивость ТС ТКС в 1,5—2,7 раза.

Библиографический список

1. Синтез сетей связи на основе «металлических» пропорций / С. А. Ясинский. -СПб. : ВУС, 2002. - 108 с.

120

2. Унифицированные математические модели для анализа и синтеза элементов телекоммуникационных сетей / С. А. Ясинский. - СПб. : ВУС, 2003. - 184 с.

3. Оптимизация сетей с многопротокольной коммутацией по меткам / Н. В. Бу-дылдина, Д. С. Трибунский, В. П. Шувалов. - М. : Горячая линия - Телеком, 2010. - 144 с.

4. Обоснование подхода к решению задачи синтеза топологической структуры телекоммуникационной сети / А. М. Чудаков, Б. И. Соловьев, А. В. Скоропад // Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности : сб. трудов. Т. 2. - СПб. : Изд-во Политехн. ун-та, 2006. - С. 139-145.

© Соколов В. М., Ясинский С. А., 2012

121