CC BY
58
^ СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ - ТРАНСПОРТУ
УДК 007.52
А. К. Канаев, Э. В. Логин
МОДЕЛЬ ФУНКЦИОНИРОВНИЯ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНОЙ СЕТЬЮ CARRIER ETHERNET
Дата поступления: 30.10.2017 Решение о публикации: 10.11.2017
Аннотация
Цель: Раскрыть особенности процесса периодической проверки сегментов сети и процесса информирования системы управления (СУ) о неисправностях в маршрутах сети. На основе этих двух процессов сформировать алгоритм, описывающий взаимосвязанную работу ключевых механизмов по управлению, контролю и эксплуатации ОАМ (Operation, Administration, Maintenance) в Carrier Ethernet (СЕ). Получение модели системы управления сетью СЕ, с учетом которой возможно формирование требований к элементам и подпроцессам в перспективной системе управления на основе технологии СЕ. Методы: Моделирование этого процесса контроля и управления состоянием элементов сети производится на основе принципа имитационного моделирования. Применяется дискретно-событийное моделирование как способ создания имитационной модели, где функционирование элементов сети описывается с использованием теории массового обслуживания. Результаты: Выполненная с помощью полученной модели оценка временных характеристик процессов функционирования СУ сетью CE при изменении вероятностно-временных характеристик (ВВХ) отдельных подпроцессов позволяет на этапах планирования и проектирования оценивать соответствие перспективной СУ сетью CE требованиям по оперативности реализации цикла управления, а в случае несоответствия этим требованиям формировать обоснованные рекомендации по изменению ВВХ отдельных подпроцессов для выполнения соответствия требованиям к процессу управления сетью в целом. Практическая значимость: Модель процессов контроля и управления состояниями сетевых элементов СЕ позволяет на этапе проектирования формировать требования к перспективной СУ, а также обоснованно выбирать значения временных параметров подпроцессов, входящих в общий процесс управления.
Ключевые слова: Carrier Ethernet, модель, агентное управление, дискретно-событийная модель, AnyLogic, механизмы ОАМ, транспортная сеть.
Andrei K. Kanaev, D. Eng. Sci., professor, head of Department, kanaevak@mail.ru; * Elina V. Login, postgraduate student, assistant, elinabeneta@yandex.ru (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University) MODEL OF FUNCTIONING CONTROL SYSTEM OF CARRIER ETHERNET TRANSPORT NETWORK
Summary
Objective: Reveal peculiarities of periodic checking process of network segments and the process of control system (CS) informing about network route faults. On the base of these two processes generate the algorithm describing interrelated work of key mechanisms for management, control and operation
of OAM (Operation, Administration, Maintenance) in the Carrier Ethernet (CE). Obtaining CE network management system model with whose regard it is possible to form requirements to elements and subprocesses in perspective technology-based management system system (CS). Methods: Modelling this process of checking and control of network element state is performed on the base of simulation principle. Discrete event modeling as a technique creating a simulation model, where functioning network elements are described with the use of queueing theory is applied. Results: Estimate of time characteristics of SU functioning processes by CE network performed with the help of the model obtained in changing probabilistic-temporary characteristics of (VVH) individual subprocesses allows evaluating correspondence of SU perspective by CE network to requirements in implementation efficiency of control cycle at the stages of planning and design. But in case of inadequacy to these requirements it allows forming sound recommendations for changing VVH individual subprocesses to perform conformity to requirements for network management process in the large. Practical importance: The model of checking and control processes of CE network elements condition allows forming requirements for CE perspective as well as reasonably selecting time parameter values of subprocesses within the overall control process during design stage.
Keywords: Carrier Ethernet, model, agent control, discrete-event model, AnyLogic, OAM mechanisms, transport net.
В современных телекоммуникационных системах (ТКС) предъявляются высокие требования к сетям и элементам, из которых они состоят. Ужесточение требований к сетям связано с появлением в ТКС и развитием соответствующих систем управления (СУ). Наиболее актуальными в настоящее время являются пакетные технологии операторского класса, такие как Carrier Ethernet (СЕ), отличающаяся наличием комплекса стандартизированных механизмов [1, 2] по управлению неисправностями, производительностью и конфигурациями, что в целом представляет собой механизмы управления и эксплуатации [3]. Но сейчас в явном виде не существует единой методической основы для систем управления, которая позволила бы интегрировать процессы управления и эксплуатации СЕ с учетом требований и возможностей заказчика. В [4] рассмотрены достоинства и недостатки сетей СЕ и дана оценка основных механизмов. Предлагаемый в статье алгоритм процесса контроля и управления состояниями элементов сети СЕ включает в себя набор ключевых механизмов по управлению, контролю и эксплуатации ОАМ (Operation, Administration, Maintenance) [5]. Представленная модель дает оценку длительности цикла управления для двух процессов: периодической проверки сегментов сети СЕ
и информирования СУ о неисправностях в маршрутах этой сети.
Описание процесса управления состоянием элементов сети СЕ
Технология CE использует в цепочке управления ряд протоколов для реализации процессов управления и контроля, называемыми механизмами ОАМ [6-9]. Эти протоколы позволяют контролировать и управлять состояниями элементов сети с помощью процессов периодической проверки маршрутов и информирования СУ о неисправностях в маршрутах сети. С учетом проанализированных [6, 9] механизмов организации процессов контроля и управления состояниями элементов сети сформирован единый алгоритм рассматриваемых процессов (рис. 1):
1. Процесс периодического контроля и управления состояниями элементов сети организуется следующим образом. В случае установки источника запроса СУ запускается процесс проверки маршрутов с помощью сообщения ССМ (Contituity Check Message). На каждый маршрут сети отправляются сообщения ССМ с некоторой временной периодичностью (от
Рис. 1. Алгоритм процессов контроля и управления состоянием элементов сети СЕ
0,1 до 10 с). Результат фиксируется путем тер-минации данного сообщения в конце маршрута на устройстве MEP (оконечное устройство маршрута в данном домене). Информация о терминации передается управляющему агенту по каналу схемы взаимодействия агента CE и элемента сети [9]. После этого с помощью механизмов LBM/LBR (проверка двунаправленной связности фрагмента или маршрута сети) и LTM/LTR (локализация места неисправности) устанавливаются все неисправные маршруты и элементы, а один из трех блоков управления в узле СУ на основе полученных данных о параметрах элементов вырабатывает варианты решения по реструктуризации фрагмента сети.
2. При внешнем запросе фрагмента сети СУ получает сигнальное сообщение AIS (Automatic Indication Signal). Это такой режим работы СУ, при котором устанавливается неисправный маршрут и формируется новая структура фрагмента сети с изменением таблицы маршрутов на основании информационных данных элемента сети. Инициатором данного процесса является фрагмент сети, сигнализирующий о неисправном состоянии маршрута с целью оперативного информирования о состоянии элемента сети. После оценки технического состояния элементов поврежденного маршрута и в случае необходимости восстановления в маршруте запускается сигнал, который блокирует индикацию неисправного элемента LCK (Locked Signal). После этого выявляется место неисправности, производится реконфигурация фрагмента сети и запускается процесс восстановления неисправности маршрута. После установки исправного состояния маршрута запускается тестовый сигнал Test для контрольной проверки.
При моделировании процессов управления сетью CE введены следующие ограничения и допущения: 1) функции распределения случайных величин относятся к классу экспоненциальных; 2) вероятности, соответствующие ветвям цепочечного алгоритма, определяются статистическими методами; 3) времена реализации отдельных блоков цепочечного алгорит-
ма имеют экспоненциальное распределение; 4) модель предполагает отсутствие новых событий до окончания обработки предыдущего цикла; 5) потоки событий, не конкурирующие.
Описание исходных данных для модели процессов контроля и управления состояниями элементов сети СЕ
Элементами транспортной сети СЕ являются коммутаторы, предназначенные для выполнения функций соединения узлов сети в пределах одного домена СЕ. Под доменом сети СЕ понимается набор соединенных коммутаторов и маршрутизаторов под управлением одного оператора или в пределах одного сегмента сети. Доменов может быть несколько (до 7 вложенных доменов).
Имитационный метод моделирования представляет собой получение частных численных решений сформулированной задачи с помощью численных методов или на основе аналитических решений [10-12]. Для решения поставленной задачи по созданию имитационной модели выбрана среда моделирования AnyLogic [13-15], благодаря которой разработана модель процессов периодического контроля и управления состояниями элементов сети СЕ.
Математически каждый элемент сети описывается с использованием теории массового обслуживания, которая рассматривает входные потоки запросов, очереди, устройства обслуживания, выходные потоки обработанных запросов и т. д.
На рис. 2 представлена цепочка блоков, которая моделирует появление разного типа заявок (сообщения ССМ, поиск неисправного элемента, запросы на параметры и др.).
В таблице приведены данные по подпроцессам моделируемого процесса периодического контроля и управления состояниями элементов сети СЕ.
Рис. 2. Цепочечный алгоритм модели в формате среды моделирования AnyLogic Подпроцессы моделируемого процесса
Номера блоков Тип сообщения Подпроцесс
_2_..._4_ ССМ Проверка целостности маршрутов
_12_..._14_ LBM/LTR Проверка двунаправленной связности
_16_____18_ LTM/LTR Локализация неисправности
6 _9 , _11_ Запросы и данные Проверка параметров элементов сети и передача информации в БД
19 , _23___25_ Уведомления Изменение структуры сети связи, уведомление об AIS
_20___22_ ETH-AIS Сигнализация аварийного состояния элемента сети
_31___33_ ETH-LCK Блокировка индикации аварии на конфигурируемом фрагменте сети
_37___39_ ETH-Test Запрос на проверку параметров связности маршрута
Результаты моделирования
Для каждого подпроцесса в модели установлено свое распределение времени формирования сообщения, задаваемое по случайному закону распределения. На рис. 3 представлен график, который иллюстрирует изменение длительности цикла управления (Тц) в рамках моделируемого временного отрезка (Тмод) и при вводимых случайных значениях параметра времени формирования сообщения (ТфС). На нем указаны реализуемые в тот или иной момент времени моделирования подпроцессы, которые в большей степени вносят временной вклад в общую длительность цикла. Полученные значения при сопоставлении результатов с задействованными в эксперименте подпроцессами говорят о существенном вкладе в значение длительности цикла управления фрагментом сети ряда подпроцессов, таких как LBM-
LBR (проверка двунаправленной связности), LTM-LTR (локализация неисправности) и AIS (информирование СУ о наличии неисправного маршрута фрагмента сети). Стоит отметить, что наибольшее значение Т достигается при выполнении подпроцесса локализации неисправности LTM-LTR (см. рис. 3).
На рис. 4 изображен график длительности цикла управления при заданных значениях (5, 50 и 80 мс) параметра ТфС. При задании различных значений ТфС внутри коммутатора было установлено, что модель нечувствительна к данному параметру и время длительности цикла изменяется незначительно (в пределах 1-2 с).
На рис. 5 представлены графики длительностей цикла Тц при заданных значениях параметра периодичности посылки сообщения для проверки целостности маршрута сети ДТССМ. Выявлено, что данный параметр влияет
О 20 40 60 80 100 120 140 160 ISO 200 Рис. 3. График длительности цикла управления (Тц) в условиях случайной длительности формирования сообщения (Т ) с указанием подпроцессов, вносящих наибольший вклад
в длительность цикла
2~ц: с
0 20 40 60 SO LOO 120 140 160 1S0 200
Рис. 4. График длительности цикла управления (Тц) при заданных значениях параметра времени
формирования сообщения (5, 50 и 80 мс)
Рис. 5. График длительности цикла управления (Тц) при изменении периодичности проверочного сообщения ЛТССМ (1, 5 и 10 с)
на длительность цикла: менее 9 с при периодичности АТССМ от 1 до 5 с. Стоит отметить то, что максимальная величина Тц = 9 с достигается один раз за все время моделирования Гмод. Это говорит о большой дисперсии распределения параметра длительности цикла при ДТССМ = 5 с. То есть, начиная с АТССМ > 5 с, длительность цикла имеет значение в пределах 6-10 с и практически не изменяется, демонстрируя небольшую дисперсию распределения параметра Тц. Фактически решается задача обоснования и выбора оптимального значения периодичности посылки сообщения ССМ, при котором возможно без увеличения длительности цикла контролировать состояние элементов, не теряя при этом из контроля другие события в сети.
Заключение
Полученные данные позволяют оценить вклад различных подпроцессов (проверка двунаправленной связности, локализация неисправности, информирование о неисправности и др.) в общую длительность цикла управления, а также соответствие их требуемым значениям.
Представленный в работе способ моделирования относится к имитационному и дает возможность вносить изменения в модель относительно параметров, задаваемых на основании соответствующих законов распределения случайных величин и их параметров. Таким образом, модель может использоваться для оценки процессов управления сетями как различного масштаба, так и разной сложности.
С помощью модели также можно оценить чувствительность системы на изменение входных параметров. Например, периодичность сообщения ССМ в пределах от 1 до 5 с уже демонстрирует высокую дисперсию распределения, но при этом имеет относительно небольшую длительность цикла управления. Таким образом, решается задача обоснованного выбора значения входных параметров СУ.
Библиографический список
1. MEF 33 Ethernet Access Services Definitions. -Phase 2. - The Metro Ethernet Forum, 2012.
2. MEF 6.1 Ethernet Services Definitions. - Phase 2. - The Metro Ethernet Forum, 2008.
3. Yaakov (Jonathan) Stein Ethernet vs. MPLS-TP in Access Networks. - URL : http://www.dspcsp.com/ lectures/ethtp.pdf (дата обращения : 21.04.2016).
4. Бенета Э. В. Выбор телекоммуникационной технологии операторского класса / Э. В. Бенета, А. К. Канаев // Автоматика, связь, информатика. -2016. - Вып. 7. - С. 13-15.
5. MEF 30.1 Service OAM Fault Management Implementation Agreement. - Phase 2. - The Metro Ethernet Forum, 2013.
6. Бенета Э. В. Анализ функций ОАМ в технологии Carrie Ethernet / Э. В. Бенета, А. К. Канаев // 71-я Всерос. науч.-технич. конференция, посвященная Дню радио. Секция «Телекоммуникации на железнодорожном транспорте» : труды конференции 20-28 апреля 2016 г. - СПб. : СПбГЭТУ «ЛЭТИ»,
2016. - С. 241-242.
7. Бенета Э. В. Формирование алгоритма управления отказами в телекоммуникационной сети связи, построенной по технологии Carrier Ethernet / Э. В. Бенета, А. К. Канаев // Сб. материалов XV юбил. Меж-дунар. конференции «Региональная информатика-2016». Секция «Информационные технологии на транспорте» : труды конференции 26-28 ноября 2016 г. - СПб. : ПГУПС, 2016. - С. 95-101.
8. Бенета Э. В. Перспективная телекоммуникационная сеть следующего поколения на основе технологии Carrier Ethernet / Э. В. Бенета, А. К. Канаев // Бюл. результатов науч. исследований. -2014. - Вып. 4 (13). - С. 69-76.
9. Бенета Э. В. Технология Carrier Ethernet для построения транспортных сетей / Э. В. Бенета, А. К. Канаев // Сб. науч. статей IV Междунар. науч.-технич. и науч.-метод. конференции «Актуальные проблемы инфокоммуникаций в науке и образовании». Секция «Сети связи специального назначения» : труды конференции 3-4 марта 2015 г. - СПб. : СПбГУТ,
2017. - С. 1065-1069.
10. Мезенцев К. Н. Моделирование систем в среде AnyLogic 6.4.1. Ч. 2 : учеб. пособие / К. Н. Мезенцев. - М. : МАДИ, 2011. - 103 с.
11. AnyLogic : учеб. пособие по агентному моделированию. - XJ Technologies Compony Ltd., 1992-2004. - URL : www.xjtek.com (дата обращения : 30.10.2017).
12. Боев В. Д. Исследование адекватности GPSS World и AnyLogic при моделировании дискретно-событийных процессов : монография / В. Д. Боев. -СПб. : ВАС, 2011. - 404 с.
13. Каталевский Д. Ю. Основы имитационного моделирования системного анализа в управлении : учеб. пособие. - 2-е изд., перераб. и доп. / Д. Ю. Каталевский. - М. : РАНХИГИС, 2015. - 496 с.
14. Борщев А. В. Как строить простые, красивые и полезные модели сложных систем / А. В. Борщев // Материалы конференции «Имитационное моделирование. Теория и Практика». ИММ0Д-2013. -Казань : Фэн АН РТ, 2013. - Т. 1. - С. 21-34.
15. Закиров В. И. Исследование надежности беспроводных сетей связи методом имитационного моделирования в среде AnyLogic / В. И. За-киров, В. В. Золотухин // Материалы конференции «Имитационное моделирование. Теория и Практика». ИММ0Д-2011. - URL : https://www.anylogic. ru/resources/articles/issledovanie-nadezhnosti-besprovodnykh-setey-svyazi-metodom-imitatsionnogo-modelirovaniya-v-srede-an (дата обращения : 30.10.2017).
References
1. MEF 33 Ethernet Access Services Definitions. Phase 2. The Metro Ethernet Forum, 2012.
2. MEF 6.1 Ethernet Services Definitions. Phase 2. The Metro Ethernet Forum, 2008.
3. Yaakov (Jonathan) Stein Ethernet vs. MPLS-TP in Access Networks. URL: http://www.dspcsp. com/lectures/ethtp.pdf (accessed: 21.04.2016).
4. Beneta E. V. & Kanaev A. K. Vybor telekommu-nikatsionnoy tekhnologii operatorskogo klassa [The choice of carrier-grade telecommunication technology]. Automation, Communication, Informatics, 2016, issue 7, pp. 13-15. (In Russian)
5. MEF 30.1 Service OAMFault Management Implementation Agreement. Phase 2. The Metro Ethernet Forum, 2013.
6. Beneta E. V. & Kanaev A. K. Analiz funktsiy v tekhnologii Carrie Ethernet [Analysis of OAM functions in Carrie Ethernet technology]. The 71th All-Russian scientific and technical conference devoted to Radio day. Section "Telecommunications in railway transport": Conference proceedings, April 20-28,
2016. Saint Petersburg, StPSEU "LETI" Publ., 2016, pp. 241-242. (In Russian)
7. Beneta E. V. & Kanaev A. K. Formirovanie algo-ritma upravleniya otkazami v telekommunikatsionnoy seti svyazi, postroennoy po tekhnologii Carrier Ethernet [Formation of algorithm of failure management in telecommunication network, built by Carrier Ethernet technology]. Paper collection of the 15th anniversary International conference "RegionalInformatics-2016". Section "Information technologies in transport": Proceedings of the conference, November 26-28, 2016. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2016, pp. 95-101. (In Russian)
8. Beneta E. V. & Kanaev A. K. Perspektivnaya telekommunikatsionnaya se' sleduyushchego poko-leniya na osnove tekhnologii Carrier Ethernet [Perspective next-generation telecommunication network based on Carrier Ethernet technology]. Bulletin of Research results, 2014, issue 4 (13), pp. 69-76. (In Russian)
9. Beneta E. V. & Kanaev A. K. Tekhnologiya Carrier Ethernet dlya postroeniya transportnykh setey [Carrier Ethernet technology for building transportation networks]. Collection of scientific articles of the IVth International scientific-technical and scientific-methodical conference "Current problems of infocommunication in science and education". Section "Special-purpose communication networks": Proceedings of the conference, March 3-4, 2015. Saint Petersburg, SPbGUT Publ.,
2017, pp. 1065-1069. (In Russian)
10. Mezentsev K. N. Modelirovanie sistem v srede AnyLogic 6.4.1. Pt 2 [System modelling in AnyLogic 6.4.1. Pt 2 environment]. Moscow, MADI Publ., 2011, 103 p. (In Russian)
11. AnyLogic. XJ Technologies Company Ltd, 19922004. URL: www.xjtek.com (accessed: 30.10.2017).
12. Boev V. D. Issledovanie adekvatnosti GPSS World i AnyLogic pri modelirovanii diskretno-sobyti-ynykh protsessov [Investigation of GPSS World and AnyLogic adequacy in modeling discrete event processes}. Saint Petersburg, ВАС Publ., 2011, 404 p. (In Russian)
13. Katalevskiy D. Yu. Osnovy imitatsionnogo mo-delirovaniya sistemnogo analiza v upravlenii. 2-e izd., pererab. i dop. [Basics of modelling system analysis in management]. 2nd ed., revised and add. Moscow, RANKhlGIS Publ., 2015, 496 p. (In Russian)
14. Borshchev A. V. Kak stroit prostye, krasivye i poleznye modeli slozhnykh sistem [How to build a simple, beautiful and useful models of complex systems]. Proceedings of the conference "Simulation. Theory and practice ". IMMOD-2013. Kazan, Fen AN RT Publ., 2013, vol. 1, pp. 21-34. (In Russian)
15. Zakirov V. I. & Zolotukhin V. V. Issledovanie na-dezhnosti besprovodnykh setey svyazi metodom imitatsionnogo modelirovaniya v srede AnyLogic [Investigation of reliability of wireless communication networks by simulation method in AnyLogic environment]. Proceedings of the conference "Simulation. Theory and practice". IMMOD-2011. URL: https://www.any-logic.ru/resources/articles/issledovanie-nadezhnosti-besprovodnykh-setey-svyazi-metodom-imitatsionnogo-modelirovaniya-v-srede-an/(accessed: 30.10.2017) (In Russian)
КАНАЕВ Андрей Константинович - доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, kanaevak@mail.ru; *ЛОГИН Элина Валерьевна - ассистент, elinabeneta@yandex.ru (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I).
