CC BY
78
His
II K К Б А И Ê II
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
О моделях и методах управления современными мультисервисными сетями связи
Для реализации управления современными мультисервисными сетями связи требуется определенное время, за которое сеть изменится непредвиденным образом, в результате чего управление ею наверняка не приведет к желаемому результату. Все эти обстоятельства могут привести к тому, что поставленные при проектировании системы управления цели управления в полной мере никогда не будут достигнуты. Поэтому основным способом преодоления этого является экстраполяция функционирования мультисервисной сети связи с выявлением направления ее эволюции. Тогда управление производится с упреждением, с учетом выявленных тенденций изменения сети, что и рассматривается в настоящей статье.
Ключевые слова: сеть связи, система управления, математическая модель, проектирование системы.
Бабошин В.А., Мясникова А.И.,
ФГУП "НИИ "Рубин"
About models and methods of control over the modern multiservice communication networks
Baboshin V.A., Myasnikova A.I.,
The Federal State Unitary Enterprise "Scientific Research Institute "Rubin"
Abstract
Implementation of control by the modern multiservice communication networks requires certain time for which the network will change unexpectedly therefore control of it for certain won't lead to desirable result. All these circumstances can lead to that set in case of a control system design the control objectives fully will be never achieved. Therefore the main method of overcoming of it is extrapolation of functioning of a multiservice communication network with detection of the direction of its evolution. Then control is made with anticipation, taking into account the revealed tendencies of change of a network, as considered in the present article.
Keywords: communication network, management system, mathematical model, system design.
Мультисервисную сеть связи, как сеть связи следующего поколения, отличают от традиционно моносервисных сетей некоторые особенности, которые следует учитывать при выборе вариантов управления ею [1-3].
Первой особенностью является невозможность полного математического описания (полноценной математической модели) как мульти-сервисной сети связи в целом, так и отдельных телекоммуникационных сетей в ее составе, при несомненной желательности и настоятельной необходимости в нем.
Второй особенностью является случайность функционирования мультисервисной сети связи, приводящая к трудностям при проведении анализа ее состояния и организации управления сетью. Эта черта обусловлена не только наличием многочисленных специальных источников случайных и преднамеренных помех в сети, но и сложностью сети, которая приводит к множеству всякого рода второстепенных (с точки зрения целей управления) процессов.
Вследствие этого функционирование муль-тисервисной сети связи подчас оказывается "непредвиденным" для системы управления сетью, причем эту "непредвиденность" целесообразно рассматривать как некий случайный фактор и трактовать как зашумленность, чем проводить подробный анализ механизмов воздействия второстепенных процессов на сеть, хотя эта "случайность" может оказаться вовсе и не случайной.
Третьей особенностью является необъяснимая "нетерпимость" к управлению [4, 5]. Эта особенность является самой неприятной особенностью мультисервисной сети связи. Дело в том, что мультисервисная сеть связи функцио-
нирует относительно независимо от системы управления, т.е. сеть предназначается для передачи информации, а не для управления ею. В этом состоит определенное противоречие, которое возрастает, если цели управления не согласованы с целями самой мультисервисной сети связи.
Существенная нестационарность мульти-сервисной сети связи является четвертой особенностью и вытекает из ее сложности. Она проявляется в дрейфе основных характеристик, т.е. в эволюции телекоммуникационных сетей в составе мультисервисной сети связи во времени, что гарантирует так называемую невоспроизводимость экспериментов, состоящую в различной реакции сети на одну и ту же ситуацию или управление в различные моменты времени. Это обстоятельство нельзя не учитывать при управлении сетью и при построении моделей сети и управления.
Все эти обстоятельства могут привести к тому, что поставленные при проектировании системы управления (если не принять соответствующих мер) цели управления в полной мере никогда не будут достигнуты, так как для реализации управления требуется определенное время, за которое мультисервисная сеть связи изменится непредвиденным образом, в результате чего управление ею наверняка не приведет к желаемому результату.
Поэтому основным способом преодоления этого является экстраполяция функционирования мультисервисной сети связи с выявлением направления ее эволюции. Тогда управление производится с упреждением, с учетом выявленных тенденций изменения сети.
Наукоёмкие технологии в космических исследованиях Земли № 4-2012
CONTROL SYSTEMS
Под управлением мультисервисной сетью связи далее будем понимать процесс организации такого целенаправленного воздействия на нее, в результате которого она переходит в требуемое (целевое) состояние [6, 7].
При управлении в качестве модели мультисервисной сети связи рассматривается неориентированный регулярный граф без петель G(E,B) с множеством вершин [узлов мультисервисной сети связи) Е и множеством ветвей (линий связи, пучков цифровых каналов, цифровых трактов, соединяющих узлы сети} ¿J={i>, |{|,у):Ш£1 }' соеДиняюЩих £ паР l^C^ ) множества.
Каждой вершине е е £ приписывается множество обслуживающих элементов о ={<; }< каждый элемент которого характеризуется алгоритмом обслуживания х-го типа и производительностью р , а каждой ветви /, , соединяющей i-ю и |-ю вершины мультисервисной сети связи, ставится в соответствие значение ее емкости, равной либо количеству цифровых каналов
в пучке с определенной пропускной способностью, которыми располагает данная ветвь, либо ее пропускной способности ^ , если она представляет собой цифровой тракт. Б последнем
случае при применении различных протоколов с резервированием пропускной способности или гарантированным качеством предоставления сетевых услуг, цифровой тракт может быть представлен моделью пучка каналов, поэтому, не нарушая общности рассуждения, будем рассматривать ветвь мультисервисной сети связи как пучок цифровых каналов.
В общем случае емкость ветви ,, сети или пропускная способность ее является переменной величиной, зависящей от управления U = {» ,(/,/> " }' вь|бираемого иэ множество
допустимых значений C(U)-
Считаем, что но мультисервисную сеть связи поступает многомерный нестационарный поток с параметром Д(/) = |/ (/)|i / = I /V'j' Пусть время, на которое единица информации (пакет, кадр или сообщение) занимает канал (или единицу пропускной способности цифрового тракта), распределено по экспоненциальному закону с параметром ц .
Оценка и* параметра обслуживания для всего многомерного потока получается взвешенным, пропорционально поступающей нагрузке частных потоков, суммированием и одинакова для всех потоков, не зависит от длины пути передачи информации. Величина д' может существенно отличаться от возможного значения в силу влияния различных программно-аппаратных атак.
Будем считать заданным список возможных путей передачи единиц информации между каждой парой узлов сети. При этом будем учитывать возможность выхода из строя отдельных узлов и линий связи на некоторое случайное время под воздействием целого ряда факторов.
Вследствие того, что характеристики обслуживания требований на передачу единиц информации (определяются величи-
ной ц*), как правило, обладают значительно большей статистической устойчивостью по сравнению с параметрами нагрузки Л, оценка ц* может быть выполнена с несравненно более
высокой точностью. Пренебрегая погрешностью оценивания, будем считать [не нарушая общности рассуждений) и' характеристикой, известкой подсистеме управления сетью с достаточной степени точности.
Рассмотрим организацию управления мультисервисной сетью связи, когда можно считать поступающую на нее нагрузку близкой к стационарной на интервале времени, сравнимым с интервалом (циклом) управления сетью [т.е. потоки в сети квазистационарные и = = Ясно, что эта ситуация
возможна на достаточно коротких временных интервалах не превышающих цикл управления. Считаем известным априорное распределение параметров нагрузки /'{Л)- Считаем, что
функционирование системы управления мультисервисной сетью связи начинается с момента времени / , характеризуемого
начальной структурой и распределением каналов (трактов) на сети V, при условии, что к моменту ^ на сети устанавливается
стационарный режим обслуживания. В момент входящая нагрузка Л претерпевает скачкообразное изменение, и ее новое значение подчиняется распределению Р(Л)'
Формализованная модель мультисервисной сети связи не полна и задана только определенными соотношениями я(д
позволяющими оценивать качество обслуживания требований (сообщений, пакетов, кадров, ячеек) на ветви , при известных законе и параметрах поступающей на нее совокупной нагрузки д.. (прямой ^ и транзитной т.е. Л .. = Ц +
и емкости ветви „ .
'>
Процесс управления мультисервисной сетью связи состоит из этапа планирования (получение плана действий) и этапо: реализации этого плана. Объектом управления является муль-тисервисная сеть связи с произвольной организацией обслуживания [с ожиданием и без ожидания, однофазным и многофазным обслуживанием и т.п.}. Будем рассматривать класс управлений, удовлетворяющий следующим условиям. Пусть управление содержит квазистатическую и динамическую составляющие, которым соответствует квазистатический план р] (7^)»
неизменяемый в процессе работы сети на период неизменной ее структуры и для данного цикла управления, и динамический план р/1 (7^)/ являющийся динамически изменяемым. Поступающая на мультисервисную сеть связи нагрузка в первую очередь обслуживается в соответствии с Р1 ^Т ), а избыточная!
- в соответствии с р/( Например, при организации
управления на фрагменте мультисервисной сети связи с коммутацией каналов (в т.ч. виртуальных) в кочестве плано />/ ду )
может рассматриваться совокупность прямых путей (пучков каналов, трактов), и обслуживание требований (в том числе и транзитных), поступивших на /-й узел мультисервисной сети
High technologies in Earth space research № 4-2012
ш
и IV К Е А Я I: II
СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ
связи и адресованного ¡-му узлу, производится в первую очередь по прямому пути, если таковой имеется между данными узлами сети, В случае отсутствия прямого пути, либо его загруженности требование обслуживается по обходному пути в соответствии с плоном р1л (р ). При организации управления на
фрагментах мультисервисной сети связи с коммутацией пакетов (дейтаграммный режим) или сообщений (службы связи с промежуточным хранением информации) квазистатическая часть плана Р1з1(ТЛ отсутствует, и управление сетью будет
реализовываться только в соответствии с динамической составляющей плана Р1Лп(Хш)-
Пусть эффективность функционирования телекоммуникационной сети оценивается некоторым функционалом качества Ф, зависящим от реализованного на сети динамического плана Р1 1Т ) (квазистатический план Р/ (Т \ считается заданным и
¿шЛ и г ■ : - ;; '
неизменным на период планирования). Задачей управления мультисервисной сетью связи является выбор такого оптимального динамического плана (7^), который обеспечит при
заданных нагрузке Л, структуре сети 5 и организации обслуживания требований А = {а }
ех!гФ = ех1гФ(Л, Б, А, /5/„„,(Г)}
ЛлС,) (1)
Таким образом, при фиксированных ИА задачу
нахождения оптимального плана РГ1п(Т1 ) можно сформулировать как задачу нелинейного программирования, а именно найти />/'; (?;) = ||/^'1|]' доставляющий ех^ф ^ ^ при усло-
я^г.уш
вии, что область 6 задана в виде системы равенств и неравенств:
). _ (2)
Р> > О, Ал = XР/кА{*Сл,ке Й(0, Vи =
(3)
где и £ - соответственно условная вероятность обслуживания требований и пропускная способность ветви £ .
Обычно функционал ф^ р/ / (р)) является непрерывно
дифференцируемой функцией, при зафиксированном плане ) и задает время обслуживания требований или вероятность того, что время обслуживания требований не превысит допустимую величину. Функционал качества обслуживания Ф{Р11 (7])) является выпуклым, т.к. при любой организации
обслуживания в мультисервисной сети связи производная является монотонно неубывающей функцией от д^" .
Введем значение критической нагрузки для конкретного 1-го узла мультисервисной сети связи, в качестве которой выступает поток д> , при котором в оптимальном режиме [при
плане Р/°/1(7,в)) условная высота узла Ц/=!• По аналогии
критическим потоком (нагрузкой) для всей мультисервисной сети связи является входящий поток д , при котором в оптимальном режиме [при плане р!° (р ) все высоты равны единице, т. е. Я/=1, VI, 7=171? •
Поэтому при заданной структуре мультисервисной сети связи 5, алгоритме обслуживания А и управлении с планом Р1Ж)' пропущенный поток на сети [а, следовательно, и пропускная способность сети) достигает максимума, а время обслуживания требований минимально при условии, что входящий поток Д равен д .
кр
С целью предотвращения снижения пропускной способности мультисервисной сети связи при превышении нагрузок своих критических значений ^дУ > д' управление в виде полученного оптимального плано рг' <т\ должно ограничивать на
■дал и/
каждом узле сети входящий поток д' таким образом, чтобы обеспечивать выполнение #/=!■
Таким образом, оптимальное управление мультисервисной сетью связи должно включать наряду с подзадачей ограничения выбора исходящих направлений, также подзадачи ограничения нагрузки.
Литература
1. Концептуальные положения по мультисервисным сетям связи РФ. Руководящий документ. Минсвязи и информатизации. М.: 2001 г.
2. Олифер В.Г., Олиф ер Н.А. Компьютерные сети: Принципы, технологии, протоколы. - СПб.: Питер, 2000 - 668 с.
3. Лазорев 0.Г., Саввин Н.Г Сети связи, управление, коммутация. -М.: Связь, 1973.-264 с.
4. Ершов В.А., Ершова Э.Б. Динамическая маршрутизация в широкополосной мультисервисной АТМ-сети // Электросвязь, 2004. -№2. - С.16-18.
5. Дыморский Я.С., Крутикова Н.П., Яновский ГГ. Управление сетями связи: принципы, протоколы, прикладные задачи. - М.: Связь и бизнес, 2003. - 384 с.
6. Буренин АН Об управлении маршрутизацией на основе модифицированных адаптивных методов // Техника средств связи. Сер. ТПС. 1991. - №7 - С. 51-59.
7. Буренин А.Н. Формализация задач оперативного управления потокоми в выделенных мультисервисных сетях связи // Труды IV Российской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в системах связи и управления». Калуга: 2005, 17-18 мая. С. 129-132,
Наукоёмкие технологии в космических исследованиях Земли № 4-2012
