CC BY
6А.Н. Буренин
кандидат технических наук, доцент, ОАО «НИИ «Рубин»
А.И. Мясникова
ООО «Невастрой»
К.Е. Легкое
кандидат технических наук, Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского
ОСНОВНЫЕ ПОДХОДЫ К МОДЕЛИРОВАНИЮ УПРАВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННЫМИ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫМИ СЕТЯМИ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Мультисервисную сеть связи, как сеть связи следующего поколения, отличают от традиционных 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 мультисервисной 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 осо-
бенность является самой неприятной особенностью мультисервисной сети связи. Дело в том, что мультисервисная сеть связи функционирует 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 мультисер-висной 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.
Под управлением мультисервисной сетью связи далее будем понимать процесс организа-
МЕАП ОБ СОММИШСЛАОМ Е((и ШМЕОТ. Ъй. 2 (142). 2018
ции такого целенаправленного воздействия на нее, в результате которого она переходит в требуемое (целевое) состояние [6, 7].
При управлении в качестве модели мульти-сервисной сети связи рассматривается неориентированный регулярный граф без петель G (Е, В) с множеством вершин (узлов мультисервисной сети связи) Е и множеством ветвей (линий связи, пучков цифровых каналов, цифровых трактов, соединяющих узлы сети) В = {|((, у) е ^е},
соединяющих е пар (е< 12 С!) множества
Каждой вершине е1 е Е приписывается множество обслуживающих элементов 01 = {ох}, каждый элемент которого характеризуется алгоритмом обслуживания х-го типа и производительностью рх , а каждой ветви Ьу , соединяющей г'-ю и у-ю вершины мультисервисной сети связи, ставится в соответствие значение ее емкости, равной либо количеству цифровых каналов Пу в пучке с определенной пропускной способностью, которыми располагает данная ветвь, либо ее пропускной способности Ху , если она представляет собой цифровой тракт. В 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 Пу сети или пропускная способность ее является переменной величиной, зависящей от управления и = {, ((, у) }, выбираемого из множества
допустимых значений G (и).
Считаем, что на мультисервисную сеть связи поступает многомерный нестационарный поток
с параметром Л(^) = {{(^) | /, у = 1, N}. Пусть время, на которое единица информации (пакет, кадр или сообщение) занимает канал (или единицу пропускной способности цифрового тракта), распределено по экспоненциальному за*
кону с параметром ц. Оценка ц параметра обслуживания для всего многомерного потока получается взвешенным, пропорционально поступающей нагрузке частных потоков, суммированием и одинакова для всех потоков, не за-
висит от длины пути передачи информации.
*
Величина ц может существенно отличаться от возможного значения в силу влияния различных программно-аппаратных атак.
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 Л(г) = Л{ е Ти } = Л ). Ясно, что эта ситуация возможна на достаточно коротких временных интервалах не превышающих цикл управления. Считаем известным априорное распределение параметров нагрузки Р(Л). Считаем, что функционирование системы управления муль-тисервисной сетью связи начинается с момента времени ¿0, характеризуемого начальной структурой и распределением каналов (трактов) на сети £0 , 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 ) ,
позволяющими оценивать качество обслуживания требований (сообщений, пакетов, кадров, ячеек) на ветви Ьу , при известных законе и параметрах поступающей на нее совокупной нагрузки Лу (прямой Ху и транзитной Х^р ), т. е. Лу = Ху + ХуТр и емкости ветви Пу .
Процесс управления мультисервисной сетью связи состоит из этапа планирования (получение плана действий) и этапа реализации этого плана. Объектом управления является мультисервисная 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 Р1^ (Ти), неизменяемый в процессе работы сети на период неизменной ее структуры и для данного цикла управления, и динамический план Р1Шп (Ти), являющийся динамически изменяемым. Поступающая на мульти-
сервисную сеть связи нагрузка в первую очередь обслуживается в соответствии с Р1<,((Ти), а избыточная — в соответствии с Р11}ы (Ти). Например, при организации управления на фрагменте муль-тисервисной сети связи с коммутацией каналов (в т. ч. виртуальных) в качестве плана Р15((Ти) может рассматриваться совокупность прямых путей (пучков каналов, трактов), и обслуживание требований (в том числе и транзитных), поступивших на 1-й узел мультисервисной сети связи и адресованного у-му узлу, производится в первую очередь по прямому пути, если таковой имеется между данными узлами сети.
Пусть эффективность функционирования телекоммуникационной сети оценивается некоторым функционалом качества Ф, зависящим от реализованного на сети динамического плана Р1шп (Ти) (квазистатический план Р1^ (Ти) считается заданным и неизменным на период планирования). Задачей управления мультисервис-ной сетью связи является выбор такого оптимального динамического плана Р11}ы (Ти), который обеспечит при заданных нагрузке Л , структуре сети S и организации обслуживания требований А = {ах}
ейг Ф = ейг Ф (Л, ^ А, Н^(Ти)) (1)
Р1Лп (Ги )
Таким образом, при фиксированных Л у, и у и Ау задачу нахождения оптимального плана
Р1°ёт (Ти) можно сформулировать как задачу нелинейного программирования, а именно найти
Р1йт (Ти ) =
рк() }, доставляющий ейгФ (....) ] Р'л, (ти
при условии, что область В задана в виде системы равенств и неравенств:
X Рк = 1, /, / = 1, N,
к
Рк > 0, Лкк = = Х Ркк Л/ < Скк, к еп((), V и / =
(2)
(3)
где Ркк и Сг- к — соответственно условная вероятность обслуживания требований и пропускная способность ветви Ьш.
Обычно функционал Ф (Р1сцп (Ти)) является непрерывно дифференцируемой функцией, при зафиксированном плане Р1уп (Ти) и задает время обслуживания требований или вероятность того, что время обслуживания требований не превысит допустимую величину. Функционал качества обслуживания Ф(Р1сцп(Ти)) является выпуклым, т. к. при любой организации обслуживания в мультисервисной сети связи DФ
производная-- является монотонно неубы-
DЛ\k
вающей функцией от Л' .
Введем значение критической нагрузки для конкретного I —го узла мультисервисной сети связи, в качестве которой выступает поток Л]кр , при котором в оптимальном режиме (при плане Р1Цп (Ти)) условная высота узла Н/ = 1. По аналогии критическим потоком (нагрузкой) для всей мультисервисной сети связи является входящий поток Лкр, при котором в оптимальном
режиме (при плане Р1°цп (Ти) все высоты равны единице, т. е. Н/ = 1, VI, / = 1, N .
Поэтому при заданной структуре мультисервисной сети связи S , алгоритме обслуживания А и управлении с планом Р1°цп(Ти), пропущенный поток на сети (а, следовательно, и пропускная способность сети) достигает максимума, а время обслуживания требований минимально при условии, что входящий поток Л равен Лкр.
С целью предотвращения снижения пропускной способности мультисервисной сети связи при превышении нагрузок своих критических значений (л/' >Л/кр), управление в виде
полученного оптимального плана Р1Цп(Ти) должно ограничивать на каждом узле сети входящий поток Л/ таким образом, чтобы обеспечивать выполнение Н/ = 1.
Таким образом, оптимальное управление мультисервисной сетью связи должно включать наряду с подзадачей ограничения выбора исходящих направлений, также подзадачи ограничения нагрузки.
MEANS OF COMMUNICATION EQUIPMENT. Iss. 2 (142). 2018
ЛИТЕРАТУРА
1. Концептуальные положения по мультисервис-ным сетям связи РФ. Руководящий документ. Минсвязи и информатизации. М.: 2001 г.
2. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети: Принципы, технологии, протоколы. СПб.: Питер, 2000. 668 с.
3. Лазарев В.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. Дымарский Я.С., Крутякова Н.П., Яновский Г.Г.
Управление сетями связи: принципы, протоколы, прикладные задачи. М.: Связь и бизнес, 2003. 384 с.
6. Буренин А.Н. 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 потоками в выделенных мультисер-висных сетях связи // Труды IV Российской научно-технической конференции «Новые информационные технологии в системах связи и управления». Калуга: 2005, 17-18 мая. С. 129-132.
