CC BY
9МОДЕЛИРОВАНИЕ СЛОЖНЫХ ОРГАНИЗАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ
УДК 618:623.624:621.396.946 Б01:1024412/2782-2141-2023-2-27-34
Последовательность синтеза современных коммутационных средств для специальных сетей связи
Кулешов И. А., Спивак А. В., Аксенов С. С.
Аннотация. В последнее время перед системой связи поставлен ряд нетривиальных задач. Одна из основных - обеспечение синтеза коммутационных средств аналогового и цифрового этапов развития. Кроме этого коммутационные средства должны обеспечивать работу по всем существующим и перспективным каналам связи (радио, радиорелейным, космическим, проводным, волоконно-оптическим, гидроакустическим, радиофотонным, квантовым и др.). Цель статьи: проведение анализа существующих способов синтеза коммутационных средств аналогового и цифрового этапов развития, а также формирование предложений по построению гибридного программного коммутатора. Методы: научно-методический аппарат теории синтеза сложных систем. Полученные результаты: на основе анализа современных сетевых технологий разработана функциональная структура гибридного программного коммутатора. В качестве показателей качества функционирования программного коммутатора в системе маршрутизации и коммутации выбраны вероятность своевременной доставки сообщения, частными показателями определены производительность, скорость и достоверность передачи сообщения, которые в совокупности достаточно полно характеризуют данный процесс. При этом выбранные показатели графически представлены в пространстве показателей качества функционирования. Практическая значимость: определена последовательность решения задачи синтеза гибридного программного коммутатора, включающая в себя: формирование и анализ исходных данных; разработку конкретной концептуальной модели гибридного программного коммутатора; разработку его функционально-модульной структуры; разработку комплекса обобщенных алгоритмов и математических моделей процессов функционирования; вычисление параметров элементов математической модели с учетом характеристик надежности, внешних воздействия, параметров процедур технической эксплуатации, характеристик канальных соединений; определение множества вариантов построения гибридного программного коммутатора по методу ветвей и границ; анализ выполнения требований системы управления к показателям качества функционирования гибридного программного коммутатора и выбор его параметров построения по результатам математических вычислений; выбор рациональной структуры гибридного программного коммутатора по методу Парето на основании критерия эффективности, состоящий в определении варианта, которому соответствует минимальное значение увеличения удельной себестоимости относительно значения, соответствующего идеальной рабочей точке.
Ключевые слова: гибридный программный коммутатор, каналы связи, коммутационные средства, показатели качества функционирования, система маршрутизации и коммутации.
Введение
Использование в современных системах связи различных видов коммутационных средств и низкий уровень автоматизации процессов маршрутизации и коммутации определяет низкие показатели качества функционирования этих систем связи. В настоящее время возросли требования по объемам передаваемой информации и по качеству предоставления современного сервиса услуг. Определяющая роль при этом в обеспечении высокой устойчивости сетей связи специального назначения принадлежит системам маршрутизации и коммутации.
Для выполнения новых требований современные системы маршрутизации и коммутации должны создаваться на основе перспективных информационно-телекоммуникационные технологий. Предлагается для этого современные системы маршрутизации и коммутации строить на основе многофункциональных аппаратно-программных модулей.
Построение сети на основе многофункциональных аппаратно-программных модулей позволит раздельно рассмотреть слой пользовательских уровней и транспортной сети, которые отвечают за коммутацию и транспортировку генерируемого трафика, а также отделить средства физического и логического переноса информации от средств маршрутизации и коммутации.
Функционально-модульная структура гибридного программного коммутатора
Устройством, обеспечивающим функции маршрутизации, коммутации и адаптации сети должен стать гибридный программный коммутатор (ГПК). На основе анализа современных сетевых технологий разработана функциональная структура гибридного программного коммутатора (рис. 1).
Администратор АСУС
Пользователи ДЛ СУ
ПРИКЛАДНЫЕ ПРОЦЕССЫ Электронная Интерактивный обмен ПР I почта_
Управление сетью |
функции интерфейса с канальным уровнем
■ запрос на установление и завершение соединения,
- извещение об успешном или неудачном соединения
- запрос о качестве соединений к другим станциям,
■ отчет о качестве соединений
Каналы транспортной сети переноса информации
ПО СРЕДАМ: Спу
Провод
Оптическое волокно
Радиоканалы
путниковые каналы
Каналы радиорелейной тропосферной связи
Рис. 1. Функционально-модульная структура ГПК
В состав программного коммутатора предлагается включить функциональные модули: кроссовой коммутации, коммутации каналов, установления виртуального соединения, диспетчера (модуля промежуточного уровня), многоуровневого маршрутизатора, выбора соединения, обмена по связности, состояния системы маршрутизации и коммутации, хранения и передачи сообщения, автоматического обмена сообщениями, автоматической коммутации, распределителей входящего и исходящего трафика.
Программный коммутатор является многосредным, так как в нем реализуется интерфейс с контроллерами канальных соединений, организуемых на различных средах переноса информации.
Диспетчер управляет работой программного коммутатора, направляя поступающие требования на установление соединений в соответствующие модули коммутации. Диспетчер регулирует эти процессы, обеспечивая оптимальное распределение, защищенность и управляемость сетевых ресурсов.
Процедуры маршрутизации и коммутации, используемые в ГПК, составляют полное множество современных процессов коммутации. Это кроссовая коммутация, коммутация каналов, сообщений и пакетов (установления виртуальных соединений и дейтаграммной передачи). Каждый из методов коммутации и маршрутизации имеет свои достоинства и недостатки, а конкретный тип может быть выбран на основе целесообразности применения в перспективных системах связи.
Алгоритмическое обеспечение ГПК представляет собой взаимоувязанный комплекс алгоритмов функционирования входящих в него функциональных модулей, соответствующих спецификациям и стандартам. Алгоритмы взаимодействия функциональных модулей обеспечивают согласованность их функционирования и возможность управления ими модулем «Диспетчер».
Обобщенный алгоритм модуля Диспетчер является специфичными для каждого ГПК и определяется требованиями системы связи. В основе алгоритма лежит системный алгоритм построения системы маршрутизации и коммутации системы связи.
Система алгоритмов гибридного программного коммутатора и их параметры являются основой математической модели при исследовании влияния параметров процедур маршрутизации и коммутации на качественные показатели ГПК и системы маршрутизации и коммутации (СМиК) для различных вариантов построения гибридного программного коммутатора.
Показатель эффективности функционирования программного коммутатора
Показателями качества функционирования проектируемого программного коммутатора в системе маршрутизации и коммутации являются вероятность своевременной доставки сообщения Q, отдельные показатели - производительность П, скорость V и достоверность Б передачи сообщения, которые в совокупности полно характеризуют данный процесс. Эти показатели позволяют сформировать метрическое пространство Ф и ввести сравнительную оценку элементов сетей, отличающихся используемыми средами передачи, технологией работы, размерами, конкретными техническими решениями [1, 2].
В пространстве Ф введена функция ^ = В, которая является неотрицательной,
счетно-аддитивной, определяет объем сети и представляет собой меру в пространстве показателей качества функционирования сети (рис. 2).
Показатель эффективности определяется через объем сети и представляет собой удельную себестоимость единицы объема сети У = С /Ж, где С - суммарные затраты на
создание и эксплуатацию сети связи. Критерий эффективности позволяет производить сравнительную оценку вариантов построения ГПК.
Математические модели исследования гибридных программных коммутаторов должны обеспечивать оценку воздействия различных факторов на его построение и на показатели, характеризующие качество функционирования отдельных ГПК и СМиК в целом.
П
Рис. 2. Пространство Ф показателей качества функционирования
Для исследования предлагается использовать аналитический аппарат систем массового обслуживания (СМО), широко используемый в исследовании сетей связи, и позволяющий исследовать различные виды сетей связи - с кроссовой коммутацией, коммутацией каналов, коммутацией пакетов, коммутацией сообщений при различных размерах и иерархичности структуры сети. Возможно исследование влияния на показатели качества функционирования различных дисциплин обслуживания требований, механизмов управления потоками, организации системы управления сетью и ее технического обеспечения, учет характеристик надежности, приоритетности обслуживания требований и других факторов [3, 4].
Значения показателей качества функционирования определяются параметрами входящего трафика, надежностными характеристиками оборудования ГПК, составом и характеристиками канальных соединений на разных средах передачи, внешними воздействиями, организацией системы управления, систем технической эксплуатации, технического обеспечения, безопасности, а также составом и техническими параметрами функциональных модулей ГПК и стратегиями управления, реализуемыми в модуле Диспетчер.
СМиК является сложной системой, ее составляют подмножества гибридного программного коммутатора в узле связи (УСг), каждый из ГПК должен соответствовать целому комплексу конкретных требований к нему от системы управления (СУ), в части множества М типов передаваемых сообщений, требований к их передаче и предоставляемому при этом сервису, характеристик общего трафика, множества поддерживаемых видов взаимодействия [5].
Вариант построения ГПК определяется не только требованиями, но и архитектурой ГПК: режимами обмена, составом функциональных модулей, используемыми спецификациями для их реализации, значениями параметров алгоритмов функционирования (тайм-аутов, числа повторных процедур и др.), а также составом канальных соединений и их нагрузочными характеристиками.
Функциональный модуль Диспетчер осуществляет управление функционированием ГПК для согласованной работы всех его функциональных модулей и оперативной реконфигурации под изменяющиеся обстоятельства в соответствии с множеством G стратегии СУ. Построение ГПК для конкретного УС должно учитывать и специальные требования СУ по обеспечению безопасности.
Очевидно, что для любого ГПК^ УС^ с УСЯ существует множество WN вариантов построения.
Задача синтеза ГПК состоит в выборе рационального варианта WP^ по критерию
эффективности и является дискретной задачей многокритериальной оптимизации. Для ее решения предлагается применить метод оптимизации Парето.
Из множества WN формируется ряд рассматриваемых вариантов, находится
подмножество допустимых вариантов Wдoп построения ГП^, для которых обеспечиваются требования СУ в данном У^ . Рациональный вариант WPАц определяется
из множества Wдoп • Для каждого из множества вариантов построения ГПК, получаемого методом ветвей и границ, вычисляются значения показателей качества функционирования с использованием аналитического аппарата СМО. По результатам вычислений определяется множество альтернативных решений, и исключаются все заведомо худшие решения. В результате получается задачу выбора решения в условиях определенности. Варианты построения гибридного программного коммутатора, при которых обеспечиваются требования к показателям качества функционирования, составят множество допустимых решений [6].
Для выбора оптимального решения использован метод идеальной точки. По показателю эффективности производится выбор рационального варианта построения гибридного программного коммутатора. При этом, на основании рассчитанных показателей качества функционирования сети: производительности П, скорости V, достоверности D передачи информации и вероятности своевременной доставки, рассчитывается и сравнивается величина удельной себестоимости объема сети W = PD, определяемого через произведение отдельных показателей: У = С/ W или У = С/ PD, где Р = П/ Т - показатель мощности.
Наибольшие значения объема сети и, следовательно, наименьшая удельная себестоимость обеспечиваются в оптимальной рабочей точке, в которых сбалансированы производительность и задержка.
Рассчитаем координаты оптимальной рабочей точки у(0). Эту точку для задачи максимизации назовем идеальной. Ясно, что такая точка (точка у(0) лежит вне множества
Парето и для нее справедливо у(~О0>ру, Vy g рф , где Р - это отношение строгого предпочтения,
а Рф - множество Парето.
Так как пространство показателей качества функционирования является метрическим, то увеличение удельной себестоимости из-за отклонения от оптимальной рабочей точки может быть определено выражением:
ДУ = C = С WМАКС ~ wr
Wr Wma^ WRW
МАКС
Поэтому производится сравнение удельной себестоимости ДУ^ = У а - У и
ДУ в = У в — У для каждого из допустимых вариантов построения ГПК. В качестве рационального варианта построения гибридного программного коммутатора выбирается
вариант, для которого увеличение удельной себестоимости относительно идеальной точки минимально [7, 8].
Оценка степени возрастания, то есть снижения эффективности использования ресурсов сети, может быть применена при принятии решений по проектированию сети связи и управлению в процессе использования по назначению.
Заключение
Таким образом, решение задачи синтеза гибридного программного коммутатора включает в себя:
- формирование и анализ исходных данных;
- разработку конкретной концептуальной модели ГПК в рамках СМиК, в соответствии с требованиями СУ, факторами, которые должны быть учтены, и возможностями ресурсов;
- разработку функционально-модульной структуры гибридного программного коммутатора на базе современных сетевых технологий в соответствии с предназначением узла связи;
- разработку комплекса обобщенных алгоритмов и математических моделей процессов функционирования гибридного программного коммутатора в отдельных подсетях, по соответствующим спецификациям международных рекомендаций и отечественных ГОСТов;
- вычисление параметров элементов математической модели с учетом характеристик надежности, внешних воздействий, параметров процедур технической эксплуатации, характеристик канальных соединений;
- определение множества вариантов построения гибридного программного коммутатора по методу ветвей и границ;
- анализ выполнения требований системы управления к показателям качества функционирования ГПК узла связи и выбор его параметров построения по результатам математических вычислений (состава функциональных модулей, правил их взаимодействия);
- выбор рациональной структуры гибридного программного коммутатора по методу Парето на основании критерия эффективности, состоящий в определении варианта, которому соответствует минимальное значение увеличения удельной себестоимости относительно значения, соответствующего идеальной рабочей точке.
Литература
1. Kleinrock L. Communication nets: Stochastic message flow and delay, New York, McGraw-Hill, 1964. 288 с.
2. Давыдов Г. Б. Рогинский В. Н., Толчан А. Я. Сети злектросвязи. - М.: Связь, 1977. 360 с.
3. Кристофидес Н. Теория графов. - М.: Мир, 1978. - 432 с.
4. Лазарев В. Г., Лазарев Ю. В. Динамическое управление потоками информации в сетях связи. - М.: Радио и связь, 1983. 216 с.
5. Суздалев А. В. Сети передача информации АСУ. - М.: Радио и связь, 1983. - 152 с.
6. Кулешов И. А. Функциональная структура системы маршрутизации и коммутации сети связи // Научно-технический сборник № 13. - СПб.: ВАС, 2007.
7. Кулешов И. А. Принципы построения современных мультисервисных сетей // Труды ВАС. 2008. № 71. - СПб.: ВАС, 2008.
8. Инфокоммуникационные сети: энциклопедия. Книга 4: Гетерогенные сети связи: принципы построения, методы синтеза, эффективность, цена, качество / П.А Будко., И.А Кулешов, В.И. Курносов, В.И. Мирошников; Под ред. профессора В.И. Мирошникова. - Москва.: Наука, 2020 -683 с.
References
1. Kleinrock L. Communication nets: Stochastic message flow and delay, New York, McGraw-Hill, 1964.288 p.
2. Davydov G. B., Roginsky V. N., Tolchan A. Ya. Seti elektrosvyazi [Telecommunication networks]. Moscow, Svyaz Publ., 1977. 360 p. (in Russian).
3. Kristofides N. Teoriya grafov [Graph theory]. Moscow, Mir Publ., 1978. 432 p. (in Russian).
4. Lazarev V. G., Lazarev Yu. V. Dinamicheskoe upravlenie potokami informacii v setyah svyazi [Dynamic control of information flows in communication networks]. Moscow, Radio and Communications Publ., 1983. 216 p. (in Russian).
5. Suzdalev A. V. Seti peredacha informacii ASU [Networks of information transmission of automated control systems]. Moscow, Radio and Communications Publ.,1983. 152 p. (in Russian).
6. Kuleshov I. A. Funkcional'naya struktura sistemy marshrutizacii i kommutacii seti svyazi [Functional structure of the routing and switching system of the communication network]. St. Petersburg, Scientific and technical collection Military Academy of Communications 2007. No.13 (in Russian).
7. Kuleshov I. A. Principy postroeniya sovremennyh mul'tiservisnyh setej [Principles of building modern multiservice networks]. St. Petersburg, The works of Military Academy of Communications, 2008, No. 71 (in Russian).
8. Budko P. A., Kuleshov I. A., Kurnosov V. I., Miroshnikov V. I. Infokommunikacionnye seti: enciklopediya. Kniga 4: Geterogennye seti svyazi: principy postroeniya, metody sinteza, effektivnost', cena, kachestvo [Heterogeneous communication networks: principles of construction, synthesis methods, efficiency, price, quality]. Moscow, Nauka Publ., 2020, 683 p. (in Russian).
Статья поступила 17 мая 2023 г.
Информация об авторах
Кулешов Игорь Александрович - Заместитель генерального директора ПАО «Интелтех» по научной работе. Доктор технических наук, доцент. Область научных интересов: системы связи, навигации и управления специального назначения.
Адрес: 197342, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Кантемировская д. 8. Тел.: +7(812) 542-90-54. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Спивак Андрей Игоревич - Аспирант Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича".
Адрес: 197342, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Кантемировская д. 8. Тел.: +7(812) 542-90-54. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Аксенов Сергей Сергеевич - Аспирант Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича".
Адрес: 197342, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Кантемировская д. 8. Тел.: +7(812) 542-90-54. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
The sequence of synthesis of modern switching means for special communication networks
I. A. Kuleshov, A. I. Spivak, S. S. Aksenov
Annotation. Recently, a number of non-trivial tasks have been set before the communication system. One of the main ones is to ensure the synthesis of switching means of analog and digital stages of development. In addition, switching means should ensure operation on all existing and promising communication channels (radio, radio relay, space, wired, fiber-optic, sonar, radiophoton, quantum, etc.). The purpose of the article is to analyze the existing methods of synthesis of switching means of
analog and digital stages of development, as well as the formation ofproposals for the construction of a hybrid software switch. Methods: scientific and methodological apparatus of the theory of synthesis of complex systems. The results obtained: based on the analysis of modern network technologies, the functional structure of a hybrid software switch has been developed. As indicators of the quality of the functioning of the software switch in the routing and switching system, the probability of timely delivery of the message is selected, the performance, speed and reliability of message transmission are determined by particular indicators, which together characterize this process quite fully. At the same time, the selected indicators are graphically represented in the space of indicators of the quality of functioning. Practical significance: the sequence of solving the problem of synthesis of a hybrid software switch has been determined, which includes: formation and analysis of initial data; development of a specific conceptual model of a hybrid software switch; development of its functional-modular structure; development of a complex of generalized algorithms and mathematical models of functioning processes; calculation of parameters of elements of a mathematical model taking into account reliability characteristics, external influences, parameters of technical operation procedures, characteristics of channel connections; determination of a variety of options for building a hybrid software switch by the method of branches and boundaries; analysis of the fulfillment of the requirements of the management system for the quality indicators of the hybrid software switch and the choice of its construction parameters based on the results of mathematical calculations; the choice of a rational structure of a hybrid software switch using the Pareto method based on the efficiency criterion, consisting in determining the option that corresponds to the minimum value of the increase in unit cost relative to the value corresponding to the ideal operating point.
Keywords: hybrid software switchboard, communication channels, switching facilities, performance indicators, routing and switching system.
Information about the authors
Kuleshov Igor Aleksandrovich - Deputy General Director of PJSC "Inteltech" for scientific work. Doctor of Technical Sciences, Associate Professor. Research interests: communication, navigation and control systems for special purposes.
Address: 197342, Russia, St. Petersburg, Kantemirovskaya str.8. Tel.: +7(812) 542-90-54. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Spivak Andrey Igorevich - Postgraduate student of the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "St. Petersburg State University of Telecommunications named after Prof. M.A. Bonch-Bruevich".
Address: 197342, Russia, St. Petersburg, Kantemirovskaya str.8. Tel.: +7(812) 542-90-54. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Aksenov Sergey Sergeevich - Postgraduate student of the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education "St. Petersburg State University of Telecommunications named after Prof. M.A. Bonch-Bruevich".
Address: 197342, Russia, St. Petersburg, Kantemirovskaya str.8. Tel.: +7(812) 542-90-54. E-mail: intelteh@inteltech.ru.
Для цитирования: Кулешов И. А., Спивак А. И., Аксенов С. С. Последовательность синтеза современных коммутационных средств для специальных сетей связи // Техника средств связи. 2023. № 2 (162). С. 27-34. DOI:1024412/2782-2141-2023-2-27-34.
For citation: Kuleshov I. A., Spivak A. I., Aksenov S. S. The sequence of synthesis of modern switching means for special communication networks // Means of Communication Equipment. 2023. No. 2 (162). Рр. 27-34. DOI:1024412/2782-2141-2023-2-27-34. (in Russian).
