CC BY
57
НАУЧНОЕ ИЗДАНИЕ МГТУ ИМ. Н. Э. БАУМАНА
НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ
Эл № ФС77 - 48211. Государственная регистрация №0421200025. ISSN 1994-0408
электронный научно-технический журнал
Программный комплекс поиска маршрутов в сетях синхронной цифровой иерархии # 02, февраль 2014 Б01: 10.7463/0214.0698921
Буланов В. А., Буланова Т. А., доцент, к.т.н. Трудоношин В. А.
УДК 681.3
Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана уЬ 0 01 @гатЫегги [email protected]
Введение
Синхронная цифровая иерархия (СЦИ) - это технология цифровых систем передачи для построения сетей связи, которая нашла широкое применение при построении телефонных сетей и сетей передачи данных на основе выделенных каналов. Эта технология обладает целым рядом преимуществ, которые позволили ей стать одной из основных транспортных технологий на современном этапе развития. Одним из основных преимуществ является быстрое переключение на резервный маршрут в случае возникновения неисправности на основном маршруте, которое происходит за 50 мс фактически без потери существующих соединений. Хорошая проработка международных стандартов, описывающих структуру сигналов СЦИ, функции и электрические параметры аппаратуры, обеспечивает совместимость оборудования разных производителей [1]. Это позволило операторам сетей использовать на своих сетях оборудование различных производителей, наиболее полно решающегозадачи своего уровня.
Однако эффективное управление такими сетями возможно только при наличии соответствующей системы управления. Система управления оборудованием таких сетей состоит из двух уровней - элементного и сетевого. Система управления элементного уровня обеспечивает мониторинг и управление мультиплексорами сети. Основная функция системы управления сетевого уровня - это поиск пути (маршрута) в сети и подготовка задания для систем элементного уровня для организации/отключения канала, подготовка отчетной информации для оператора сети. При этом, несмотря на практически полную совместимость оборудования СЦИ на аппаратном уровне, производители оборудования выпускают системы управления, работающие только с
оборудованием данного производителя, что существенно ограничивает возможности оператора по внедрению оборудования разных производителей на одной территориальной сети.
Предлагаемые некоторыми производителями программного обеспечения универсальные системы управления очень дорогостоящие, обеспечивают в основном только функцию мониторинга сети, сбора сообщений об ошибках и проблемах на сетевом оборудовании, подготовки отчетов и предназначены фактически для комплексных центров технического обслуживания.Кроме того, часто заложенные производителями методы поиска маршрутов не учитывают особенности сетей операторов и возникающие при этом ограничения.
Работа посвящена разработке программного комплекса, позволяющего находить оптимальные маршруты для организуемых в сетях СЦИ каналов. Известны работы по созданию программных комплексов для анализа сетей СЦИ [2]. Существуют также системы проектирования сетей: система компьютерного проектирования SICAP фирмы SIEMENS, система INDT-разработка LUCENT TECNOLOGIES, система PIGEON фирмы NEC, пакет программ института CNET (Франция), а также пакеты программ для проектирования сетей разработки специализированных фирм Alcatel, DETECON и др. Однако данные комплексы не предназначены для поиска оптимальных маршрутов для текущей эксплуатации сети и служат для проведения анализа по выбору структуры сети при ее построении или модернизации для заранее известной матрицы соединений.
Постановка задачи
Рассмотрим структуру сети СЦИ. Сеть состоит из мультиплексоров СЦИ и волоконно-оптических линий связи. Мультиплексор СЦИ выполняет формирование линейных сигналов для линий связи, а также производит агрегирование пользовательских потоков и переключение цифровых потоков между линейными выходами. В СЦИ используются синхронные транспортные модули СТМ-N, где N- определяется уровнем СЦИ. В настоящее время имеется оборудование уровней 1, 4, 16, 64 с соответствующими скоростями передачи. Базовым уровнем СЦИ являются СТМ-1 со скоростью 155520 кбит/с. Соединения между мультиплексорами сети СЦИ называются мультиплесорными секциями.
В качестве полезной нагрузки СЦИ могут передаваться цифровые сигналы со скоростями от 1, 5 до 140 Мбит/с и удовлетворяющие рекомендации G.703 Международного Союза Электросвязи. В цикле СТМ-1 может быть передано 63 сигнала со скоростью 2048 кбит/с.
Мультиплексор СЦИ имеет минимум две пары магистральных выходов, соединяющих его с соседними мультиплексорами сети и обеспечивающих различные схемы резервирования или защиты. Схемы защиты типа 1+1 и типа 1:1 образуются путем организации двух встречных потоков. В схеме 1+1 производится анализ сигналов с каждого направления и выбирается лучший. В схеме 1:1 организуются основное и резервное кольца на сети и при сбое в основном кольце происходит переключение на резервное.
В случае простой структуры сети СЦИ типа кольца - задача поиска оптимальных маршрутов достаточно проста и хорошо решается системами управления. Однако в случае ячеистой структуры сети СЦИ (рис.1), которую широко используют альтернативные операторы городских сетей связи, такая задача становится достаточно трудоемкой. Окружности соответствуют узлам сети, линии - секциям. Кроме того, обычно возникает необходимость дополнительно учитывать ряд ограничений, возникающих из реальных особенностей прокладки линий связи между мультиплексорами, возможностей по модернизации отдельных направлений и так далее.
Рис. 1. Ячеистая структура сети СЦИ
Итак, необходимо разработать систему, позволяющую находить оптимальные маршруты основного и резервного каналов в сети СЦИ сложной структуры с учетом следующих ограничений.
- Существуют мультиплексные секции, по которым маршруты не должны проходить. Такое ограничение обусловлено реальным расположением некоторых мультиплексных секций в одних и тех же кабелях, но в разных волокнах;
- При прокладке основного канала должны выбираться секции с соответствующим структурированием, так, например, канал Е3 (34 Мбит/с) может пройти только через ту секцию, у которой есть соответствующая конфигурация.
Методика решения задачи
Для поиска оптимальных маршрутов каналов по сети будем использовать алгоритм Дейкстры [3], так как он позволяет найти кратчайший маршрут между узлами СЦИ с учетом их веса. Введем зависимость веса мультиплексорной секции в зависимости от ее загруженности. Такой способ назначения весов может обеспечить равномерную загрузку секций, сохраняя резерв для развития сети. Кроме того, это позволяет учитывать реальные возможности установленного оборудования сети.
Для обеспечения резервирования по схеме 1+1 в сетях СЦИпрокладываются два канала -основной и резервный. Исходными данными для прокладки каналов являются списки, в которых указываются начальный и конечный мультиплексор канала и его пропускная способность. Алгоритм Дейкстры применим здесь практически в оригинальном виде, поскольку позволяет найти кратчайший маршрут от начального узла ко всем остальным.Для сокращения затрат времени при вычислениях можно предварительноупорядочивать списки каналов, группируя их таким образом, чтобы для узла указывались все основные каналы. Можно дополнительно использовать и другие стратегии, например, прокладывать вначале короткие каналы. Длина канала оценивается количеством мультиплексорных секций, которые он занимает. Если вначале прокладывать длинные каналы, то они займут ресурс и при прокладке коротких каналов придется идти длинными путями. При прокладке же резервного канала появляются следующие дополнительные ограничения.
1) Резервный канал не может проходить по тем же мультиплексорным секциям, по которым прошел основной канал.
2) Резервный канал не может проходить через те же узлы, через которые прошел основной канал. Это правило не является лишним с учетом первого ограничения, поскольку секции основного и резервного каналов могут пересекать узел крестообразно.
3) На тупиковых ответвлениях резервирование не имеет смысла и резервный канал должен совпадать с основным, чтобы экономить ресурс мультиплексорной секции терминального подключения.
Для учета вышеуказанных ограничений предлагается следующая методика поиска оптимальных маршрутов на сети СЦИ (рис. 2).
Ввод исходных данных
Рис.2. Методика поиска оптимальных маршрутов для канала в сети ЦСИ
Программная реализация
Представленная методика была реализована в разработанном программном комплексе. Основное окно программного комплекса представлено на рис.3.
Рис.3. Графический интерфейс комплекса
Помимо прокладки маршрутов, комплекс позволяет хранить в базе данных сведения об узлах, секциях и каналах сети, то есть представляет собой фактически базу данных с графическим интерфейсом. Примеры сведений об узлах и секциях представлены на рис. 4 и рис. 5.
Данные базы предоставляют оператору сети удобный инструмент оперативного создания отчетов особенно в условиях аварий на сети в случае нескольких одновременно возникающих аварийных ситуаций на сети: обрыв магистральных кабелей и/или выход из строя мультиплексорного оборудования. В аварийных ситуациях могут повреждаться как основной, так и резервный маршруты отдельных каналов, которые оператор во многих случаях может переложить по работающим мультиплексорным секциям, но информацию о которых зачастую из систем управления он оперативно получить не может вследствие перегруженности системы управления аварийными сообщениями.
Таким образом, разработанный программный комплекс позволяет находить оптимальные основной и резервный маршруты для каналов в сети СЦИ сложной структуры с учетом ограничений, накладываемых реальными особенностями сетей.
I Show board for rode M ZHUKOVA 37 A
Слот Плата Инв.номер Дата ввода Тип Загрузка
0 SHELF FA014055516 2004-10-25 other
1 А21Е1 CL0109701S8 2005-02-17 trib_el 15
2 А21Е1 CL013177098 2005-02-17 trib_el 13
3 А21Е1 CL012045076 2005-02-17 trib_el 19
4 А21Е1 CL013177068 2008-06-09 trib_el Свободна
5 А21Е1 CL013176841 2008-06-09 trib_el Свободна
6 А21Е1 CL013063946 2008-06-09 trib_el Свободна
7
S
9 A2S1 CL013046437 2005-02-17 service
9Л Б-1.1 FA014055734 2005-02-17 agr
9/2 Б-1.1 FA014055730 2005-02-17 agr
10 CONGI CL012164304 2004-10-25 service
11 SERVICE FA013955147 2004-10-25 service
12 CONGI CL013444731 2004-10-25 service
1Л
Рис.4. Сведения об оборудовании узла
ОКО Show section -АТС-152 A- KOSTYAKOVA 12 А
Section's name
Speed
SlotA
SlotE
2SJ
Л
ATC-152 A-KOSTYAKOVA 12 A
STHI4 38 33
Section's resource Ali Free Busy Section's loading - max %
VC12-resource 252 226 26 10 60 75 »
VC3-re source 0 0 0 Section's loading -struct %
VC4-resource 0 0 0 10 60 75 »
Optic's route fïber-nurn Comment
Ко стя ко в.а_12-РУ СТАВ Е Л И 2
АТС-152-РУ СТАВ ЕЛИ 2
Рис.5. Сведения о секции сети
Программный комплекс написан на языке Java [4], использует СУБД MySQL [5]. Разработанный программный комплекс активно применяется оператором Московской волоконно-оптической сети ОАО «КОМКОР».
Заключение
Разработан программный комплекс поиска маршрутов в сетях синхронной цифровой иерархии на основе алгоритма Дейкстры с учетом ограничений, накладываемых реальными особенностями сетей. Каналы связи могут прокладываться при наличии аппаратуры различных производителей, то есть каналы прокладываются более оптимальным образом по сравнению с использованием похожих комплексов производителей аппаратуры. В качестве перспективы развития комплекса можно предложить организацию управления узлами непосредственно из графической оболочки.
Список литературы
1. Слепов Н.Н. Синхронные цифровые сети SDH. М.: Эко-трендз, 1997. 148 с.
2. Баркова И.В., Сергеева Т.П. Математические модели оценки надежности кольцевых структур в сетях SDH // Электросвязь. 2001. № 11. С. 36-39.
3. Кристофидес Н. Теория графов, алгоритмический подход: пер. с англ. М.: Наука, 1984. 289 с.
4. Гослинг Д., Арнольд К. Язык программирования Java: пер. с англ. СПб.: Питер, 1997. 304 с.
5. Кузнецов М., Симдянов И. Самоучитель MySQL 5. СПб.: БХВ-Петербург, 2007. 546 с.
SCIENTIFIC PERIODICAL OF THE BAUMAN MS TU
SCIENCE and EDUCATION
EL № FS77 - 48211. №0421200025. ISSN 1994-0408
electronic scientific and technical journal
Software complex for finding the path routings in synchronous digital
hierarchy networks
# 02, February 2014
DOI: 10.7463/0214.0698921
V.A. Bulanov, T.A. Bulanova, V.A. Trudonoshin
Bauman Moscow State Technical University, 105005, Moscow, Russian Federation
vb 0 01 @ramblerni tmdonosliiniSjmail.m
Communication network constructions based on the synchronous digital hierarchy (SDH) are widely used in design and operation of telephone networks and data transfer ones on the basis of dedicated links. The providing the link for data transmission from one node to another one is a nontrivial objective. The network equipment vendors, as a rule, may provide also a network system control. However, these systems can be used only with the manufacturer's equipment, but are not intended for finding the optimal paths for the current network operation. They serve for examination to choose a network structure at the stage of its development or modernization for the known in advance matrix of connections. From the practice it is seen that the real networks structures use diverse equipment. Therefore to develop a complex to find the paths in SDH-based network is a challenge.
Dijkstra algorithm is implemented to find the shortest network path routings in the complex. The use of the classical algorithm is impossible because of the restrictions in providing main and reserve links. There are multiplex sections with no routes to be expected. Such restriction is due to real arrangement of some multiplex sections in the same cables, but in different fibres. When providing the main link, the appropriate structuring sections should be preferable. For example, the link E3 (34 Mbit/s) can pass only across the section of relevant configuration. The reserve link cannot pass across those multiplex sections where the main link has passed. This rule is not 'extra' considering the first restriction since the main and reserve link sections cannot crisscross the node. At the dead ends reserving has no sense, and the reserve link has to coincide with the main one to save a multiplex section resource of terminal switching. In implementation all these restrictions have been taken into consideration.
In addition to the path routings, complex enables saving information on the network nodes, sections, and links in database (DB) i.e., actually, it represents a DB with graphic interface, thereby allowing an operator to have rapid information on its state.
Thus, the developed software complex enables finding the main and reserve path routes for the links in structurally complicated SDH network, taking into account the restrictions due to real network features, and an operator of Moscow Fiber Optic Network, Joint-Stock Company "KOMKOR" actively uses it.
Publications with keywords: Dijkstra's algorithm Publications with words: Dijkstra's algorithm
References
1. Slepov N.N. Sinkhronnye tsifrovye seti SDH [SDH synchronous digital network]. Moscow, Eko-trendz Publ., 1997. 148 p. (in Russian)
2. Barkova I.V., Sergeeva T.P. [Mathematical models of evaluating the reliability of ring structures in SDH networks]. Elektrosvyaz', 2001, no. 11, pp.36-39. (in Russian)
3. Christofides N. Graph theory. An algorithmic approach. Academic Press, 1975. (Russ. ed.: Christofides N. Teoriya grafov, algoritmicheskiypodkhod. Moscow, Nauka Publ., 1984. 289 p.).
4. Arnold K., Gosling J. The Java Programming Language. Addison Wesley, 1996. (Russ. ed.: Gosling J., Arnold K. Yazykprogrammirovaniya Java. St. Petersburg, Piter Publ., 1997. 304 p.).
5. Kuznetsov M., Simdyanov I. Samouchitel' MySQL 5 [MySQL 5: self-teaching guide]. St. Petersburg, BHV-Peterburg Publ., 2007. 546 c. (in Russian)
