СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ СТРУКТУРЫ СЕТИ ОБМЕНА ДАННЫМИ УПРАВЛЕНИЯ
METHOD FOR GENERATION OF CONTROL DATA EXCHANGE NETWORK STRUCTURE

Изобретение относится к области электросвязи и может быть использовано при организации сети обмена данными управления (СОДУ) автоматизированных систем управления (АСУ) телекоммуникационными сетями (ТКС).
Известен способ формирования СОДУ (Data Communication Network, DCN) в сети TMN (Telecommunication Management Network) [ITU-T Recommendation М.3010. Principles for a telecommunications management network, 2000]. СОДУ организуется на специально выделенном (физически или логически) канальном ресурсе, что дает возможность передавать информацию управления отдельно от основного графика телекоммуникационной сети. Для формирования такой структуры используются тракты, построенные на сетевых компонентах всех видов. Для передачи данных между каждой парой "сетевой элемент (СЭ) - управляющая система (УС)" администратором задаются несколько разрешенных трактов (основной и резервные). Под термином "сетевой элемент", упоминаемым в материалах заявки, понимается оборудование, линии и каналы связи, а также программное обеспечение, выступающие в качестве объекта управления, характеризуемые множеством контролируемых параметров, передающие информацию о своем состоянии в виде протокольных блоков данных (Protocol Data Unit - PDU) к УС и принимающими от нее команды управления. Данный способ имеет следующие недостатки: ресурс пропускной способности в рамках выделенной сети передачи данных управления СОДУ TMN строго фиксирован независимо от передаваемого графика и потребностей УС в данных о состоянии СЭ; пути, по которым передаются данные управления между парой СЭ-УС, задаются администратором и, при значительных нарушениях в сети TMN, может произойти потеря контролируемого объекта из вида УС; низкая экономическая эффективность данного способа при построении географически разнесенных выделенных ТКС с малым числом абонентов (корпоративная сеть).
Кроме того, известен способ, описанный в патенте RU 02138127, предусматривающий формирование сети передачи сообщений на основе обработки в выделенном узле обслуживания сети служебных сигналов, передаваемых с заданной периодичностью [Патент №2138127, опубликован 20.09.1999 г. Способ передачи сообщений между абонентскими устройствами, объединенными в сеть]. Способ содержит абонентские устройства, объединенные в сеть, по крайней мере один узел обслуживания сети, множество каналов связи, соединяющих абонентские устройства и узлы обслуживания сети. В каждом абонентском устройстве формируются периодически передаваемые служебные сигналы, содержащие информацию идентификации и статуса данного СЭ. Служебные сигналы передаются СЭ периодически в зависимости от их загруженности и загруженности каналов связи с ними. В зависимости от степени регулярности потока принятых служебных сигналов в каждом СЭ формируется ранжированный перечень всех доступных СЭ-адресатов. Передача сообщений осуществляется по маршруту, сформированному из узлов сети, ранг которых является наиболее высоким. Данный способ позволяет осуществлять связь между СЭ при наличии хотя бы одного функционирующего маршрута между ними. Недостатком известного способа является то, что выбранный указанным способом маршрут передачи сообщений не всегда является оптимальным, поскольку максимальный критерий доступности СЭ учитывается только между соседней парой СЭ. Возможны варианты, когда маршрут включает в себя несколько участков абонент-источник - абонент-адресат. В этом случае общие для всего маршрута показатели надежности и своевременности доставки, а также стоимостные показатели не учитываются.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению (прототипом) является способ организации передачи служебных данных в сети общеканальной сигнализации №7 (ОКС №7), позволяющий формировать выделенную сеть передачи сигнальных сообщений, представляющую собой совокупность пунктов сигнализации, связанных между собой звеньями сигнализации [Росляков А.В. Общеканальная система сигнализации №7. Изд. второе, доп. - М.: Эко-Трендз, 2002]. При формировании сети передачи сигнальных сообщений для каждого пункта сигнализации определяются основные и резервные звенья сигнализации. Маршрутизация сообщений (нормальная и резервная) определяется независимо в каждом пункте сигнализации. Данным способом также предусмотрено разделение нагрузки между пучками звеньев сигнализации. Однако данный способ не позволяет эффективно использовать выделенный ресурс пропускной способности ТКС, поскольку звенья сигнализации при отсутствии передачи сигнальных сообщений остаются незагруженными. Кроме того, при серьезных нарушениях в работе сети, когда и основные, и резервные звенья сигнализации выходят из строя, связь между пунктами сигнализации нарушается.
Общий недостаток известных способов формирования сетей передачи сообщений - отсутствие учета стоимостных показателей, что является актуальным при наличии в функционирующих ТКС арендованного канального ресурса.
При функционировании ТКС существуют несколько режимов работы сети. При стационарном режиме, когда сеть работает стабильно, целесообразно использовать такую структуру СОДУ, которая обеспечивает минимальные затраты на ее функционирование. При возникновении сбоев в работе отдельных СЭ для оперативного восстановления функционирования ТКС целесообразно использовать структуру СОДУ, обеспечивающую минимальные временные затраты на доставку информации управления. При наличии массовых сбоев в работе ТКС структура СОДУ должна обеспечивать максимальную надежность маршрутов доставки информации управления для снижения ошибок при формировании управляющих воздействий.
Кроме того, из уровня техники известно, что информация о контролируемых параметрах от СЭ передается к УС, как правило, в сокращенном объеме. Объем выборки передаваемых параметров из базы данных управляющей информации СЭ (Management Information Base - MIB) определяется администратором сети либо устанавливается производителем оборудования. Доступ к полному перечню контролируемых параметров СЭ осуществляется обслуживающим персоналом непосредственно на данном СЭ либо передается к УС по запросу оператора. Таким образом, при принятии решения по управлению ТКС в АСУ используется неполная информация о состоянии СЭ, что увеличивает вероятность ошибки управления ТКС.
Техническим результатом, на который направлено изобретение, является разработка способа формирования структуры СОДУ в сети связи, позволяющего администратору наиболее эффективно использовать возможности АСУ ТКС, выбирая критерий оптимизации структуры СОДУ, в большей степени соответствующий текущей ситуации на сети. Так для стационарного режима функционирования ТКС критерием, по которому будет проводиться оптимизация структуры СОДУ, является показатель стоимостных затрат на доставку информации управления, что существенно при наличии в ТКС арендованного телекоммуникационного ресурса. При наличии сбоев в работе отдельных СЭ критерием оптимизации структуры СОДУ является минимальное время задержки передаваемых протокольных блоков данных, содержащих информацию управления, а при массовых сбоях в сети оптимизацию структуры СОДУ целесообразно проводить по критерию надежности маршрутов доставки информации управления. При этом максимизируется объем передаваемых данных по управлению и обеспечивается оптимальное использование выделенного канального ресурса по выбранному критерию.
Полученным техническим результатом является расширение функциональных возможностей АСУ ТКС по обмену данными управления за счет увеличения объема передаваемых данных по управлению, использования для передачи данных управления всех доступных каналов связи, а также оптимизации маршрутов передачи данных управления по критериям надежности, своевременности или стоимости доставки данных в зависимости от текущей ситуации в ТКС.
сб
пj
Технический результат достигается тем, что в АСУ ТКС для формирования СОДУ используются не только заранее закрепленные каналы связи, как в способе-прототипе, а все доступные каналы связи: выделенные каналы связи, встроенные каналы, образованные служебными и свободными байтами заголовка MSOH (Multiplex Section Overhead) фрейма STM-N (Synchronous Transport Module of level N) в системах передачи, построенных по технологии синхронной цифровой иерархии SDH (Synchronous Digital Hierarchy), звенья сигнализации ОКС №7 и др. При этом в ходе функционирования ТКС при появлении новых каналов и трактов связи, данный ресурс также может быть использован для формирования структуры СОДУ. Данные управления от СЭ передаются циклически в виде PDU к УС, на которой происходит обработка данных управления и выработка решения по управлению ТКС. Маршруты доставки PDU и потребности в объеме информации о состоянии СЭ определяются централизованно на основании информации о состоянии СЭ, содержащейся в PDU, полученных в предыдущем цикле управления. При определении маршрутов доставки PDU и распределении графика информации управления выбирается множество допустимых маршрутов, для которых удовлетворяются требования по времени задержки пакетов и показателям надежности. Для каждого цикла управления в УС определяется время, отводимое для сбора данных управления t, и объем передаваемых от каждого СЭ контролируемых параметров, соответствующий максимальной потребности УС в информации о состоянии СЭ, характеризуемый коэффициентом полноты k:
j
j
1
2
N
где М - общее число параметров, характеризующих j-объект управления, содержащееся в MIB j-го СЭ М={М, М,…,М};
j
m - число параметров, передаваемых от j-го СЭ;
j=  - общее число СЭ в сети.
j
Параметры СЭ М упорядочиваются по степени значимости, что позволит при ограничениях на ресурс пропускной способности сети осуществлять запрос и передачу значений наиболее значимых параметров с точки зрения принятия решения по управлению ТКС (обладающим более высоким рангом r).
Объем передаваемых контролируемых параметров определяется при направлении запроса УС к СЭ в зависимости от требований к полноте представляемой информации. Наиболее качественное решение по управлению ТКС вырабатывается при максимально полной информации о состоянии контролируемых элементов. Однако в случаях перегрузки сети либо наличии массовых сбоев объем передаваемой информации от ряда СЭ может быть сокращен, например, от тех СЭ, которые работают стабильно, и максимизирован от тех СЭ, параметры которых находятся не в норме либо близки к пороговым значениям.
1
2
n
Распределение потоков графика по допустимым маршрутам осуществляется путем решения оптимизационной задачи линейного программирования, где в качестве оптимизируемых переменных выступают параметры загрузки маршрутов {х, x,…,x}. При этом целевая функция F и ограничения выбираются в зависимости от ситуации на сети.
Так при стационарном режиме работы ТКС минимизируемая целевая функция F представляет собой функцию общих стоимостных затрат на доставку информации управления и ограничениями являются требования к полному распределению исходящей нагрузки между маршрутами, а также к неперегруженности линий СОДУ. Результатом решения задачи является оптимальное распределение потоков графика информации управления от СЭ по допустимым маршрутам для максимальных объемов данных управления. В случае, когда невозможно найти допустимое решение при заданных исходных данных, запускается процедура сокращения числа передаваемых данных. В результате применения данного способа для каждого цикла управления формируется структура СОДУ, по которой передача данных управления максимального объема осуществляется с минимальными затратами и требуемыми показателями надежности маршрутов и своевременности доставки сообщений.
При наличии сбоев в работе отдельных СЭ оптимизация структуры СОДУ осуществляется по критерию минимального времени задержки пакетов в сети и при ограничениях по показателям стоимости и надежности маршрутов доставки. В этом случае, в результате применения предлагаемого способа, для каждого цикла управления в ТКС формируется такая структура СОДУ, в которой передача данных управления требуемого объема осуществляется с минимальными временными задержками и требуемыми показателями надежности маршрутов и затрат на доставку.
При массовых сбоях в работе сети оптимизация структуры СОДУ осуществляется по критерию надежности маршрутов доставки данных управления при ограничениях по стоимости и максимально допустимому времени задержки пакетов. В этом случае в результате применения способа для каждого цикла управления формируется такая структура СОДУ, в которой передача данных управления требуемого объема осуществляется по маршрутам с максимальной надежностью и требуемыми показателями своевременности и затрат на доставку.
Перечисленная новая совокупность существенных признаков за счет использования при формировании СОДУ расширенного перечня доступных для использования в интересах АСУ ТКС каналов и линий связи, максимального объема передаваемых данных управления в зависимости от ситуации в ТКС, оптимальном распределении графика данных управления по доступным маршрутам, с учетом затрат на доставку, надежности маршрутов и своевременности доставки обеспечивает повышение надежности работы АСУ ТКС, улучшает качество принятия решения по управлению ТКС, позволяет минимизировать затраты на доставку данных управления в сети. Таким образом, разработан способ формирования СОДУ в сети связи, обеспечивающий оптимальное использование выделенного в интересах АСУ канального ресурса по критериям надежности маршрутов, своевременности доставки или затратам на доставку данных управления в ТКС в зависимости от ситуации в сети.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного технического решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного устройства условию патентоспособности "новизна".
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного объекта, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из уровня техники также не выявлена известность отличительных существенных признаков, обусловливающих тот же технический результат, который достигнут в заявленном способе. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".
Заявленный способ поясняется чертежами, на которых показаны:
фиг.1 - вариант топологической структуры ТКС;
фиг.2 - структура заголовка MSOH фрейма STM-N;
фиг.3 - блок-схема последовательности операций способа формирования структуры СОДУ;
фиг.4 - варианты структур СОДУ, полученные в результате применения заявляемого способа при заданных условиях управления;
фиг.5 - график зависимости относительных затрат на доставку PDU при различных способах формирования структуры СОДУ от изменения коэффициента полноты.
Реализация заявляемого способа может быть рассмотрена на примере формирования СОДУ для транспортной ТКС, построенной на технологии SDH.
В современных транспортных ТКС, построенных на технологии SDH (вариант топологической схемы которой показан на фиг.1), для передачи данных управления используются встроенные каналы, образованные служебными байтами заголовка MSOH фрейма STM-N и имеющие фиксированную пропускную способность. ТКС состоит из N узлов (позиции а1-а5 фиг.1), на которых размещены мультиплексоры (СЭ) и линий связи В (позиции b1-b8 фиг.1), а также средств АСУ ТКС, состоящих из управляющей системы - аппаратно-программного комплекса, размещенного на одном из узлов ТКС (позиция а6 фиг.1) и агентов - программных средств, размещенных на СЭ и позволяющих УС получать данные о параметрах СЭ и осуществлять управляющие воздействия на СЭ. Управление ТКС представляет собой циклический процесс, в каждом цикле которого осуществляется доставка информации о состоянии СЭ к УС, обработка информации управления, выработка управляющих решений и доставка управляющих воздействий на СЭ. Маршруты доставки данных управления (основной и резервный) определяются администратором сети. Для организации маршрутов СОДУ используются каналы, образованные байтами D1-D12 заголовка MSOH фрейма STM-N, структура которого показана на фиг.2. Байты заголовка, помеченные серым цветом, а также байты El, E2, F1 и F2 используются для потребностей системы передачи, байты D1-D12 предназначены для организации встроенных каналов управления, а байты заголовка, помеченные белым цветом, являются свободными и могут быть также использованы, согласно изобретению, для организации каналов управления. Для передачи данных управления, согласно изобретению, также используется доступный ресурс пропускной способности основных каналов системы передачи, каналы ОКС №7, свободные разряды 0 и 16 канальных интервалов ИКМ-30 [Системы и сети передачи информации: Учеб. пособие для вузов / М.В.Гаранин, В.И.Журавлев, С.В.Кунегин. - М.: Радио и связь, 2001. - 336 с.: ил.].
1
2
i
B
изб
изб
1
2
i
B
cp
j
1
2
N
Известны пропускная способность (емкость) линий {u, u, …u…u}, i=1, 2, …, В; коэффициент избыточности используемого протокола передачи k (например для IP-k=1,07); стоимость использования (в условных единицах) канала-километра для передачи данных управления i-линии связи {d, d, …, d, d}; l - средний размер PDU используемого протоколом управления выбранной технологии управления. Каждый СЭ характеризуется общим числом параметров, содержащихся в MIB M={М, М, …, M}, j=1, 2, …, N.
Конкретный пример осуществления способа формирования структуры СОДУ при стационарном режиме работы ТКС, соответствующего изобретению, будет рассмотрен со ссылками на фиг.3, где в виде блок-схемы представлена последовательность операций способа формирования структуры СОДУ.
сб
На этапе 1 управляющей системой задается время t, отводимое в цикле управления для сбора данных управления.
пj
На этапе 2 определяются требования к полноте передаваемых данных управления - формируется коэффициент полноты k для каждого СЭ, соответствующий максимальной потребности УС в информации о состоянии СЭ.
пj
j
На этапе 3 на основании k и М для каждого СЭ определяется перечень параметров, значения которых требуется передать на УС в данном цикле управления:
j
пj
·
j
m=k·M.
j
Параметры каждого СЭ ранжируются по степени значимости в зависимости от того, насколько изменение данного параметра оказывает влияние на состояние СЭ, узла или сети в целом. Перечень параметров m составляют параметры с наибольшим рангом.
доп
in
На этапе 4 генерируется множество допустимых маршрутов S для каждой пары СЭ-УС, выбранных по заданному критерию (по максимальной длине маршрута, по числу транзитных пунктов, по времени задержки пакетов или по надежности маршрута). В результате формируется матрица допустимых маршрутов МТ=[λ], где n - номер маршрута, n=1, 2, …, S, элементы которой определяются следующим образом
На этапе 5 рассчитывается нагрузка, создаваемая каждым СЭ
.
1
2
n
На этапе 6 производится распределение потоков графика по допустимым маршрутам путем решения оптимизационной задачи линейного программирования. В качестве оптимизируемых переменных при этом выступают параметры загрузки маршрутов {х, x, …, x}, минимизируемая целевая функция F - функция общих затрат на доставку ИСЭ
где S{i) - подмножество маршрутов, включающих в себя i-ю линию.
j
j
j
Ограничениями являются требования к полному распределению исходящей нагрузки от СЭ между маршрутами , где S - подмножество маршрутов, исходящих от j-го СЭ, x - параметры загрузки маршрутов S, а также к неперегруженности линий СОДУ  - суммарная нагрузка на i-линию от всех маршрутов, проходящих через нее, не должна превышать пропускной способности этой линии. Результатом решения задачи является оптимальное путевое распределение потребностей СЭ в передаче информации управления к УС по маршрутам.
На этапе 7 оценивается полученное решение. В случае, когда невозможно найти допустимое решение при заданных исходных данных, реализуется процедура допустимого сокращения числа передаваемых данных (этап 10) путем изменением коэффициента полноты передаваемой информации вплоть до исключения из цикла управления отдельных СЭ.
доп
опт
На этапе 8 формируется матрица оптимальных по стоимости маршрутов, определенных на шаге 6: каждый элемент n-столбца матрицы МТ умножается на значение Хn. При этом получаем оптимальную маршрутную матрицу МТ, определяющую искомую структуру СОДУ и распределение трафика по маршрутам.
На этапе 9 полученные маршрутные данные вносятся в маршрутные таблицы соответствующих СЭ. Таким образом формируется структура СОДУ, обеспечивающая передачу данных управления максимального объема с минимальными затратами и требуемыми показателями надежности маршрутов и своевременности доставки сообщений, что соответствует требованиям к доставке информации управления в АСУ ТКС при стационарном режиме работы сети.
пj
пj
На фиг.4 показаны варианты структур СОДУ, полученные в результате расчетов, согласно изобретению, при изменении коэффициента полноты передаваемых данных управления от k=0,1 до k=1.
Оценка эффективности проведена путем сравнения затрат, требуемых для передачи данных управления в СОДУ при жестком закреплении канального ресурса в интересах управления, и затрат, требуемых для передачи данных управления в СОДУ, сформированной согласно заявляемому способу.
пj
Для расчета эффективности необходимо вычислить относительные затраты, которые пойдут на доставку одного PDU, содержащего информацию о значении одного параметра, передаваемого от СЭ к УС. При этом затраты D на доставку одного PDU при жестком закреплении канального ресурса СОДУ и k=const определяются как отношение суммарной стоимости всех линий, составляющих СОДУ к общему числу передаваемых параметров:
.
Расчет затрат D* на доставку одного PDU, в соответствии с заявляемым способом, осуществляется по формуле
где  - доля трафика, направленная по n-маршруту и проходящая по
i-линии.
На фиг.5 показаны результаты расчета относительных затрат на доставку PDU для рассматриваемого варианта топологической схемы (фиг.1). Здесь сплошной линией обозначены затраты D, требуемые на доставку одного PDU при жестком закреплении канального ресурса в интересах управления, а пунктирной - затраты D* на доставку одного PDU, в соответствии с заявляемым способом при изменении коэффициента полноты от 0 до 1. Выигрыш в затратах на доставку данных управления при заявляемом способе относительно существующих способов построения структуры СОДУ, известных из уровня техники, для рассматриваемого примера составляет от 70% до 89,4%.
При наличии сбоев в работе отдельных СЭ в качестве минимизируемой целевой функции используется критерий минимума времени доставки сообщений. В этом случае при формировании структуры СОДУ обеспечиваются наилучшие значения показателей своевременности работы АСУ ТКС, что является предпочтительным при возникновении отдельных аварийных ситуаций в работе ТКС.
При массовых сбоях в работе сети в качестве целевой функции используется критерий максимальной надежности маршрутов доставки сообщений в АСУ ТКС, что является предпочтительным при наличии в ТКС ненадежных каналов связи.
Способ формирования СОДУ, соответствующий изобретению, по отношению к известным, обеспечивает получение следующих преимуществ:
1. Позволяет администратору сети наиболее эффективно использовать возможности АСУ ТКС путем выбора критерия оптимизации структуры СОДУ, в большей степени соответствующего текущей ситуации на сети.
2. Позволяет при формировании СОДУ использовать большее число каналов для передачи данных управления, что повышает надежность работы АСУ ТКС.
3. Предоставляет возможность по требованию УС увеличить и динамически изменять набор контролируемых параметров, передаваемых от СЭ, что улучшает качество решений по управлению ТКС.
4. Позволяет путем оптимального распределения трафика данных управления минимизировать затраты на доставку PDU либо минимизировать время задержки передачи сообщений или максимизировать надежность маршрутов их доставки в зависимости от текущей ситуации в ТКС.
5. Позволяет использовать ресурс пропускной способности каналов управления, свободный от передачи данных управления, для других целей, например для передачи пользовательской информации.
Промышленная применимость способа заключается в возможности его использования в телекоммуникационных сетях для построения сети обмена данными управления в АСУ ТКС и реализации способа на существующей в настоящее время технической базе.