Способ, устройство и система для оптимизации транспортной сети связи
METHOD, DEVICE AND SYSTEM FOR TRANSPORT COMMUNICATION NETWORK OPTIMIZATION

Предлагаемые технические решения объединены единым изобретательским замыслом и относятся к области телекоммуникационных сетей связи, в частности к оптимизации транспортной сети связи с коммутацией пакетов.
Для удобства описания способа, устройства и системы для оптимизации транспортной сети связи введем ряд определений.
Логическое соединение – это взаимосвязь, обеспечивающая некоторым уровнем, между двумя и более логическими объектами смежного уровня с целью обмена данными (см. ГОСТ 24402-88).
Логический канал – путь, по которому данные передаются от одного порта к другому (см. Якубайтис, Э.А. Информационные сети и системы: справочная книга / Э.А. Якубайтис. – Москва: финансы и статистика, 1996. – 118 с.).
Логический объект уровня – активный элемент уровня взаимосвязи открытых систем, выполняющий определенное подмножество его функций (см. ГОСТ 24402-88).
Управление потоком данных – регулирование потока данных внутри или между смежными уровнями взаимосвязи открытых систем (см. ГОСТ 24402-88).
Процедура согласования двумя конечными узлами сети некоторых параметров процесса обмена пакетами называется установлением логического соединения. Параметры, о которых договариваются два взаимодействующих узла, называются параметрами логического соединения (см. Олифер, В.Г. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: учебник для вузов / В.Г. Олифер, Н.А. Олифер. – 5 издание – Санкт-Петергбург: Питер, 2017. – 90 с.).
Коэффициент готовности – вероятность того, что объект находится в работоспособном состоянии в любой момент времени, кроме планируемых периодов, в течение которых применение объекта по назначению не предусматривается (см. ГОСТ Р 55111-2008).
Протокольный блок данных (ПБД) – блок данных, передаваемый между логическими объектами одного и того же уровня (см. ГОСТ 24402-88).
Неориентированный граф называется связным, если для любой пары вершин существует путь из одной в другую. Для неориентированного графа отношение «быть достижимом из» является отношение эквивалентности на множестве вершин. Классами эквивалентности называются связными компонентами графа (см. Кормен, Т. Алгоритмы. Построение и анализ / Т. Кормен, Ч. Лейзерсон, Р. Ривест. – МЦНМО: Москва, 2000. – 90 с.). В данной работе мы будем пользоваться понятием связные структуры. Под связными структурами будем понимать кратчайшие маршруты, остовые деревья, гамильтоновы цепи и циклы.
Известен способ маршрутизации для оптимизации работы сети SDH в мультисервисном режиме (патент RU 2289212 от 10.12.2006), включающий в себя следующие этапы: разделение сети SDH по кольцевому принципу на подсети с образованием множества кольцевых подсетей и расчет начальных маршрутов для всех запросов на сервисы в сети SDH; проверку ресурсов каналов связи между подсетями и внутри подсетей на наличие перегрузки, если таковая обнаружена, то перерасчет маршрута; проверку, удовлетворяет ли показатель баланса нагрузки в кольцевой подсети заданному значению; если да, то маршрут корректируют; после разделения подсетей на периферийные и центральные – проверку, удовлетворяет ли суммарный показатель каждого канала связи в центральных подсетях условию сходимости; если нет, то проверяют, не превышают ли количество циклов расчета маршрута заданный лимит; если да, то расчет заканчивают, в противном случае осуществляют перерасчет соответствующих маршрутов.
Известен способ многопутевой маршрутизации с использованием расщепления потока трафика данных (патент RU 2636665 от 27.11.2017), включающий в себя этапы на которых принимают промежуточной системой поток трафика данных, вычисляют два или более надежных маршрута в сети связи, при этом используют композицию алгоритмов Дейкстры, строят усеченное дерево событий, заполняют таблицы маршрутизации для двух или более надежных узлов в порядке уменьшения их надежности, формируют вектор величин расщепления потока трафика данных на два или более субпотоков с учетом вычисленных надежных маршрутов сети связи, пропускной способности каналов связи, загрузки каналов связи, расщепляют в промежуточной системе каждый поток на два или более субпотоков, маршрутизируют протокольные блоки данных или байты каждого, рекомбинируют в промежуточной системе каждый поток трафика данных, передают от промежуточной системы потоки трафика данных в оконечную систему получателя.
Известен способ, устройство и модуль для оптимизации удаленного управления устройствами домашней сети (патент RU 2482613 от 20.05.2003), раскрыт способ управления домашней сетью, которая соединена посредством шлюзового устройства домашней сети к внешней сети, причем упомянутая внешняя сеть содержит, по меньшей мере один сервер автоконфигурирования (ACS), предназначенный и выполненный для обеспечения автоматического конфигурирования упомянутого устройства. При этом способ содержит контроль сеансов между, по меньшей мере, одним упомянутым устройством и по меньшей мере одним ACS в шлюзовом устройстве домашней сети, при этом упомянутое устройство представляет собой TR-069-совместимое устройство, и упомянутые сеансы являются сеансами TR-069, причем упомянутый контроль содержит интерпретацию и, если необходимо, декодирование сеансов TR-069, чтобы извлекать информацию о конфигурации для поддерживающих TR-069 устройств.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и выбранным в качестве прототипа является способ совместной оптимизации (патент RU 2520354 от 10.06.2014 г.), заключающийся в том, что получают информацию о линии связи, информацию о сервере и пропускной способности, информацию о требованиях пользователя в подсети, получают параметр оптимальной маршрутизации и параметр выбора сервера подсети с соответствии с ранее полученной информацией о линии связи, информации о сервере и пропускной способности, информацией о требованиях пользователя, получают оптимальную входную пропускную способность каждого внешнего порта подсети, сравнивают оптимизированную входную пропускную способность виртуального сервера каждого внешнего порта, и если результаты сравнения между оптимизированной входной пропускной способностью и пропускной способностью виртуального сервера всех внешних портов меньше установленного значения ошибки, применяют параметр оптимальной маршрутизации и параметр выбора сервера в подсети.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству и выбранным в качестве прототипа является устройство совместной оптимизации (патент RU 2520354 от 10.06.2014 г.), заключающийся в том, что модуль сбора параметров, выполненный с возможностью получения информации о линии связи, информации о сервере и пропускной способности и информации о требованиях пользователя в подсети, где информация о сервере и пропускной способности включает в себя информацию о пропускной способности виртуального сервера для каждого внешнего порта подсети и пропускная способность виртуального сервера является пропускной способностью виртуального сервера вне подсети, и где пропускная способность сервера вне подсети является таковой, которая требуется подсетью через внешний порт, модуль вычислений выполненный с возможностью получения параметра оптимальной маршрутизации и параметра выбора сервера подсети в соответствии с информацией о линии связи, информацией о сервере и пропускной способности и информацией о требованиях пользователя, и получения оптимизированной входной пропускной способности каждого внешнего порта подсети в соответствии с параметром оптимальной маршрутизации и параметром выбора сервера и модуль вывода, выполненный с возможностью сравнения оптимизированной входной пропускной способности и пропускной способности виртуального сервера для каждого внешнего порта, и если результат сравнения оптимизированной входной пропускной способности и пропускной способности сервера для всех внешних портов меньше установленного значения ошибки, применение параметра оптимальной маршрутизации и параметра выбора сервера в подсети и вывод параметра оптимальной маршрутизации и параметра выбора сервера.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемой системе и выбранной в качестве прототипа является система совместной оптимизации (патент RU 2520354 от 10.06.2014 г.), заключающаяся в том, что содержит вычислительное устройство, выполненное с возможностью сбора информации о линии связи, информации о сервере и пропускной способности и информации о требованиях пользователя, получения параметра маршрутизации и параметра выбора сервера и получения оптимизированной входной пропускной способности и оптимизированной выходной пропускной способности каждого порта и механизм маршрутизации, выполненный с возможностью преобразования параметра маршрутизации и параметра выбора сервера, полученных вычислительным устройством для совместной оптимизации, в параметр маршрутизации и параметр выбора сервера, применяемых в локальной сети.
Технической проблемой данных аналогов и прототипа является низкий коэффициент использования суммарного канального ресурса транспортной сети связи и низкий коэффициент готовности транспортной сети связи.
Задачей изобретения является создание способа, устройства и системы для оптимизации транспортной сети связи, позволяющие повысить коэффициент использования суммарного канального ресурса транспортной сети связи и коэффициент готовности транспортной сети связи.
В заявленном способе эта задача решается тем, что в способе для оптимизации транспортной сети связи, заключающемся в том, что получают информацию от сети оператора связи, как минимум среднее время задержки и коэффициенты готовностей линий связи, информацию от сети доступа, как минимум средний размер протокольных блоков данных и интенсивность поступления протокольных блоков данных, требования к качеству обслуживания, информацию о сетевых элементах транспортной сети связи, находят связные структуры для транспортной сети связи по критерию минимума среднего времени задержки для соответствующей связной структуры, вычисляют оптимальную логическую структуру транспортной сети связи, с использованием информации от сети оператора связи, как минимум среднего времени задержки и коэффициентов готовностей линий связи, информации о сетевых элементах транспортной сети связи, информации о найденных связных структурах по критерию минимума среднего времени задержки для соответствующих связных структур, находят связные структуры на оптимальной логической структуре транспортной сети связи по критерию максимума коэффициента готовности для соответствующих связных структур, вычисляют оптимальное распределение пропускной способности логических каналов транспортной сети связи, с использованием информации от сети доступа, как минимум среднего размера протокольных блоков данных и интенсивности поступления протокольных блоков данных, требований к качеству обслуживания, заполняют таблицы коммутации, топологии и управления ресурсом транспортной сети связи, передают сетевым элементам транспортной сети связи таблицы коммутации, топологии и управления ресурсом.
Новая совокупность существенных признаков позволяет достичь указанного технического результата за счет нахождения связных структур по критерию минимума среднего времени задержки для соответствующих связных структур, вычисления оптимальной логической структуры транспортной сети связи, нахождения связных структур по критерию максимума коэффициента готовности для соответствующих связных структур, вычисления оптимального распределения пропускной способности логических каналов транспортной сети связи, заполнения таблиц коммутации, топологии и управления ресурсом транспортной сети связи.
В заявленном устройстве эта задача решается тем, что устройство для оптимизации транспортной сети связи, содержащее модуль сбора/вывода параметров, выполненный с возможностью получения информации от сети оператора связи, как минимум среднего времени задержки и коэффициентов готовности линий связи, информации от сети доступа, как минимум среднего размера протокольных блоков данных и интенсивности поступления протокольных блоков данных, требований к качеству обслуживания, информации о сетевых элементах транспортной сети связи, передачи сетевым элементам таблиц коммутации, топологии и управления ресурсом, модуль нахождения связных структур, выполненный с возможностью нахождения связных структур транспортной сети связи по критерию минимума среднего времени задержки для соответствующих связных структур и по критерию максимума коэффициента готовности для соответствующих связных структур, модуль структурной оптимизации, выполненный с возможностью вычисления оптимальной логической структуры транспортной сети связи, с использованием информации от сети оператора связи, как минимум среднего времени задержки и коэффициентов готовностей линий связи, информации о сетевых элементах транспортной сети связи, информации о найденных связных структурах по критерию минимума среднего времени задержки для соответствующих связных структур, модуль параметрической оптимизации, выполненный с возможностью вычисления оптимального распределения пропускной способности логических каналов транспортной сети связи, с использованием информации от сети доступа, как минимум среднего размера протокольных блоков данных и интенсивности поступления протокольных блоков данных, требований к качеству обслуживания, модуль содержания, выполненный с возможностью заполнения таблиц коммутации, топологии и управления ресурсом транспортной сети связи и передачи данных таблиц в модуль сбора/вывода параметров, причем первый выход модуля сбора/вывода параметров соединен с первым входом модуля нахождения связных структур, второй выход модуля сбора/вывода параметров соединен с первым входом модуля структурной оптимизации, третий выход модуля сбора/вывода параметров соединен с первым входом модуля параметрической оптимизации, первый выход модуля нахождения связных структур соединен со вторым входом модуля структурной оптимизации, второй выход модуля нахождения связных структур соединен со вторым входом модуля параметрической оптимизации, третий выход модуля нахождения связных структур соединен с третьим входом модуля содержания, первый выход модуля структурной оптимизации соединен со вторым входом модуля нахождения связных структур, второй выход модуля структурной оптимизации соединен с первым входом модуля содержания, третий выход модуля структурной оптимизации соединен с третьим входом модуля параметрической оптимизации, первый выход модуля параметрической оптимизации соединен со вторым входом модуля содержания, первый выход модуля содержания соединен с первым входом модуля вывода параметров.
Благодаря новой совокупности существенных признаков за счет дополнительно введенных модуля нахождения связных структур, выполненного с возможностью нахождения связных структур по критерию минимума среднего времени задержки для соответствующих связных структур и по критерию максимума коэффициента готовности для соответствующих связных структур, модуля структурной оптимизации, выполненный с возможностью вычисления оптимальной логической структуры транспортной сети связи, модуля параметрической оптимизации, выполненный с возможностью вычисления оптимального распределения пропускной способности логических каналов транспортной сети связи, модуля содержания, выполненный с возможностью заполнения таблиц коммутации, топологии и управления ресурсом транспортной сети связи, повышается коэффициент использования суммарного канального ресурса транспортной сети связи и коэффициент готовности транспортной сети связи.
В заявленной системе эта задача решается тем, что в системе для оптимизации транспортной сети связи, состоящей из устройства для оптимизации транспортной сети связи, выполненного с возможностью нахождения связных структур по критерию минимума среднего времени задержки для соответствующих связных структур, вычисления оптимальной логической структуры транспортной сети связи, нахождения связных структур по критерию максимума коэффициента готовности для соответствующих связных структур, вычисления оптимального распределения пропускной способности логических каналов транспортной сети связи, заполнения таблиц коммутации, топологии и управления ресурсом транспортной сети связи, как минимум, три сетевых элемента, выполненные с возможностью заполнения таблиц коммутации, топологии и управления ресурсом транспортной сети связи, причем каждый сетевой элемент соединен с устройством для оптимизации транспортной сети связи каналом управления, сетевые элементы соединены друг с другом физическими и логическими каналами связи.
Благодаря новой совокупности существенных признаков за счет устройства для оптимизации транспортной сети связи соединенного с сетевыми элементами каналами управления, соединения сетевых элементов друг с другом физическими и логическими каналами связи и применения в сетевых элементах таблиц коммутации, топологии и управления ресурсом транспортной сети связи, повышается коэффициент использования суммарного канального ресурса транспортной сети связи и коэффициент готовности транспортной сети связи.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленной системы для оптимизации транспортной сети связи. Следовательно, заявленное изобретение соответствует 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 влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Для более понятной иллюстрации технических решений согласно вариантам осуществления настоящего изобретения ниже приведено краткое описание сопроводительных чертежей. Очевидно, что сопроводительные чертежи в нижеследующем описании относятся только к некоторым вариантам осуществления настоящего изобретения и специалисты в данной области техники могут без труда получить другие чертежи на основе этих сопроводительных чертежей.
на фиг. 1 – способ оптимизации транспортной сети связи;
на фиг. 2 –устройство для оптимизации транспортной сети связи;
на фиг. 3 – система для оптимизации транспортной сети связи;
на фиг. 4 – взаимодействие устройства для оптимизации транспортной сети связи с сетевыми элементами;
на фиг. 5 – оптимальные логические структуры транспортной сети связи;
на фиг. 6 – графический анализ коэффициента готовности логической структуры на фиг. 5а;
на фиг. 7 – графический анализ коэффициента готовности логической структуры на фиг. 5б;
на фиг. 8 – графический анализ коэффициента готовности логической структуры на фиг. 5в;
на фиг. 9 – графический анализ коэффициента готовности логической структуры на фиг. 5г;
на фиг. 10 – графический анализ в пространстве "суммарная пропускная способность логических каналов – коэффициент не готовности транспортной сети связи";
на фиг. 11 – графический анализ в пространстве "суммарная пропускная способность логических каналов – задержка ПБД 3-го приоритета".
Ниже будут полностью и четко описаны технические решения для вариантов осуществления настоящего изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи. Должно быть, очевидно, что варианты осуществления, описанные ниже, являются только частью настоящего изобретения, а не всеми возможными вариантами осуществления настоящего изобретения. Все другие варианты осуществления, полученные специалистами в данной области техники на основе вариантов осуществления настоящего изобретения и не использующие творческий подход, попадают под объем охраны настоящего изобретения.
Реализация заявленного способа заключается в следующем (фиг. 1).
101. Получают информацию от сети оператора связи, как минимум среднее время задержки и коэффициенты готовностей линии связи, информацию от сети доступа, как минимум средний размер протокольных блоков данных и интенсивность поступления протокольных блоков данных, требования к качеству обслуживания, информацию о сетевых элементах транспортной сети связи.
102. Находят связные структуры транспортной сети связи такие, как кратчайшие маршруты, остовые деревья, гамильтоновы цепи и циклы по критерию минимума среднего времени задержки для соответствующих связных структур.
103. Вычисляют оптимальную логическую структуру транспортной сети связи, с использованием информации от сети оператора связи, как минимум среднего времени задержки и коэффициентов готовностей линий связи, информации о сетевых элементах транспортной сети связи, информации о найденных связных структурах по критерию минимума среднего времени задержки для соответствующих связных структур.
В качестве примера поясним обобщенный алгоритм, реализующий вычисление оптимальной логической структуры методом ветвей и границ, который включает пять действий.
Д1. Формируется список комбинаций, который содержит только одну пустую комбинацию (состояние, когда ни одному элементу сети связи не приписан ни один ресурс). Для этой комбинации в неиспользованном ресурсе определяется самый надежный и самый ненадежный ресурс и производится расчет верхней и нижней границы значение коэффициента готовности транспортной сети связи.
Д2. Из списка комбинаций выбирается очередная комбинация, на основании которой формируются новые комбинации путем рассмотрения всех возможных вариантов назначения очередному элементу транспортной сети связи того или иного ресурса из списка ресурсов, но с учетом уже использованного ресурса.
Д3. Для каждой новой комбинации находится неиспользованный ресурс, в котором определяется самый надежный и самый ненадежный ресурс, и производится расчет верхней и нижней границы значение коэффициента готовности транспортной сети связи.
Д4. Если есть не рассмотренные комбинации в списке комбинаций, тогда возврат к Д2. Если все комбинации в списке рассмотрены, тогда в новом списке комбинаций определяется наибольшее значение нижней границы коэффициента готовности транспортной сети связи. После чего с этим значением сравниваются все значения верхних границ коэффициента готовности транспортной сети связи, при этом комбинации, у которых значение верхних границ меньше удаляются из нового списка комбинаций как не перспективные.
Расчет верхней и нижней границы значения коэффициента готовности транспортной сети связи производится по методике описанной в ГОСТ Р 55111-2008 г.
Для наглядности на фиг. 5 представлены оптимальные логические структуры, полученные с помощью кратчайших маршрутов (фиг. 5а), остовых деревьев (фиг. 5б), гамильтоновых цепей (фиг. 5в) и циклов (фиг. 5г).
104. Находят связные структуры на оптимальной логической структуре по критерию максимума коэффициента готовности для соответствующих связных структур.
105. Вычисляют оптимальное распределение пропускной способности логических каналов транспортной сети связи, с использованием информации от сети доступа, как минимум среднего размера протокольных блоков данных и интенсивности поступления протокольных блоков данных, требования к качеству обслуживания.
В качестве примера поясним обобщенный алгоритм, реализующий вычисление оптимального распределение пропускной способности логических каналов, который включает пять действий.
Д1. Расчет начальных значений скоростей передачи канала связи (КС) или пропускных способностей логических каналов (ЛК)  по формуле
, (1)
где  – средний размер ПБД для ЛК или КС с номером ,  – средний размер ПБД для ЛК или КС с номером ,  – стоимость аренды в расчете на единицу пропускной способности ЛК или КС с номером ,  – стоимость аренды в расчете на единицу пропускной способности ЛК или КС с номером ,  – допустимое значение математического ожидания задержки ПБД -го приоритета для транспортной сети связи,  – это сумма интенсивностей потоков ПБД -го приоритета для транспортной сети связи,  – интенсивность потока ПБД -го приоритета для ЛК или КС с номером ,  – интенсивность потока ПБД -го приоритета для ЛК или КС с номером ,  – задержка распространения ПБД для ЛК или КС с номером ,  – число сетевых элементов (СЭ) для транспортной сети связи;  – общее число СЭ, ЛК или КС для транспортной сети связи.
Д2. Определение начального значения среднего взвешенного математического ожидания задержки протокольных блоков данных -го приоритета для канала связи или логического канала и для транспортной сети связи в целом (на основе начальных значений, полученных в Д1).
Средневзвешенное значение математического ожидания задержки ПБД -го приоритета для транспортной сети связи в целом рассчитывается по формуле
, (2)
где  – задержка ПБД -го приоритета для информационного направления (ИН) источник которого -й СЭ, а адресат – -й СЭ;  – математическое ожидание задержки ПБД -го приоритета для ИН источник которого -й СЭ, а адресат –-й СЭ;  – задержка ПБД -го приоритета для транспортной сети связи,  – математическое ожидание задержки ПБД -го приоритета для транспортной сети связи;  – сумма интенсивностей потоков ПБД -го приоритета для транспортной сети связи;  – интенсивность потока ПБД -го приоритета для ИН источник которого -й СЭ, а адресат – -й СЭ;  – интенсивность потока ПБД -го приоритета для КС или ЛК или КС с номером ;  – число СЭ для транспортной сети связи;  – общее число СЭ, КС или ЛК для транспортной сети связи.
Математическое ожидание задержки ПБД -го приоритета в логическом канале рассчитывается по формулам
, ; (3)
, . (4)
Математическое ожидание задержки ПБД -го приоритета в логическом канале рассчитывается по формулам
, ; (5)
, . (6)
Д3. Распределение скоростей передачи каналов связи:
,  (7)
или
,  (8)
Распределение пропускных способностей логических каналов:
, (9)
или
,  (10)
Д4. Определение значения среднего взвешенного математического ожидания задержки ПБД -го приоритета для каналов связи или логических каналов и для транспортной сети связи в целом (используются значения , полученные в Д3).
Д5. Если значение среднего взвешенного математического ожидания задержки ПБД -го приоритета, полученное в Д4, не отличается от начального значения, тогда работа алгоритма заканчивается. В противном случае начальные значения скоростей передачи каналов связи или пропускных способностей логических каналов принимаются равными тем, что были получены в Д3. Начальное значение среднего взвешенного математического ожидания задержки ПБД -го приоритета принимается равным тому, что было получено в Д4 и осуществляется переход к Д3.
106. Заполняют таблицы коммутации, топологии и управления ресурсом транспортной сети связи.
Таблицы коммутации транспортной сети связи заполняют с использованием связных структур, найденных по критерию максимума коэффициента готовности для соответствующей связной структуры. Таблицы топологии транспортной сети связи заполняют с использованием вычисленных оптимальных логических структур транспортной сети связи. Таблицы управления ресурсом заполняют с использованием вычисленного оптимального распределения пропускной способности логических каналов транспортной сети связи.
107. Передают сетевым элементам транспортной сети связи таблицы коммутации, топологии и управления ресурсом через каналы управления.
Заявленный способ для оптимизации сети связи позволяет достичь указанного технического результата за счет нахождения связных структур по критерию минимума среднего времени задержки для соответствующих связных структур, вычисления оптимальной логической структуры транспортной сети связи, нахождения связных структур по критерию максимума коэффициента готовности для соответствующих связных структур, вычисления оптимальное распределение пропускной способности логических каналов транспортной сети связи.
Устройство для оптимизации сети связи (фиг. 2) состоит из модуля сбора/вывода параметров 201, модуля нахождения связных структур 202, модуля структурной оптимизации 203, модуля параметрической оптимизации 204, модуля содержания 205.
Модуль сбора/вывода параметров 201 выполненный с возможностью получения информации от сети оператора связи, как минимум среднего времени задержки и коэффициентов готовностей линий связи, информации от сети доступа, как минимум среднего размера протокольных блоков данных и интенсивности поступления протокольных блоков данных, информации о сетевых элементах транспортной сети связи, требований к качеству обслуживания, передачи сетевым элементам таблиц коммутации, топологии и управления ресурсом.
Модуль нахождения связных структур 202 выполненный с возможностью нахождения связных структур транспортной сети связи таких, как кратчайшие маршруты, остовые деревья, гамильтоновы цепи и циклы по критерию минимума среднего времени задержки для соответствующих связных структур и по критерию максимума коэффициента готовности для соответствующих связных структур.
Модуль структурной оптимизации 203 выполненный с возможностью вычисления оптимальной логической структуры транспортной сети связи, с использованием информации от сети оператора связи, как минимум среднего времени задержки и коэффициентов готовностей линий связи, информации о сетевых элементах транспортной сети связи, информации о найденных связных структурах по критерию минимума среднего времени задержки для соответствующих связных структур.
Модуль параметрической оптимизации 204 выполненный с возможностью вычисления оптимального распределения пропускной способности логических каналов транспортной сети связи, с использованием информации от сети доступа, как минимум среднего размера протокольных блоков данных и интенсивности поступления протокольных блоков данных, требований к качеству обслуживания.
Модуль содержания 205 выполненный с возможностью заполнения таблиц коммутации, топологии и управления ресурсом транспортной сети связи и передачи данных таблиц в модуль сбора/вывода параметров.
Модули 201-205 могут быть реализованы по известной схеме, например, на платформе Programmble Flow controller NEC PF6800 (http://www.sdxcentral.com/products/nec-programmbleflow- controller).
При этом первый выход модуля сбора/вывода параметров соединен с первым входом модуля нахождения связных структур, второй выход модуля сбора/вывода параметров соединен с первым входом модуля структурной оптимизации, третий выход модуля сбора/вывода параметров соединен с первым входом модуля параметрической оптимизации, первый выход модуля нахождения связных структур соединен со вторым входом модуля структурной оптимизации, второй выход модуля нахождения связных структур соединен со вторым входом модуля параметрической оптимизации, третий выход модуля нахождения связных структур соединен с третьим входом модуля содержания, первый выход модуля структурной оптимизации соединен со вторым входом модуля нахождения связных структур, второй выход модуля структурной оптимизации соединен с первым входом модуля содержания, третий выход модуля структурной оптимизации соединен с третьим входом модуля параметрической оптимизации, первый выход модуля параметрической оптимизации соединен со вторым входом модуля содержания, первый выход модуля содержания соединен с первым входом модуля сбора/вывода параметров.
Устройство работает следующим образом.
На модуль сбора/вывода параметров 201 поступает информация от сети оператора связи, как минимум среднее время задержки и коэффициенты готовностей линий связи, информация от сети доступа, как минимум средний размер протокольных блоков данных, интенсивности поступления протокольных блоков данных, требования к качеству обслуживания, информация о сетевых элементах транспортной сети связи. Информация от сети оператора связи, как минимум среднее время задержки и коэффициенты готовностей линий связи, а также информация о сетевых элементах транспортной сети связи поступает в модуль нахождения связных структур 202. В данном модуле находят связные структуры транспортной сети связи такие, как кратчайшие маршруты, остовые деревья, гамильтоновы цепи и циклы по критерию минимума среднего времени задержки для соответствующих связных структур. Найденные связные структуры транспортной сети связи передаются в модуль структурной оптимизации 203. В модуль структурной оптимизации 203 также поступает информация с модуля сбора/вывода параметров 201, как минимум среднее время задержки и коэффициенты готовностей линий связи. В модуле структурной оптимизации 203 вычисляют оптимальные логические структуры транспортной сети связи. Оптимальные логические структуры транспортной сети связи передаются в модуль нахождения связных структур 202 для нахождения связных структур по критерию максимума коэффициента готовности для соответствующих связных структур. Данные связные структуры, найденные по критерию максимума коэффициента готовности для соответствующих связных структур, передаются в модуль содержания 205 для заполнения таблиц коммутации транспортной сети связи. Оптимальная логическая структура транспортной сети связи передается в модуль содержания 205 для заполнения таблиц топологии транспортной сети связи, а также в модуль параметрической оптимизации 204. В модуль параметрической оптимизации 204 поступает информация от сети доступа, как минимум средний размер протокольных блоков данных и интенсивности поступления протокольных блоков данных, требования к качеству обслуживания. На основе всех входящих данных в модуле параметрической оптимизации 204 вычисляют оптимальное распределение пропускной способности логических каналов транспортной сети связи и передают вычисленное оптимальное распределение пропускной способности логических каналов транспортной сети связи в модуль содержания 205 для заполнения таблиц управления ресурсом. Из модуля содержания 205 заполненные таблицы коммутации, топологии и управления ресурсом транспортной сети связи поступают в модуль сбора/вывода параметров 201.
Благодаря новой совокупности существенных признаков за счет дополнительно введенных модуля нахождения связных структур, выполненного с возможностью нахождения связных структур по критерию минимума среднего времени задержки для соответствующих связных структур и по критерию максимума коэффициента готовности для соответствующих связных структур, модуля структурной оптимизации, выполненного с возможностью вычисления оптимальной логической структуры транспортной сети связи, модуля параметрической оптимизации, выполненного с возможностью вычисления оптимального распределения пропускной способности логических каналов, повышается коэффициент использования суммарного канального ресурса транспортной сети связи и коэффициент готовности транспортной сети связи.
Система для оптимизации транспортной сети связи (фиг. 3) содержит устройство для оптимизации транспортной сети связи 301, как минимум, три сетевых элемента 302, выполненные с возможностью заполнения таблиц коммутации, топологии и управления ресурсом транспортной сети связи, причем каждый сетевой элемент соединен с вычислительным устройством каналом управления, по которому передаются таблицы коммутации, топологии и управления ресурсом, сетевые элементы соединены друг с другом физическими и логическими каналами связи.
Устройство для оптимизации транспортной сети связи 301 выполнено по пункту 2 формулы данного изобретения.
Сетевой элемент 302 в своем составе имеет, как минимум, модуль ввода/вывода параметров для приема таблиц коммутации, топологии и управления ресурсом, передачи статистики трафика данных в устройство для оптимизации транспортной сети связи, модуль сбора статистики (Statistic) для сбора статистики трафика данных (с использованием, например, протокола SNMP) и отправки статистики трафика данных в модуль ввода/вывода параметров, модуль коммутации для осуществления инструкций по коммутации потоков трафика данных, модуль управления ресурсом для выполнения требований к качеству обслуживания за счет применения оптимального распределения пропускных способностей в физических портах, модуль топологии для использования оптимальной логической структуры за счет включения/выключения соответствующих физических портов, которые осуществляют передачу/переадресацию потоков трафика данных. Все модули в сетевом элементе соединены посредством общей внутренней шины AXI4, которая выступает в качестве средства обмена информацией между модулями.
Сетевой элемент может быть реализован по известной схеме, например, как описано в патенте RU № 2584471 от 20.05.2016 г. или коммутатор Programmble Flow PF5340-48XP-6Q ( см. www.nstor.ru/ru/news/lenta/nec_pf5340_48xp_6q_32qp.html).
Устройство для оптимизации транспортной сети взаимодействует с сетевыми элементами с использованием, например, открытого протокола OpenFlow или SSH.
Интерактивный процесс системы для оптимизации транспортной сети связи описан ниже.
В устройстве для оптимизации транспортной сети связи:
1. Модуль сбора/вывода параметров получает информацию от сети оператора связи, как минимум среднее время задержки и коэффициенты готовностей линий связи, информацию от сети доступа, как минимум средний размер протокольных блоков данных и интенсивность поступления протокольных блоков данных, требования к качеству обслуживания, информацию от всех сетевых элементов транспортной сети связи о включённых/выключенных физических портах.
2. Модуль нахождения связных структур находит связные структуры транспортной сети связи такие, как кратчайшие маршруты, остовые деревья, гамильтоновы цепи и циклы по критерию минимума среднего времени задержки для соответствующих связных структур.
3. Модуль структурной оптимизации вычисляет оптимальную логическую структуру транспортной сети связи, с использованием информации от сети оператора связи, как минимум среднего времени задержки и коэффициентов готовностей линий связи, информации о сетевых элементах транспортной сети связи, информации о найденных связных структурах по критерию минимума среднего времени задержки для соответствующих связных структур. Оптимальная логическая структура транспортной сети связи передается в модуль нахождения связных структур, модуль параметрической оптимизации и  модуль содержания (в данном модуле заполняют таблицы топологии транспортной сети связи).
4. Модуль нахождения связных структур находит связные структуры транспортной сети связи такие, как кратчайшие маршруты, остовые деревья, гамильтоновы цепи и циклы по критерию максимума коэффициента готовностей для соответствующих связных структур. Данные связные структуры передаются в модуль содержания для заполнения таблиц коммутации транспортной сети связи.
5. В модуль параметрической оптимизации поступает информация от сети доступа, как минимум средний размер протокольных блоков данных, интенсивности поступления протокольных блоков данных, требования к качеству обслуживания, информация о связных структурах, найденных по критерию максимума коэффициента готовности для соответствующих связных структур, информация об оптимальной логической структуре транспортной сети связи. На основе всех данных в модуле параметрической оптимизации вычисляют оптимальное распределение пропускной способности логических каналов транспортной сети связи и передают вычисленное оптимальное распределение пропускной способности логических каналов транспортной сети связи в модуль содержания для заполнения таблиц управления ресурсом.
6. Модуль содержания принимает информацию о связных структурах, найденных по критерию максимума коэффициента готовности для соответствующих связных структур, и заполняет таблицы коммутации. Принимает информацию об оптимальной логической структуре транспортной сети связи и заполняет таблицы топологии. Принимает информацию об оптимальном распределении пропускной способности логических каналов транспортной сети связи и заполняет таблицы управления ресурсом. Все заполненные таблицы передаются в модуль сбора/вывода параметров.
7. Модуль сбора/вывода параметров передает таблицы коммутации, топологии и управления ресурсом сетевым элементам транспортной сети связи.
Сетевой элемент транспортной сети связи с использованием модуля ввода/вывода параметров принимает таблицы коммутации, топологии и управления ресурсом. На основании данных таблиц заполняет свои таблицы коммутации, топологии и управления ресурсом, осуществляет управление физическими портами.
Модуль сбора статистики в сетевом элементе транспортной сети связи осуществляет сбор статистики трафика данных и передает в модуль ввода/вывода параметров. Модуль ввода/вывода параметров передает в устройство для оптимизации транспортной сети связи информацию о статистики трафика данных, о том какие физические порты включены/выключены.
Преобразование/перерасчет таблиц коммутации, топологии и управления ресурсом в вычислительном устройстве происходит на основании информации получаемой от сетевых элементов транспортной сети связи, информации от сети доступа или информации от сети оператора связи, а также когда время действия предыдущих таблиц коммутации, топологии и управления ресурсом истекло.
Правомерность теоретических предпосылок проверялась следующим образом: допустим, что транспортная сеть связи включает шесть узлов коммутации для организации пяти направлений связи, кроме того предполагается предоставление многоточечных сервисов с различными топологиями. Для организации транспортной сети связи планируется арендовать канальный ресурс от двух операторов связи, по пять каналов связи от каждого оператора. Каналы связи от разных операторов имеют разный коэффициент готовности: у первого – 0,997 (пунктирные линии фиг. 5), у второго – 0,999 (сплошные линии фиг. 5). Требуется обеспечить: коэффициент готовности транспортной сети связи не хуже чем 0,9999, математическое ожидание сетевой задержки ПБД 3-го приоритета должно быть не более 100 мс, требования к сетевой задержке ПБД для 1-го и 2-го приоритета не предъявляются. Исходные данные, характеризующие интенсивность поступления потоков ПБД от сети доступа, представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Характеристики потоков ПБД от сети доступа
Интенсивность и средний размер ПБД
Параметры информационных направлений
<maths num="77"><img file="00000077.jpg" he="5" wi="10" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>, <maths num="78"><img file="00000078.jpg" he="5" wi="12" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
<maths num="79"><img file="00000079.jpg" he="5" wi="11" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>,
<maths num="80"><img file="00000080.jpg" he="5" wi="12" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
<maths num="81"><img file="00000081.jpg" he="5" wi="11" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>,
<maths num="82"><img file="00000080.jpg" he="5" wi="12" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
<maths num="83"><img file="00000082.jpg" he="5" wi="11" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>,<maths num="84"><img file="00000080.jpg" he="5" wi="12" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
<maths num="85"><img file="00000083.jpg" he="5" wi="11" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>,<maths num="86"><img file="00000080.jpg" he="5" wi="12" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>
<maths num="87"><img file="00000084.jpg" he="8" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>, ПБД/с
19,856
3,905
23,431
4,322
8,568
<maths num="88"><img file="00000085.jpg" he="8" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>, ПБД/с
39,712
7,809
46,862
8,644
17,136
<maths num="89"><img file="00000086.jpg" he="8" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>, ПБД/с
59,568
11,714
70,293
12,966
25,703
<maths num="90"><img file="00000087.jpg" he="8" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>, ПБД/с
119,136
23,427
140,586
25,932
51,407
<maths num="91"><img file="00000088.jpg" he="7" wi="9" img-content="undefined" img-format="jpg" /></maths>, бит
8800
8800
8800
8800
8800
На фиг. 5 представлены оптимальные логические структуры транспортной сети связи, полученные в результате решения задачи структурной оптимизации методом ветвей и границ для четырех вариантов декомпозиции транспортной сети связи (граф № 1 – с помощью кратчайших маршрутов, граф № 2 – с помощью остовых деревьев, граф № 3 – с помощью гамильтоновых цепей, граф № 4 – с помощью гамильтоновых циклов).
Графический анализ коэффициента готовности логических структур представлен на фиг. 6 для графа № 1, на фиг. 7 для графа № 2, на фиг. 8 для графа № 3, на фиг. 9 для графа № 4.
Коэффициенты готовности синтезированных графов оценивается по следующим четырем параметрам (фиг. 6-9):
вероятность нахождения в работоспособном состоянии хотя бы одного маршрута из  кратчайших маршрутов.
вероятность нахождения в работоспособном состоянии хотя бы одного остовного дерева из  остовных деревьев.
вероятность нахождения в работоспособном состоянии хотя бы одной гамильтоновой цепи из  гамильтоновых цепей.
вероятность нахождения в работоспособном состоянии хотя бы одного гамильтонова цикла из  гамильтоновых циклов.
Анализ представленных результатов позволяет сделать следующий вывод: в условиях предоставления многоточечных услуг повысить коэффициент готовности транспортной сети связи можно путем формирования ее логической структуры с помощью гамильтоновых циклов, а не кратчайших маршрутов. Данная закономерность подтверждена модельными экспериментами на серии графов, отличающихся количеством вершин, характером связности и пр.
Для каждого из четырех синтезированных графов (фиг. 5) согласно данному изобретению была решена задача параметрической оптимизации для трех случаев:
1) в каждом информационном направлении используется один кратчайший маршрут;
2) в каждом информационном направлении используется два кратчайших маршрута;
3) в каждом информационном направлении используется три кратчайших маршрута.
Результаты решения задачи параметрической оптимизации в пространствах "суммарная пропускная способность логических каналов – коэффициент неготовности транспортной сети связи" и "суммарная пропускная способность логических каналов – задержка ПБД 3-го приоритета" представлены на фиг. 10-11. На фиг. 10-11 видно, что граф, синтезированный с помощью гамильтоновых циклов обеспечивает выполнение требований по коэффициенту готовности транспортной сети связи уже при двух альтернативных маршрутах передачи информации для каждого информационного направления, что в свою очередь сокращает объем суммарного канального ресурса на 37 % по сравнению с требуемым объемом суммарного ресурса для случая синтеза логической структуры транспортной сети связи с помощью кратчайших маршрутов. А это в свою очередь позволяет повысить коэффициент использования суммарного канального ресурса транспортной сети связи рассчитанный согласно формулы (см. Клейнрок, Л. Коммуникационные сети. Стохастические потоки и задержки сообщений / Л. Клейнрок. – Москва: «Наука», 1970. – 49 с.)
, (11)
где  - коэффициент использования суммарного канального ресурса транспортной сети связи,  - суммарная интенсивность поступления потоков ПБД для транспортной сети связи, - средний размер ПБД,  - суммарный канальный ресурс транспортной сети связи. Так как суммарная интенсивность поступления потоков ПБД и средний размер ПБД не изменяется, а суммарный канальный ресурс транспортной сети связи уменьшается, следовательно, коэффициент использования суммарного канального ресурса транспортной сети связи увеличивается.
Данная закономерность подтверждена модельными экспериментами на серии графов, отличающихся количеством вершин, характером связности и пр.
Анализ результатов эксперимента показывает что, за счет нахождения связных структур по критерию минимума среднего времени задержки для соответствующих связных структур, вычисления оптимальной логической структуры транспортной сети связи, нахождения связных структур по критерию максимума коэффициента готовности для соответствующих связных структур, вычисления оптимального распределения пропускной способности логических каналов транспортной сети связи повышается коэффициент использования суммарного канального ресурса транспортной сети связи и коэффициент готовности транспортной сети связи.