Многоуровневые модели инфокоммуникационных сетей специального назначения

МНОГОУРОВНЕВЫЕ МОДЕЛИ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЕЙ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Легков Константин Евгеньевич,

к.т.н., заместитель начальника кафедры автоматизированных систем управления Военно-космической академии имени А.Ф. Можайского, Санкт-Петебург, Россия, constl@mail.ru

Ключевые слова: инфокоммуникационные сети, уровни управления, математическое описание, архитектура, производительность.

Различные информационные системы органов управления и телекоммуникационные сети в настоящее время строятся в соответствии с концепцией сетей следующего поколения (NGN) и глобальной информационной инфраструктуры (GII). Они являются основой современных ведомственных систем управления и связи, предназначенных, в соответствии с законом Российской Федерации "О связи" для нужд обороны, безопасности и правопорядка. Современные информационные системы органов управления и телекоммуникационные сети в результате проходящих процессов конвергенции на базе широкого применения современных информационных и телекоммуникационных технологий, преобразуются в инфокоммуникационные сети специального назначения. Функционирование инфокоммуникационных сетей специального назначения в особые периоды осуществляется в чрезвычайно сложных и неблагоприятных условиях обстановки. Это обстоятельство требует обязательной качественной организации четкого и устойчивого управления ими практически в реальном масштабе времени.

Предложена трехуровневая архитектура современных инфокоммуникационных сетей специального назначения, содержащая инфраструктурный, промежуточный и базовый уровни инфокоммуникационной сети. В соответствии с такой архитектурой процессы управления в сетях также целесообразно декомпозировать на три уровня управления: управление инфраструктурным уровнем, управление промежуточным уровнем, управление базовым уровнем инфокоммуникационной сети специального назначения. На каждом уровне управление осуществляется по пяти основным задачам управления. К ним относятся задачи управления производительностью уровня, безопасностью, структурой и адресацией, ресурсами уровня и сбойными ситуациями. Это учитывается при формировании математического описания инфокоммуника-ционных сетей специального назначения, как объекта управления. Разработаны формализованные схемы каждого уровня архитектуры инфокоммуникационных сетей специального назначения. Предложены типовые варианты математического описания инфокоммуникационных сетей. Они позволяют получить выражения, описывающие их поведение. Представлено описание многоуровневых моделей инфо-коммуникационной сети специального назначения, позволяющее, при принятых допущениях о законах распределения случайных параметров, получить выражения для основных вероятностно-временных характеристик сети.

Для цитирования:

Легков К.Е. Многоуровневые модели инфокоммуникационных сетей специального назначения // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2015. - Том 9. - №12. - С. 32-36.

For citation:

Legkov K.E A layered model of the special puprose infocommunication networks. T-Comm. 2015. Vol 9. No.12, pp. 32-36. (in Russian).

T-Comm Tqn 9. #12-2015

Основой современных ведомственных систем управления и связи, предназначенных, в соответствии с законом РФ «О связи» [1] для нужд обороны, безопасности и правопорядка являются различные информационные системы органов управления и телекоммуникационные сети, строящиеся в соответствии с концепцией сетей следующего поколения (NGN) и глобальной информационной инфраструктуры (GII) [2], которые в результате проходящих процессов конвергенции преобразуются в инфокоммуникационные сети специального назначения (ИКС СН) на базе широкого применения современных информационных и телекоммуникационных технологий. Как правило, их функционирование в особые периоды осуществляется в чрезвычайно сложных и неблагоприятных условиях обстановки, что требует обязательной качественной организации четкого и устойчивого управления ими практически в реальном масштабе времени.

В работе [3] предложена трехуровневая архитектура современных ИКС СН, содержащая инфраструктурный, промежуточный и базовый уровни, в соответствии с которой процессы управления также целесообразно декомпозировать на три уровня управления: управление инфраструктурным уровнем, управление промежуточным уровнем, управление базовым уровнем ИКС СН, на каждом из которых управление осуществляется по пяти основным задачам управления, к которым относятся задачи управления производительностью уровня, безопасностью, структурой и адресацией, ресурсами уровня и сбойными ситуациями. Это необходимо учитывать при формировании математического описания ИКС СН как объекта управления [4].

Так каждый уровень архитектуры ИКС СН [3, 5] как объект управления представляет собой совокупность уровневых сетей, рис. 1:

Атаки + воздействия - 1={1икЛи, 1угро*> 'яп} Сеть услуг ИУ ИКС СН G

Атаки + воздействия -Z={Zu« рН| 2угроЖ< Zbb} Сеть услуг ПУ ИКС СН G

Атаки + воздействия - V={V„„D„, Vyr№111 VBa}

Сети услуг передачи БУ ИКС СН G

- инфраструктурный уровень представляет собой совокупность сетей прикладных и информационных услуг и может быть описан графом G(YA,Hh), в котором

уА = {уЛ - множество узлов предоставления услуг инфраструктурного уровня, а Нь = {/4}-множество виртуальных каналов определенной пропускной способности;

- промежуточный уровень представляет собой совокупность сетей услуг middleware (услуги безопасности, биллинга, аутентификации, поиска, адресования) и может быть описан графом G(JAtEb), в котором

Jл = множество узлов предоставления услуг промежуточного уровня, а Еь - - множество виртуальных каналов определенной пропускной способности;

- базовый уровень - совокупностью транспортной сети, сетей доступа, объектовых и абонентских сетей и может быть описан графом G(R,,, Qh), в котором

RA = {R,u} - множество узлов предоставления услуг базового уровня, a Qh = [Qh J - множество виртуальных

каналов определенной пропускной способности.

Формализованная структура ИКС СН, как объекта управления, представлена на рис. 2. На ИКС СН поступает поток требований на получение соответствующих услуг с интенсивностью Л,гл, который целесообразно

декомпозировать в соответствии с уровнями архитектуры, т.е. представить потоками требований на получение услуг инфраструктурного, промежуточного и базового уровня, т.е. соответственно AfIJAM^,A;i -

На выходе ИКС СН наблюдаем поток обслуженных требований с интенсивностью BICN как композиция потоков обслуженных требований каждым уровнем с ин-тенсивностями В„ , Втг, Вш соответственно для инфраструктурного, промежуточного и базового.

ИКС СН

ВХОД

ВЫХОД

Рис. 1. Структурно-функциональная многоуровневая модель ИКС СН

Рис. 2. Формализованная структура ИКС СН

Рассматривая процессы обслуживания потоков требований, поступающих на каждый из уровней, можно представить его в виде совокупности двухполюсных виртуальных сетей (элементов), рис. 3.

Виртуальный канал

Рис. 3. Двухполюсный элемент уровневого компонента ИКС СН

Два узла предоставления услуг уровня (УПУ), представляющие собой два полюса элемента уровневой сети ИКС СН, соединены между собой одним виртуальным каналом вк. К каждому УПУ подключено некоторое количество пользователей услуг со средствами различных типов. Особенности сети услуг состоят в том, что замыкания внутреннего трафика не существует и для двухполюсного элемента уровневой сети в целом Nt+N2 = N, где Nt и N2 - количество пользователей, подключенных соответственно к УПУ 1 и УПУ 2.

В соответствии с теорией входящего потока [6], группу пользователей, с учетом отсутствия замыкания трафика, можно заменить некоторой интенсивностью

n

входящей нагрузки р = ^(Рш12) или P = NPJ 2>

/-1

ра = рш -const, или некоторой интенсивностью входящего потока Л = рц, Предполагаем, что Л на протяжении интервала рассмотрения постоянна. Соответственно будет постоянна в течение этого интервала и вся величина р,

В целях упрощения не будем применять индексы соответствующего уровня и вначале предположим, что УПУ идеальны, т.е. обладают бесконечной производительностью и идеальной устойчивостью: Сзц «>,

кщ -> 1, где Сщ ~ эксплуатационная производительность УПУ, а кщ ~ его коэффициент готовности по

всем составляющим устойчивости (надежность, живучесть, помехоустойчивость и инфоустойчивость). В этом случае модель двухполюсного уровневого элемента ИКС СН может быть представлена [6, 7] в следующем виде, рис. 4.

Рис. 4. Стохастическая модель двухполюсного уровневого элемента ИКС СН

На рис. 4. показано, что на двухполюсный уровне-вый элемент поступает входящий поток требований на обслуживание интенсивностью Л. Учитывая свойства ИКС СН на выходе элемента показан поток своевременно обслуженных требований с интенсивностью Лсо,

совокупность которых составит интенсивности обслу-

женных требований В,ь,Втъ,ВН1 соответственно для

инфраструктурного, промежуточного и базового уровней ИКС СН.

Введем ограничения на законы распределения случайных величин, характеризующих процессы обслуживания требований, т.е. будем считать законы распределения всех случайных величин (поступления требований, обслуживания, исправной работы с требуемым качеством, восстановления после нарушений функционирования и несвоевременного обслуживания или старения с соответствующими интенсивностями Л, ¡.I , с, (}\л V) следующими:

Л(1) = 1-еЛ

С(0 = 1-е"",

£>(1) = 1еЛ

При этом элемент уровневой сети интерпретируется системой массового обслуживания с ограниченной очередью (или временем) ожидания при дообслуживании прерванных требований, т.е. рассматриваемый элемент относится, в соответствии с символикой Кендалла, к классу сетей типа ¡мШг^Ц!

В соответствии с рис. 4. в элементе уровневой сети типа |А/|1|гмЩ протекают два основных процесса:

процесс ожидания обслуживания со случайным временем ги и процесс обслуживания со случайным временем 1с. Ясно, что в силу адаптивности случайное время обслуживания требования г. будет равно

В соответствии с моделью рис. 4 и выражением (2) целесообразно применить преобразование Лапласа-Стилтьеса [7, 8], а в силу его мультипликации вероятность своевременного обслуживания требования для рассматриваемой модели составит:

Q = 03(v) h<y), Re v > 0,

где (о{у) - преобразование Лапласа-Стилтьеса функции распределения времени ожидания; Ь(у) - преобразование Лапласа-Стилтьеса функции распределения времени непосредственного обслуживания требования; кеу^О, - ограничение, заключающееся в том, что выражение (3) справедливо только при условии у > 0.

Вместе с тем в реально функционирующей ИКС СН, кроме рассмотренных, протекают другие процессы, связанные с отказами, другими деструкциями и восста-

новлением. Будем считать, что все процессы пересчитаны в некие эквиваленты для виртуального канала.

Если в некоторый момент Т виртуальный канал освободится и за время t новые требования не поступают, то с вероятностью P(r) < I элемент выйдет из

строя в промежутке [T,T+t].

Пусть f\t)-\~eM, е > 0, />0, е = \П1Ш, а е - интенсивность исправной работы при отсутствии нагрузки и при условии, что Т(т = Тв, P(t) = С{е) = 1 - е~"'.

Вышедший (выведенный принудительно) из строя виртуальный канал восстанавливается и время его восстановления есть случайная величина с функцией распределения F(t), причем /7(0)<1 .

Пусть /•(i) = l-e-*'/ <р> 0, f>0, <р=1/Т1Ю, а (р - интенсивность восстановления деструкций при отсутствии нагрузки. При этом преобразования Лапласа-Стилтьеса функций распределения времени исправной работы, времени восстановления при отсутствии нагрузки и времени исправной работы сети ПД при входящем потоке с интенсивностью А составят соответственно

У(у)= je-y'dC(t) = c/(v + c)-о

ОС

0

30

е(Я) = je^dC(t) = +.е)>

и

Осуществив ряд преобразований, получим:

A(v) =

co(v) =

{v + d) (v + /j) + cv

[h{\>)~\ + vl Х\[\~е{Л) + Ле{Л)<рх]

Ql.

/.tkr - A

jnkr -Л + v

1+ MA

vkr + d

Во многих случаях важно знать среднее время обслуживания требований и среднее время ожидания обслуживания. Они соответственно составят:

т = -

1

1+

Естественно, для того чтобы вся ИКС СН работала качественно, необходимо, чтобы своевременное обслуживание всех требований выполнялось с вероятностью не ниже требуемой, а для этого необходимо (считаем, что выполняется условие простой вложенности и независимости процессов функционирования уровней), чтобы

( N„

Q,cn =

. / Nú

ÍK.

ГЬШ Пйш'/.(./) {\дш.{к) ><2ГГ,

ч / у ¡^ А*=1 ) где £>„(/), 0Ш.7(У), Ом_{к ) - соответственно вероятности своевременного обслуживания требования ¿го класса (/-го требования) инфраструктурного уровня ИКС СН, /го требования промежуточного уровня ИКС СН, к-го требования базового уровня ИКС СН.

При этом среднее время обслуживания требований в ИКС СН составит

VI = ; у = к =

гДе Пи. +

'1М111,

а у ^\wi.i ^ соответственно

общее число требований на обслуживание для инфраструктурного уровня ИКС СН, промежуточного уровня ИКС СН, базового уровня ИКС СН за определенный период функционирования ИКС СН;

i

T„m\.i) =

Т,Лк) =

AÍÍD-^e (0 I

1 +

VM0)k,n,

/w(/M I ]

MV!. (J) (

1 +

1 +

М,мт. (Л^нми!

" i! bl

V

'Hi

- соответ-

При известных й(у) и ео(у), вероятность своевременного обслуживания требований элементом уровня ИКС СН составит:

ственно среднее время обслуживания /-го требования инфраструктурного уровня ИКС СН, /го требования промежуточного уровня ИКС СН, к-го требования базового уровня ИКС СН.

Таким образом, в статье предложено описание многоуровневых моделей ИКС СН, позволяющее, при принятых допущениях о законах распределения случайных параметров, получить выражения для основных вероятностно-временных характеристик сети.

Литература

1. Закон РФ «О связи». 2007 г.

2. Легкое К.Е:'., Буренин А.Н. Модели организации информационной управляющей сети для системы управления современными икфокоммуникационными сетями // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. - 2012. -Т.4, № 1. - С. 14-16.

COMMUNICATIONS

3. Буренин А.Н., Легкое К.Е. Особенности архитектур, функционирования, мониторинга и управления полевыми компонентами современных инфокоммуникационных сетей специального назначения // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. - 2013. -Т.5, № 3. - С. 12-17.

4. Буренин А.Н., Легкое К.Е. К вопросу математического описания потоков управляющей информации в процессе управления современной инфокоммуникационной сетью специального назначения // Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли. - 2013. - Т.5, № 5. - С. 8-12.

5. Буренин А.Н., Легкое К.Е. Современные инфокоммуни-кационные системы и сети специального назначения. Основы

построения и управления. - М: ООО «ИД "Медиа Паблишер", 2015. - 348 с.

6. Хинчин А. Я. Работы по математической теории массового обслуживания. - М.: Физматгиз, 1963. - 236 с.

7. Захаров Г П. Методы исследования сетей передачи данных. - М.: Радио и связь, 1982. - 208 с.

8. Прохоров Ю.В., Розанов Ю.А, Теория вероятностей. -СМБ. М.: Наука, 1967.-406 с.

9. Диткин В.В., Прудников А.П. Интегральные преобразования и операционное исчисление. - СМБ. М.: Наука, 1966. -348 с.

A LAYERED MODEL OF THE SPECIAL PUPROSE INFOCOMMUNICATION NETWORKS

Legkov Konstantin Evgenyevich, Ph.D., deputy head of the Department automated systems of control, Military

Space Academy, St. Petersburg, Russia, constl@mail.ru

Abstract

Various information systems controls and the telecommunications network currently being constructed in accordance with the concept of next generation networks (NGN) and the global information infrastructure (GII). They are the basis of modern departmental control and communication systems designed in accordance with the Russian Federation law "On communication" for needs of defence, security and law and order. Modern information systems controls, and telecommunication network as a result of ongoing processes of convergence on the basis of wide application of modern information and telecommunication technologies, transformed into info-communication networks of special purpose. Functioning of information and communication networks special purpose and special periods is carried out in extremely difficult and adverse conditions of environment. This circumstance requires mandatory quality organization clear and sustainable management of near real-time. The proposed three-tier architecture of modern communication networks, infrastructure containing, intermediate and basic levels of infocommunication network. In accordance with this architecture, the management processes in networks it is also advisable to decompose into three levels of management: the infrastructure management level, intermediate management level, manage-ment, basic level of info-communication networks of special purpose. At each level of management has five main tasks of management. These include management-level performance, security, and addressing structure, resources and level of bad situations. This is taken into account when forming the mathematical description of information and communication networks of special purpose, as an object of management. Developed formalized plans for each level of the architecture of information and communication networks of special purpose. Proposed model options the mathematical description of information and communication networks. They allow to obtain expressions describing their behavior. The description of multi-level models of network information and communication for special purposes, which allows, with the above assumptions about the distribution laws of random parameters, to obtain expressions for the basic probabilistic and time characteristics of the network.

Keywords: infocommunication network, management levels, mathematical description, architecture, performance.

References

1. The RF law "On communications". 2007.

2. Legkov K.E., Burenin A.N. Model the organization of information network management system for management of modern communication networks. H&ES Research. 2012. Vol. 4, No. 1. Pp. 14-16.

3. Burenin A.N., Legkov K.E. Features of the architectures, operations, monitoring and management of field components of modern communication networks of the special setting. H&ES Research. 2013. Vol. 5, No. 3. Pp. 12-17.

4. Burenin A.N., Legkov K.E. Mathematical description of flows of managers of information in the process management of modern communication network special purpose. H&ES Research. 2013. Vol. 5, No. 5. Pp. 8-12.

5. Burenin A.N., Legkov K.E. Modern infocommunication systems and networks of special purpose. Fundamentals of construction and management. Moscow: LLC "Publishing house "Media PubLesher", 2015. 348 p.

6. Khinchin A. J. Works on the mathematical theory of mass service.. Moscow: Fizmatgiz, 1963. 236 p.

7. Zakharov P.G. Research Methods of data networks. Moscow: Radio and communication, 1982. 208 p.

8. Prohorov U.V., Rozanov U.A. Theory of probability. SMBS. Moscow: Nauka, 1967. 406 p.

9. Ditkin V.V., PrudnikovA.P. Integral transforms and operational IP-list. SMBS. Moscow: Nauka, 1966. 348 p.