СПОСОБ ДОСТАВКИ СООБЩЕНИЙ В СИСТЕМАХ СВЯЗИ С ВЫСОКОЙ ВЕРОЯТНОСТЬЮ ОТКАЗОВ
METHOD FOR DELIVERING MESSAGES IN COMMUNICATION SYSTEMS WITH A HIGH PROBABILITY OF FAILURES

Изобретение относится к системам связи и может быть использовано для повышения качества связи в условиях высокой вероятности отказов элементов системы связи.
Система связи (телекоммуникационная система) – это комплекс технических средств, обеспечивающий передачу сообщений от источника к получателю на расстояние [Букрина Е.В. Сети связи и системы коммутации: Учебное пособие / Е.В. Букрина. - Екатеринбург: УрТИСИ ГОУ ВПО «СибГУТИ», 2007. – 186с.].
Эксплуатация системы связи, как сложного объекта, связанна с наличием отказов ее элементов.
Отказ – полная или частичная утрата работоспособности элементом, устройством или рассматриваемой технической системой [Андреев А.В. Теоретические основы надежности технических систем /учебное пособие/ А,В. Андреев, В. В. Яковлев, Т.Ю. Короткая. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2018. — 164 с.].
Основными причинами отказов технических систем являются внезапные (случайные) отказы, отказы вследствие ухудшения характеристик элементов (старение, износ), а также по вине скрытых производственных дефектов, характерных для начального периода эксплуатации, или нарушения условий эксплуатации [Андреев А.В. Теоретические основы надежности технических систем /учебное пособие/ А,В. Андреев, В. В. Яковлев, Т.Ю. Короткая. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2018. — 164 с.].
Такие отказы характерны для нормального функционирования систем. Однако, отказы в системах связи, помимо перечисленных причин, могут быть связаны с намеренными деструктивными действиями нарушителей (деструктивные программные воздействия) [Стародубцев Ю.И. Управление качеством информационных услуг / Ю.И. Стародубцев, А.Н. Бегаев, М.А. Давлятова; под общ. Ред. Ю.И. Стародубцева. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2017. - 454 с.].
Наиболее распространенным и эффективным деструктивным воздействием на элементы системы связи, приводящим к их отказам, являются атаки типа отказ в обслуживании [Шаньгин В.Ф. «Защита компьютерной информации. Эффективные методы и средства». - М.: ДМК Пресс, 2008].
Отказы элементов системы характеризуются таким показателем как вероятность отказа .
Вероятность отказа – характеристика, означающая вероятность того, что устройство или техническая система откажет в течение заданного времени [Андреев А.В. Теоретические основы надежности технических систем /учебное пособие/ А.В. Андреев, В. В. Яковлев, Т.Ю. Короткая. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2018. — 164 с.]:
Таким образом, системы связи, в отношении которых реализуются деструктивные программные воздействия, можно назвать системами связи с высокой вероятностью отказов их элементов.
Повышение вероятности отказов элементов системы связи ведет к ухудшению качества связи и снижению вероятности доставки сообщений.
Систематический рост количества деструктивных воздействий на системы связи [Официальный сайт лаборатории Касперского URL: https://www.kaspersky.ru/; Официальный сайт лаборатории Qrator Labs URL: https://qrator.net; Официальный сайт лаборатории Group-IB URL: https://www.group-ib.ru/] актуализирует задачу повышения вероятности доставки сообщений () в системах связи с высокой вероятностью отказов их элементов.
Известен способ многопутевой маршрутизации с использованием расщепления потока трафика данных [пат. РФ № 2636665 С1 от 27.11.2017 Бюл. № 33], заключающийся в том, что 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 доставки сообщений в системе связи [пат. РФ № 2431944 C2 от 20.10.2011 Бюл. № 29], заключающийся в том, что сервер связи получает в сообщении информацию пользователя с информацией о получателе. Информация пользователя содержит информацию о состоянии объекта пользователя и о протоколе объекта пользователя. На основании упомянутой информации о протоколе объекта пользователя первый протокол определяют как предпочтительный протокол. Попытка доставки упомянутого сообщения выполняется механизмом доставки предпочтительного протокола. Второй протокол определяют как предпочтительный протокол с помощью информации о протоколе объекта пользователя после неудачи доставки упомянутого сообщения с помощью первого протокола. Попытку доставки сообщения повторяют с использованием механизма доставки предпочтительного протокола.
Известен способ пакетной передачи сообщений в сетях связи с многомерной маршрутизацией [пат. РФ № 2313187 C1 от 20.12.2007 Бюл. № 35], заключающийся в том, что на передающей стороне сообщение разделяют на блоки, длина которых равна числу пакетов в сообщении, каждый блок кодируют помехоустойчивым кодом, выполняют блоковое перемежение символов помехоустойчивого кода с глубиной перемежения, равной длине пакета, и затем символы помехоустойчивого кода разделяют на пакеты таким образом, чтобы каждый символ кода был расположен в своем пакете, причем в каждом пакете формируют контрольную группу для обнаружения ошибок, и далее пакеты по многомерному маршруту передают на приемную сторону. На приемной стороне для каждого пакета проверяют контрольную группу, и пакеты, в которых обнаруживают ошибки, стирают, выполняют деперемежение символов принятых пакетов, формируют помехоустойчивый код, который затем декодируют с исправлением стираний, и получают принятое сообщение.
Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям к заявленному (прототипом) является способ гарантированной доставки сообщений, [Transmission control protocol – DARPA Internet Program Protocol Specification, RFC 793, USC/Information Sciences Institute, September 1981 // RFC 793 // https://www.ietf.org/rfc/rfc793.txt], заключающийся в том, что отправитель (клиент) устанавливает логическое соединение с получателем (сервер), после чего отправляет сообщение (дейтаграмма), получатель принимает сообщение, после чего отправляет клиенту отчет об успешной доставке (квитанция), если отправитель получает квитанцию об успешной доставке, то отправляет следующее сообщение, если отправитель не получает квитанцию об успешной доставке, то повторно отправляет недоставленное сообщение.
Недостатком аналогов и способа-прототипа является тот факт, что доставка сообщений гарантируется в условиях ухудшения качества связи или ее кратковременного пропадания, но не в условиях ее полного долгосрочного пропадания между отправителем и получателем.
Технической проблемой является низкая вероятность доставки сообщений в системах связи с высокой вероятностью отказов их элементов.
Техническим результатом является повышение вероятности доставки сообщений в системах связи с высокой вероятностью отказов их элементов.
Техническая проблема решается за счет передачи копии сообщения другим абонентам системы связи, временного хранения полученных копий сообщения другими абонентами системы связи и отправки хранящихся копий получателю другими абонентами системы связи, в случае пропадания связи между отправителем и получателем.
Техническая проблема решается тем, что в способе доставки сообщений в системах связи с высокой вероятностью отказов создают одноранговую оверлейную сеть (), состоящую из  логически связанных терминальных устройств () абонентов системы связи, для отправки сообщения () на стороне терминального устройства отправителя () задают максимальное время доставки сообщения (), количество поколений терминальных устройств () и количество терминальных устройств в одном поколении (), после чего случайно выбирают любые  терминальных устройств, за исключением терминальных устройств отправителя и получателя, отправляют сообщение терминальному устройству получателя (), отправляют копию сообщения выбранным  терминальным устройствам, при этом к каждой копии сообщения добавляют специальный заголовок (), при получении терминальным устройством сообщения со специальным заголовком (), сохраняют в памяти этого терминального устройства сообщение (), данные из специального заголовка () и адрес терминального устройства, от которого сообщение получено, запускают таймер () и уменьшают значение поля количество поколений терминальных устройств () на единицу, при срабатывании на терминальном устройстве таймера, связанного с хранящейся копией сообщения, отправляют эту копию сообщения указанному терминальному устройству получателя () и, если значение поля количество поколений () больше нуля, то дополнительно случайно выбирают указанное в специальном заголовке количество терминальных устройств (), отправляют копию сообщения выбранным терминальным устройствам, при этом к каждой копии сообщения добавляют специальный заголовок (), при получении терминальным устройством адресованного ему сообщения отправляют отчет о доставке терминальному устройству, от которого было получено это сообщение, при получении терминальным устройством отчета о доставке сообщения отправляют отчет о доставке терминальному устройству, от которого он получил это сообщение и терминальным устройствам, которым он переслал копию этого сообщения, после чего удаляют всю информацию, связанную с передачей доставленного сообщения и отключают связанный таймер.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного способа, отсутствуют. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».
Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает решение технической проблемы – повышение вероятности доставки сообщений в системах связи с высокой вероятностью отказов их элементов за счет передачи копии сообщения другим абонентам системы связи, временного хранения полученных копий сообщения другими абонентами системы связи и отправки хранящихся копий получателю другими абонентами системы связи, в случае пропадания связи между отправителем и получателем.
Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием элементной базы, на основе которой могут быть выполнены устройства, реализующие данный способ с достижением указанного в изобретении результата.
Заявленный способ поясняется чертежами:
фиг. 1 – схема одноранговой оверлейной сети;
фиг. 2 – схема отправки сообщения;
фиг. 3 – таблица хранения копии сообщения;
фиг. 4 – схема отправки копии сообщения терминальным устройством следующего поколения;
фиг. 5 – схема распространения отчета о доставке;
фиг. 6 – оценка эффективности заявленного способа.
Предварительно создают одноранговую оверлейную сеть , состоящую из  () логически связанных терминальных устройств  (фиг. 1, блоки 1-5, 7-10).
Оверлейная одноранговая сеть – децентрализованная логическая сеть, функционирующая поверх другой сети [Schomburg, J. Anonymity  techniques – usability tests of major anonymity networks [Text] / J. Schomburg // Extended abstracts of the Fourth Privacy Enhancing Technologies Convention (PET-CON 2009.1). – Dresden: TU, Fak. Informatik, 2009. – P. 49–58. – (Technische Berichte)]. Примером существующих оверлейных сети могут служить сети Tor, Torrent или др.
В качестве узла создаваемой одноранговой оверлейной сети используются терминальные устройства абонентов системы связи.
Понятие терминальное устройство тождественно по смыслу понятию оконечное оборудование данных и определяется как совокупность устройств ввода и вывода данных [ГОСТ Р 53728- 2009 «Качество услуги «Передача данных»].
Терминальное устройство – оборудование, преобразующее пользовательскую информацию в данные для передачи по линии связи и осуществляющее обратное преобразование. Терминальное устройство может являться источником информации, её получателем или тем и другим одновременно. Терминальное устройство передаёт и/или принимает данные посредством использования оконечного оборудования линии связи и канала связи.
В заявляемом способе терминальным устройством может служить ПЭВМ, маршрутизатор, сервер, устройство сбора данных, кассовый аппарат, приёмник сигналов глобальной навигационной системы или любое другое оборудование, способное передавать и принимать данные, а также обладающее свободной памятью и вычислительным ресурсом.
В примере далее в качестве отправителя и получателя выбраны два произвольных терминальных устройства, которые обозначены  (от англ. sender – отправитель) и  (от англ. receiver – получатель), соответственно (фиг. 1, блоки 5, 7).
Система связи (фиг. 1, блок 6), лежащая в основе создаваемой оверлейной сети и предоставляющая услуги транспорта, может представлять собой любую сеть передачи данных, например, сеть Интернет.
Все действия терминальных устройств в заявляемом способе можно разделить на пять базовых процедур:
действия терминального устройства отправителя по подготовке и отправке сообщения;
действия терминального устройства при получении копии сообщения;
действия терминального устройства при срабатывании таймера хранения копии сообщения;
действия терминального устройства при получении адресованного ему сообщения;
действия терминального устройства при получении отчета о доставке.
1. Действия терминального устройства отправителя по подготовке и отправке сообщения.
1.1 Для отправки сообщения  на стороне терминального устройства отправителя  (фиг. 2, блок 11) задают максимальное время доставки сообщения (), количество поколений терминальных устройств () и количество терминальных устройств в одном поколении ().
В качестве сообщения может быть выбрана любая, преобразованная в цифровой вид, информация, необходимая для передачи. Например, текстовый документ, цифровое изображение, кадр Ethernet и т.д. или их фрагмент.
Максимальное время доставки выбирается исходя из требований отправителя к оперативности доставки сообщений.
Количество поколений терминальных устройств и устройств в одном поколении (а также размер отправляемого сообщения) зависят от важности отправляемого сообщения, количества терминальных устройств в составе оверлейной сети , технических характеристик терминальных устройств – их незадействованных памяти и вычислительных ресурсов, характеристик системы связи, на основе которой создана оверлейная сеть. Значения указанных параметров для конкретных условий могут подбираться экспериментально.
В качестве примера максимальное время доставки выбрано  (с), количество поколений терминальных устройств выбрано , а количество терминальных устройств в одном поколении выбрано .
1.2 Случайно выбирают любые  терминальных устройств, за исключением терминальных устройств отправителя и получателя ().
В примере для  выбраны терминальные устройства ,  и  (фиг. 2, блоки 15, 17, 19).
1.3 Отправляют сообщение  (фиг. 2, блок 12) терминальному устройству получателя  (фиг. 2, блок 13).
Отправка сообщений осуществляется посредством лежащей в основе системы связи с использованием соответствующих технологий. Например, для передачи сообщений в сети Интернет используется стек протоколов TCP/IP [Олифер В., Олифер Н. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. – СПб.: Питер, 2020. – 1008 с.].
Наименования терминальных устройств могут как совпадать с адресацией в системе связи, так и быть отличными. В примере наименования терминальных устройств совпадают с адресацией в системе связи.
1.4 Отправляют копию сообщения  (фиг. 2, блоки 14, 16, 18) выбранным  терминальным устройствам ,  и  (фиг. 2, блоки 15, 17, 19), при этом к каждой копии сообщения добавляют специальный заголовок .
Заголовок содержит адрес терминального устройства получателя , количество поколений терминальных устройств , количество терминальных устройств в одном поколении , порядковый номер терминального устройства в своем поколении , значение тайм-аута хранения копии сообщения , определяемое как отношение максимального времени доставки сообщения к увеличенному на единицу количеству терминальных устройств в одном поколении.
В рассматриваемом примере тайм-аут хранения копии сообщения для первого поколения терминальных устройств (фиг. 2, блоки 15, 17, 19) равен:
Все вычисления производятся с использованием свободного вычислительного ресурса терминального устройства.
2. Действия терминального устройства при получении копии сообщения.
Если терминальное устройство получает сообщение со специальным заголовком , то выполняются следующие действия.
2.1 В памяти терминального устройства сохраняют принятое сообщение , данные из заголовка  и адрес терминального устройства, от которого сообщение получено.
Память терминального устройства (устройство хранения информации, запоминающее устройство) – составная часть терминального устройства, которой является физическое устройство или среда для хранения данных, используемых в вычислениях, в течение определённого времени [Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. – СПб.: Питер, 2013ю – 816 с.].
В качестве памяти терминального устройства могут выступать его оперативные запоминающие устройства, например, на SDRAM микросхемах или постоянные запоминающие устройства, например, накопители на жестких магнитных дисках или твердотельные накопители [Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. – СПб.: Питер, 2013ю – 816 с.].
Пример логической структуры хранилища информации о принятом терминальным устройством  (фиг. 2, блок 15) сообщении (фиг. 2, блок 14) представлен в таблице (фиг. 3).
2.2 Запускают таймер, определяемый как произведение значения тайм-аута хранения копии сообщения и своего порядкового номера в поколении.
В рассматриваемом примере значение таймера  для хранящегося на терминальном устройстве  (фиг. 2, блок 15) сообщении  равно:
и записано на пересечении первой строки и столбца  таблицы (фиг. 3).
Аналогичным образом вычислены значения таймеров для принятой копии сообщения  (фиг. 2, блоки 16, 18) на терминальных устройствах  и  (фиг. 2, блоки 17, 19) и равны  (c) и  (c), соответственно.
Запуск таймера предполагает уменьшение его значения на единицу каждую секунду.
2.3 Уменьшают значение поля количество поколений терминальных устройств  на единицу.
В рассматриваемом примере значение  в специальном заголовке  принятого сообщения , при этом на пересечении первой строки и столбца  таблицы (фиг. 3) записано уменьшенное на единицу значение . Это значение справедливо для всех терминальных устройств в этом поколении (фиг. 2, блоки 15, 17, 19), хранящих копию сообщения .
3. Действия терминального устройства при срабатывании таймера хранения копии сообщения.
Срабатывание таймера на терминальном устройстве означает, что терминальное устройство получателя не получило сообщения и, следовательно, не направило отчет о доставке, либо отчет о доставке не дошел до отправителя. В любом случае, при срабатывании на терминальном устройстве таймера, связанного с хранящейся копией сообщения, выполняют следующие действия.
3.1 Отправляют копию хранящегося сообщения указанному терминальному устройству получателя.
В примере сообщение  (фиг. 4, блок 20) не доставлено получателю (фиг. 4, блок 23), в результате чего сработал таймер на терминальном устройстве  (фиг. 4, блок 21), после чего отправляют копию сообщения  (фиг. 4, блок 22) терминальному устройству получателя  (фиг. 4, блок 23).
Если значение поля количество поколений  больше нуля, то дополнительно выполняют следующие действия.
3.2 Случайно выбирают  терминальных устройств.
В примере, т.к.  (для терминальных устройств первого поколения: ,  и ), выбирают  терминальных устройств следующего (второго) поколения: ,  и  (фиг. 4, блоки 25-27).
3.3 Отправляют копию сообщения выбранным терминальным устройствам, при этом к каждой копии сообщения добавляют специальный заголовок .
Заголовок содержит адрес терминального устройства получателя , количество поколений терминальных устройств , количество терминальных устройств в одном поколении , порядковый номер терминального устройства в своем поколении , значение тайм-аута хранения копии сообщения , определяемое как отношение значения тайм-аута, хранящегося в таблице, к увеличенному на единицу количеству терминальных устройств в одном поколении.
В рассматриваемом примере тайм-аут хранения копии сообщения для второго поколения терминальных устройств равен:
4. Действия терминального устройства при получении адресованного ему сообщения.
При получении терминальным устройством адресованного ему сообщения отправляют отчет о доставке терминальному устройству, от которого было получено это сообщение.
Отчет о доставке, помимо подтверждения получения, содержит информацию, уникально идентифицирующее сообщение, например, значение его хеш-функции.
В примере терминальное устройство получателя (фиг. 5, блок 31) отправляет отчет о доставке (фиг. 5, блок 30) терминальному устройству, от которого было получено сообщение –  (фиг. 5, блок 29).
5. Действия терминального устройства при получении отчета о доставке.
При получении терминальным устройством отчета о доставке сообщения выполняют следующие действия.
5.1 Отправляют отчет о доставке терминальному устройству, от которого он получил это сообщение и терминальным устройствам, которым он переслал копию этого сообщения.
В примере терминальное устройство  (фиг. 5, блок 29), при получении отчета о доставке (фиг. 5, блок 30) перенаправляет этот отчет терминальному устройству  (фиг. 5, блок 28) и терминальным устройствам ,  и  (фиг. 5, блоки 32-34).
5.2 Удаляют всю информацию, связанную с передачей доставленного сообщения и отключают связанный таймер.
Оценка эффективности предлагаемого способа осуществлена методами имитационного моделирования с использованием ПЭВМ, при этом использовались следующие основные исходные данные:
время моделирования:  (с);
количество узлов системы связи: ;
структура системы связи: сгенерирована по алгоритму Барабаши-Альберта;
вероятность отказа элемента системы связи за время моделирования: ;
количество терминальных устройств: ;
размещение терминальных устройств на системе связи: случайно;
выбор отправителя и получателя сообщения: случайно;
максимальное время доставки сообщения:  (с);
количество поколений терминальных устройств: ;
количество терминальных устройств в одном поколении: ;
количество циклов моделирования: .
Работа способа с параметрами  и  представляет собой предельный случай с наименьшей эффективностью, что обусловлено использованием только одного дополнительного терминального устройства, хранящего копию передаваемого сообщения.
Результаты оценки эффективности представлены зависимостью вероятности доставки сообщения от вероятности отказа элемента системы связи:  (фиг. 6). На графике кривая 1 характеризует эффективность способа-прототипа, а кривая 2 – заявленного способа. Значение ординаты для кривой 2 больше значения ординаты для кривой 1 на всей области определения функции.
На основании этого следует вывод, что заявленный способ доставки сообщений в системах связи с высокой вероятностью отказов позволяет повысить вероятность доставки сообщений и таким образом прийти к техническому результату.