Способ моделирования процессов функционирования сети связи с учетом воздействия дестабилизирующих факторов
A METHOD FOR MODELING THE PROCESSES OF FUNCTIONING OF A COMMUNICATION NETWORK TAKING INTO ACCOUNT THE IMPACT OF DESTABILIZING FACTORS

Изобретение относится к области моделирования систем связи и может быть использовано при изучении качественных характеристик оборудования, применяемых на сети связи, а также при определении свойств устойчивости сети связи.
В настоящее время известны способы моделирования систем связи.
Известен "Способ моделирования аварии, диагностики и восстановления работоспособности сложной технологической структуры и информационная система для его реализации", патент РФ №2252453, G06N 1/00, опубл. 20.05.2005, бюл. №14, заключающийся в том, что определяют схемотехнические характеристики элементов сложной технологической структуры (СТС) и устанавливают их взаимосвязи. Все связи между элементами принципиальной схемы СТС разделяют на основные и резервные. Задают произвольную комбинацию повреждений элементов СТС и определяют значение показателя аварийности состояния связей между элементами СТС. В случае неравенства указанного показателя нулевому значению восстанавливают работоспособность СТС, изменяя ее замещением поврежденных связей резервными посредством активных действий оператора. Определяют значение показателя восстановления работоспособности СТС и вырабатывают прогноз состояния измененной СТС. Система обеспечивает получение оперативной информации оператором о действиях по восстановлению работоспособности СТС, основанных на использовании имеющегося резерва внутренних возможностей СТС, выработку прогноза состояния СТС и рекомендаций по улучшению функционирования измененной СТС.
Недостатками способа является относительно низкая устойчивость функционирования СТС при возможном воздействии на нее деструктивных воздействий.
Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям аналогом (прототипом) к заявленному является способ моделирования процессов обеспечения технической готовности сетей связи при технической эксплуатации [Патент 2336566 Российская Федерация, МПК G06N 1/00 (2006.01). Способ моделирования процессов обеспечения технической готовности сетей связи при технической эксплуатации и система для его реализации. Гречишников Е.В., Поминчук О.В., Иванов В.А., Белов А.С., Карелин Д.А., Дроздов А.С.; заявитель и патентообладатель Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Академия Федеральной службы охраны Российской Федерации (Академия ФСО России). - 2006143248/09, заявл. 06.12.2006; опубл. 20.10.2008, бюл. №29. -17 с.].
Способ-прототип заключается в следующей последовательности действий. Определяют схемотехнические характеристики элементов сети связи (СС), устанавливают их взаимосвязи, описывают структуру СС, разделяют все связи на основные и резервные, задают произвольные комбинации повреждений элементов сети СС, определяют значения показателя аварийности состояния связей между элементами СС, моделируют процесс обеспечения технической готовности при эксплуатации СС, имитируют различные виды отказов, повреждений и сбоев основных элементов СС, замещают поврежденные связи резервными, определяют значение показателя восстановления работоспособности СС, осуществляют сбор статистики, прогнозируют техническое состояние основных элементов СС и рассчитывают основные показатели функционирования СС.
Недостатками способа-прототипа является относительно низкая устойчивость функционирования СС при воздействии дестабилизирующих факторов (ВДФ) на ее структурные элементы. Это обусловлено тем, что проведение реконфигурации СС выполняются без одновременного учета структурных и потоковых характеристик (нормированных значений параметров оборудования) СС при ВДФ на физическом, канальном, сетевом уровне относительно эталонной модели взаимоувязанных открытых систем (ЭМВОС). Под воздействием дестабилизирующего фактора следует понимать воздействие на сеть электросвязи, источником которого является физический или технологический процесс внутреннего или внешнего по отношению к сети электросвязи характера, приводящее к выходу из строя элементов сети.
При рассмотрении состава телекоммуникационного оборудования любого типового узла связи, можно выделить наличие оборудования, поддерживающего современные транспортные технологии WDM, SDH, IP. Оборудование, функционирующее на приведенных технологиях, можно распределить по уровням относительно ЭМВОС, например: оборудование, функционирующее по технологии WDM, функционирует на физическом уровне. Оборудование, функционирующее по технологии SDH - на канальном уровне. Оборудование, функционирующее по технологии IP - на сетевом уровне.
В настоящее время широко и полно освещены вопросы, связанные с функционированием СС с применением вышеуказанных технологий на каждом отдельном уровне ЭМВОС. Однако вопросы функционирования СС с учетом ВДФ в совокупности на трех уровнях (физическом, канальном и сетевом) не рассматривались. При этом возникает научно-техническая проблема, суть которой заключается в том, что функционирование оборудования СС на каждом уровне отдельно протекает с выполнением предъявляемых требований по устойчивости, но при их совокупности показатель устойчивости не отвечает предъявляемым требованиям.
Предлагаемый способ позволяет оценить процесс функционирования СС с учетом ВДФ на трех уровнях в комплексе.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественные всем признакам заявленного решения, отсутствуют, что указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности "новизна".
Результаты поиска известных решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявленного способа, 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".
«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием элементной базы, на основе которой могут быть выполнены устройства, реализующие данный способ.
Технической проблемой, на решение которой направлен предлагаемый способ, является отсутствие известных решений, направленных на определение основных параметров оборудования, функционирующего на трех уровнях ЭМВОС СС в комплексе, с целью выработки требований к параметрам (характеристикам) оборудования, необходимых для устойчивого функционирования СС с учетом ВДФ.
Целью изобретения является повышение устойчивости функционирования сети связи с учетом воздействия дестабилизирующих факторов. Это позволит задавать требуемые качественные показатели к оборудованию при обеспечении выполнении требований по устойчивости, предъявляемых к сети связи.
Поставленная цель достигается тем, что предложенный способ моделирования процессов функционирования сети связи с учетом воздействия дестабилизирующих факторов, отличающийся тем, что вначале при технической эксплуатации моделирования процессов функционирования СС с учетом ВДФ, производят описание структуры сети связи, моделируют процесс обеспечения технической готовности при эксплуатации СС, имитируют различные виды отказов, повреждения и сбои основных элементов СС, дополнительно задают в качестве исходных данных параметры оборудования физического, канального, сетевого уровня, критерии оценки устойчивости функционирования сети на физическом, канальном, сетевом уровне, определяют количество реализации моделирования процессов обеспечения технической готовности сети связи на физическом, канальном и сетевом уровне, моделируют процессы обеспечения технической готовности сети связи на физическом, канальном и сетевом уровне, после моделирования процессов обеспечения технической готовности на физическом уровне проводят, измерения параметров оборудования функционирующем на физическом уровне, проверяют соответствия измеренных значений заданным критериальным значениям, если значения измеренных параметров не соответствуют требуемым значениям, то производят процедуры локализации неисправных элементов при отказе функционирования СС на физическом уровне, рассылку сообщений элементам СС о состоянии исправности элементов СС на физическом уровне, реконфигурирование СС на исправных элементах оборудования физического уровня, восстановления элементов СС, повторяют действия по моделированию процессов обеспечения технической готовности на физическом уровне и проверке соответствия измеренных значений параметров оборудования заданным критериальным значениям, если измеренные параметры оборудования физического уровня соответствуют заданным критериальным значениям, то переходят к моделированию процесса технической готовности на канальном уровне, после моделирования процессов обеспечения технической готовности на канальном уровне проводят измерения параметров оборудования функционирующем на канальном уровне, проверяют соответствия измеренных значений заданным критериальным значениям, если значения измеренных параметров не соответствуют требуемым значениям, то производят процедуры локализации неисправных элементов при отказе функционирования СС на канальном уровне, рассылку сообщений элементам СС о состоянии исправности элементов СС на канальном уровне, реконфигурирование СС на исправных элементах оборудования канального уровня, восстановления элементов СС, повторяют действия по моделированию процессов обеспечения технической готовности на канальном уровне и проверке соответствия измеренных значений параметров оборудования заданным критериальным значениям, если измеренные параметры оборудования канального уровня соответствуют заданным критериальным значениям, то переходят к моделированию процесса технической готовности на сетевом уровне, после моделирования процессов обеспечения технической готовности на сетевом уровне проводят, измерения параметров оборудования функционирующем на сетевом уровне, проверяют соответствия измеренных значений заданным критериальным значениям, если значения измеренных параметров не соответствуют требуемым значениям, то производят процедуры локализации неисправных элементов при отказе функционирования СС на сетевом уровне, рассылку сообщений элементам СС о состоянии исправности элементов СС на сетевом уровне, реконфигурирование СС на исправных элементах оборудования сетевого уровня, восстановления элементов СС, повторяют действия по моделированию процессов обеспечения технической готовности на сетевом уровне и проверке соответствия измеренных значений параметров оборудования заданным критериальным значениям, если измеренные параметры оборудования сетевого уровня соответствуют заданным критериальным значениям, то осуществляют вывод результатов параметров оборудования физического, канального сетевого уровня.
Заявленный способ поясняется чертежами:
фиг. 1 - блок-схема способа моделирования процессов функционирования сети связи с учетом воздействия дестабилизирующих факторов;
фиг. 2 - временная диаграмма функционирования СС с учетом ВДФ.
Реализовать заявленный способ предлагается в виде последовательности действий, показанных на фиг. 1.
В блоке 1 задают исходные данные для моделирования сети связи. Исходными данными являются:
- фрагмент сети связи, типологически инвариантный реальному фрагменту сети связи;
- параметры оборудования физического, канального, сетевого уровня;
- критерии оценки устойчивости функционирования сети на физическом, канальном, сетевом уровне;
n - количество воздействий дестабилизирующих факторов на элементы сети связи на физическом, канальном, сетевом уровне;
m - количество воздействий дестабилизирующих факторов на элементы сети на физическом, канальном, сетевом уровне по соответствию параметров;
S - количество потоков, поступивших на уровень СС;
1
t - длительность измерения параметров СС физического, канального, сетевого уровня;
2
t - длительность обработки параметров физического, канального, сетевого уровня СС;
3
t - длительность, при которой определяются неисправные элементы СС;
4
t - длительность, при которой определяются исправные элементы СС;
5
t - длительность изменения топологической структуры СС;
6
t - длительность обработки параметров на соответствие качественных характеристик элементов СС;
7
t - длительность восстановления элементов СС на физическом, канальном, сетевом уровне;
8
t - длительность функционирования в нормальном состоянии;
Тн
- длительность нахождения СС в неисправном состоянии;
неиср
Т - среднее значение длительности нахождения СС в неисправном состоянии;
иср
Т - среднее значение длительности нахождения СС в исправном состоянии;
ид
К - коэффициент исправного действия СС на физическом, канальном, сетевом уровнях;
вдф
Р - вероятность воздействия функционирования элементов СС при ВДФ;
ij
P - параметр показателя качества оборудования, где i - индекс обозначающий тип технологии; j - индекс обозначающий параметр i-го типа технологии;
POSNR - параметр качества оборудования физического уровня -соотношение уровня сигнал/шум;
fec
K -параметр качества оборудования физического уровня - коэффициент FEC (%);
ош
К - параметр качества оборудования канального уровня - коэффициент ошибки;
з
Т - параметр качества оборудования канального уровня - время задержки пакетов;
вар.з
Т - параметр качества оборудования канального уровня - время вариации задержки пакетов;
пп
К - параметр качества оборудования канального уровня - коэффициент потери пакетов;
S+1
T - длительность при поступлении следующего потока (сигнала, сообщения) на физический, канальный, сетевой уровень СС;
огр
Т - длительность ограничения поступления потоков на физический, канальный, сетевой уровень СС;
P(t) - вероятность восстановления СС;
восст
Т - длительность восстановления СС.
В блоке 2 определяют количество реализаций моделирования процессов обеспечения технической готовности сети связи на физическом, канальном и сетевом уровне.
В блоке 3 производят моделирование процессов обеспечения технической готовности на физическом уровне.
В блоке 4 имитируют различные виды отказов повреждения, сбои основных элементов СС на физическом уровне.
В блоке 5 производят измерения параметров качества оборудования функционирующем на физическом уровне.
В блоке 6 проверяют соответствие измеренных значений заданным критериальным значениям на физическом уровне, если значения измеренных параметров не соответствуют требуемым значениям, то переходят в блок 7.
В блоке 7 производят процедуры локализации неисправных элементов при отказе функционирования СС на физическом уровне.
В блоке 8 производят рассылку сообщений элементам СС о состоянии исправности элементов СС на физическом уровне.
В блоке 9 производят реконфигурирование СС на исправных элементах оборудования физического уровня.
В блоке 10 производят восстановление элементов СС, далее процесс повторяется по этапам 3,4, 5 в соответствии с фиг. 1,
если измеренные параметры оборудования физического уровня соответствуют заданным критериальным значениям, то переходят к моделированию процесса технической готовности на канальном уровне,
после моделирования процессов обеспечения технической готовности на канальном уровне проводят, измерения параметров качества оборудования функционирующем на канальном уровне, проверяют соответствия измеренных значений заданным критериальным значениям, если значения измеренных параметров не соответствуют требуемым значениям, то производят процедуры локализации неисправных элементов при отказе функционирования СС на канальном уровне,
рассылку сообщений элементам СС о состоянии исправности элементов СС на канальном уровне,
реконфигурирование СС на исправных элементах оборудования канального уровня,
восстановления элементов СС, далее процесс повторяется по этапам 12, 13, 14 в соответствии с фиг. 1,
если измеренные параметры оборудования физического уровня соответствуют заданным критериальным значениям, то переходят к моделированию процесса технической готовности на сетевом уровне,
после моделирования процессов обеспечения технической готовности на сетевом уровне проводят, измерения параметров качества оборудования функционирующем на сетевом уровне, проверяют соответствия измеренных значений заданным критериальным значениям, если значения измеренных параметров не соответствуют требуемым значениям, то производят процедуры локализации неисправных элементов при отказе функционирования СС на сетевом уровне,
рассылку сообщений элементам СС о состоянии исправности элементов СС на сетевом уровне,
реконфигурирование СС на исправных элементах оборудования сетевого уровня,
восстановления элементов СС, далее процесс повторяется по этапам 21, 22, 23 в соответствии с фиг. 1,
если измеренные параметры оборудования сетевого уровня соответствуют заданным критериальным значениям, то переходят к на этап вывода результатов параметров оборудования физического, канального сетевого уровня.
ид
восст
На основе сбора данных о функционирования СС с учетом ВДФ осуществляется прогнозирование состояние основных элементов сети на различных этапах эксплуатации и расчет основных показателей ее: К - коэффициент исправного действия, P(t) - вероятность восстановление, Т - длительность восстановления СС.
Определяется количество реализации (прогонов) модели (N):
где Р - значение априорной вероятности, которую можно определить предварительными испытаниями на модели;
α
α
- значение аргумента функции Лапласса, при котором вероятность попадания случайной величины  в интервал (-t,t) равна α;
ε -точность оценки, равная ;
- оценка математического ожидания, полученная в результате моделирования;
М(х) - математическое ожидание искомого параметра;
α - достоверность оценки.
m
λ
Нагрузку от пользователя задают в виде интенсивности потока λ и закон ее распределения F(t). Например, для пуассоновского (простейшего) потока закон распределения задается выражением: , а для нормального распределения выражением: .
Задают количество ВДФ (n), количество ВДФ по соответствию параметров (m), количество потоков (S).
S+1
цфS
-λτ
-λτ
В блоке 2 имитируется поступление потока F(t) на передачу сообщений через интервалы длительности T. При функционировании СС, отвечающим и выполняющим требованиям модельной длительности принимается значение T. Интервалы длительностей τ между поступлением сигналов в простейшем потоке распределены по экспоненциальному закону с функцией распределения F(t)=1-e, плотностью распределения ƒ(t)=λe, где λ>0 - параметр распределения, представляющий собой интенсивность потока ВДФ.
цфS
Интервалы длительностей поступления потока на вход системы равны длительности предыдущего цикла функционирования T.
1
В блоке 3 происходит идентификация сетевых интерфейсов и загрузка программного обеспечения оборудования, функционирующего на физическом уровне с длительностью измерения параметров элементов СС (t).
2
В блоке 5 считывают соответствие параметров, характеристик необходимых для нормального работоспособного состояния оборудования за длительность обработки параметров на физическом уровне СС (t).
2
2
вдф
В блоке 7 при поступлении потока при длительности t происходит сравнение поступившего потока (F(t)) на наличие отсутствия вероятности ВДФ уровня Р, которая распределяется по нормальному экспоненциальному закону . При появлении отказа функционирования элементов СС на физическом уровне, система переходит в режим поиска неисправности (локализация отказов) блок 9. При нормальном функционировании системы переходит в блок 13.
В блоке 13 осуществляется проверка качества параметров, характеристик при обслуживании физического уровня данного полученного информационного потока.
При удовлетворяющем результате поток поступает в блок 15, где происходят основные процессы по сравнению с требуемыми параметрами уровня.
ij
При поступлении потока F(t) при длительности обработки параметров качества на физическом уровне СС вероятность соответствия параметрам будет равна P. и распределяется по нормальному закону .
Если хотя бы один показатель параметра физического уровня не соответствует нормативным значениям исправного состояния элемента СС, то необходимо провести ряд мероприятий по восстановлению работоспособности элементов СС (блок 17):
- определить причину изменения качественных характеристик (параметров) на физическом уровне;
6
- изменить качественные характеристики (параметры) элементов СС на физическом уровне при затраченном времени восстановления t;
7
- восстановить элементы СС за длительность t.
По окончании восстановительных мероприятий провести контрольные измерения качественных характеристик (параметров) физического уровня СС, чтобы убедиться в достоверности восстановления функционирования элементов СС физического уровня. В дальнейшем процесс переходит в блок 19, который необходим для выхода в режим нормального (требуемого) функционирования СС на физическом уровне и определения конечного времени моделирования.
Если значение качественных характеристик (параметров) не соответствует требуемым, то в блоке 9 и 10 режим локализации неисправности при отказе функционирования СС и выявляет работоспособные элементы СС с помощью обмена сигналов между элементами СС.
После обработки потоковых сигналов в блоке 9 и 10 в блоке 11 проводится ряд мероприятий по реконфигурации структуры СС на исправных элементах СС:
н
определяется тип неисправности за время Т;
4
производится анализ, диагностика, оценка состояния элементов СС, при которых могли бы выполняться основные задачи сети за время t,
5
изменяется топологическая, потоковая структура СС за время реконфигурации t.
В дальнейшем если все качественные показатели характеристик (параметров) физического уровня соответствуют нормативным значениям исправного состояния элементов СС, то функционирование СС модели с учетом ВДФ завершается и процесс функционирования цикла замыкается.
и
н
Выходными результатами состояния функционирования физического уровня элементов СС с учетом ВДФ являются длительности исправной (Т) и неисправной (Т) работы сети, которые в дальнейшем используются при вычислении коэффициента исправного действия или готовности СС.
При проведении вычислений с помощью предложенных методах и программных приложений получили графические временные диаграммы оценки функционирования СС с учетом ВДФ физического уровня (фиг. 2).
Предлагаемый способ и реализующая система моделирования обеспечивают устранение и расширение функциональных возможностей технических решений с обеспечением моделированной работы СС с учетом ВДФ, осуществляется расчет коэффициента исправного действия и сравнение его с требуемыми значениями свойств устойчивости СС.
Таким образом, за счет вышеуказанных операций достигается технический результат, представленное научно-методическое обеспечение является основой для разработки подхода и научно-технических предложений по выявлению технических требований к оборудованию функционирующего на СС на физическом уровне с учетом ВДФ при планировании и развертывании сети связи.