СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАДЕЖНОСТИ СЛОЖНО РАЗВЕТВЛЕННЫХ СИСТЕМ
METHOD FOR CONTROLLING THE RELIABILITY OF COMPLEX BRANCHED SYSTEMS

Область техники
Изобретение относится к сетям связи и может быть использовано для регулирования надежности сложно разветвленных систем, таких как телекоммуникационные сети.
Уровень техники
В настоящее время при проектировании сложно разветвленных систем или оценке эффективности действующих систем редко присутствует необходимость точного расчета их надежности, так как исходные данные по надежности элементов систем задаются или получаются экспериментальным путем, с некоторой конечной точностью.
Под надежностью системы принято понимать свойство технического объекта сохранять свои характеристики (параметры) в определенных пределах при данных условиях эксплуатации [Половко А. М. Основы теории надежности. – 2-е изд., перераб. и доп. – СПб.  БХВ–Петербург, 2006. – 704 с.].
Проектировщикам сложно разветвленных систем или организациям, осуществляющим их эксплуатацию, необходимо лишь убедиться в том, что надежность системы, с одной стороны, не ниже заданной и, с другой стороны, не имеет экономически необоснованного запаса надежности. Другими словами, на практике достаточно гарантировать, что истинное значение параметра надежности  системы находится в некоторых приемлемых пределах . В качестве параметра надежности  можно рассматривать вероятность связности, коэффициент готовности или другие параметры отражающие степень надежности системы и имеющие вероятностный смысл. На основе рассчитанных значений параметров надежности как отдельных элементов системы, так и самой системы оказывается возможным осуществлять регулировку требуемых характеристик элементов системы с целью последующего увеличения надежности системы в целом. К подобным характеристикам целесообразно, прежде всего, отнести скорости передачи интерфейсов взаимодействующих телекоммуникационных узлов, по сути, определяющих пропускную способность связывающих их линий связи.
Известно устройство «Система мониторинга запасов устойчивости электроэнергетической системы»» (патент RU 2547224 C1 от 10.04.2015 г.), которое включает в себя расширенные функциональные возможности путем использования дополнительного арсенала технических средств, обеспечивающих наряду с выполнением функций регистрации параметров переходных процессов в системах электроснабжения, выполнение и дополнительных функций, в частности, определения максимальных и аварийно допустимых перетоков в опасных сечениях электроэнергетических систем.
Известен способ «Оценочный метод расчета надежности систем облачных компьютерных сетей» (патент US 8660024 В2 от 25.02.2014 г.), включающий в себя компьютер, поддерживающий модель сети, в которой компьютер подключен к накопителю данных и управляющему элементу посредством облачной компьютерной сети, модель сети включает множество ребер, которые обеспечивают наличие, по крайней мере, двух маршрутов, способ содержит этапы сбора параметров каждого ребра системы, ввода необходимых временных ограничений и бюджета обслуживания в модель сети, распределения запросов по двум маршрутам для формирования двух требований, соответствующих двум маршрутам, проверки первого ограничения в сетевой модели, осуществляемый в реляционных операторах первого ограничения, в которых содержатся требования по допустимой нагрузке каждого из маршрутов и временное ограничение, преобразования допустимой нагрузки каждого маршрута в текущую пропускную способность каждого из ребер, распределения текущих емкостей для формирования множества векторов нагрузки, причем они соответствуют различным состояниям потока облачных сетей, выбора первого набора векторов для удовлетворения первого ограничения, проверки второго ограничения в сетевой модели, где второе ограничение включает текущую нагрузку, стоимость обслуживания единицы и бюджет обслуживания, выбора второго набора векторов из первого набора с учетом второго ограничения, вычисления вычислительным блоком вероятности на основе первого набора векторов для получения первой вероятности и вероятности на основе второго набора векторов для получения второй вероятности и вывода на экран электронные таблицы для отображения диапазона между первой вероятностью и второй, который содержит неизвестное значение, представляющее точное значение надежности системы.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому способу и выбранным в качестве прототипа является «Способ и система для реализации динамической маршрутизации сигналов вызова» (патент RU 2408154 C2 от 27.12.2010 г.), содержащий этапы: сохраняют информацию о соединения между элементом NE (сетевой элемент) и элементами SE (элемент обслуживания), у которых элемент NE запрашивает обслуживание сигнала вызова, в перечне смежных элементов SE, записывают информацию о соединения между элементом NE и элементами NE, у которых элемент NE запрашивает услугу передачи сигнала вызова, в перечне смежных элементов NE, сохраняют информацию соединения между смежными элементами SE и элементом ТЕ (терминальный элемент), для которого предоставляют обслуживание сигнала вызова, в перечне обслуживания элемента SE, и/или сохраняют информацию соединения между смежными элементами NE и элементом ТЕ, для которого предоставляют услугу передачи сигнала вызова, в перечне обслуживания элемента NE.
Технической проблемой аналогов и прототипа является низкая надежность системы. Это связано с тем, что применены методы расчета надежности сложно разветвленных систем требующие больших вычислительных затрат для определения таблиц маршрутизации.
Создание способа регулирования надежности сложно разветвленных систем направлено на решение технической проблемы аналогов и прототипа, который позволяет увеличить надежность системы за счет того, что передают в расчетный блок данные о количестве переданных и принятых пакетов, выявляют элемент системы, удаление которого приводит к наименьшей надежности системы, подают команду интерфейсу взаимодействующих устройств на регулирование скоростей передачи портов в соответствии с коэффициентом снижения надежности.
Раскрытие изобретения
В заявленном способе эта техническая проблема решается тем, что в способе регулирования надежности сложно разветвленных систем, заключающемся в том, что сохраняют информацию о соединении между элементом NE (сетевой элемент) и элементами SE (элемент обслуживания), у которых элемент NE запрашивает обслуживание сигнала вызова, в перечне смежных элементов SE, записывают информацию о соединении между элементом NE и элементами NE, у которых элемент NE запрашивает услугу передачи сигнала вызова, в перечне смежных элементов NE, сохраняют информацию соединения между смежными элементами SE и элементомТЕ (терминальный элемент), для которого предоставляют обслуживание сигнала вызова, в перечне обслуживания элемента SE, и/или сохраняют информацию соединения между смежными элементами NE и элементом ТЕ, для которого предоставляют услугу передачи сигнала вызова, в перечне обслуживания элемента NE. Дополнительно передают в расчетный блок данные о количестве переданных и принятых пакетов, выявляют элемент системы, удаление которого приводит к наименьшей надежности системы, подают команду интерфейсу взаимодействующих устройств на регулирование скоростей передачи портов в соответствии с коэффициентом снижения надежности.
Согласно одному из частных вариантов реализации рассчитывают параметр надежности системы, определяют параметры надежности системы с последовательным удалением элементов системы, выявляют элемент системы, приводящий к минимальному значению показателя надежности системы, вычисляют степень снижения параметра надежности системы, выраженный в форме коэффициента снижения надежности.
Согласно одному из частных вариантов реализации определяют исток и сток, проверяют наличие -го пути, определяют надежность системы но основе  путей.
j
j
j
j
j
j
Согласно одному из частных вариантов реализации составляют символьное выражения события связности -го пути, сокращают символьное выражения события связности -го пути, упрощают символьное выражения события связности -го пути, преобразуют символьное выражения события связности -го пути к вероятностному виду, рассчитывают вклад в параметр надежности системы -го пути, вычисляют параметр надежности системы на основе  путей.
Новая совокупность существенных признаков позволяет достичь указанного технического результата за счет того, что передают в расчетный блок данные о количестве переданных и принятых пакетов, выявляют элемент системы, удаление которого приводит к наименьшей надежности системы, подают команду интерфейсу взаимодействующих устройств на регулирование скоростей передачи портов в соответствии с коэффициентом снижения надежности.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, тождественных всем признакам заявленного способа расчета надежности сложно разветвленных систем, отсутствуют. 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.
На фиг. 1 – схема работы способа регулирования надежности сложно разветвленных систем;
на фиг. 2 – схема выявления элемента системы, удаление которого приводит к наименьшей надежности системы;
на фиг. 3 – схема вычисления параметра надежности системы;
на фиг. 4 – схема определения надежности системы на основе  путей;
на фиг.5 – график зависимости рассчитанного параметра надежности системы от количества задействованных операций сложения и умножения;
на фиг.6 – граф исследуемой системы.
Реализация заявленного способа заключается в следующем (фиг. 1).
11. Сохраняют информацию о соединении между элементом NE (сетевой элемент) и элементами SE (элемент обслуживания), у которых элемент NE запрашивает обслуживание сигнала вызова, в перечне смежных элементов SE.
12. Записывают информацию о соединении между элементом NE и элементами NE, у которых элемент NE запрашивает услугу передачи сигнала вызова, в перечне смежных элементов NE.
13. Сохраняют информацию соединения между смежными элементами SE и элементом ТЕ (терминальный элемент), для которого предоставляют обслуживание сигнала вызова, в перечне обслуживания элемента SE, и/или сохраняют информацию соединения между смежными элементами NE и элементом ТЕ, для которого предоставляют услугу передачи сигнала вызова, в перечне обслуживания элемента NE.
14. Передают в расчетный блок данные о количестве переданных и принятых пакетов.
В расчетном блоке (узле) вычисляется параметр надежности линий связи (ребра) , , где  – количество ребер, между взаимодействующими узлами, по количеству переданных и принятых пакетов
,
k
где – количество успешно принятых пакетов между -й парой узлов;
k
– количество переданных пакетов между -й парой узлов.
15. Выявляют элемент системы, удаление которого приводит к наименьшей надежности системы (фиг. 2).
151. Рассчитывают параметр надежности системы (фиг. 3).
1511. Определяют исток и сток.
Исток и сток (маршрут) определяется согласно данных о системе.
На данном этапе исходя из выбранных истока и стока по известным алгоритмам (например, алгоритмы Дейкстры или Форда–Фолкерсона) [Свами М. Графы, сети и алгоритмы / Свами М., Тхуласираман К. – М. : Мир, 1984. – 454 с.] определяется упорядоченный в порядке возрастания числа содержащихся ребер набор  путей (простых цепей) сложно разветвленной системы.
Задается начальное значение для , приводящее к дальнейшей проверке первого пути.
1512. Проверяют наличия -го пути.
Выполняется проверка условия . При положительном выводе определяют надежность системы на основе  путей, а при отрицательном определяют параметр надежности системы с последовательным удалением элементов системы (П.152).
1513. Определяют надежность системы на основе  путей (фиг. 4).
Надежность системы рассчитывается на основе метода объединения связных подграфов с поглощением, позволяющий разделить зависимые события на два независимых (несовместных).
15131. Составляют символьное выражения события связности -го пути.
-
Обозначим , , событие связности -го пути, а  – объединение событий связности путей от первого до го включительно. Тогда символьное выражение события связности определим как операцию символьного умножения:
-
где  – событие исправности всех ребер в ом пути,
– событие несвязности исследуемого графа при учете первых  путей, .
15132. Сокращают символьное выражения события связности -го пути.
Данную процедуру опишем с помощью операции объединения как:
.
Вследствие возможной зависимости путей событие связности множеств  и  будет определяться на основе событий исправной работы ребер системы.
,
Определим, что каждое событие связности множества  определяется как исправность всех  входящих в него ребер , , т. е. а значит событие связности -го пути определится как:
.
В развернутом виде равенство можно представить как:
Из равенства следует, что элементы , , , содержащиеся в левом множителе  и повторяющиеся в правом множителе , исключаются из рассмотрения в последнем множителе.
Отметим, что удобство операции символьного умножения заключается в том, что каждый из сомножителей оказывается независимым от другого, что позволяет представить параметр надежности системы данного события в виде произведения составляющих его событий.
15133. Упрощают символьное выражения события связности -го пути.
При упрощении получаемых функций после операции символьного умножения находится пересечение отрицаний событий, которое, целесообразно представить в виде пересечения несовместных (независимых) событий на основе классических операций на множествах.
Так, для удобства события связности подграфов целесообразно обозначить буквами латинского алфавита, например, , а несвязности – теми же буквами латинского алфавита, но с чертой, например,  Операцию объединения  записывать как алгебраическое сложение, а пересечения  – как алгебраическое умножение, что позволяет применять следующие типы сокращений:
,
15134. Преобразуют символьное выражения события связности -го пути к вероятностному виду.
Параметр надежности системы -го пути при условии несвязности всех предыдущих  путей находится как:
,
где возможно заменить все события, на соответствующие им параметры надежности ребер системы.
15135. Рассчитывают вклад в параметр надежности системы -го пути.
j
j
Вклад в параметр надежности системы -го пути рассчитываем через параметр надежности -го пути при условии несвязности всех предыдущих  путей, применив операцию символьного умножения:
.
j
15136. Вычисляют параметр надежности системы на основе  путей.
Параметр надежности системы на основе  путей  определяется как параметр надежности системы с учетом первых  путей:
, .
Надежность сложно разветвленной системы равна:
.
Далее увеличивают счетчик номера пути на единицу, то есть  и переход к п. 1512.
152. Определяют параметры надежности системы с последовательным удалением элементов системы.
Под элементом системы понимается ребро, соединяющее между собой взаимодействующие узлы связи.
N
i
i
r
Перебирают все  комбинаций удаления ребер системы (первая – исходная система с удаленным только первым ребром, вторая – исходная система с удаленным только вторым ребром и т. д.). Для каждой -й комбинации (результирующей системы) вычисляют параметр надежности  (п. 15136), где  – число путей (простых цепей) системы с удаленным только -м ребром, расчет производится, согласно последовательности, описанной в п. 151 с той лишь разницей, что после выполнения п. 1512 осуществляется переход к п. 1511, при условии, что номер текущего удаленного ребра меньше общего числа ребер в исходной системе, иначе осуществляется переход к п. 153 при условии, что номер текущего удаленного ребра равен общему числу ребер в исходной системе, то есть были перебраны все ребра системы.
153. Выявляют элемент системы, приводящий  к минимальному значению показателя надежности системы.
Из совокупности рассчитанных параметров надежности системы с учетом последовательного удаления элементов (ребра) ,  выбирается элемент (ребро), приводящий к минимальному значению показателя надежности системы:
.
Запоминают его номер  и величину его параметра надежности .
154. Вычисляют степень снижения параметра надежности системы, выраженный в форме коэффициента снижения надежности.
Коэффициент снижения надежности определяет степень влияния удаленного элемента (ребра) на снижение надежности системы при отсутствии заданного элемента (ребра) и задается в виде отношения:
Запоминают значение данного коэффициента.
16. Подают команду интерфейсу взаимодействующих устройств на регулирование скоростей портов в соответствии с коэффициентом снижения надежности.
K
Новая установленная скорость передачи интерфейсов будет в  раз больше исходной.
Таким образом, реализуются две особенности. Во-первых, получается снизить интенсивность обмена информацией между взаимодействующими узлами системы, тем самым уменьшая долю потерянной информации в случае выхода из строя данной линии связи. Во-вторых, снижение скоростей передачи интерфейсов приводит к увеличению метрик протоколов маршрутизации (например, OSPF) для данной линии связи, что влечет за собой менее интенсивное использование линии в качестве транзитной для путей протекания потоков данных в системе.
Заявленный способ регулирования надежности сложно разветвленных систем позволяет достичь указанного технического результата за счет того, что передают в расчетный блок данные о количестве переданных и принятых пакетов, выявляют элемент системы, удаление которого приводит к наименьшей надежности системы, подают команду интерфейсу взаимодействующих устройств на регулирование скоростей передачи портов в соответствии с коэффициентом снижения надежности.
Правомерность теоретических предпосылок проверялась на варианте фрагмента сети связи (фиг. 5), пунктирной линией отмечено направление между истоком (вершина 1) и стоком (вершина 5) со следующими исходными данными сети:
- все узлы связи абсолютно надежны;
- вероятность исправности любой линии связи равна 0,9.
Для анализа способа регулирования надежности сложно разветвленных систем целесообразно рассмотреть предложенный способ регулирования надежности сложно разветвленных систем и способ, основанный на методе полного перебора состояний системы (прототип).
Для данного случая, предложенный способ регулирования надежности сложно разветвленных систем требует исследования только четырех путей, то есть , параметр надежности системы , а количество операций умножения и сложения . В тоже время для способа, основанного на методе полного перебора состояний системы, потребуется исследование двадцати пяти связных состояний системы, то есть , параметр надежности системы , а количество операций умножения и сложения .
P
Полученные зависимости параметра  надежности сложно разветвленной системы от числа  использованных операций умножения и сложения представлены на фиг.6, где:
1- Способ расчета надежности сложно разветвленных систем;
2- Метод полного перебора.
Рассчитанные значения параметра надежности используются для определения коэффициента, отражающего степень снижения параметра надежности системы, а также для выявления элемента (ребра) системы приводящего к минимальному значению показателя надежности системы. В результате скорость обмена информацией между взаимодействующим узлами уменьшается, а значит, и снижаются возможные потери данных в ходе информационного обмена. Кроме того, снижение скоростей передачи интерфейсов увеличивает значение метрик протоколов маршрутизации для данной линии. Так, если скорости передачи взаимодействующих интерфейсов до процедуры регулирования были равны 1 Мбит/с, то после процедуры регулирования (при коэффициенте 0,8) скорости передачи станут равными 0,8 Мбит/с, что приведет к увеличению метрики протокола маршрутизации со 100 до 125. В итоге если существовал путь, отличающийся по метрике не более, чем на 24, то новым кратчайшим путем будет назначен именно он в соответствии с логикой работы протоколов маршрутизации. В результате обмен данными между данной взаимодействующей парой узлов будет снижен, а значит и объем потерянных данных в случае возникновения отказа данного ребра сократится, что в конечном итоге приведет к росту надежности сложно разветвленной системы.
Исходя из сказанного путем управления потоками данных через интерфейсы взаимодействующих элементов системы на основе рассчитываемого коэффициента, определяющего влияние надежности системы от элемента (ребро), удаление которого приводит к минимальному значению показателя надежности, регулируется скорость передачи данных между взаимодействующими узлами, что в итоге приводит к увеличению надежности системы.
Заявленный способ регулирования надежности сложно разветвленных систем обеспечивает увеличении надежности системы связи за счет передачи в расчетный блок данных о количестве переданных и принятых пакетов, выявлении элемента системы, удаление которого приводит к наименьшей надежности системы, подачи команды интерфейсам взаимодействующих устройств на регулирование скоростей передачи портов в соответствии с коэффициентом снижения надежности.