Разработка метода расчета отказоустойчивых решетчатых оптических транспортных сетей

Внастоящее время прогресс в электронных технологиях позволяет достигать высоких показателей производительности процессоров, однако для вычислений больших объемов данных или вычислений высокой-сложности, мощности существующих на рынке решений может оказаться недостаточно. Для решения данной задачисуществуют, применяются и активно развиваются широкомасштабные параллельные системы, позволяющие осуществить разделение общего массивавычисляемых данных на определенное число частей, при этом каждая из которых обрабатывается отдельной вычислительной мощностью. Подобные параллельные вычислительные системы обладают повышенными* требованиями к отказоустойчивости, особенно в тех случаях, когда они применяются в районах" с нестабильными климатическими условиями, стихийными бедствиями и военными действиями, при которых возникают сетевые отказы, а сеть получает. повреждения, которые сказываются на ее работоспособности и производительности. Учитывая то, что потеря некоторой части массива данных или задержки в обработке информации, связанные с возникновением сетевых отказов могут быть критичными, то обеспечение соответствующего уровня отказоустойчивости является одной из важнейших задач, которые" возникают в процессе организации подобных систем и должны быть решены на этапах проектирования.

Также, на сегодняшний день, растущие потребности в пропускной способности оборудования" и каналов связи могут быть удовлетворены только волоконно-оптическими системами передачи, при этом применение подобных систем в параллельных вычислительных системах, помимо решения задач, связанных с предоставлением достаточной пропускной способности каналов связи, позволяет решить задачи, связанные с задержками при передачи информации, а также не будет являться ограничивающим фактором при естественной эволюции параллельных вычислительных систем, а следовательно и постоянно возрастающих требованиях к пропускной способности. Это позволит сократить затраты не только на этапе организации и строительства параллельных вычислительных систем, но и при дальнейшем их развитии.

Развитие технологий передачи данных по оптическому волокну привело к возникновению полностью оптических транспортных сетей, индиффирентных. к типу передаваемой информации, а также позволяющих осуществлять ее обработку, доставку и реализацию прочих функций, присущих транспортным сетям на оптическом уровне, без какого-либо преобразования в электронный вид, при этом отсутствуют ограниченияхарактерные для* «традиционных» транспортных сетей, к которым относятся СЦИ, ATM, Ethernet. Подобными ограничениями являются быстродействие, длина оптического участка, неспособность обработки больших объемов информации, а также низкая функциональность. При этом «традиционные» транспортные сети могут работать только с определенными форматами трибутарных сигналов.

Определенные успехи были достигнуты в решении задач проектирования решетчатых оптических сетей, создании методов проектирования подобных сетей, а также разработке алгоритмов их расчета. Большой вклад в области разработки методик, алгоритмов и программ, обеспечивающих решение задач расчета и проектирования тороидальных решетчатых сетей внесли западные ученые: Н. Ф. Максемчук, P.F. Галлахер, I I. Хламтак, в области полностью оптических транспортных сетей, отечественные ученые: Меккель A.M., Цым А. Ю, Фокин В. Г. в области моделирования тороидальных решетчатых сетей, отечественные ученые: Гайдамака Ю. В., Самуйлов К.Е.

Однако, проведенное аналитическое исследование выявило, что существующие методы расчета полностью оптических сетей не учитывают топологические особенности тороидальных решетчатых структур, применяемых в параллельных вычислительных системах, в то же: время, существующие методы расчета тороидальных решетчатых сетей не учитывают топологические особенности различных типов1 структур тороидальных решетчатых сетей, а также не обладают унифицированными механизмами решения задач расчета и проектирования. Более того, такие методы расчета не учитывают развивающиеся технологии оптической берстной коммутации, обобщенной многопротокольной коммутации по меткам, технологию плотного спектрального мультиплексирования, а также особенности реконфигурируемых оптических мультиплексоров ввода-вывода, механизмов конвертации длин волн, а также топологических механизмов резервирования. В связи с этим возникла необходимость разработки эффективного, унифицированного метода расчета отказоустойчивых решетчатых оптических транспортных сетей связи, учитывающего развивающиеся технологии, аппаратные и программные особенности оборудования, пригодные для использования в параллельных вычислительных системах с высокими требованиями к отказоустойчивости, а также, как полностью оптическая транспортная сеть, функционирующая в условиях с большой вероятностью возникновения сетевых отказов.

Кроме того, анализ состояния исследований' в данной области за рубежом свидетельствует о том, что научные организации США, Германии, Италии, Испании, Китая, Индии и др. сегодня уделяют данному вопросу достаточно большое внимание. В частности, проводятся исследования особенностей тороидальных решетчатых сетей, ограничений, связанных с ее эксплуатацией, происходит разработка и создание специализированных механизмов маршрутизации. В настоящее время подобные тороидальные решетчатые сети используются в США, в районе Манхэтген, Испании, в районе ле’Экзампл, как транспортные сети, а также применяются, как транспортные основы в нескольких десятках вычислительных систем различных университетов мира, при этом существует ярко выраженная тенденция к переходу с ячеистых на тороидальные решетчатые сети в тех случаях, когда есть потребность в организации сети, где каждый узел обладает одинаковыми показателями коэффициента готовности.

В то же время, на сегодняшний день в России подобные сети не получили широкого распространения, а их развитие и применение ограничено либо испытаниями в лабораторных условиях, либо остановилось на, этапе иммитационного моделирования, что несомненно является существенной потерей" для отрасли связи. Очевидно, что не проводя исследование, разработку и развитие подобных тороидальных решетчатых сетей, а также их внедрение в посведневную жизнь, можно существенно ограничить число доступных методов решения существующих задач в отрасли связи. При этом в настоящее время, организация высоко уровня отказоустойчивости узлов в современных реалиях достигается не топологическими механизмами резервирования, как это будет в случае с тороидальными решетчатыми сетями, а выделением дополнительного числа оптических волокон каждому сетевому узлу, что несомненно понижает уровень экономической эффективности сетей с таким механизмом резервирования и, что более критично, не позволяет минимизировать урон, наносимый производительности сети в целом в случае сетевого отказа. Таким образом, в тех случаях, когда требуется организовать одинаковую степень защищенности для каждого сетевого узла, доступные методы решения данной задачи, не основанные на организации тороидальных решетчатых сетей, не позволяют достигать одинаковых вероятностей возникновения сетевых отказов в любой части сети, что безусловно сделает такие методы решения данной задачи несбалансированными.

Основная цель диссертации:

Провести исследование существующих методов расчета и проектирования оптических транспортных сетей, решетчатых оптических транспортных сетей, определить требования к проектированию отказоустойчивой решетчатой оптической транспортной сети, а также разработать алгоритм расчета отказоустойчивых решетчатых и квазирешетчатых оптических транспортных сетей связи.

Достижение данной общей цели предполагает необходимость решения следующих наиболее важных задач:

1. Провести исследование существующих технологий передачи данных по оптическому волокну (ОВ), сравнительный анализ архитектур оптических транспортных сетей (ОТС) по критериям надежности, экономической эффективности и перспективности развития.

2. Классифицировать отказоустойчивые решетчатые и квазирешетчатые структуры, разработать их мнемонические описания, описать их функциональные особенности.

3. Исследовать вероятностно-временные характеристики функционирования решетчатых и квазирешетчатых оптических транспортных сетей, разработать алгоритм их расчета.

4. Разработать алгоритм расчета решетчатых и квазирешетчатых оптических транспортных сетей.

Содержание работы:

В главе 1 исследуются принципы работы систем со спектральным уплотнением, рассматриваются типы оптических усилителей (ОУ), их принципы работы и методы их расположения, осуществляется исследование функциональных особенностей различных типов оптических демультиплексоров, проводится классификация и сравнительный анализ технологий спектрального уплотнения и оптических волокон. В разделе 1.2 выполняется исследование и анализ архитектур оптических транспортных сетей, классификация архитектурных механизмов резервирования, осуществляется сравнительный анализ архитектур ОТС по критериям надежности, экономической эффективности, перспективности развития. В разделе 1.3 исследуются существующие методы проектирования ОТС, проводится сравнительный анализ методов проектирования по критериям оптимальности. Раздел 1.4 посвящен исследованию методов проектирования отказоустойчивой решетчатой транспортной сети, их сравнительному анализу по критерию оптимальности.

В главе 2 производится классификация отказоустойчивых решетчатых ОТС, осуществляется анализ регулярности решетчатых структурклассификация топологических элементов. В* разделе 2.2* исследуются общие свойстварегулярных решетчатых структур с разнесенными волоконными кольцами, анализируются общие свойства топологических элементов, выводится их мнемоническое описание. Раздел 2.4 состоит из анализа и исследования архитектуры квазирешетчатой сети, рассматриваются возможные варианты топологической архитектуры, проводится классификация разреженности квазирешетчатых структур, выводится мнемоническое описание.

В главе 3 проводится* анализ требований к проектированию отказоустойчивой решетчатой оптической* транспортной сети, определяются основные нормативные документы, применяемы при проектировании ОТС и отказоустойчивых решетчатых и квазирешетчатых ОТС. В разделе 3.2 исследуются вероятностно-временные характеристики функционирования отказоустойчивой решетчатой ОТС, формируются математические модели для открытых однороднойи неоднородной, экспоненциальных СеМО. Раздел 3.3 посвящен разработке алгоритмов расчета вероятностно-временных характеристик функционирования* отказоустойчивой решетчатой' ОТС. В разделе 3.4 определяется задача проектирования, приводятся методики и формулы расчета необходимых при проектировании параметров ОТС, классифицируются" механизмы маршрутизации, разрабатывается алгоритм расчета вероятностно-временных характеристик.

В главе 4 проводится анализ особенностей квазирешетчатых сетей, определяются топологические и структурные особенности, особенности математического моделирования, а также особенности проектирования, вводятся необходимые уточнения. Раздел 4.2 посвящен уточнению вероятностно-временных характеристик функционирования отказоустойчивой квазирешетчатой ОТС, разрабатывается математическая модель, основанная на замкнутой однородной экспоненциальной СеМО. В разделе 4.3 разрабатывается алгоритм расчета квазирешетчатых ОТС, рассматривается каждый этап проектирования подобных сетей. Раздел 4.4 посвящен сравнительному анализу методов проектирования отказоустойчивых решетчатых и квазирешетчатых ОТС.

Апробация результатов работы:

Основные материалы диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на следующих конференциях и семинарах с 2007 по 2010 г.: 64-ая научная сессия, посвященная дню радио, 2009 г., г. Москватретья отраслевая I научнаяконференция-форум «Технологии' информационного общества», 2009 г., г. Москва- 12-ая международная, конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применение», 2010' г., г. Москва- 18-ая международная НТК «Современное телевидение», 2010 г., г. Москва- 65-ая научная сессия, посвященная дню радио, 2010 г., г. Москвачетвертая отраслевая научная конференция-форум. «Технологии информационного общества», 2010 г., г. Москваоткрытый НТС «Моделирование, расчет и проектирование систем и сетей связи», 2007 — 2010 г., г. Москва.

По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 2 статьи в журнале из Перечня ВАК РФ.

Основные научные положениятеоретические выводы и результаты, изложенные в диссертацииполучены автором самостоятельно.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Проведена классификация отказоустойчивых решетчатых и квазирешетчатых структур, разработано их мнемоническое описание.

2. Разработа математическая модель отказоустойчивой решетчатойЮТС с: оптической берстной коммутацией, позволяющая проводить расчетывероятностно-временных характеристик функционирования подобных сетей. Математическая модель сформулирована в виде задачи теории массового обслуживания (ТМО) и рассматривает два типа открытых экспоненциальных СеМО:

3. Разработана математическая модель, отказоустойчивой квазирешетчатой ОТС с оптической берстной коммутацией, на основе которой можно осуществлять расчеты вероятностно-временных характеристик функционирования квазирешетчатых ОТС. Математическая модель сформулирована в виде задачи ТМО и рассматривает замкнутую однородную экспоненциальную СеМО.

4. Разработаны эвристические алгоритмы расчета решетчатых и квазирешетчатых ОТС, позволяющий осуществлять проектирование подобных сетей для различных сфер применения (параллельные вычислительные системы, сверхотказоустойчивые транспортные сети связи).

5. Разработаны корректные алгоритмы расчета вероятностно-временных характеристик функционирования отказоустойчивых решетчатых и квазирешетчатых ОТС.

Практическая значимость диссертации:

Использование полученных в работе результатов позволяет:

• проводить дальнейшие исследования решетчатых и квазирешетчатых оптических транспортных сетей;

• проектировать отказоустойчивые полностью оптические транспортные сети, в которой все сетевые узлы обладают одинаковыми показателями коэффициента готовности;

• применять решетчатые и квазирешетчатые оптические транспортные сети в районах с нестабильными климатическими условиями, стихийными бедствиями, военными действиями, а также в параллельных вычислительных системах;

Полученные в диссертационной работе результаты заключаются в следующем:

1. Проведена классификация решетчатых и, квазирешетчатых структур, выведено их ' мнемоническое описание;

2. Разработаны алгоритмы расчета вероятностно-временных характеристик отказоустойчивых решетчатых и квазирешетчатых оптических транспортных сетей, а также алгоритмы их расчета;

3. Предложен комплексный подход к решению задачи проектирования отказоустойчивых решетчатых оптических транспортных сетей связи;

4. Разработан метод расчета решетчатых и квазирешетчатых оптических транспортных сетей, учитывающий* особенности топологических структур, существующих и перспективных технологий передачи данных по оптическому волокну, свойства каналообразующего оборудования, позволяющий использовать подобные сети, как в параллельных вычислительных системах, так и в роли транспортных сетей.

Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:

1. Классификация решетчатых и квазирешетчатых сетей, их мнемоническое описание, сравнительный анализ методов их проектирования;

2. Алгоритм расчета вероятностно-временных характеристик функционирования отказоустойчивых решетчатых оптических транспортных сетей;

3. Алгоритм расчета вероятностно-временных характеристик функционирования квазирешетчатых оптических транспортных сетей;

4. Алгоритмы расчета решетчатых и квазирешетчатых оптических транспортных сетей;

4.5. Выводы.

1. Проведен анализ особенностей квазирешетчатых оптических транспортных сетей связи, выделены топологические и структурные особенности, особенности математического моделирования, а также особенности проектирования;

2. Проведено исследование и уточнение вероятностно-временных характеристик функционирования квазирешетчатой оптической транспортной сети, определены критичные для процесса проектирования вероятностно-временные характеристики;

3. Разработана математическая модель с применением ТМО, квазирешетчатая оптическая транспортная сеть рассмотрена, как замкнутая однородная экспоненциальная СеМО;

4. Разработан алгоритм расчета квазирешетчатой оптической транспортной сети, проведены необходимые уточнения, определены особенности этапов алгоритма расчета подобных сетей;

5. Проведен сравнительный анализ методов проектирования решетчатых и квазирешетчатых оптических транспортных сетей связи, исследованы различия в этапах алгоритмов их расчетов;

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящее время происходит несомненная конвергенция не только телекоммуникационных услуг и сервисов, но и технологий передачи' данных, выражающаяся в мультиобъектной специализации' последних. Это прежде всего позволяет минимизировать затраты на разработку новых технологий, способных найти применение в любой отрасли связи. Подобным прорывом являются полностью оптические транспортные сети связи, которые используются не только в местных, зоновых и магистральных сетях, но на их основе также организовывают параллельные вычислительные системы различной сложности и направленности.

Задачи, поставленные в данной научной работе затрагивают несколько смежных и зависимых друг от друга областей и сфер отрасли связи.

В главе 1 проведенного исследования были решены поставленные задачи и на основе их решениявыявлены следующие положения:

• В настоящее время только применение ОВ на сетях связи позволяет решить задачу удовлетворения потребности в пропускной способности каналов и сетей связи.

• Применение на сети гибридных оптических усилителей позволяет уменьшить спонтанное излучение и увеличить соотношение сигнал/шум.

• Наиболее предпочтительной основой оптического демультиплексора для систем с плотным спектральным мультиплексированием является фильтр Маха-Цендера, по причине того, что данный тип фильтра позволяет осуществлять выделение близко стоящих каналов.

• Развитие технологий передачи данных по ОВ идет в различных направлениях, каждое из которых обладает своими преимуществами и недостатками. К таким направлениям относятся технологии OTDM, OCDM, Optical OFDM, HWDM.

• ПСМ позволяет организовывать большее число оптических каналов (192 канала, на 2010 год), чем ГСМ (18 каналов), может функционировать в. одном спектральном диапазоне © и с применением практически всех типов ОВ (G.652, G.653, G.654, G.655, G.656). Максимальная суммарная скорость передачи каналообразующего оборудования на основе данной технологии, составляется.

3200 Гбит/с (на 2010 год), однако, подобные системы существенно подвержены влиянию дисперсий и нелинейных эффектов. Применение данной технологии, не смотря на ее более высокую цену, является предпочтительным.

• Эффективным и перспективным принципом построения оптических сетей является перенос всех транспортных операций (маршрутизация, регенерация, обработка больших объемов информации) на оптический уровень.

• Регулярная решетчатая топологическая архитектура в сравнении с ячеистой, каскадно-кольцевой архитектурами и архитектурой взаимодействующих колец обладает одинаковыми показателями коэффициентов готовности для узлов в центре и на границе сетинаименьшим (25%) показателем максимального урона, наносимого узлом с максимальным количеством соединенийнаименьшим показателем общего времени простоя (0,359 ч.) — наибольшим показателем экономической эффективности (762,9082) — обладает наибольшим числом преимуществ при сравнении по критерию перспективности развития.

• Процесс проектирования отказоустойчивой решетчатой оптической транспортной сети связи предпочтительнее основывать на методах декомпозиции и системности.

• Существующие методы расчета и проектирования! отказоустойчивых решетчатых оптических транспортных сетей связи не обладают механизмами решения задач расчета, к которым относится расчет вероятностно-временных характеристик.

В главе 2 данной работы были решены поставленные задачи и на основе их решения были выявлены следующие положения:

• В настоящее время существующая классификация не позволяет определить функциональные особенности различных решетчатых и квазирешетчатых структур.

• Разработанная классификация позволяет разделить исследуемые сети на регулярные, нерегулярные, симметричные, асимметричные, равновесные, неравновесные, с совмещенными и разнесенными волоконными кольцами.

• Составляющие основу решетчатых структур топологические элементы можно разделить на линейные, нелинейные, ориентированные, неориентированные.

• Квазирешетчатые сети представляют собой соединенные в кольцевую топологию решетчатые сети, каждая из которых независима.

Разработанная классификация позволяет разделить квазирешетчатые структуры на двумерные, трехмерные, трехмерные полносвязные, вариамерныепо ориентации опорного кольца разделены на однонаправленные, конечно-ориентированные и: двунаправленныепо критерию плотностирасположения составных решетчатых сетей разделены на сверхплотные, плотные, слаборазреженные и сильноразреженные:

Применение мнемонического описания позволяет в названии определить основные функциональные особенности решетчатых и квазирешетчатых структур.

В главе 3 диссертации были решены следующие задачи:

• Проведен анализ требований к проектированию исследуемых сетей, определены перечни используемых ГОСТ, РД, ОСТ, BGH, СНиП, рекомендаций МСЭ-Т.

• Проведено^ исследование вероятностно-временных характеристик функционирования отказоустойчивых решетчатых оптических транспортных сететсвязи, определены критичные: для процесса проектирования вероятностно-временные характеристики, к которым относятся: среднее число заявок в узлах сети и в сети в целом, среднее время, пребывания заявки в узлесреднее время пребывания заявки в сети.".

• Разработаны* математические модели, основанные на открытойоднородной экспоненциальной СеМО (сеть Джексона) и открытая неоднородная экспоненциальная СеМО (сеть ВСМР).

• Разработаны алгоритмы расчета основных вероятностно-временных характеристик.

• Разработан алгоритм расчета отказоустойчивых решетчатых оптических транспортных сетей, выделены основные выражения, применяемые при расчете основных сетевых параметров, проведена краткая классификация часто используемых механизмов маршрутизации.

В четвертой главе диссертационного исследования были получены решения следующих задач:

• Проведен системный анализ функциональных особенностей отказоустойчивых квазирешетчатых оптических транспортных сетей связивыделены топологические и структурные особенности, особенности математического моделирования, а также особенности расчета и проектирования.

• Проведено уточнение вероятностно-временных характеристик функционирования квазирешетчатой ОТС, определены критичные для процесса проектирования вероятностно-временные характеристики, к которым относятся: среднее число запросов в каждой решетчатой ОТС, пропускная способность решетчатой ОТС, среднее время пребывания запроса в состваных решетчатых и квазирешетчатой сетях.

• Разработана математическая модель, основанная на замкнутой однородной экспоненциальной СеМО (сеть Гордона-Ньюэлла).

• Разработан алгоритм расчета уточненных вероятностно-временных характеристик функционирования квазирешетчатых ОТС.

• Разработан алгоритм расчета квазирешетчатчых ОТС, проведены необходимые уточнения, определены особенности этапов алгоритма рассматриваемых сетей.

• Проведен сравнительный анализ методов проектирования решетчатых и квазирешетчатых ОТС, исследованы различия в этапах алгоритмов их расчета.