Одной из важной составляющих могущества любого государства является его информационное пространство, включающее в первую очередь сеть связи страны. Сеть связи страны является ее инфраструктурой и обеспечивает эффективное функционирование экономики, образования, силовых ведомств и других многочисленных структур государства. В Российской Федерации в 90-х годах прошлого столетия сеть связи страны вследствие кардинального изменения общего уклада экономики строилась как совокупность независимых сетей связи различных операторов, разнородных по своей организационной, технической и функциональной основе. Необходимость координации их функционирования в общих интересах государства привела к созданию на их базе «Взаимоувязанной сети связи РФ».
К началу XXI века почти все основные операторы связи «выровнялись» по технической оснащенности узлов своих сетей, при этом упор был сделан на цифровые технологии: Усилились интеграционные процессы между операторами связи, обусловленные необходимостью обеспечения требуемых показателей качества предоставляемых услуг связи, диктуемых вхождением России в глобальное информационное сообщество [56]. Данные качественные преобразования привели к трансформации в 2003 году «Взаимоувязанной сети связи РФ» в «Единую сеть электросвязи России» [41]. Лидером в данном процессе является оператор связи «Ростелеком». В настоящее время-Единая, сеть электросвязи (ЕСЭ) РФ завершает переход на современные цифровые технологии, активно использует средства автоматизации управления и конвергирует в автоматизированную систему связи (АСС) страны. АСС в настоящее время принято называть телекоммуникационными системами (ТС) [27, 41].
Основу такой АСС (ТС) представляют автоматизированные узлы связи (АУС), соединенные между собой различными каналами связи. При этом узлы регионального, областного, городского назначения имеют, как правило, каналоформирующее и коммутационное оборудование (проводное и радио), построенное на цифровых принципах. Узлы районного уровня, как правило, 50% имеют каналоформирующее и коммутационное оборудование нового парка (цифровые технологии) и 50% — старого парка (аналоговые технологии). Отметим, что цифровое каналоформирующее и коммутационное оборудование разрабатывалось в конце 90-х годов XX века и в начале XXI века, а имеющиеся образцы аналогового каналоформирующего и коммутационного оборудования разрабатывались в 80-х — 90-х годах прошлого века и ранее [12].
Необходимость автоматизации процессов управления всей АСС (ТС) и ее сегментов выливается в задачу автоматизации управления элементами АУС [29]. В силу разнотипности каналоформирующего и коммутационного оборудования на типовом узле связи задача эффективного управления ими является нетривиальной. Действительно, если современные элементы узла связи имеют управляющие интерфейсы, работающие в локальной1 вычислительной сети (ЛВС) типа Ethernet, то каналоформирующее и коммутационное оборудование предыдущих поколений допускает управление по интерфейсам типа ИРПС и даже по принципу «провод-команда». «Выравнивание» (сопряжение) форматов управляющих сообщений, с разнотипными средствами связи, имеющими различные интерфейсы, осуществляется с помощью различных блоков преобразования, интерфейсов (БПИ) [28].
Задачи управления элементами АУС возникают тогда, когда на всей ТС или на ее отдельном сегменте появляются некие нештатные ситуации: выход из строя (восстановление) отдельных каналов или всего направления связи по той или иной причинеперегрузка (разгрузка) сообщениями отдельных каналов иливсего направления* связидинамическое перераспределение канального ресурса в интересах приоритетных пользователей и другие [1,2].
Для решения таких задач в составе каждого АУС имеются комплексы управления связью (КУС). При этом КУС АУС представляет собой совокупность аппаратно-программных средств (АПС), под которыми понимаются вычислительные комплексы (ВК) и их специальное программное обеспечение. Взаимодействие КУС смежных АУС по управлению между собой в рамках АСС (ТС) осуществляется, в основном, в виде передачи данных через, так называемые, транспортные станции. Возникающие при этом задачи управления в рамках функционирования КУС называются «задачи-запросы» [3].
АПС КУС представляет собой объединение АПС БПИ, на которые поступают первичные задачи-запросы на восстановление связи от различных каналоформирующих устройств (проводных и радио) и абонентских систем, АПС ЛВС, обеспечивающих доставку задач-запросов, прошедших первичную обработку к основному ВК, АПС сервера КУС, являющегося основным ВК КУС, вырабатывающим решение по управлению связью согласно пришедшей задаче-запросу [4, 5].
К оперативности решения задач КУС по управлению связью, предъявляются жесткие требования. В частности, предоставление подготовленного резервного канала, например, в интересах Министерства обороны РФ оператором «Ростелеком» должно произойти за время не более 1,2 с с момента браковки основного канала. Учитывая, что на коммутацию уходит время 1,0 с, следует, что задача перевода основного канала на резервный в КУС такой сети должна быть решена за 0,2 с [55].
Из анализа процесса управления средствами связи на АУС с помощью КУС следует, что оперативность выработки (формирования) решения по управлению по возникшей ситуации в системе связи (задаче-запросу) напрямую зависит от производительности АПС КУС. При этом под производительностью" (вычислительной мощностью) АПС понимается число операций, выполняемых ВК, в единицу времени. Данная величина выражается в МФлоПС (MfloPS — Mega Floating point operation Per Second) (для операций ВК над числами, представленными в форме с плавающей запятой) и в МИПС (MIPS — Mega Instruction Per Second) (для-операций ВК над числами, представленными в форме с фиксированной запятой). Технические решения по разработке КУС и его созданию показывают, что его стоимость напрямую зависит от производительности составляющих его АПС. К настоящему времени открытой является задача нахождения таких производи-тельностей АПС составных частей КУС, которые бы обеспечили заданную оперативность выработки решения по управлению связью при их минимальной стоимости [19, 20].
Решение данной задачи невозможно без использования системного подхода к обоснованию минимально достаточной пропускной способности АПС ВК, чему посвящено большое количество публикаций отечественных и зарубежных специалистов в области теории информации, информатики, управления и связи. Среди них особого внимания заслуживают монографии и труды научных школ B.C. Семенихина, А. П. Пятибратова, В. Г. Лазарева, Э. А. Якубайтиса, И. А. Мизина, А. В. Максименкова, В. В. Мачулина, Б.А. Со-ветова, Ю. В. Новикова, В. Г. Олифера, А. А. Ларина, Е. Н. Хохлачева, В.И. Зло-бина, В. А. Цимбала, С. Н. Шиманова, Л. Клейнрока, Д. Феррари и многих других ученых [19, 21, 23, 25, 31, 32, 39, 42, 44, 58, 65, 70−73, 79, 81].
Из анализа процесса обработки типовой задачи-запроса в АПС КУС следует, что, во-первых, в данном процессе есть три независимые ступени (ВК БПИ, ЛВС и ВК сервера КУС), и, соответственно, достигаемое среднее время обработки определяется средними временами обработки каждой из трех ступенейво-вторых, оперативность обработки задач-запросов в каждой ступени АПС КУС обратно пропорциональна их производительностии, в-третьих, стоимость АПС каждой из трех ступеней обработки прямо пропорциональна их производительности [И, 12, 19, 73].
В связи с изложенным, возникает следующее противоречие: с одной стороны, увеличение производительностей АПС ступеней КУС приводит к повышению оперативности обработки задач-запросов по управлению связью, с другой — увеличение производительностей АПС ступеней КУС приводит к повышению их стоимости. Разрешение данного противоречия требует нахождения минимально достаточной производительности АПС КУС узла системы связи общего назначения, обеспечивающей требования по оперативности управления связью при их минимальной стоимости.
Исходя из изложенного, актуальной является тема диссертации «Обоснование производительности аппаратно-программных средств комплекса управления связью узлов телекоммуникационных систем».
Целью диссертационного исследования является минимизация затрат на производительность АПС КУС узла системы связи общего назначения.
Объектом исследования является комплекс управления связью узлов системы связи общего назначения.
Предметом исследования являются методы и алгоритмы обработки сообщений в АПС КУС узла системы связи общего назначения.
Научной задачей является разработка научно-методического аппарата нахождения минимально достаточной производительности АПС .КУС узла системы связи общего назначения, обеспечивающей требования по оперативности управления связью при их минимальной стоимости.
В ходе исследований были получены следующие научные результаты, представляемые к защите:
1. Математическая модель процесса обработки задач-запросов в АПС комплекса управления связью.
2. Методика обоснования минимально достаточной производительности АПС КУС узла системы связи общего назначения.
Научная новизна полученных в диссертационной работе результатов заключается в том, что: разработанная математическая модель процесса обработки задач-запросов в АПС КУС впервые комплексно учитывает последовательные процессы обработки серий задач-запросов в разнородных АПС БПИ, ЛВС и сервера КУСметодика обоснования минимально достаточной производительности АПС КУС узла системы связи общего назначения, в отличие от известных, учитывает минимальную стоимость реализации АПС.
Достоверность результатов подтверждается корректностью и логической обоснованностью разработанных вопросов, принятых допущений и ограничений, использованием апробированного математического аппарата теории систем массового обслуживания, теории телетрафика, моделирования систем, высокой согласованностью полученных результатов с физикой исследуемого процесса.
Практическая значимость результатов диссертационных исследований заключается в том, что они доведены до уровня инженерной методики и позволяют на стадии проектирования АПС КУС закладывать в процесс их разработки и создания адекватную стоимость.
Результаты исследований представляют практический интерес для научно-исследовательских учреждений и проектных организаций с целью усовершенствования существующих и создания' перспективных АСУС ТС. Кроме того, результаты работы могут быть использованы в ввузах при изучении учебных дисциплин, соответствующих тематике данной диссертационной работы.
Диссертация состоит из введения, трех разделов, заключения, списка использованных источников и приложения.
Выводы по третьему разделу.
1. Сформирована методика обоснования минимально достаточной производительности АПС КУС узла системы связи общего назначения, которая позволяет выполнить требования по оперативности обработки потока задач-запросов низшего, а, следовательно, и всех остальных приоритетовпри минимальной стоимости таких средств. Отличительной особенностью методики является то, что она включает совокупность простых аналитических выражений, требующих использования несложных инструментальных средств расчета. Методика применима на стадии разработки АПС КУС.
2. Типовой расчет требуемых производительностей АПС КУС АУС ТС на основе предложенной методики, показал, что для реализации требования по среднему времени (оперативности) обработки типовой задачи-запроса в 0,2 с АПС КУС должны строиться на основе таких средств:
БПИ — на основе ВК типа «Багет» с процессором 100 МГц;
ЛВС — на основе ЛВС типа Ethernet со скоростью передачи данных 10 Мбит/с;
ВК сервера КУС — на основе ВК с процессором типа Pentium-4 с тактовой частотой 1,5−2 ГГц.
3. Дальнейшие исследования по обоснованию оптимальной производительности аппаратно-программных средств комплекса управления связью узлов системы связи общего назначения целесообразно продолжить, во-первых, в направлении учета не только временных характеристик (ВХ) (оперативности), но и вероятностно-временных характеристик (ВВХ) (заданной вероятности обработки типовой задачи-запроса ВК КУС за допустимое время) — во-вторых, в направлении обеспечения требуемой технической готовности АПС КУС, обеспечивающих заданные ВХ и ВВХ обработкив-третьих, в, направлении учета характеристик человеко-машинного взаимодействия в рамках сформулированного исследования.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
Необходимость оперативного решения задач по управлению связью в телекоммуникационных системах требует создания КУС на каждом АУС автоматизированной системы связи. Технические решения по разработке КУС и его созданию показывают, что его стоимость напрямую зависит от производительности составляющих его АПС. К настоящему времени открытой является задача нахождения таких производительностей АПС составных частей КУС, которые бы обеспечили заданную оперативность выработки решения по управлению связью при их минимальной стоимости. Решение задачи разработки научно-методического аппарата нахождения минимально достаточной производительности аппаратно-программных средств КУС узла телекоммуникационной системы, обеспечивающей требования по оперативности управления связью при их минимальной стоимости, позволит: обеспечить требования по своевременности обработки поступивших в АПС КУС задач-запросов любого приоритетаснизить затраты на разработку и изготовление АПС типовых КУС АУС АСС (в частности, применение данного подхода позволит на 17% снизить затраты на разработку и закупку АПС КУС типового АУС телекоммуникационной системы специального назначения).
В ходе выполнения исследований получены следующие основные научные результаты, представляемые к защите:
1. Математическая модель процесса обработки задач-запросов в АПС комплекса управления связью.
2. Методика обоснования минимально достаточной производительности АПС КУС узла системы связи общего назначения.
В результате исследований, проведенных в работе, выявлено, показано, доказано и разработано следующее:
• Особенностями АСУ С ТС общего назначения являются:
— управление первичной системой связи — автоматизированноесистема связи преобразуется в АССУС преобразуется в АУС;
— в составе АСС имеется АСУСоснову АСУС составляют КУС АУС;
— взаимодействие КУС АУС по управлению между собой, в основном, в виде передачи данных через транспортные станции;
— высокая осведомленность лиц, принимающих решения по связи, о реальной ситуации на сети связи;
— высокая оперативность формирования и реализации решения по возникающим задачам восстановления связи;
— КУС АУС представляет собой совокупность аппаратно-программных средств (АПС), под которыми понимаются вычислительные комплексы (ВК) и их специальное программное обеспечение;
— оперативность восстановления связи есть функция от производительности АПС КУС- •.
— в свою очередь, производительность АПС КУС есть функция от стоимости АПС.
• Анализ задач, выполняемых АСУС ТС общего назначения, показал, что к управлению связью предъявляются жесткие требования по своевременности (оперативности) управления. В частности, предоставление подготовленного резервного канала, например, в интересах МО РФ в ТС должно происходить за время не более 1,2 с с момента браковки основного канала. Учитывая, что на коммутацию уходит время 1,0 с, то процесс решения задачи перевода основного канала на резервный в КУС должен быть осуществлен за время не более 0,2 с.
• Особенностями структуры и алгоритмов функционирования АПС КУС являются:
— АПС КУС представляют собой объединение АПС БПИ, на которые поступают первичные задачи-запросы на восстановление связи от различных каналоформирующих устройств (проводных и радио), АПС ЛВС, обеспечивающих доставку задач-запросов, прошедших первичную обработку к основному ВК, АПС сервера КУС, являющегося основным ВК КУС, вырабатывающим решение по задаче-запросуИз анализа рабочей конструкторской документации на создаваемые КУС ясно, что:
— АПС БПИ функционируют в многозадачном режиме без приоритетов;
— АПС ЛВС функционируют по протоколу Ethernet, где осуществляется множественный доступ многопакетных сообщений с обнаружением несущей и предотвращением столкновений пакетов (CSMA/CD);
— АПС сервера КУС функционируют в однозадачном режиме с относительными приоритетами.
Оперативность выработки (формирования) решений по связи КУС полностью определяется производительностью его составных ступеней (БПИ, ЛВС, ВК сервера). Данная оперативность оценивается средним временем решения типовой задачи-запроса по связи. Задача обоснования производительностей АПС КУС является новой и сформулирована как оптимизационная задача нелинейного программирования. В качестве целевой функции выступает минимальная суммарная стоимость АПС КУС. При этом ограничением является требуемая оперативность решения типовой задачи-запроса. При решении задачи обоснования производительностей АПС КУС использованы следующие допущения:
— средние времена обработки задач-запросов в ВК БПИ, ЛВС и ВК сервера КУС обратно пропорциональны производительностям их АПС;
— стоимость АПС каждой ступени КУС линейно зависит от их производительности;
— стоимость АПС каждой ступени обратно пропорциональна среднему времени обработки-задач-запросов в ней. Решение поставленной задачи обоснования производительностей АПС КУС требует решения следующих подзадач: разработки математической модели процесса обработки задач-запросов в вычислительном комплексе БПИ, функционирующем в мультизадачном режиме при конечном числе источниковразработки математической модели процесса доставки многопакетных сообщений с обработанными задач-запросами по ЛВС типа Ethernet к вычислительному комплексу КУСразработки математической модели процесса обработки задач-запросов в вычислительном комплексе сервера КУС, функционирующем, в однозадачном режиме при конечном числе источников с приоритетамипостановки задачи оптимизации производительности АПС КУС узла системы связи общего назначения и ее решенияразработки методики обоснования основных требований к производительности АПС КУС узла системы связи общего назначения. Процесс обработки задач-запросов в АПС КУС АУС является трехступенчатым, при этом первой ступенью обработки является ВК г.
БПИ, осуществляющей непосредственную связь с оконечными средствами связи и абонентскими терминальными устройствамивторой ступенью обработки является ЛВС типа Ethernet, которая обеспечивает доставку всех задач-запросов, представленных в типовом формате, к ВК сервера КУСтретьей (основной) ступенью обработки является ВК сервера КУС.
Обработка задач-запросов в ВК БПИ заключается в преобразовании их содержательной части в формат, воспринимаемый ЛВС типа Ethernet. При этом ВК БПИ функционирует в мультизадачном режиме при конечном числе источников и переменном числе каналов.
Учитывая, что задачи с одинаковыми приоритетами поступают на один БПИ, получаем, что БПИ функционирует в режиме без приоритетов. На основе теории СМО получено выражение для среднего времени пребывания задачи-запроса в ВК БПИ КУС от всех его системных характеристик, в том числе и от его производительности. Форма данного выражения позволяет легко перейти к обратной относительно производительности функции.
• ЛВС КУС функционирует по протоколу CSMA/CD (метод множественного доступа к каналу с контролем несущей и обнаружением столкновений). На основе теории телетрафика и СМО получено выражение для среднего времени доставки задачи-запроса, представленной в формате многопакетного сообщения, по ЛВС указанного типа от ВК БПИ к ВК сервера КУС. Данное выражение учитывает все системные характеристики ЛВС, в том числе и ее производительность (абсолютную пропускную способность шины). Форма данного выражения позволяет легко перейти к обратной относительно производительности функции.
• ВК сервера КУС функционирует в однозадачном режиме обработки при, конечном числе источников с относительными приоритетами. На основе теории СМО получено выражение для среднего времени пребывания задачи-запроса низшего приоритета в ВК сервера КУС в зависимости от всех его системных характеристик, в том числе и от его производительности. Форма данного выражения не позволяет аналитически перейти к обратной относительно производительности функции. Для получения аналитической зависимости между средним временем обработки задачи-запроса ВК сервера КУС и его производительностью был использован метод «наименьших квадратов», который позволил получить такое соотношение в виде гиперболической зависимости. Последняя позволяет легко перейти к обратной относительно производительности функции.
• Сформирована методика обоснования минимально достаточной производительности АПС КУС узла системы связи общего назначения, которая позволяет выполнить требования по оперативности обработки потока задач-запросов низшего, а, следовательно, и всех остальных приоритетов, при минимальной стоимости таких средств. Отличительной особенностью методики является то, что она включает совокупность простых аналитических выражений, требующих использования несложных инструментальных средств расчета. Методика применима на стадии разработки АПС КУС.
• Типовой расчет требуемых производительностей АПС КУС АУС ТС на основе предложенной методики, показал, что для реализации требования по среднему времени (оперативности) обработки типовой задачи-запроса в 0,2 с АПС КУС должны строиться на основе таких средств:
— БПИ — на основе ВК типа «Багет» с процессором 100 МГц- .
— ЛВС — на основе ЛВС типа Ethernet со скоростью передачи данных.
10 Мбит/с;
— ВК сервера КУС — на основе ВК с процессором типа Pentium-4 с тактовой частотой 1,5−2 ГГц.
Представляемые к защите научные результаты доведены до несложных аналитических выражений и алгоритма расчета, что позволяет их использовать в существующих и перспективных системах связи общего назначения.
Результаты диссертационной работы внедрены в организациях промышленности при разработке новых систем и сетей связи специального назначения, а также в учебный процесс ввуза. Эти результаты были использованы, в частности, при выполнении следующих работ:
•при разработке ТТЗ на перспективный комплекс автоматизации управления связью в рамках ОКР «Баллиста» (ОАО «ВОЗПП»);
•при разработке ТТЗ на специальный программно-аппаратный комплекс управления системой связи специального назначения в рамках ОКР.
Буханка-ВУ" (МОУ «ИИФ РФ»);
•при изучении дисциплин «Информационные сети и телекоммуникации» и «Цифровые сети интегрального обслуживания» (Серпуховской военный институт ракетных войск).
В дальнейшем полученные научные результаты и практические рекомендации могут быть использованы предприятиями и организациями промышленности РФ следующим образом:
•при обосновании ТЗ на НИР и ОКР по перспективным системам и сетям связи с комплексами управления связью;
•при проектировании и оценивании эффективности и качества функционирования разрабатываемых и перспективных систем и сетей связи различного назначения;
•в учебном процессе ввузов.
В рамках сформулированной в диссертационной работе научной задачи дальнейшие исследования целесообразно продолжить в следующих направлениях:
•направлении учета не только временных характеристик (ВХ) (оперативности), но и вероятностно-временных характеристик (ВВХ) (заданной вероятности обработки типовой задачи-запроса АПС КУС за допустимое время);
•направлении обеспечения требуемой технической готовности АПС КУС, обеспечивающих заданные ВХ и ВВХ обработки;
•направлении учета характеристик человеко-машинного взаимодействия в рамках сформулированного исследования.
