Исследование эффективности приоритетного обслуживания заявок в системе управления сетью связи

В настоящее время Россия по-новому оценивает потенциал современных информационных технологий (ИТ) в развитии экономики, социальной сферы и государственного управления.

Общественный интерес к происходящим изменениям в ИТ подкреплен политической волей руководителя страны. Президент России В. В. Путин, в 2002 г. скрепивший своей подписью Окинавскую хартию информационного общества, уделяет повышенное внимание развитию инфокоммуникаций России.

Важное место, в ряде документов, разработанных Правительством РФ, отводится Федеральной целевой программе (ФЦП) «Электронная Россия (20 022 010 годы)», одобренной Российским Правительством в январе 2002 г.

Интенсивно наращивается объем новых видов информационных услуг (таких как электронная торговля, телемедицина, дистанционное образование и др.), заложенных в ФЦП «Электронная Россия».

В соответствии с решением ГКЭС России ОАО «Гипросвязь», по поручению ОАО «Связьинвест», разрабатывает Единую Генеральную схему развития сетей электросвязи межрегиональных компаний (МРК) и ОАО «Ростелеком» на период до 2007 г. В Генсхеме рассматриваются вопросы развития традиционных сетей электросвязи, операторами которых являются компании, входящие в ОАО «Связьинвест», а также вопросы создания и развития мультисервисных сетей на базе применения новейших технических средств и технологий. В основу решений Генсхемы положены основные принципы руководящего технического материала «Системно-сетевые решения развития инфокоммуникационных сетей межрегиональных компаний связи и ОАО „Ростелеком“ как составных частей ЕСЭ России на перспективу до 2007. года», разрабатываемого ЛОНИИС. [75].

Анализ закономерностей развития инфокоммуникаций в мире и их прогнозирование проводится на основе тренда зависимости величины телефонной плотности коррелированный с экономическим потенциалом страны, от величины душевого валового внутреннего продукта. Данная зависимость подтверждает гипотезу о том, что объем информации растет пропорционально квадрату роста промышленного потенциала. В расчет берутся не только основные телефонные аппараты, но и мобильные телефонные аппараты, персональные компьютеры, хосты Интернета. В настоящий период Россия все увереннее наращивает экономический потенциал, а значит, следует ожидать потребности передавать все возрастающий объем информации с требуемым уровнем качества, что возможно только при создании интегрированной системы управления сетью.

Актуальность темы

Создание сетей связи следующего поколения Next Generation Net (NGN) невозможно без решения проблемы оптимизации управления существующими сетями.

В своем развитие системы управления сетью (СУ) прошли путь от систем эксплуатации, администрирования и технического обслуживания — Operation Administration and Maintenance System (OAMS) к системам, построенным на основе TMN, и далее к системам поддержки эксплуатации — Operation Support System (OSS). При разработке методов проектирования необходимо учитывать как эволюционное развитие СУ в мире, так и реальное существование на ЕСЭ России всех вышеперечисленных систем. [56].

Концепцией создания целостной системы управления сетями явился проект TMN. Модель Telecommunication Management Network, определенная в стандарте М. ЗОЮ ITU-T и ряде других сопутствующих стандартов, представляет собой систему управления неоднородной составной телекоммуникационной сетью, построенной на разных технологиях, оборудовании и программном обеспечении.

Архитектура TMN обладает рядом характеристик, выгодно отличающих ее от основных конкурентов.

Телекоммуникационный бум в конце прошлого столетия, либерализация телекоммуникационного рынка и конвергенция телекоммуникационных и информационных технологий привели к появлению новых технологий управления на основе открытых распределенных процессов (Open Distribution Processes — ODP), что продолжило развитие идеологии TMN [63, 77, 78].

Жесткая конкуренция заставляет операторов связи минимизировать эксплуатационные расходы и повышать эффективность управления сетевыми инфраструктурами. При этом возникает необходимость в создании новых высококачественных и приносящих доходы услуг, а также в ускорении возврата инвестиций, вложенных в сетевую инфраструктуру. Все это не возможно без системы интегрированных информационно-технологических систем управления (ИИТСУ), подход к внедрению которых научно обоснован ЦПУТС (центром проблем управления телекоммуникационными сетями и услугами) Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций имени профессора М.А. Бонч-Бруевича, руководящие документы ОАО «Гипросвязь С-Пб». Министерство РФ по связи и информатизации указывает, что при построении СУ ЕСЭ РФ необходимо использовать концепцию TMN.

Проблема реализации TMN сложна и многопланова, она должна основываться на результатах научных исследований. Одно из важнейших направлений исследований — изучение трафика управления, моделирование и расчет пропускной способности элементов TMN.

Состояние вопроса. Извечный вопрос о приоритетах. Что важнее в сетевом хозяйстве — оборудование или системы управления? Все операторы сходятся во мнении единогласно — системы управления.

На деятельность в области стандартов и концепций технологий создания систем управления решающее влияние оказывают все существенные изменения в сетевой и программной индустрии. Решающими факторами являются бурный рост Интернет и достижения в реализации распределенных систем данных. Упрощенная схема СУ имеет три уровня: объекты управления, серверы системы управления и клиенты.

Объекты управления (устройства, сети, услуги, бизнес-процессы и пр.) могут быть достаточно сложными в том смысле, что одному и тому же физическому объекту в системе управления может соответствовать множество взаимосвязанных моделей. Но это уже определяется «интеллектом» системы и принципами моделирования. Важно то, что агент протокола управления «обслуживает» сразу все эти модели. С другой стороны, само множество агентов может быть локализовано в разных узлах сети (сетей).

В свою очередь, серверы системы управления также представляют собой распределенную структуру. Не всегда с сервером можно ассоциировать менеджера или агентов системы. В некоторых случаях, например в архитектуре системы управления на основе технологии ВМС Patrol, агенты сами могут быть многофункциональными. Кроме того, серверы системы управления представляют собой распределенные структуры данных не только в пространственном (локализация в разных узлах связи), но и в функциональном смысле (решение разных задач управления). Современная система управления обеспечивает многопользовательский режим [76].

Решение проблемы создания систем управления региональных операторов и централизованной системы управления Единой сети электросвязи (ЕСЭ) России базируется на нормативных документах информационно-методического обеспечения, разработанных с участием НИИ, проектных институтов и передовых операторов России под эгидой Министерства информационных технологий и связи РФ, на единых методах периодического сбора и обработки данных трафика и рабочих характеристик для осуществления мониторинга состояния сети.

Одним из ключевых вопросов в реализации этих задач является изучение создаваемых информационных потоков в системе управления с целью их регулирования, контроля и реконфигурации в особых состояниях сети, с целью сохранения уровня характеристик качества, превышение пороговых значений которых является критерием для принятия управленческих решений.

Цель работы. Диссертация посвящена исследованию и разработке дисциплин приоритетного обслуживания заявок в процессе информационного обмена в TMN, созданию математической модели пропускной способности Агента при взаимодействии с Менеджером, исследованию влияния характеристик потоков сообщений на задержку в СМО с приоритетным обслуживанием.

Исходя из этого, основные задачи дальнейшего исследования заключаются в следующем:

1. Развитие методов расчета задержки сообщений в системе управления телекоммуникационными сетями;

2. Оценка трафика Агент-Менеджер, возникающего при управлении объектами вторичной телекоммуникационной сети;

3. Оценка требуемого объема ресурсов DCN для информационного обмена Агент-Менеджер;

4. Разработка математической модели СМО для расчета задержки управляющих сообщений, учитывающей вероятностные характеристики потоков, приоритеты сообщений и пропускную способность сети передачи данных.

5. Разработка инженерной методики расчета задержки при приоритетном обслуживании сообщений в системе управления.

6. Разработка инструментальных программных средств для расчета характеристик СМО с приоритетным обслуживанием сообщений.

7. Обоснование адекватности характеристик предложенной математической модели характеристикам реальных процессов информационного обмена в TMN.

Методы исследования. В диссертации приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, полученные с использованием методов теории массового обслуживания, математического моделирования процессов информационного обмена в телекоммуникационных сетях, математической статистики. В процессе исследований используется теория очередей, теория цепей Маркова.

Достоверность результатов. Достоверность численных результатов и полученных аналитических выражений, подтверждающих выносимые на защиту положения, обеспечивается подтверждением их соответствия реальным статистическим данным.

Вывод аналитических выражений для оценки характеристик информационного обмена в ТМЫ опирается на основные законы теории массового обслуживания, математического моделирования, математической статистики, теории очередей, теории цепей Марков.

Правомерность использования выдвинутой гипотезы о пуассоновском законе распределения интервалов между сообщениями, поступающими на систему управления, следует из подтверждения ее с использованием аппарата критерия согласия «хи квадрат» Пирсона.

Достоверность результатов работы программного имитатора аналитического метода расчета задержки сообщений в ТМИ в процессе информационного обмена Агент — Менеджер базируется на соответствии численных значений параметров входящих потоков реальной системы управления теоретическим, позволяет оценить зависимость характеристик задержки сообщений в системе управления от модели их входящего потока.

Качественный анализ характеристик задержки сообщений в системе управления полностью согласуется с выводами и утверждениями, полученными ранее в работах других авторов.

Научная новизна. Новыми являются следующие результаты.

1. Обосновано использование СМО с приоритетным двухфазным обслуживанием для описания процессов обмена сообщениями Агента с Менеджером в ТМ1М.

2. Впервые предложен принцип дискретности процессов поступления и обслуживания фрагментов сообщений для устранения влияния характеристик обслуживания на первой фазе на характеристики обслуживания на второй фазе модели.

3. Предложен и обоснован принцип разбиения времени ожидания сообщений на первом звене системы обработки на две фазы. Благодаря этому оказалось возможным использовать аппарат цепей Маркова вместо Марковских процессов.

4. Особенность разработанной модели, обслуживающей потоки сообщений нескольких классов, состоит в том, что время обслуживания сообщения класса к во втором звене кратно числу г — времени обслуживания одного фрагмента.

5. ЧВ разработанной модели реальный поток сообщений заменяется групповым регулярным, сообщения которого поступают в г-моменты, а не в произвольные моменты времени.

Практическая ценность.

1. В результате теоретического и экспериментального исследования наиболее критичных характеристик объектов СУ выявлено, что таковыми являются интенсивность поступающих сообщений, их длина, средняя задержка и среднеквадратическое отклонение задержки.

2. Разработана методика расчета характеристик доставки сообщений в процессе информационного обмена в ТМИ.

3. Разработан программный имитатор, позволяющий оценить зависимость характеристик доставки сообщений в системе управления от модели их входящего потока.

4. Результаты расчета, полученные с помощью программного имитатора, позволяют выполнить оценку характеристик доставки сообщений в ТМК.

Реализация и внедрение результатов исследования.

Результаты диссертационной работы использованы при постановке курса «Управление телекоммуникационными сетями» и создании учебно-методического комплекса дисциплины. По материалам диссертационной работы написано учебное пособие «Стандарты и технологии управления телекоммуникационными сетями», которое утверждено УМО СПО и рекомендовано для использования в учебных заведениях Министерства РФ по связи и информатизации по дисциплине «Управление телекоммуникационными сетями».

Результаты диссертационной работы использованы при постановке курсов повышения квалификации ЦПК КТИ СибГУТИ.

Результаты диссертационной работы использованы для оптимизации СУ первичной сетью электросвязи г. Омска в объеме: методики расчета задержки сообщений в процессе обмена «Агент — Менеджер» для оценки характеристик функционирования систем управлениярекомендации по оптимизации структуры существующей системы управления сетьюрекомендации по совершенствованию и развитию систем управления первичной сетью с технологией SDH.

Результаты работы использованы в системе управления первичной сетью электросвязи города Новосибирска в объеме: методики расчета задержки сообщений в процессе обмена «Агент — Менеджер» для оценки характеристик функционирования систем управлениярекомендации по оптимизации структуры существующей системы управления сетью.

Апробация работы. Результаты, полученные в работе на разных этапах ее выполнения, публиковались, докладывались и обсуждались:

1. На международных научно-технических конференциях 1998, 1999, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004 г. г.

2. На научно-технической конференции «Телекоммуникации XXI века» г. Томска, 2002 г.

3. На юбилейной (десятой) международной научно-технической конференции «Перспективы развития современных средств и систем телекоммуникаций» г. Иркутск, 2004 г.

4. В журнале «Информация и космос», 2004, № 4.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 работ, в том числе: 10 тезисов докладов, одна статья, одно учебное пособие.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 108 наименований и приложения. Основной текст содержит 154 страницы, иллюстрируется 68 рисунками и 7 таблицами.

4.4 Выводы.

1. По результатам обработки статистики информационного обмена реальных систем управления сетью электросвязи получены распределения интервалов между сообщениями.

2. Показано существенное влияние дисперсии интервалов между сообщениями управления сетью на среднюю задержку передачи.

3. Сравнение полученных оценок средней задержки сообщений по предложенной модели с результатами расчета по другим известным моделям указывает на приемлемую для практики точность расчета характеристик объектов TMN.

4. Наблюдается такое свойство трафика управления, как его самоподобие в реальных системах управления сетями с технологией SDH. Игнорирование этих особенностей трафика управления приводит к недооценке нагрузки на систему управления действующими сетями, к явлению «наводнения» (перегрузка системы управления) и к неоправданно оптимистическим решениям при проектировании и реализации систем управления сетями.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Основные теоретические и практические результаты работы состоят в следующем:

1. Разработана оригинальная математическая модель приоритетного двухфазного обслуживания заявок в объектах ТМИ. Установлена адекватность характеристик разработанной математической модели реальным характеристикам информационного обмена в ТМЗМ.

2. Предложен способ разбиения времени ожидания сообщений на первом звене модели на две фазы. Предложен принцип дискретности процессов поступления и обслуживания фрагментов сообщений для устранения влияния характеристик обслуживания на первой фазе на характеристики обслуживания на второй фазе модели. Благодаря этому оказалось возможным использовать аппарат цепей Маркова вместо Марковских процессов.

3. В разработанной модели реальный поток сообщений заменяется групповым регулярным, сообщения которого поступают в т — моменты, а не в произвольные моменты времени. Особенность разработанной модели, обслуживающей потоки сообщений нескольких классов, состоит в том, что время обслуживания сообщения класса к во втором звене кратно числу гвремени обслуживания одного фрагмента. В модели количество сообщений группового потока описывается простыми распределениями, параметры которых рассчитываются по известным математическому ожиданию и дисперсии.

4. Исследованы особенности системы управления коммутационной станцией. Предложена модель информационной базы данных коммутационной станции вторичной телекоммуникационной сети.

5. Предложена методика инженерного расчета задержки управляющих сообщений в сети передачи данных, обеспечивающей доставку информации от Агента к Менеджеру.

6. В результате теоретического и экспериментального исследования наиболее критичных характеристик объектов СУ выявлено, что таковыми являются интенсивность поступающих сообщений, их длина, средняя задержка и среднеквадратическое отклонение задержки.

7. Апробирована и внедрена в инженерную практику компьютерная программа расчета задержки сообщений в ТМЫ.

8. По результатам обработки статистики реальных систем управления сетью электросвязи получены распределения входных потоков сообщений на систему.

9. Построены гистограммы распределения сообщений во времени, интенсивность их поступления, распределение интервалов моментов появления сообщений.

10. Выполнена непосредственная оценка разработанной математической модели расчета задержки сообщений при информационном обмене в ТМЫ.

11. Выполнен анализ сходимости полученных оценок.