Содержание к диссертации
Введение
1. Основные положения концепции сети авиационной электросвязи, направления развития и существующее положение 14
Введение 14
1.1. Существующее положение сети AFTN РК и факторы ее развития 14
1.2. Основные положения концепции сети авиационной электросвязи, направления развития 18
1.3. Обзор служб и физической среды обмена сообщений организации воздушного движения 22
1.4. Перспектива использования сетей AFTN и CIDIN 33
2. Математическое моделирование и анализ сети AFTN 34
Введение 34
2.1. Система комплексных показателей сети 36
2.2. Математическая модель сети и восполнение дефицита исходной информации 40
2.3. Многоуровневая перцептивная визуализация сети 50
2.4. Результаты анализа существующего варианта сети и прогноз состояния сети с учетом временного фактора .65
3. Реконструкция сети AFTN на основе комплексной оптимизации 80
Введение 80
3.1. Обоснование, основные принципы реконструкции и ее реализации 81
3.2. Система моделирования, оптимизации и анализа сетей ПД 88
3.3. Результаты вычислительного эксперимента по оптимизации сети AFTN 104
Заключение 123
Список литературы 124
Иллюстрации 128
Таблицы 184
Приложение 1: копии актов о внедрении 218
Приложение 2: копии свидетельств о регистрации 223
- Основные положения концепции сети авиационной электросвязи, направления развития
- Обзор служб и физической среды обмена сообщений организации воздушного движения
- Математическая модель сети и восполнение дефицита исходной информации
- Система моделирования, оптимизации и анализа сетей ПД
Введение к работе
«Повсеместное внедрение компьютерных сетей должно сопровождаться опережающим развитием фундаментальной теории в этой области, созданием инженерных методов анализа и синтеза, систем автоматизации проектирования, направленных на сокращение сроков и повышение качества проектирования компьютерных сетей.» :академики РАН Е.П. Велихов и Н.А.Кузнецов, из предисловия к книге Вишневского В.М.«Теоретические основы проектирования компьютерных сетей» 2003
Современная система планирования [Федеральная программа модернизации Единой системы организации воздушного движения на период до 2005г.(Постановление Правительства Российской Федерации №368 от 20.04.95)] [1], организации и управления воздушным движением (ОрВД), на основе больших региональных сетей передачи данных (СПД), представляет собой сложный многофункциональный комплекс, включающий в себя системы использования воздушного пространства, системы планирования и управления воздушным движением, системы аэронавигационного и метеорологического обеспечения, наземные средства и системы навигации и посадки, административный, диспетчерский и технический состав. Все эти составляющие системы должны согласованно работать по установленным правилам, обеспечивающим эффективность и особенно безопасность воздушного движения.
К особенностям системы планирования, организации и управления воздушным движением следует отнести наличие обширных территорий, над которыми проходят воздушные трассы, со сложными географическими и климатическими условиями, инфраструктурой ряда мест, характеризуемой малонаселенностью, отсутствием или ненадежностью подъездных путей и проводных каналов связи. До настоящего времени основным средством для информационного взаимодействия между органами ОрВД служит сеть авиационной фиксированной электросвязи AFTN на основе традиционных телеграфных каналов. Сеть представляет собой территориально распределенную систему, базирующуюся на ЦКС (центр коммутации сообщений), обеспечивающих работу телеграфных каналов связи.
В связи с высокой стоимостью современной СПД ОрВД актуальной является задача анализа эффективности, помехоустойчивости и экономичности сети с точки зрения затрат на построение системы и затрат на обслуживание (информационный трафик, аренда, амортизация). Для эффективного анализа и возможности оптимизации некоторых компонент сети для достижения лучших показателей затраты/эффективность актуальной является разработка вычислительно эффективной и в достаточной степени адекватной модели СПД ОрВД. Адекватность модели сети базируется на комплексообразующей системе
9 характеристик и параметров сети, соответствующего различным уровням представления сети - пользовательский, информационный, физический, сетевой и т.д., структурирования и агрегирования данной системы.
При моделировании региональных СПД очень важно иметь визуальное представление о топологии сети. Актуальным является удобное для пользователя одновременное отображение основных свойств и параметров (особенно критических) сети, а также характеристик региона расположения СПД. Визуализация СПД ОрВД до настоящего времени не была подробно разработана с точки зрения количества и качества визуализируемых данных. Обычно это просто изображение графа сети или графа сети на географической карте. В данной работе рассматривается многоуровневая визуализация СПД ОрВД основанная на модели сети, т.е. на основе системы комплексных показателей сети, обладающей разветвленной системой структур и классов, и использующая модели перцептивного восприятия для повышения информативности визуализационн ого изображения и улучшения субъективного восприятия данной информации.
В связи с постоянным ростом информационной нагрузки, увеличивающимся территориальным охватом систем ОрВД встает задача оптимизации работы существующих сетей и проектирования новых. Особое внимание необходимо уделить защищенности и помехоустойчивости СПД ОрВД. Успешное решение данной задачи чрезвычайно важно для безопасности полетов. Моделирование сетей можно использовать не только для анализа, но и для оптимизации сетей, улучшения их информационных характеристик.
В данной работе рассматривается система оптимизации СПД ОрВД с целью повышения надежности, обеспечения достаточных скоростных показателей при растущей информационной нагрузке на сеть, снижения совокупной стоимости реконструкции и эксплуатации сети на основе адекватного моделирования сети, введения системы комплексных показателей и применения эффективных методов оптимизации.
Для апробации разработанных методик и алгоритмов, за основу принята реальная большая региональная СПД ОрВД РГП (Республиканское Государственное предприятие) "Казаэронавигация". Необходимо отметить, что в связи с большим количеством параметров, и характеристик существующей СПД, которые не могли быть предоставлены в необходимом объеме и виде, математического модель разработана в условиях недостаточности и большой статистической погрешности исходных данных, и, обычно, именно это ограничение является определяющим в практике моделирования сетей ОрВД.
Целью настоящей работы явилось разработка высокоэффективных методов анализа и комплексной оптимизации сети AFTN и проведение ряда вычислительных экспериментов с целью определения основных параметров и характеристик сети.
При решении задачи анализа и оптимизации СПД ОрВД имеются ряд проблем: - глобальные СПД ОрВД обладают рядом специфических свойств, которые при введении их в рассматриваемую задачу требуют построения системы
10 комплексных показателей сети; наличие дефицита исходных данных по исходной сети, который необходимо восполнить для адекватного моделирования; существующие подходы к моделированию сетей являются вычислительно затратными и не позволяют провести комплексную оптимизацию сети без предварительной декомпозиции; отсутствие подходящего алгоритма для глобальной оптимизации многопараметрических функций, основанных на модели СПД ОрВД.
В работе решаются все вышеуказанные проблемы. Для этого поставлены следующие задачи: разработать систему комплексных показателей СПД ОрВД; разработать методику восполнения дефицита данных по существующей сети; разработать экономически выгодную по затратам, т.е. достаточно несложную но эффективную в вычислительном плане модель сети, позволяющую проводить комплексную оптимизацию параметров модели; - разработать эффективный алгоритм оптимизации, который позволит проектировать оптимальные по характеристикам и стоимости сети передачи данных для организации и управления воздушным движением; для повышения эффективности анализа вышеуказанных сетей разработать эффективную визуализацию с точки зрения адекватного отображения большого количества параметров; провести апробацию разработанных методов и алгоритмов на конкретном примере.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Разработана новая математическая модель СПД ОрВД, основанная на системе комплексных показателей, которая является достаточно эффективной при проведении исследований сетей ОрВД с целью определения их характеристик, а также построения оптимального проекта сети на базе существующей, в случае дефицита исходной информации по существующей сети и трафику;
Метод перцептивной многоуровневой визуализации впервые применен для экспресс оценки параметров глобальных СПД в процессе интерактивной оптимизации;
3. Разработан новый гибридный алгоритм эволюционной оптимизации параметров и характеристик региональных СПД ОрВД;
На защиту выносятся следующие положения:
1. Система комплексных показателей глобальной сети передачи данных;
2. Метод многоуровневой визуализации глобальных СПД, основанный на комплексном подходе к обработке изображений;
Новый эволюционный алгоритм оптимизации;
Данные анализа сети AFTN РГП "Казаэронавигация";
Рекомендации по реконструкции сети AFTN РГП "Казаэронавигация".
Первая глава является, по существу вводной. В ней содержатся основные положения концепции сети авиационной электросвязи ATN ICAO, основные направления мирового развития авиационной наземной сети связи. Приведены также анализ перспектив использования сетей AFTN и CIDIN. Представлено существующее положение сети AFTN РК и факторы ее развития (материалы, представленные РГП «Казаэронавигация»). Дается краткий обзор уровней СПД ОрВД по классификации OSI. Показана необходимость внедрения нового поколения систем и средств связи. Делается вывод о необходимости разработки систем лидерного анализа и оптимизации для целей реконструкции или проектирования СПД ОрВД.
Во второй главе на основании материалов, представленных РГП "Казаэронавигация", проведен анализ построения, функционирования и тенденций развития существующей сети AFTN РГП "Казаэронавигация". Анализ функционирования сети [Филлипс Д., Гарсиа-Диас А., 1984, Методы анализа сетей.] производился с использованием методов математического моделирования и статистического анализа [Кузин Л.Т., 1979, Основы кибернетики. Т.2. Основы кибернетических моделей], [Айвазян С.А., Бухштабер В.М., Енюков И.С., Мешалкин Л. Д., 1979, Прикладная статистика: Классификация и снижение размерности.]. При анализе функционирования существующей сети [Гостев В.М., Хабибуллин Р.Ф., 2000, О некоторых моделях и методах для оценки временных характеристик сетей передачи данных территориальных компьютерных сетей.] AFTN РК использовался разработанный автором комплекс программ NetGraph - комплексного моделирования, оптимизации и оценки эффективности функционирования сетей передачи данных. Продемонстрирована методика восполнения дефицита данных, разработанная система комплексных показателей региональных сетей ОрВД, методика исследования отказоустойчивости сети и показателей ее надежности [Морозов А.Н., 2006, Система комплексных показателей модели сети организации и управления воздушным движением. // Транспорт: наука, техника, управление.]. Топология базовой СПД может быть отображена в виде граф-схемы СПД на реальной карте с цветной мнемоникой в растровом формате [Дуда Р., Харт П., 1976, Распознавание образов и анализ сцен.]. Для этого решается задача визуализации данных, т.е. представление разнородной (одно- или многомерной) информации на двумерном изображении в рамках перцептивного (наименее многозначного, для корректного восприятия пользователем) представления. Рассматриваемый в работе подход основан на многоуровневой 2D визуализации данных в соответствии с представленной структурой классов, построенных в рамках системы комплексных показателей сети [Месарович М., Мако Д., Такахара И., 1973, Теория иерархических многоуровневых систем.]. Цель этого подхода увеличить информацию о взаимосвязи объектов с помощью визуализации характеристик отношения объектов в пределах каждого уровня визуализации [Морозов А.Н., 1993, Interactive Optimizator for the Problems Dealing With Experimental Data Processing.// Proc. International Conference «Methods and Means for Investigations in Aeronautics»]. Также рассмотрено формирование и корректировка вариантов
12 организации сети, формирование вариантов внешней нагрузки на сеть, построение матрицы осредненных нагрузок сети, маршрутизация потоков данных, анализ отключения каналов связи и узлов коммутации а также общие принципы работы с программным комплексом исследования сети [Морозов А.Н., 2006, Оптимизация сетей передачи данных организации и управления воздушным движением. // Вестник транспорта].
В этой же главе (разделы 2.2-2.3) представлен анализ основных параметров, технических и эксплуатационных характеристик сети AFTN РК, результаты визуализации данного анализа. Представлен также анализ трафика в сети и расчет тенденций его роста и анализ надежности работы телеграфных каналов сети и тенденции ее динамики.
В третьей главе представлены варианты предложений по реконструкции сети AFTN Республики Казахстан, разработанные на основании комплексного анализа материалов, представленных в первой и второй главах и результатов математического моделирования и оптимизации сетей по различным критериям [Рухман Е.Л., Ильин В.П., Смирнов М.И., 1987, Синтез топологических структур информационных сетей]. Представлено обоснование реконструкции и основные принципы ее реализации. Представлена географическая топология сети и параметры каналов связи, а также анализ алгоритмов оптимизации [Holland J.N., 1975, Adaptation in Natural and Artificial Systems] [Zbignev Michalewiz, 1999, Genetic Algorithms + Data Structures = Evolution Programs], новая модификация эволюционного метода оптимизации для определения параметров сети, сравнение вероятностного и детерминистического методов, сравнительный анализ свойств, преимуществ и недостатков генетических и эволюционных методов оптимизации, представлено обоснование используемой разработанной модификации эволюционного алгоритма [Зайченко Ю.П., Гонта Ю.В., 1986, Структурная оптимизация сетей ЭВМ]. Приведены результаты ряда вычислительных экспериментов по оптимизации параметров сети, включая топологию, на основании которых выработаны обоснованные рекомендации по реконструкции сети AFTN РК. Приведены варианты организации сети, используемые протоколы и процедуры.
Приведены обобщенные сравнительные характеристики вариантов реконструкции сети AFTN РК, рассмотрены одно- и двухстанционный доступ к узлам коммутации сети и проведен сравнительный анализ на отключение УК и КС в сети с расчетом комплексных показателей эффективности (живучести) функционирования сети.
В заключении представлены основные теоретические и практические результаты проведенных исследований.
Автор выражает признательность: научному руководителю - заведующему кафедрой компьютерного моделирования МФТИ д.ф.-м.н., профессору Ю.И. Хлопкову за руководство и поддержку исследований,
С.А. Трофимову за обсуждение постановок задач и результатов,
Н.Г. Карих за участие в совместных исследованиях, к.ф.-м.н. В.В. Власенко за ценные рекомендации и помощь в исправлении ряда неточностей, д.т.н., СП. Остроухову за обсуждение ряда методических вопросов, к.т.н. СВ. Михайлову за помощь в подготовке работы, сотрудникам кафедры компьютерного моделирования МФТИ за поддержку, жене и детям за поддержку и терпение.
Основные положения концепции сети авиационной электросвязи, направления развития
На смену существующим знак-ориентированным процедурам обмена сообщениями, применяемыми в традиционной сети AFTN, в сети ATN в качестве одного из применений придет служба обработки сообщений (MHS) на основе серии стандартов Х.400, именуемая Air Traffic Services Message Handling Service, сокращенно ATSMHS.
Стандартами ICAO в системе AMHS (Aeronautical Message Handling System) определено наличие конечных систем трех категорий: серверов AMHS, агентов пользователей AMHS и шлюзов AFTN/AMHS. Серия стандартов Х.400 представляет собой набор рекомендаций по построению системы передачи электронных сообщений, не зависящей от используемых на сервере и клиенте операционных систем и аппаратных средств.
Рекомендации Х.400 являются результатом деятельности международного комитета по средствам телекоммуникаций (CITT во французской транскрипции или ITU в английской), созданного при Организации Объединенных Наций. Рекомендации Х.400 охватывают все аспекты построения среды управления сообщениями: терминологию, компоненты и схемы их взаимодействия, протоколы управления и передачи, форматы сообщений и правила их преобразования.
В рекомендациях Х.400 наиболее полно отражается накопленный в индустрии компьютеров и телекоммуникаций опыт создания и применения информационных систем. В настоящее время существуют три редакции рекомендаций: - рекомендации 1984 года, известные также как "Красная книга" (Red Book); - рекомендации 1988 года, известные также как "Голубая книга" (Blue Book); - рекомендации 1992 года, известные также как "Белая книга" (White Book).
Более поздние рекомендации описывают дополнительные протоколы и форматы передачи данных, корректируют неточности и/или изменяют трактовку более ранних.
Исправления и дополнения к указанным спецификациям выпускаются ежегодно, однако существующие системы в подавляющем большинстве поддерживают рекомендации 1984 и/или 1988 годов. К сожалению, эти спецификации не являются свободно доступными и распространяются за довольно высокую плату.
Рекомендации Х.400 опираются на семиуровневую модель и семейство протоколов OSI международной организации по стандартам (ISO) (см. рис.2). Согласно этой модели, каждый из уровней использует сервисы только находящегося непосредственно под ним и предоставляет сервисы только находящемуся непосредственно над ним уровню.
Это обеспечивает системам, построенным на основе такой модели, высокую степень независимости от среды передачи данных. Поскольку рекомендации Х.400 определяют набор спецификаций для самого верхнего уровня (Application), отвечающие этим рекомендациям приложения должны свободно взаимодействовать друг с другом, вне зависимости от применяемых операционных систем, аппаратуры и сетевых протоколов.
Модель OSI и пример протоколов, соответствующих каждому уровню [2] см. на рис.2.
Для разделения входящего потока данных между приложениями на каждом из уровней, транспортом (Transport), сеанса (Session) и представлений (Presentation), используется механизм так называемых точек доступа (access point). Каждая точка доступа имеет уникальный идентификатор, или селектор (selector), который может быть либо символьной строкой, либо последовательностью шестнадцатеричных цифр. Длина селектора транспортного уровня - 32 символа (64 цифры), уровня сеансов - 16 символов (32 цифры) и уровня представлений - 8 символов (16 цифр). Чтобы два приложения в сети могли взаимодействовать, каждое из них должно знать набор селекторов другого,
Рассмотрим подробнее, как в терминах Х.400 определяются компоненты системы передачи электронных сообщений.
На рисунке 3 приведена схема построения среды управления сообщениями (Messaging Handling Environment или МНЕ). Эта схема является классической, и в терминах этой схемы может быть описана структура и принципы функционирования любой существующей почтовой системы на любой платформе. Как видно из рисунка, среда управления сообщениями представляет собой объединение систем управления сообщениями (Messaging Handling Systems или MHS), которые могут быть произвольным образом связаны между собой посредством шлюзов и/или публичных информационных сетей. Каждая из систем управления сообщениями в свою очередь состоит из следующих компонентов:
пользовательский агент (User Agent или UA), подсистема, выступающая в роли клиента в процессе обмена почтовыми сообщениями, клиент же в свою очередь может быть как реальным пользователем, так и процессом, использующим сервисы электронной почты;
агент передачи сообщений (Message Transfer Agent или МТА), подсистема, в обязанности которой входит обмен сообщениями с пользовательскими агентами и/или внешними и локальными агентами передачи сообщений. Следует заметить, что каждый агент передачи сообщений может иметь имя и пароль доступа;
система передачи сообщений (Message Transfer System или MTS), которая состоит из одного или нескольких МТА и выполняет функции приема, доставки и промежуточного хранения сообщений;
хранилище сообщений (Message Store или MS), подсистема, в функции которой входит посылка, прием и хранение сообщений от пользовательских агентов и агентов передачи сообщений, в составе MHS может иметь более одного хранилища.
Схема построения среды управления сообщениями Из всего многообразия описанных в рекомендациях Х.400 способов взаимодействия между UA, МТА и MS рассмотрим следующие: отправка сообщения пользовательским агентом через хранилище, в этом случае пользователь, используя свой агент (UA) помещает сообщение, предназначенное для доставки другому пользователю, непосредственно в хранилище сообщений. Оттуда оно выбирается локальным или удаленным МТА и передается дальше; отправка сообщения пользовательским агентом через МТА, в этом случае сообщение передается напрямую от UA к МТА и далее доставляется его средствами; получение сообщения агентом пользователя из хранилища, в этом случае МТА осуществляет доставку сообщения в хранилище (почтовый ящик пользователя), для дальнейшей обработки UA; получение сообщения агентом пользователя от МТА, в этом случае пользовательский агент не имеет непосредственного доступа к хранилищу, а для получения сообщений обращается к агенту передачи. Как будет показано далее, любая из ныне известных почтовых систем использует один из перечисленных способов отправки и приема сообщений.
Дополнительно в состав MHS могут входить следующие компоненты, которые не являются специфическими для Х.400 и определены в отдельной спецификации - Х.500: пользовательский агент доступа к каталогу (Directory User Agent или DUA), подсистема, выступающая в роли клиента при доступе к каталогу; системный агент доступа к каталогу (Directory System Agent или DSA), подсистема, являющаяся частью каталога и предоставляющая доступ к хранящейся в нем информации локальным и внешним DUA и DSA.
Обзор служб и физической среды обмена сообщений организации воздушного движения
Конференция ICAO по всемирному внедрению систем CNS/ATM, проходившая в Рио-де-Жанейро в мае 1998 года, настоятельно рекомендовала государствам обеспечить организацию и финансирование внедрения систем CNS/ATM. Это рекомендация конференции была одобрена на 32-ой Ассамблее ICAO в октябре 1998г.
В соответствии с принципами принятыми в ICAO конкретные планы внедрения разрабатываются региональными бюро ICAO. Во исполнении этих решений Европейско-Североатлантическое бюро ICAO в 2002 году приняло "План перехода к системам CNS/ATM в Европейском регионе ICAO".
Основной инфраструктурой обеспечивающей системы CNS является сеть авиационной связи (ATN). Согласно "Плана перехода к системам CNS/ATM в Европейском регионе ICAO предэксплуатационные испытания средств ATN должны проводиться, начиная с 1998 года, и должны завершиться не позднее первого полугодия 2004 года, а ввод в эксплуатацию систем отдельных государств осуществляется в период с 2001 по 2010 годы.
Предполагается, что переход к ATN начнется до того, как будут полностью согласованы институциональные вопросы, связанные с управлением ATN. Первоначально маршрутизаторы ATN должны закупаться некоторыми государствами из числа имеющихся на рынке, а затем модернизироваться по мере появления новых вариантов программного обеспечения, с тем, чтобы можно было реализовать все необходимые версии и параметры ATN.
Там, где проведение испытаний и демонстраций таких видов применения, как обмен данными между средствами ОВД (AIDC), не представляется возможным ввиду отсутствия элементов "земля - земля" ATN, для обмена сообщениями/данными между системами ОрВД следует использовать существующие каналы AFTN.
Переход от использования каналов AFTN к межсетевому взаимодействию в рамках ATN будет осуществляться в рамках отдельных цепей, и сроки такого перехода могут весьма зависеть от других элементов новых систем CNS/ATM.
Определяющим фактором будут служить требования, предъявляемые к поставщикам услуг. Некоторые цепи могут быть полностью переведены на использование межсетевого взаимодействия ATN задолго до того, как будет использоваться какая-либо единая система "воздух - земля" в новых системах CNS/ATM, а другие цепи AFTN могут еще долгое время удовлетворять требованиям к обслуживанию путем дальнейшего использования возможностей AFTN.
Основной идеей предложенного экспертами ICAO эволюционного поэтапного перехода к технологии ATN является установление и внедрение межсетевых переходов (шлюзов) между AFTN и ATN. Данный подход приведен на рисунке 8.
Ряд государств, не предполагающих использовать терминалы AMHS (UAs), тем не менее, планируют внедрение МТА (агент переноса сообщений) для использования его в составе своего шлюза AFTN/AMHS, обеспечивающего взаимодействие с МТА (MTS) и шлюзами AFTN/AMHS других государств.
При этом планируется, что на первых этапах основными пользователями будут абоненты AFTN, подключенные к своему шлюзу AFTN/AMHS, затем, последовательно количество пользователей AFTN будет уменьшаться, а количество пользователей AMHS - увеличиваться.
В соответствии с принятой ICAO концепцией перехода к CNS/ATM, процесс перехода от устаревшей технологии AFTN/CIDIN к сети авиационной электросвязи ATN и её наземной части AMHS будет осуществляться эволюционно.
Европейско-Североатлантический регион имеет свои особенности в функционировании аэронавигационной фиксированной службы, которые заключаются в том, что большая часть сети работает, используя протокол CIDIN.
Стандарты ТСАО предусматривают возможность использования на переходном этапе к процедурам AMHS шлюзов AFTN/AMHS и CIDIN/AMHS.
Однако проведенные исследования показали экономическую и техническую нецелесообразность использования шлюза CIDIN/AMHS. Эти выводы нашли своё подтверждение в материалах совещания AFSG/8, проходившего в апреле 2005г. в Париже. Поскольку все центры CIDIN связаны каждый с каждым, то использование протокола CIDIN после появления первых центров AMHS (шлюзов AFTN/AMHS) будет затруднено и, фактически, обмен будет осуществляться по процедурам AFTN с использованием CIDIN на отдельных участках. Уже сейчас проводится работа по переводу служебного обмена, который осуществлялся сообщениями оператора CIDIN, на обмен служебными сообщениями AFTN.
Все эти факторы ограничивают применение протокола CIDIN в будущем и подтверждают нецелесообразность ввода новых центров с использованием этого протокола.
Стандарты ICAO и разработанные программно-аппаратные средства шлюзов AFTN/AMHS позволяют продолжать эксплуатацию центров AFTN достаточно долго с технической точки зрения. Однако выработка ресурса технических средств приведет к необходимости замены, как устаревшего оборудования, так и устаревшей технологии. Учитывая сложившуюся практику замены технических средств через 8-10 лет в Европейско-Североатлантическом регионе можно ожидать достаточно широкого использования процедур AMHS к 2010 году.
Следует также отметить, что длительность функционирование сети AFTN будет зависеть от сроков перехода служб ОрВД отдельных государств на использование новых технологий на базе CNS/ATM.
Математическая модель сети и восполнение дефицита исходной информации
В связи с высокой стоимостью современной сети передачи данных (СПД) для планирования, организации и управления воздушным движением (ОрВД) [1] актуальной является задача анализа эффективности, помехоустойчивости и экономичности сети с точки зрения затрат на построение системы и затрат на обслуживание (информационный трафик, аренда, амортизация). Для эффективного анализа и возможности оптимизации некоторых компонент сети и достижения лучших показателей затраты/эффективность необходимо разработать вычислительно эффективную и в достаточной степени адекватную модель СПД ОрВД.
В связи с большим количеством параметров, и характеристик существующих СПД разработана модель авиационной наземной фиксированной сети передачи данных (AFTN) в условиях недостаточности и большой статистической погрешности исходных данных, так как именно это ограничение является определяющим в практике моделирования сетей ОрВД. Моделирование данных СПД позволяет не только исследовать сложившиеся структуры, но и разрабатывать новые, высокоэффективные, экономичные сети, с хорошей защищенностью от локальных сбоев.
Для построения адекватной модели сети необходимо использовать методы структурного и имитационного математического моделирования [12]. В качестве модели предлагается квазистатическая модель в виде ориентированного графа, основанная на системе комплексных показателей сети. В данной модели, для упрощения, временные задержки при передаче информационных пакетов от абонента абоненту осредняются с учетом динамики информационного трафика в сети: Л wv где Wg - текущий информационный трафик от узла / к узлу_/.
Распределение поступления телеграмм из узла по времени моделируется экспоненциальным распределением [50] (частный случай распределения Рэлея [19]) с выборочным значением, определяемым как: х = (- 2а21пи)\ы с [0.0,1.0],z с [0.2,1.0], где и - выборочное значение равномерного распределения.
С помощью разработанной модели проведен анализ СПД ОрВД в части схемы организации сети, трафиков по межцентровым каналам, надежности каналов связи, оборудования станций AFTN, средств подключения пользователей к сети, интерфейсам и каналам, выделяемым для AFTN в цифровой сети передачи данных и общих задач, решаемых в сети AFTN. Анализ функционирования сетей [ 13] AFTN производится с использованием как методов математического моделирования так и статистического анализа [14].
Для анализа сетей AFTN [7] используется разработанный автором комплекс программ NetGraph - комплексного моделирования, оптимизации и оценки эффективности функционирования региональных сетей передачи данных. Комплекс позволяет производить оценку информационной и экономической эффективности территориальных глобальных компьютерных сетей типа AFTN, для исследования их транспортных характеристик и предельных пропускных способностей при различных вариантах информационной нагрузки на сеть и для различных способов распределения потоков данных по сети как в статике так и в динамике [6-8].
Для ячеистой и звездно-кольцевой топологий система позволяет задавать различные способы и методы маршрутизации, проводить оптимизацию распределения потоков по сети по различным критериям, исследовать и оценить эффективность различных способов маршрутизации.
Для каждого из сформированных вариантов сети передачи данных при выбранном варианте распределения внешней нагрузки и способе маршрутизации в системе осуществляется: - расчет интенсивности потоков данных на всех каналах передачи данных сети; - оценка предельной пропускной способности заданного варианта СПД при выбранном характере распределения нагрузки и используемом способе маршрутизации.
Таким образом, комплекс программ позволяет исследовать и оценить предельные пропускные способности вариантов модели сети, отличающихся топологической структурой, пропускными способностями и способами маршрутизации при различной нагрузке на сеть.
Задание модели СПД
Модель СПД задается множеством узлов коммутации (УК) V={vx, v2, ... , vn}, множеством каналов передачи данных (каналов связи - КС) U на линиях связи и пропускными способностями каналов. Для каждого КС (V(-,V.)G/ задается пропускная способность Сц этого канала в бит/сек и другие характеристики, содержащиеся в системе комплексных показателей сети. Данные о модели СПД вводятся и хранятся также в системе комплексных показателей сети, включающей в себя две основные структуры - структуру узлов и структуру каналов, а также систему связанных с ними матриц, параметров, ключей и других идентификаторов сети [9]:
Топология базовой СПД может быть отображена в виде граф-схемы СПД на реальной физической карте с цветной многоуровневой мнемоникой и рядом характеристик сети, соответствующих визуализируемому уровню [10].
Система моделирования, оптимизации и анализа сетей ПД
В текущем и перспективном планах реконструкция сети AFTN РК должна обеспечить выполнение требований существующей системы ОрВД РК по качеству авиационной электросвязи, ее совместимости с автоматизированными системами УВД, времени доставки актуальной информации, ее надежности и достоверности с учетом тенденций роста трафика в системе и развития системы ОрВД. Для этого при реконструкции сети необходимо обеспечить:
существенное увеличение пропускной способности сети за счет использования высокоскоростных наземных и спутниковых цифровых каналов ПД с одновременным сокращением аренды (или отказом от использования) магистральных аналоговых низкоскоростных телеграфных каналов, для чего в вариантах реконструкции предлагается использование цифровых каналов ПД со скоростью - не менее 64 Кбит/сек;
повышение надежности сети и ее защищенности от аварийных отключений каналов связи и ЦКС за счет оптимизации топологии сети и соответствующей организации каналов;
возможность использования в качестве резервных альтернативные сети общего пользования (например, самое эффективное, - INTERNET) с обеспечением соответствующих средств защиты информации;
замену физически и морально устаревшего оборудования и программного обеспечения (в основном, снятого с производства и не сопровождаемого производителем);
унификацию технических средств и программного обеспечения в сети;
удаленное централизованное автоматизированное оперативное управление сетью и возможность конфигурации технических средств в сети, для чего в вариантах реконструкции предлагается использование цифровых каналов ПД со скоростью - не менее 64 Кбит/сек;
сокращение эксплуатационных расходов, связанных с арендой каналов связи, унификацией оборудования и программного обеспечения и заменой снятых с производства устройств и программного обеспечения на перспективные системы;
В плане перспективного эволюционного перехода на технологию сети ATN и технологию организации воздушного движения CNS/ATM реконструкция сети должна обеспечить:
оснащение станций AFTN оборудованием сети ПД и организацию цифровых каналов связи;
создание транспортной сети передачи данных на основе протоколов X.25/FRAME RELAY/ATM и обеспечение интегрального использования каналов в единой транспортной сети;
создание единой универсальной транспортной среды связи на основе протокола TCP/IP для различных видов трафика;
возможность эволюционного поэтапного перехода к реализации концепции ICAO в рамках сети авиационной электросвязи ATN (с применением AMHS);
возможность внедрения новых информационных технологий, сетевых приложений и новых прикладных услуг в целях максимального использования ресурсов сети и удовлетворения потребностей служб ОрВД и других пользователей;
Исходя из вышеизложенного, основные принципы, на которых были разработаны варианты реконструкции сети AFTN РК, можно сформулировать следующим образом:
варианты реконструкции должны обеспечить преемственность технологии работы сети на этапе ее проведения без нарушения непрерывности обеспечения связи;
варианты реконструкции, кроме варианта топологии сети в виде звезды (радиальная схема), используют принцип территориально-распределенной сети с существующими на сегодня уровнями иерархии управления - ГЦКС (Алматы), ЦКСЗ (Астана), ЦКСР (Актобе), ЦКСО (18 оконечных станций AFTN). Рассматривается вариант сети с использованием на оконечных станциях AFTN вместо ЦКС концентраторов-распределителей, выполняющих роль сетевых «удлинителей» RS-каналов и позволяющих производить соединение АРМ конечных пользователей непосредственно с соответствующими ЦКС первых трех уровней;
реконструкция базируется на создании корпоративной (ведомственной) цифровой сети ПД РГП "Казаэронавигация". Временное использование магистральных телеграфных каналов предполагается в частных случаях, обусловленных либо невозможностью организации соответствующих каналов ПД на этапе проведения реконструкции, либо для дублирования каналов ПД, либо экономическими соображениями;
реализация сети ПД на каналах с рекомендуемой скоростью - не менее 64 Кбит/сек обеспечивается существующей технологией построения WAN путём использования стандартных устройств передачи данных (Х25, Frame Relay, спутниковых и волоконно-оптических каналов). Маршрутизация между узлами сети ПД обеспечивается стандартным оборудованием ПД (например, серии Cisco), поддерживающим протоколы TCP/IP.
резервирование направлений информационных потоков (каналов связи), с учетом пропускной способности сети, может осуществляться в зависимости от конкретной ситуации следующими методами:
