Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 1
ГЛАВА 1 Исследование способов резервирования сетей СЦИ 14
Необходимость резервирования в сетях СЦИ 14
Особенности сетей СЦИ 16
1.2.1 Архитектура сетей СЦИ, построенных на базе 16
отказоустойчивых структур
1.2.2 Резервирование в сетях СЦИ 18
1.3 Сравнительная оценка затрат пропускной способности на 28
резервирование в различных отказоустойчивых структурах
1.3.1 Анализ характеристик отказоустойчивых структур СЦИ 28
Сравнение различных способов резервирования для 33 различных вариантов топологии и двух типов распределения трафика
Сравнение кольцевых схем резервирования SNCP и 52 MS SPRing
1.3.4 Кольцевая структура MS DPRing 64
1.4 Оценка надёжности, обеспечиваемой различными 70
отказоустойчивыми структурами
Модели надежности для кольцевых структур 71
Надежность структуры типа 1+1 76
1.4.3 Оценочные расчеты надежности различных способов 77
резервирования в сетях СЦИ
ВЫВОДЫ из главы 1 82
ГЛАВА 2 Оптимизация транспортных сетей СЦИ при их проектировании 84
2.1 Формулировки, критерии и ограничения в задаче оптимизации 84
сетей
2.2 Определение оптимальной топологии сети 94
ВЫВОДЫ из главы 2 96
ГЛАВА 3 Оптимизация самовосстанавливающихся структур при 98
проектировании сетей СЦИ
3.1 Особенности оптимизации самовосстанавливающихся структур СЦИ 98
3.2 Оптимизация резервной ёмкости в изолированном кольце 99
MS SPRing
3.3 Оптимизация резервной ёмкости во взаимосвязанных кольцах 103
MS SPRing
3.4 Оптимальное выделение транзитных потоков для резервирования их 110
способом 1+1 или 1:1
ВЫВОДЫ из главы 3 113
ГЛАВА 4 Разработка методов оптимального проектирования 115 отказоустойчивых структур
4.1 Место задачи оптимального проектирования кольцевых структур в 115
общей задачи проектирования сетей СЦИ
Выбор топологии сети СЦИ 118
Оптимизация проектирования кольцевых структур 120
4.2 Расчёт контрольного примера с использованием разработанных 122
методов и алгоритмов
Исходные данные для контрольных расчётов 122
Эвристический алгоритм оптимизации кольцевых структур 124 СЦИ с использованием ёмкозависимого алгоритма маршрутизации
Оптимизации взаимосвязанных кольцевых структур СЦИ 127 путём решения задачи линейного программирования (точным методом)
Сравнительный анализ точного и эвристического методов 146 оптимизации
4.3 Сравнительная оценка загрузки системы взаимосвязанных 149
кольцевых структур при маршрутизации по кратчайшим путям и с
использованием разработанного метода оптимизации
4.4 Использование задачи оптимального выделения транзитных 152
потоков для резервирования их способом 1 + 1 или 1:1
Возможности использования задачи 152
Расчёт контрольного примера по различным критериям 155
4.5 Перспективы использования на практике разработанных 160
методов и алгоритмов
Состав задачи компьютерного проектирования надежной 161 сети СЦИ
Перспективы использования программы маршрутизации 161 трактов по сети с резервированием выделенных трактов по типу SNCP 1+1
Перспективы использования методов и алгоритмов расчёта 162 оптимальных отказоустойчивых кольцевых структур
ВЫВОДЫ из главы 4 163
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 166
Литература 169
Приложение 1 Акты внедрения 176
Приложение 2 Трассы заявок, получаемые при обработке потоков в 180
различной последовательности Приложение 3 Комплекс программ «Ring» для проектирования сетей 186
кольцевой структуры Приложение 4 Трассы, полученные при точной и эвристической 195
маршрутизации сети Приложение 5 Данные по расчётам различных сетей с помощью алгоритм 206
Дейкстры и с использованием эвристического алгоритма
оптимизации
Введение к работе
В настоящее время на транспортных сетях различных операторов РФ происходит широкое внедрение технологии СЦИ, обеспечивающей большие пропускные способности и новые возможности по управлению. Такая ситуация отвечает быстрому росту трафика и требованиям новых служб к надежности и качеству передачи. В результате возникла необходимость фундаментальных перемен в методах создания и применения инструментальных средств проектирования сетей в условиях неоднородности сетей, неопределенности в отношении типов и объемов трафика и увеличении соотношения расходов на эксплуатацию сети к капитальным затратам. Средства компьютерного проектирования (планирования) сетей играют важную роль при оценке вариантов стратегии развития сетей и принятии решений о внедрении новых технологий. В ряде важных аспектов эта роль отличается от той, которую средства проектирования играли во времена медленного роста сети и медленных изменений телекоммуникационных технологий. Прежде основной задачей систем планирования сетей, обусловленной довольно высокой предсказуемостью трафика, постепенным развитием техники и относительно малыми изменениями в базовой топологии сетей являлась задача определения пропускных способностей линий сети. Обычно системы компьютерного проектирования выполняли функции прогнозирования трафика, оптимального выбора маршрутов и, в итоге, определение пропускных способностей участков сети. Эти задачи решались с помощью специализированных программ расчета сетей, которые обеспечивали заданный уровень обслуживания при оптимальных капитальных вложениях. Известен ряд таких программ: система компьютерного проектирования SICAP фирмы SIEMENS, система INDT- разработка LUCENT TECNOLOGIES, система PIGEON фирмы NEC, пакет программ института CNET (Франция), а также пакеты программ для проектирования сетей разработки специализированных фирм Alcatel, DETECON и др.
Согласно положениям Генерального тома МСЭ по планированию сетей [51], планирование сети должно иметь разделяться на следующие этапы: стратегическое и долгосрочное планирование (до 15 лет); среднесрочное планирование (от 2 до 5 лет); краткосрочное или ежегодное планирование.
До настоящего времени такое разделение процесса планирования на этапы использовалось во всех известных системах планирования.
В настоящее время ситуация коренным образом изменилась. Во-первых, изменились периоды планирования. Ранее среднесрочное пятилетнее планирование определяло структуру сети и весьма приближенно ее основные обобщенные показатели (канало-километры, телефонную плотность и т.п.) [51]. В настоящее время, как указывается в ряде публикаций [50,52], требование конкурентоспособности сетей в условиях рыночной экономики требует очень динамичного развития, быстрого внедрения новых технологий и услуг. Это привело к сокращению периодов планирования до одного года или даже к более частому перепланированию сетей [50]. Во-вторых, повысилась детализация при описании структуры сети и исходных данных, что также связано с необходимостью более частого и конкретного планирования. В качестве критерия планирования уже не могут рассматриваться только капитальные затраты, так как рыночные условия прежде всего требуют быстрой окупаемости затрат, а также хорошей масштабируемости и гибкости сети с учетом роста трафика и использования новых технологий [56]. Необходимость постоянной модернизации сетей приводит к тому, что системы планирования преобразуются в инструментальное средство постоянного использования. Однако для разработки универсальных программных средств требуется большое время. Поэтому сейчас создаются средства расчета сетей для конкретных телекоммуникационных технологий. В данной диссертационной работе разрабатываются программные средства для расчета сетей СЦИ, в которых основное внимание уделяется разработке базовых алгоритмов и программ для выбора топологий, маршрутов,
схем резервирования и расчета затрат, что позволит применять эти программные средства к решению широкого круга задач.
Одной из основных проблем при проектировании сетей СЦИ является большое и продолжающее увеличиваться число устройств, фигурирующих в анализе и расчете сети: разного типа порты, мультиплексоры, кросс-коннекторы и это разнообразие продолжает расти [26]. Кроме того, самовосстанавливающиеся структуры СЦИ определяют набор топологий (решетка, кольцо, гибридная), на базе которых можно строить типовые схемы, количество которых также растет.
Технология СЦИ продолжает развиваться в связи с необходимостью наилучшего предоставления различных услуг на базе технологий IP, ATM, FR и т.п., что приводит к созданию многофункциональных узлов, объединяющих разнородные информационные потоки с использованием форматов СЦИ, и с получением новых интегрированных сетевых решений, конфигурация которых также наследуется от сетей СЦИ [26]. Структуры СЦИ допускают постепенное введение систем с WDM с дальнейшим переходом к комбинированным (оптическим + СЦИ) транспортным сетям. В связи с этим исследование сетевых структур СЦИ, проведенное в данной работе, является актуальным и может быть распространено на перспективные интегрированные транспортные сети СЦИ, а также в отдельных своих положениях на оптические сети.
Высокие пропускные способности BOJIC (волоконно-оптических линий связи), используемых в сетях СЦИ, и повышенные требования к надежности передачи неголосового трафика, доля которого неуклонно возрастает, приводит в настоящее время к чрезвычайно высокой цене отказа в сетях СЦИ. Транспортные сети СЦИ обслуживают широкий круг различных служб и приложений, предъявляющих различные требования к надежности. Анализ показывает, что надежность аппаратуры СЦИ без резервирования не соответствует этим требованиям. Удовлетворение требований к надежности передачи возможно лишь с использованием систем резервирования, влекущих за собой дополнительные затраты на сеть, то есть увеличивающих стоимость сети. В связи с этим естественным является дифференцированный подход к обеспечению надежности
различных услуг, цена которых будет зависеть от надежности. Таким образом,
* введение технологии СЦИ ставит перед проектировщиками сетей новую задачу
оптимального сетевого резервирования.
Основная цель диссертации - провести сравнительный анализ
самовосстанавливающихся структур и типовых схем СЦИ по необходимой
величине пропускной способности и по надежности, разработать рекомендации
по их эффективному использованию в зависимости от условий распределения
ф трафика на сетях СЦИ, а также разработать алгоритмы и программы оптимизации
сетей СЦИ, построенных на базе самовосстанавливающихся структур.
Достижение этой общей цели предопределяет необходимость решения
следующих наиболее важных частных задач:
1. Провести исследование области наиболее эффективного применения
различных самовосстанавливающихся структур на сети СЦИ и их комбинаций,
поскольку сеть СЦИ представляет собой комбинацию самовосстанавливающихся
структур и от выбора в каждом конкретном случае той или иной комбинации
4 зависят затраты на построение транспортной сети СЦИ и получаемая надежность
соединений.
2. Разработать методы и алгоритмы оптимального проектирования и
моделирования транспортных сетей СЦИ, позволяющие без изменения структуры
сети, только за счет выбора определенного набора маршрутов потоков повысить
обслуженный трафик, т.е. увеличить прибыль оператора без дополнительных
капитальных вложений. При необходимости развития сети разработанные методы и алгоритмы должны позволять находить наиболее экономичные варианты новой структуры.
Первая задача, в свою очередь, может быть разбита на две подзадачи:
исследование надежности передачи, обеспечиваемой самовосстанавливающимися структурами на сети СЦИ;
исследование затрат пропускной способности на организацию резервирования путем использования самовосстанавливающихся структур СЦИ.
Решению первой подзадачи посвящено довольно много работа. Однако эти работы не охватывают проблему целиком, акцентируя внимание лишь на отдельных проблемах. Так, в статье «Отказоустойчивость в многоуровневых сетях» [55] проблема обеспечения надежности рассматривается не для отдельных отказоустойчивых структур или технологий, а для многоуровневых систем, включающих различные технические системы типа ATM, СЦИ и WDM. Отказоустойчивость сетей, построенных на базе технологии СЦИ, рассматривается лишь в качестве одной из составляющих отказоустойчивости в многоуровневых транспортных сетях. При этом основное внимание в статье уделено проблеме взаимодействия различных технологий.
Статья «Модели надежности самовосстанавливающихся колец WDM» [69], хотя и посвящена технологии WDM, изложенный в ней материал весьма полезен для исследования отказоустойчивости сетей СЦИ, проводимого в диссертации. В статье исследуются самовосстанавливающиеся оптические кольцевые структуры OMS-SPRing и O-SNCP. Анализ материала статьи показывает, что приведенные в ней формулы для расчета коэффициента готовности указанных оптических колец могут быть использованы для анализа отказоустойчивости кольцевых структур СЦИ MS SPRing (Multiplex Section Shared Protection Ring - кольцо с совместным резервированием секций) и SNCP (SubNetwork Connection Protection -резервирование соединений подсети) соответственно.
В статье «Количественные оценки зависимости отказоустойчивости сети от ее структуры» [71] приведены результаты исследований, сходных с теми, что проведены в диссертации. Здесь исследуется зависимость значения коэффициента готовности сети от ее структуры, описываются результаты некоторых исследований, в том числе моделирования разных самовосстанавливающихся структур с целью определения надежности связи между любой парой узлов заданной отказоустойчивой структуры. Надежность кольцевых структур исследуется лишь с точки зрения включения их в решетчатые структуры. Кроме того, авторами статьи не проведены исследования некольцевых (линейных)
отказоустойчивых структур, таких как SNCP 1+1, не исследована зависимость коэффициента готовности системы от коэффициента готовности участка сети.
Ряд отечественных исследователей также занимались вопросами надежности самовосстанавливающихся структур в сетях СЦИ. Так, в работе [5] приводятся формулы для расчета коэффициента готовности отказоустойчивых кольцевых структур на сетях СЦИ: SNCP и MS SPRing. В статье приводятся результаты сравнения этих кольцевых структур по времени безотказной работы в зависимости от коэффициента готовности звена.
Вторая подзадача - анализ затрат пропускной способнрсти сети на организацию резервирования — проработана менее полно. Результаты исследования данного вопроса приводятся, например, в работе [29]. Однако, так как данная статья посвящена вопросу проектирования сетей в целом, оценка затрат пропускной способности на организацию резервирования в ней носит качественный характер и затрагивает лишь случай использования изолированного кольца SNCP и MS SPRing. Попытка оценить затраты на организацию кольцевого резервирования различного типа предпринята также в статье [45]. В работе производится сравнительный анализ затрат пропускной способности при различных способах кольцевого резервирования и различных размерах кольцевой структуры. Однако работа содержит ряд неточностей как в описании отказоустойчивых структур, так и в расчетах, в связи с чем приведенные в ней результаты не представляют практической ценности для данной диссертации.
Второй задачей диссертации, как уже отмечалось выше, является разработка методов и алгоритмов оптимального проектирования сетей СЦИ, которые могли бы лечь в основу соответствующего отечественного программного продукта. Исследования в данной области проводятся, однако, по понятным причинам, публикуются весьма скудно. Публикации, посвященные данному вопросу, обычно, содержат лишь функциональное описание программного продукта без раскрытия сущности используемых в программе алгоритмов. Так, например, в статье «Будущая структура широкополосной сети: роль средств проектирования сетей в стратегиях технического развития сетей» [56]
описывается комплекс программ (пакет) для проектирования сетей INDT -разработка Bell Laboratories. Авторы статьи указывают основные задачи, стоящие перед комплексами, подобными INDT, рассматривают алгоритмическую и программную структуру пакета INDT. В статье, также, описывается процесс решения некоторых задач с помощью этого пакета. Однако в статье не приводятся описание конкретных алгоритмов и методов, используемых в комплексе программ INDT.
Содержание работы В главе 1 производится сравнение различных способов резервирования по надежности и затратам. Повышение надежности сети за счет резервирования неизбежно связано с дополнительными затратами. Поэтому в ходе оптимизации затрат на сеть для различных классов сетевых структур могут быть выбраны различные способы резервирования. В этом смысле важно проведение сравнительного анализа характеристик различных способов резервирования. Сети СЦИ отличаются высокой пропускной способностью, что предъявляет высокие требования к надежности передачи. В разделе 1.1 показывается необходимость резервирования в сетях СЦИ. В разделе 1.2 производится обзор различных способов резервирования, рекомендованных МСЭ-Т. Отмечается, что для сетей СЦИ приняты два основных способа резервирования - «защита» (protection) и «восстановление» (restoration), однако использование способа «восстановление» требует наличия системы управления. Резервирование в сетях СЦИ способом «восстановление» не рассматривается, так как выходит за рамки тематики данной диссертации. Резервирование типа «защита» связано с использованием так называемых самовосстанавливающихся структур, анализ технических характеристик которых производится в разделе 1.2. При этом основное внимание уделяется самовосстанавливающимся кольцам (СВК). Раздел 1.3 посвящен сравнению способов резервирования по затратам на резервную емкость. В разделе 1.4 производится сравнительный анализ различных способов резервирования по обеспечиваемой ими надежности. Раздел 1.5 содержит выводы и рекомендации по применению различных отказоустойчивых структур СЦИ с зависимости от вида
трафика и требований по надежности передачи. В частности, отмечается, что схема резервирования SNCP 1 + 1 при большой протяженности линий, а также при низкой надежности элементов сети значительно уступает по надежности кольцевым структурам.
В главе 2 описывается задача оптимизации транспортных сетей СЦИ при их проектировании. Особо выделяется задача маршрутизации на сетях СЦИ, для решения которой используется эвристический алгоритм емкозависимой маршрутизации, основанный на применении системы штрафов за превышение пропускной способности, приводящей к наилучшему использованию пропускной способности сети.
В главе 3 описывается задача оптимизации кольцевых отказоустойчивых
структур при проектировании сетей СЦИ. Особо выделаются две задачи:
оптимизация резервной емкости в одиночных самовосстанавливающихся кольцах
(СВК) MS SPRing, а также оптимизация резервной емкости системы
. взаимосвязанных колец MS SPRing.
