Введение к работе
Актуальность проблемы. В настоящее время прогресс в электронных технологиях позволяет достигать высоких показателей производительности процессоров, однако для вычислений больших объемов данных или вычислений высокой сложности, мощности существующих на рынке решений может оказаться недостаточно. Для решения данной задачи существуют, применяются и активно развиваются широкомасштабные параллельные системы, позволяющие осуществить разделение общего массива вычисляемых данных на определенное число частей, при этом каждая из которых обрабатывается отдельной вычислительной мощностью. Подобные параллельные вычислительные системы обладают повышенными требованиями к отказоустойчивости, особенно в тех случаях, когда они применяются в районах с нестабильными климатическими условиями, стихийными бедствиями и военными действиями, при которых возникают сетевые отказы, а сеть получает повреждения, которые сказываются на ее работоспособности и производительности. Учитывая то, что потеря некоторой части массива данных или задержки в обработке информации, связанные с возникновением сетевых отказов могут быть критичными, то обеспечение соответствующего уровня отказоустойчивости является одной из важнейших задач, которые возникают в процессе организации подобных систем и должны быть решены на этапах проектирования.
Также, на сегодняшний день, растущие потребности в пропускной способности оборудования и каналов связи могут быть удовлетворены только волоконно-оптическими системами передачи, при этом применение подобных систем в параллельных вычислительных системах, помимо решения задач, связанных с предоставлением достаточной пропускной способности каналов связи, позволяет решить задачи, связанные с задержками при передачи информации, а также не будет являться ограничивающим фактором при естественной эволюции параллельных вычислительных систем, а следовательно и постоянно возрастающих требованиях к пропускной способности. Это позволит сократить затраты не только на этапе организации и строительства параллельных вычислительных систем, но и при дальнейшем их развитии.
Развитие технологий передачи данных по оптическому волокну привело к возникновению полностью оптических транспортных сетей, индифферентных к типу передаваемой информации, а также позволяющих осуществлять ее обработку, доставку и реализацию прочих функций, присущих транспортным сетям на оптическом уровне, без какого-либо преобразования в электронный вид, при этом отсутствуют ограничения, характерные для «традиционных» транспортных сетей, к которым относятся СЦИ, ATM, Ethernet. Подобными ограничениями являются быстродействие, длина оптического участка, неспособность обработки больших объемов информации, а также низкая функциональность. При этом «традиционные» транспортные сети могут работать только с определенными форматами трибутарных сигналов.
Определенные успехи были достигнуты в решении задач проектирования решетчатых оптических сетей, создании методов проектирования подобных сетей, а также разработке алгоритмов их расчета. Большой вклад в области разработки методик, алгоритмов и программ, обеспечивающих решение задач проектирования тороидальных решетчатых сетей связи внесли западные ученые: Н.Ф. Максемчук, Р.Г. Галлахер, И. Хламтак, в области полностью оптических транспортных сетей отечественные ученые: Меккель A.M., Цым А.Ю., Фокин В.Г. и другие.
Однако, проведенное аналитическое исследование выявило, что существующие методы проектирования полностью оптических сетей не учитывают топологические особенности тороидальных решетчатых структур, применяемых в параллельных вычислительных системах, в то же время существующие методы проектирования тороидальных решетчатых сетей не учитывают топологические особенности различных типов структур тороидальных решетчатых сетей, а также не обладают унифицированными механизмами решения задач проектирования. Более того, такие методы проектирования не учитывают развивающиеся технологии оптической берстной коммутации, обобщенной многопротокольной коммутации по меткам, технологию плотного спектрального мультиплексирования, а также особенности реконфигу-рируемых оптических мультиплексоров ввода-вывода, механизмов конвертации длин волн, а также топологических механизмов резервирования.
В связи с этим возникла необходимость разработки эффективных, унифицированных методов проектирования отказоустойчивых решетчатых оптических транспортных сетей связи, учитывающих развивающиеся технологии, аппаратные и программные особенности оборудования, пригодные для использования в параллельных вычислительных системах с высокими требованиями к отказоустойчивости, а также, как полностью оптическая транспортная сеть, функционирующая в условиях с большой вероятностью возникновения сетевых отказов.
Кроме того, анализ состояния исследований в данной области за рубежом свидетельствует о том, что научные организации США, Германии, Италии, Испании, Китая, Индии и др. сегодня уделяют данному вопросу достаточно большое внимание. В частности, проводятся исследования особенностей тороидальных решетчатых сетей, ограничений, связанных с ее эксплуатацией, происходит разработка и создание специализированных механизмов маршрутизации. В настоящее время подобные тороидальные решетчатые сети связи используются в США, в районе Манхэттен, Испании, в районе ле'Экзампл, как транспортные сети, а также применяются, как транспортные основы в нескольких десятках вычислительных систем различных университетов мира, при этом существует ярко выраженная тенденция к переходу с ячеистых на тороидальные решетчатые сети в тех случаях, когда есть потребность в организации сети, где каждый узел обладает одинаковыми показателями коэффициента готовности.
В то же время, на сегодняшний день в России подобные сети не получили широкого распространения, а их развитие и применение ограничено
либо испытаниями в лабораторных условиях, либо остановилось на этапе имитационного моделирования, что несомненно является существенной потерей для отрасли связи. Очевидно, что не проводя исследование, разработку и развитие подобных тороидальных решетчатых сетей, а также их внедрение в повседневную жизнь, можно существенно ограничить число доступных методов решения существующих задач в отрасли связи. При этом в настоящее время организация высоко уровня отказоустойчивости электронных узлов в современных реалиях достигается не топологическими механизмами резервирования, как это будет в случае с тороидальными решетчатыми сетями, а выделением дополнительного числа оптических волокон каждому сетевому узлу, что несомненно понижает уровень экономической эффективности сетей с таким механизмом резервирования и, что более критично, не позволяет минимизировать урон, наносимый производительности сети в целом в случае сетевого отказа. Таким образом, в тех случаях, когда требуется организовать одинаковую степень защищенности для каждого сетевого узла, доступные методы решения данной задачи, не основанные на организации тороидальных решетчатых сетей, не позволяют достигать одинаковых вероятностей возникновения сетевых отказов в любой части сети, что безусловно сделает такие методы решения данной задачи несбалансированными.
Целью настоящей работы является разработка унифицированного метода расчета отказоустойчивых решетчатых оптических транспортных сетей связи, учитывающего топологические особенности структур решетчатых сетей, особенности каналообразующего оборудования, свойства существующих и развивающихся технологий, а также делающего возможным применение исследуемых сетей, как в параллельных вычислительных системах, так в роли транспортной сети местного, зонового и магистрального уровней, обладающей высокими показателями коэффициента готовности.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
исследование и сравнительный анализ существующих архитектур опти
ческих транспортных сетей по критериям надежности, экономической эф
фективности и перспективам развития, а также методов их проектирования;
обоснование целесообразности организации полностью оптической транспортной сети связи;
обоснование целесообразности применения решетчатых архитектур в транспортных сетях;
классификация существующих решетчатых оптических сетей связи, а также формирование мнемонического описания;
анализ требований к проектированию отказоустойчивых транспортных сетей связи;
исследование и определение основных вероятностно-временных характеристик функционирования решетчатых и квазирешетчатых оптических транспортных сетей связи;
разработка алгоритмов расчета решетчатых и квазирешетчатых сетей, и расчета их вероятностно-временных характеристик функционирования.
Методы исследования. В работе использованы принципы системного анализа, теория передачи информации, методы теории массового обслуживания, дифференциальные и интегральные преобразования, математическая статистика, методы теории графов, методы математического моделирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Проведена классификация решетчатых и квазирешетчатых структур, выведено их мнемоническое описание;
Разработаны алгоритмы расчета вероятностно-временных характеристик отказоустойчивых решетчатых и квазирешетчатых оптических транспортных сетей, а также алгоритмы их расчета;
Предложен комплексный подход к решению задачи проектирования отказоустойчивых решетчатых оптических транспортных сетей связи;
Разработаны методы проектирования решетчатых и квазирешетчатых оптических транспортных сетей, учитывающих особенности топологических структур, существующих и перспективных технологий передачи данных по оптическому волокну, свойства каналообразующего оборудования, позволяющие использовать подобные сети, как в параллельных вычислительных системах, так и в роли транспортных сетей.
Практическая значимость результатов работы. Использование полученных в работе результатов позволяет:
проводить дальнейшие исследования решетчатых и квазирешетчатых оптические транспортных сетей;
организовывать полностью оптические транспортные сети, в которой все сетевые узлы обладают одинаковыми показателями коэффициента готовности;
применять решетчатые и квазирешетчатые оптические транспортные сети в районах с нестабильными климатическими условиями, стихийными бедствиями, а также в параллельных вычислительных системах.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
Классификация решетчатых и квазирешетчатых сетей, их мнемоническое описание, сравнительный анализ методов их проектирования;
Алгоритм расчета вероятностно-временных характеристик отказоустойчивых решетчатых оптических транспортных сетей;
Алгоритм расчета вероятностно-временных характеристик квазирешетчатых оптических транспортных сетей;
Алгоритм расчета решетчатых и квазирешетчатых оптических транспортных сетей.
Основные результаты диссертационной работы внедрены на предприятиях ЦНИИ «Радиосвязь», в институте общей физики им. A.M. Прохорова Российской академии наук, применены в учебном процессе в Московском государственном институте радиотехники, электроники и автоматики (техническом университете).
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в рецензируемых научно-технических журналах. Докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях с 2007 по 2010 г.: 64-я научная сессия, посвященная дню радио, 2009 г., г. Москва; третья отраслевая научная конференция-форум «Технологии информационного общества», 2009 г., г. Москва; 12-я международная конференция «Цифровая обработка сигналов и ее применение», 2010 г., г. Москва; 18-я международная НТК «Современное телевидение», 2010 г., г. Москва; 65-я научная сессия, посвященная дню радио, 2010 г., г. Москва; четвертая отраслевая научная конференция-форум «Технологии информационного общества», 2010 г., г. Москва; открытый НТС «Моделирование, расчет и проектирование систем и сетей связи», 2007 - 2010 г., г. Москва.
Достоверность основных теоретических положений, выводов и практических результатов подтверждена экспериментально в процессе исследований разработанных устройств с применением решетчатых архитектур в транспортных сетях, точностью расчетов полученных результатов, совпадением результатов настоящей работы с данными, полученными другими авторами, а также актами о внедрении и использовании научных и практических результатов диссертационной работы.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 2 статьи в журнале из Перечня ВАК РФ.
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы из 174 наименований. Основной текст диссертации изложен на 158 страницах и содержит 46 рисунков и 11 таблиц.
