Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих методов и средств обеспечения функциональной надежности сети связи ведомственного оператора 15
1.1. Система управления сетью связи ведомственного оператора как объект исследования 15
1.2.Функциональная модель сети связи ведомственного оператора 22
І.З. Критерии качества функционирования сети связи ведомственного оператора и их систем управления 27
1.4.Анализ методов обеспечения функциональной надежности и требований к техническим характеристикам системы управления сетями связи ведомственного оператора, 30
1.5.Структурно-информационный подход к повышению функциональной надежности. 41
Выводы по первой главе. Цель и задачи исследований 44
2. Разработка методики выбора и обоснования структуры СУССВО . .46
2.1. Методы построения структур систем управления сетями связи ведомственного оператора .46
2.2.Методика выбора структуры СУССВО 50
2.3.Выбор и обоснование структуры системы каналообразования СУССВО 61
2.4.Анализ требований к объему управляющей информации СУССВО 64
2.5.0пределение функциональной зависимости, связывающей основные информационные характеристики «элементарного» модуля каналообразования СУССВО 70
Выводы по второй главе. 73
3. Повышение функциональной надежности СУССВО в части ее информационной безопасности , 74
3.1.Метод повышения функциональной надежности СУССВО в части ее информационной безопасности, 74
3.2.Математическая модель уязвимости СУССВО 82
З.З.Расчет среднего времени прохождения управляющего пакета в СУССВО 86
Выводы по третьей главе 92
4. Практическая реализация предложенных решений по повышению функциональной надежности СУССВО ,93
4.1. Аппаратная реализация «элементарного» модуля связи ,93
4.2.Алгоритмическое обеспечение и программная реализация предложенного метода повышения функциональной надежности СУССВО 100
4.3.Внедрение полученных результатов 107
Выводы по четвертой главе 109
Заключение 110
Литература
- Система управления сетью связи ведомственного оператора как объект исследования
- Критерии качества функционирования сети связи ведомственного оператора и их систем управления
- Методы построения структур систем управления сетями связи ведомственного оператора
- Аппаратная реализация «элементарного» модуля связи
Введение к работе
Актуальность и перспективность работы. Одним из наиболее развивающихся на сегодняшний день рынков является рынок телекоммуникационных услуг. Современный мир уже нельзя представить без использования телефонной связи, сети Интернет. В то же время связь необходима для организаций и ведомств, данные которых не должны пересекаться с доступными информационными ресурсами. Такие ведомства строят свои собственные сети связи, доступ к которым есть только у них. Такие сети называются сетями связи ведомственного оператора.
В работе под ведомственным оператором подразумевается системы сети связи, представляющие собой совокупность сети связи общего пользования (территориальной сети связи), полевых систем связи и специальных систем связи.
На сегодняшний день проблема заключается в сложившемся противоречии между возрастающими требованиями к системам управления специального назначения по длительности цикла управления с одной стороны и возможностями его реализации с использованием старых системных подходов к построению системы связи и автоматизации с другой.
Технический уровень и темпы развития систем связи значительно уступают аналогичным системам развитых зарубежных государств и не обеспечивают достижения паритета с экономически развитыми государствами, например, в области управления войсками и оружием, организационная и техническая разобщенность различных подсистем обусловливают низкую технико-экономическую эффективность использования имеющегося ресурса.
Существующая система управления сетью связи ведомственного оператора и, тем более, перспективная на основе принципов TMN не стыкуются с системами управления связью силовых ведомств ни на организационном, ни на техническом, ни на функциональном уровнях.
Особое значение при создании СУССВО приобретает необходимость экономного использования канального ресурса. Автоматизация процессов коммутации на узлах связи пунктов управления (УС ПУ) и на коммутационных центрах (КЦ) позволит перейти к коммутируемым сетям связи, что значительно повысит коэффициент использования каналов и снизит тем самым требуемое число каналов в сети в 3-4 раза при сохранении заданной пропускной способности сети, при этом значительно повышается живучесть и надежность за счет организации обходных путей для каждого направления связи [1,2].
В задачи ведомственного оператора входит не только передача данных, но и управление каналами связи в интересах конечного потребителя и гарантирование доставки как передаваемой информации, так и управляющей. Одной из главных проблем в системе связи является проблема гарантированной доставки сообщения до конечного потребителя. Решение задач управления является одной из важнейших целей в «Концепции развития взаимоувязанной сети связи Российской Федерации»[3]. В частности, в руководящем документе [4] указывается, что «Взаимоувязанная сеть связи Российской Федерации - это комплекс технологически сопряженных сетей электросвязи на территории Российской Федерации, обеспеченный общим централизованным управлением». Задача управления каналами связи, оборудованием и защитой от вмешательства извне является первостепенной при организации всей сети связи в целом.
Развитие инфраструктуры связи осуществлялось неравномерно. Этим обусловлены особенности ведомственных сетей связи, на которых в настоящее время функционирует телекоммуникационное оборудование разных поколений. Кроме того, на сетях связи используются различные телекоммуникационные технологии и оборудование разных производителей, включая системы сетевого управления.
Таким образом, проблемы внедрения системы управления сетями связи могут быть определены следующими факторами [5]:
использование в сетях связи большого числа устаревших аналоговых систем, не имеющих средств контроля функционирования и удаленного воздействия на систему;
большое разнообразие типов телекоммуникационного оборудования, эксплуатируемого на сетях связи;
использование различных средств технической эксплуатации и систем управления разных производителей, что затрудняет осуществление взаимодействия между ними.
Оператор ведомственной сети связи располагает совокупностью сетей связи различных типов: телефонные сети общего пользования, сети мобильной (полевой) связи, сети доступа, интеллектуальные сети, сети сигнализации и так далее, построенные на базе транспортных сетей. Для оператора наиболее важным является обеспечение соответствующего уровня функциональности, управляемости и надежности эксплуатируемых сетей, а также уровня обслуживания и оперативности устранения неисправностей [6].
При построении систем управления сетями электросвязи в настоящее время применяется концепция сети управления электросвязью (TMN), предложенная Международным Союзом Электросвязи (ITU) [7].
Общие положения концепции TMN определены в рекомендации ITU М.ЗОЮ [8], согласно которой, сеть управления электросвязью представляет собой специальную инфраструктуру, обеспечивающую управление сетями электросвязи и их услугами путем организации взаимодействия с компонентами различных сетей электросвязи посредством сети передачи данных на основе единых интерфейсов и протоколов обмена управляющей информацией.
Система управления сетью связи ведомственного оператора как объект исследования
Оператор ведомственной сети связи располагает совокупностью сетей электросвязи различных типов, таких как телефонные сети общего пользования, сети мобильной (полевой) связи, сети доступа, интеллектуальные сети, сети сигнализации и так далее, построенных на базе транспортных сетей. Для оператора наиболее важным является обеспечение соответствующего уровня функциональности, управляемости и надежности эксплуатируемых сетей, а также уровня обслуживания и оперативности устранения неисправностей [26,27].
Для эффективного управления современной телекоммуникационной сетью необходима интеграция данных от большого количества различных систем управления эксплуатацией для того, чтобы обеспечить глобальное представление статуса сети в любой момент времени.
В целях повышения эффективности функционирования сетей электросвязи необходимо наличие автоматизированной системы управления для каждой сети. Данная система призвана обеспечить автоматизацию всех процессов управления отдельными элементами сети и сетью в целом, а также поддержку процессов предоставления услуг, процессов взаимодействия с потребителями (абонентами), контроль и управление качеством предоставления услуг, взаимодействие между услугами и поставщиками услуг [28-34].
Таким образом, СУССВО представляет собой интегрированную систему управления телекоммуникационной сетью, которая объединяет совокупность систем управления отдельными типами ресурсов электросвязи.
В обобщенном виде структура сети связи представляет собой набор узлов связи, соединенных магистралями или линиями связи. Узлы связи состоят из модулей, соединенных между собой.
Сеть связи состоит из осевых и рокадных линий (магистралей) связи, далее осей и рокад. В точках пересечения осей и рокад размещаются узлы связи. Пример типовой структуры сети связи приведен на рис. 1.1.
Для управления сетью связи на ней создается «наложенная» сеть системы управления. Система управления сетью связи состоит в обобщенном виде из пунктов управления сети, каналов связи передачи данных управления с определенной пропускной способностью и оборудования управления объектами (узлами связи или элементами сети).
Укрупненная структура сети связи ведомственного оператора представлена на рис. 1.2:
Как следует из рис. 1.2 задача СУССВО заключается в формировании таких управляющих воздействий W(t), которые при действии возмущений F1, F2 и при существующих ограничениях на структуру и параметры СУССВО обеспечивали бы функционирование сети связи ведомственного оператора и заданную функциональную надежность. Для этого необходимо при проектировании СУССВО заложить такие структурные и информационные решения, которые бы позволяли бы адекватно реагировать на действие этих возмущений.
Основные функциональные узлы и связи между ними в системе управления сетью связи ведомственного оператора представлены на рис. 1.3.
Оборудование пункта управления решает сетевые задачи организации каналов связи, передачи управляющей информации, задачи коммутации с другими модулями.
Каналы связи передачи данных управления предназначены для организации взаимодействия между пунктами управления сетью, пунктами управления сетью и оборудованием управления элементов сети, а также между оборудованием управления элементов сети.
Оборудование управления объектом предназначено для непосредственного оперативного решения задач управления узлом связи в соответствии с информацией, поступающей по каналам управления от пункта управления или оборудования управления взаимодействующего узла.
Каждый узел представляет собой комплекс технических средств разного уровня и сложности, объединенных функционально решаемыми задачами, главной из которых является обеспечение транзита оперативной (предназначенной для потребителей - абонентов) информации по каналам сети связи, а также ее выделение в случае необходимости.
Управление конкретными техническими средствами осуществляется через устройство управления узла.
Описанная структура используется в жестких условиях эксплуатации, в частности, полевых, то есть одним из основных критериев к работе этой системы является ее функциональная надежность (гарантоспособность).
Каналы управления на сети связи имеют надежность, которую можно охарактеризовать вероятностью безотказной работы, равной 0,93 при условии, что система управления должна проработать не менее 360 часов [35]. Однако с учетом современных требований данная величина должна составлять не менее 0,99. Оборудование управления узлом связи, состоящее из аппаратуры управления, ЭВМ и внутриобъектовых каналов управления, имеется в каждом элементе сети и поэтому повышение его надежности соответственно во многом определит функциональную надежность сети управления. Отсюда актуальной становится задача повышения надежности компонентов канала управления структурными или иными методами [36].
Другой важной компонентой функциональной надежности СУССВО является ее безопасность. На сегодняшний день для СУССВО, работающих в полевых условиях, угроза безопасности на каналах связи характеризуется вероятностью Ругр=0,1 - 0,3 [10]. При наличии современных средств перехвата эта величина является недопустимо большой. Поэтому актуальной является задача разработки методов и средств повышения уровня безопасности, а именно, уменьшение уязвимости не менее чем на порядок.
Критерии качества функционирования сети связи ведомственного оператора и их систем управления
Понятие качества связи ведомственного оператора трактуется как свойство специальной связи, характеризующее способность обеспечивать своевременную, достоверную и безопасную передачу информации [27].
Своевременность связи ведомственного оператора [27] характеризует способность специальной связи обеспечивать передачу (доставку) сообщений или ведение переговоров в заданные сроки. Основными характеристиками своевременности являются допустимое время передачи (доставки) сообщений или допустимое время предоставления переговоров и вероятность того, что время передачи (доставки) сообщений или предоставления переговоров не превысит требуемого.
Достоверность связи ведомственного оператора [27] характеризует способность специальной связи обеспечивать воспроизведение передаваемых сообщений в пунктах приема с заданной точностью.
Безопасность связи ведомственного оператора характеризует способность специальной связи обеспечивать сохранение в тайне от противника содержание передаваемой информации и сам факт ее передачи, для чего используется комплекс организационно-технических мер и средства автоматического засекречивания информации [28, 29]. Одной их характеристик безопасности является коэффициент закрытия каналов связи.
В соответствии с основным назначением специальных систем связи качество их функционирования необходимо оценивать, прежде всего, с точки зрения своевременности передачи сообщений [37], поступающих в сеть.
Условие своевременной передачи сообщений может быть представлено следующим образом [30]: Р(ТС ТсДоп) РДо"(Тс ТсДоп) (1.13) где _ с__ вр_емя пег едачії ообщений; ГГДОП іс - допустимое время передачи сообщении; Р - вероятность своевременной передачи сообщений.
Поэтому эффективность процесса передачи информации, а также эффективность управления этим процессом оценивают по критерию своевременности передачи информации. В качестве его характеристики используется вероятность своевременной передачи сообщений при заданных требованиях на время их передачу [22,31, 32, 38]. РСПС=Р(ТС Т? ") (,.,4)
Своевременность передачи сообщений в ССВО, в основном, будет определяться пропускной способностью сети и ее устойчивостью [37]. Основной характеристикой пропускной способности ведомственных ССОП является суммарная обслуженная нагрузка ад=2д(и) (Lis) где Y; - обслуженная нагрузка в /-м направлении связи при качестве обслуживания, определяемым параметром р,.
Устойчивость ведомственных сетей связи определяется тактико-техническими возможностями применяемых средств связи, принципами построения структуры сети и организационно-техническими мерами защиты сети от внешних и внутренних воздействующих факторов. Устойчивость является комплексным свойством, состоящим из живучести, надежности и помехоустойчивости. Заданные характеристики надежности ССВО закладываются в процессе ее проектирования [32, 33] и поддерживаются в процессе эксплуатации путем организации технического обслуживания (ремонта). Характеристика живучести определяет вероятность выживания элементов ССВО в период массированных ударов противника. Помехоустойчивость характеризует степень снижения производительности сети в период массированного действия помех.
Следует отметить, что помимо основной характеристики качества функционирования ССВО - Репс могут применяться и другие характеристики качества
Методы построения структур систем управления сетями связи ведомственного оператора
Под синтезом структуры системы управления сетями связи ведомственного оператора понимается определение количества устройств управления, объектов управления, а также состава связей между ними. Очень часто для синтеза структуры ее представляют в виде графа G(N,M), где N -количество вершин (КЦ), М- количество ребер (ветвей).
Принципиальной особенностью задачи синтеза является то, что нет универсальных методик формального перехода от заданных свойств к структуре системы управления сетью связи ведомственного оператора. Поэтому задача синтеза, как правило, решается многократным анализом структур, выбираемых по определенному правилу из множества вариантов.
Наиболее часто при выборе структуры системы управления рассматривают следующие характеристики, которые выбирают в качестве критериев оптимизации [21,66,72, 73, 98]:
1. Стоимость структуры системы управления. Обычно под стоимостью понимают приведенные затраты на сооружение и эксплуатацию системы управления, которые аппроксимируются некоторой линейной или нелинейной функцией первых двух характеристик.
2. Надежность и живучесть структуры системы управления. Если надежность или живучесть отдельных элементов структуры не удовлетворяет заданным требованиям, структура сети должна предусматривать необходимое резервирование или обходные пути.
Задачи синтеза структуры СУССВО только по одному из перечисленных критериев с известными оговорками могут быть решены с использованием строгих математических методов [39, 72, 113,114]. Однако синтез оптимальной структуры одновременно по двум или нескольким из перечисленных критериев сопряжен с огромными теоретическими и вычислительными трудностями и, в общем виде, на современном уровне знаний в строгом смысле понятия оптимизации неосуществим [70,73].
Структура СУССВО должна удовлетворять критерию связности и допускать такое распределение потоков и пропускных способностей каналов, которое обеспечивает малое время установления соединения, малую стоимость сети. Очевидно, что включение вопроса о выборе пропускных способностей в алгоритм определения оптимальной структуры сети еще более усложняет рассматриваемую проблему.
Наиболее хорошо отработанными являются методы синтеза структуры СУССВО, базирующиеся на процедурах расчета в «путевой» форме и методах сечений. Поскольку эти методы учитывают ограниченный круг исходных данных, то обязательным этапом синтеза структуры сети связи должно быть улучшение полученного решения с целью учета всех исходных данных при проектировании [32, 81].
Например, решение задачи Штейнера в общем виде неизвестно, однако, есть все основания ожидать [21, 31], что при проектировании практически любой реальной стационарной сети вряд ли удастся получить ощутимый экономический эффект путем добавления узлов, тем более, что их сооружение сопряжено с дополнительными затратами.
Недостатком описанного метода является излишне большой объем просматриваемых вариантов, особенно для сетей с большим числом узлов при числе ветвей, далеком от полносвязной структуры. Поэтому рассмотренную группу эвристических методов естественно дополнить методами синтеза структуры, базирующимися на кратчайшей связывающей сети и предусматривающими добавление оптимального числа ребер [68,114].
Точный метод может быть эффективно использован в сочетании с приближенным методом, позволяющим найти варианты сети, имеющие достаточно большую вероятность оказаться оптимальными. Знание этих вариантов ускоряет процесс поиска оптимального варианта по точному алгоритму. С этой целью может быть использован приближенный алгоритм решения [73, 81], который заключается в повторяющейся процедуре добавления и исключения ребер для улучшения стоимостной оценки сети, начиная от структуры существующей сети. При этом как бы осуществляются колебательное движение около оптимального варианта и постепенное приближение к нему. Состав ребер, подлежащих добавлению или исключению, последовательно сужается, и, в конце концов, определятся вариант сети, который нельзя улучшить по стоимости ни добавлением, ни исключением ребер. Он принимается за оптимальный [73].
Аппаратная реализация «элементарного» модуля связи
В настоящее время на сети связи ведомственного оператора применяется оборудование управления, структурная схема которого приведена на рис.4.1. Блок КМК - устройство на основе микроконтроллера, обеспечивающее организацию мультиплексных каналов с резервированием для управления внутри объекта Блок ПК - устройство на основе микроконтроллера, обеспечивающее организацию управления внутри объекта по шине провод-команда. Блок АК - устройство на основе микроконтроллера, обеспечивающее организацию каналов управления между объектами. В блоке реализована часть функций (нижние уровни) обработки управляющей информации. Блоки КМК, ПК и КМК в аппаратуре работают под управлением микро-ЭВМ и подключены к микро-ЭВМ через ОЗУ обмена через магистрали ОУ (объектов управления) и КП (коммутатора пакетов).
Fl, F2, F3 - устройства, обеспечивающие согласованную работу блоков и магистралей под управлением микро-ЭВМ без «конфликтов» и порядок подключения магистралей к ОЗУ обмена.
Микро-ЭВМ обеспечивает интерфейс с оператором, обработку управляющей информации, формирование и коммутацию пакетов, а также управление оборудованием (аппаратурой) мультиплексирования, образования линейных трактов и коммутации.
Оборудование реализовано в составе комплекса аппаратуры цифрового каналообразования П331М [101] и функционально привязано к используемому оборудованию многоступенного мультиплексирования и представляет собой сложную структуру.
Оно выполняет следующие функции: обеспечение связи оператора с аппаратурой (интерфейс); организацию внутриобъектовых каналов управления (блоки КМК, ПК); организацию каналов сетевых каналов управления, в том числе их коммутацию (блок АК); обработку управляющей информации, поступающей по каналам управления (блок микроЭВМ).
С целью обеспечения высокой надежности оборудование управления содержит резервные блоки КМК, ПК и АК.
Разработанный на базе НИИ «Солитон» современный комплекс технических средств для применения на сетях связи ведомственных операторов учитывает тенденции построения оборудования, а также предложения, сформулированные в диссертации в части обеспечения устойчивого и надежного управления.
С целью уменьшения количества ступеней мультиплексирования и уровней коммутации (глава 2) «элементарный» модуль связи выполнен в виде одного изделия. Изделие строится по шинному принципу и включает в свой состав все типы оборудования (управления, коммутации, каналообразования, образования линейных трактов, мультиплексирования и т.д.). Имеется две основные шины: управления и данных (телекоммуникационная). Соответственно, основой аппаратуры являются блоки управления (УПР) и коммутации (К).
Шина управления формируется контроллером КНТ блока УПР и соединяет все блоки мультиплексора. Телекоммуникационная шина формируется коммутаторами блока К. Проведенный по методике, приведенной в главе 2, многокритериальный анализ функциональной надежности позволил выбрать и реализовать оптимальную структуру оборудования управления.
Проведенный расчет требований к пропускной способности сети управления обеспечил выбор оптимального соотношения между объемом передаваемой управляющей информации, скоростью передачи и количеством каналов управления, а также временем, необходимым для управления, т.е. надежное (устойчивое и качественное) управление и нормальное функционирование сети. В результате получено, что один блок УПР и один блок К в составе аппаратуры обеспечивают все необходимые функции управления при минимальных аппаратных затратах.
