Введение к работе
.;. . і
; -л С
-»—^_'^'^&туальность теш. Проблема разработки и построания экономически эффективных распределенных информационно-вычислительных сетей (ИБО, гарантируют требуемое качество обслуЕквания абонентов как в заданных, так и изменяющихся условиях эксплуатации, является одной из вчкнейших современных научно-технических п экономических проблем.
Обеспечение требуемого качества обслуживания абонентов и эффективное распределение ресурсов КВС осуществляет автоматизированная система управления (АСУ), в которой выделяются три части: система динамического управления потоками (СДУ), система технической эксплуатации (СГЭ) и система организациошю-техничес-кого пли административного управленій (САУ).
Проектирование, создание и эксплуатация ИВС требуют большой капиталоемкости и значительных эксплуатационных затрзт. Сокращение капитальных вложений обеспечивается внедрением новой техники и новой технологии, применением высокоэффективных методов автоматизированного провктироваїгая. Снижение эксплуатационных расходоз реализуется посредством автоматизации процессов технического обслузхизания и ремонта, а такке за счет структурло-функци-оналыюй оптимизации АСУ ИВС Столь сложная задача, состоящая в повышении экономической эффективности ИВС при одновременном повыпенш качества обслуживания абонентов, не может быть решена без современных математических методов, адекватных математических моделей, методов автоматизированного проектирования.
Надежность и кявучесть ИВС существенно влияет на качество обслугивания абонентов и зависят от организации СТЭ и САУ. Поэтому решение общей задачи проектирования ИВС долкно включать оптимизацию структуры, состава и процедур АСУ. Важность развитая комплексного системного подхода подтверждается тем, что по имеющимся оценкам затраты на эксплуатации ИВС существенно превосходят стоимость их разработки и создания. Шесте с тем в настоящее время отсутствует комплексные модели для решения задачи структурно-параметрической оптимизации ИВС соьчестно с АСУ с учетом надежности и гкеу-чести сети, состава п организации автоматизированной „истемы технической эксплуатации, взаимной зависимости работоспособности элементов (например, при ограниченном восстановлении, типичном для СТЭ), а такте процедур управления потоками в условиях действия
-2-отказов, помех и поражающих факторов.
Попытки простого механического объединения отдельных моделей для оценки производительности, структурной надежности и живучести в одном алгоритма проектирования не приносят желаемого эффекта прежде всего потому, что эти модели изначально создавались без учета взаимной зависимости указанных свойств сети. Такое положение задернивает разработку ИВС со сбалансированными затратами по всем этапам жизненного цикла сети, приводит к дорогостоящим доработкам и неоправданному увеличению численности персонала-систем технической эксплуатации и административного управления на этапе использования сети по назначению.
Целью диссертационной работы является теоретическое обоснование и разработка на основе системного подхода новых методов, комплексных моделей и средств для анализа и оптимизации распределенных ИВС совместно с СТЭ с учетом надежности и аагаучести, а также динамического и статического управления . потоками в условиях действия отказов, помех и поражающих факторов.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:
U Развитие методики структурно-параметрической оптимизации распределенной ЮС коммутации пакетов совместно с СТЭ на случай аналитических методов описания и анализа оперативности, производительности, надежности и живучести сети при параметрическом представлении помехоустойчивости с учетом процедур управления потоками и структурной реконфигурации в условиях действия отказов, помех и поражающих факторов.
2„ Разработка математических моделей для расчета показателей качества обслуживания, абонентов сетью коммутации пакетов в режиме виртуальных соединений учетом надежности, помехоустойчивости и Еивучести для алгорипюв' фиксированной маршрутизации и маршрутизации, адаптивной к отказам и помехам.
3. Разработка логико-вероятностных методов построения
вероятностной функции работоспособности сети при зависимости
между елементами, обусловленной ограниченным восстановлением,
типичным для системы технической эксплуатации, характером неблаго
приятных воздействий и другими факторами, присущими для реальных
условий функционирования ИБО.
4. Разработка метола, алгоритмов и моделей для расчета надеж
ности восстанавливаемой сети с учетом организации системы тех-
ническоЯ эксплуатации.
5. Разработка методов и моделей для расчета глвучосги сота
для представительного набора стратегий многократных локальних и
распределенных неблагоприятных воздействия.
6. Разработка моделей производительности и иэделзюсти
мульгимшсропроцессорного узла пакотіюй коммутации для различии
стратэгА ремонтного обслуживания, с учетом неидзальпости средств
контро.) я, диагностики и реконфигурации.
7. Разработка алгоритмов и програвших средств для анализа
и оптимизации распределенных ИВС и СТЭ на основе Еыпоуказакша:
методов и моделей.
Метода исследований базируются на аппарате теоріш массового обслуживания, теоріш графов, математической логики, теоріш вероятностей, методах оптимизация, системотехники и информатики. Методологическую основу исследований составляет СИСТЄШПІЙ подход, базирующийся на построении обхих -моделей, учитывающее одновременно различные свойства ИВС, что позволило разработать теоретически? основы комплексного исследования и сптімізащпі ИВС.
Научная новизна состоит в разработке па основе ко/.ттлоксного подхода иерархической системі моделей и методов исследования распределенных ИВС совместно с АСУ, учитывающих в совокупности и взаимосвязи свойства производительности, оперативности, иадзїлюслі, кивучести и помехоустойчивости сети. Впервые
разработана иерархия математических моделей и мотодов исследования качества функциошіровашія распределении?. ИВС, основазшая на параметрической декомпозиции показателей основ'їнх свойств ИВС, что позволило решить задачу структурно-параметрической оптимизации сети ком-мутации пакетов с виртуальными соединениями и адаптивной маршрутизацией с учетом организации СТЭ и процедур управления потоками в условиях действия отказов, помех и пера-аакЕПпс факторов:
разработаны двухуровневые модели и методы расчета надежности сета с учетом в совокупности организации системы технической эксплуатации, ограниченного восстановления, различных способов структурного резервирования, ограниченной пропускной способности элементов сети, стратегии ремонтного обслуживания и ноидеальности средств контроля, диагностики и реконфигурации»
разработаны и обобщены модели и методы расчета живучести сети на случи многократных распределенных и локальных неблагоприятны?. воздействий с пассивной и активной стратегиями для монототгаЗ и
- 4 -немонотонной функций работоспособности сети.
На зглріту ешюсятся следующие новыэ научные результатні
совокупность математических моделей для расчета и оценок вероятностно-временных характеристик качества обслукивания абонентов распределенной КВС коммутации пакетов с виртуальными соединениями и адаптивной маршрутизацией с учетом надежности, помехоустойчивости и живучести;
математические модели, алгоритмы и метода для расчета и двусторонних оценок надежности восстанавливаемой сети,которые в отличие от известных учитывают организации СТЭ, ограниченное восстановление, структурное резервирование.элементов, ограниченную пропукную способность компонентов сети, стратегии ремонтного обслуживания, неидеальиость средств контроля, диагностики и реконфигурации в узлах;
математические модели и методы для расчета амвучести сети при многократных неблагоприятных воздействиях активной и пассивной стратегий, которые в отличие от. известных не ограничиваются классом монотонных функций работоспособности, допускают как точечные, тдк и распределенные воздействия, позволяют рассматривать вендбктичные элементы, отличающиеся параметрами уязвимости.
- математические модели производительности и надежности
мультиаикропроцессорного узла коммутации пакетов, учитывающие в
отличие от известных как структурно-функциональную организацию
вычислительной систеш, так и стратегию ремонтного обслуживания и
неидозльность средств контроля, диагностики и реконфигурации;
- методика и алгоритмы структурно-параметрической оптимизации
распределенных ИВС и СТЭ по критерию минимума приведенных затрат
при заданных ограккчеїшях на вероятностно-временные характеристики
качества обслуживания абонентов и допустимый информационный ущерб
сети, определяемый как спад производительности, обусловленный
отказами, помехами и неблагоприятными воздействиями. В отличие от
известных методика учитывает влияние организации и процедур
СДУ,СТЭ и САУ на качество обслукивания абонентов.
Практическая значимость диссертационной работы состоит в роаекии ваяней народнохозяйственной проблемы создания инженерной методики и кнетрумэнтальных программных средств для решения задач структурно-параметрической оптимизации ИВС совместно с СТЭ с учетом надежности, помехоустойчивости и живучести, направленных на обеспечение высоких технических, экономических и эксплуатационных
характеристик проектируемых сетей. Результаты работы позволяют научно обоснованно я эффективно решать такие вакпые для практики задачи, как оценка вариантов структурно-функциональной организации ИВС и СТЭ, определение требований к техническим характеристикам узлов, каналов связи, центров технической эксплуатации, выбор стратегий и параметров СЛУ и СДУ, комплексная оценка основных свойств сети посредством расчета показателей оперативности, производительности, надеигости и іивучести сети. Результаты работы позволяют за счет автоматизации расчетов и оптимизационных процедур существенно повысить качество и эффективность проектних решений и во многих случаях одновременно сократить сроки разработок.
Степень обоснованности и достоверности научных результатов. Все научные результаты дассевтеїмонной работы строго обоснованы. Фактический материал, служащий для построежія моделей функционирования №0 и ее компонентов с учетом организации СТЭ и управления потоками, июгократно апробирован при создании реальных сетей и подробно изложен в научно-технической литературе.
Достоверность научных результатов и выводов подтверждается строгими математическими доказательствами теоретических полохоний, корректшал использованием математического аппарата теорії:: массового обслуживания, теории вероятностей, математической логшш, теории графов и методов оптимизации. Корректность принятых допущений, достоверность предложенных моделей и методов подтверждается мшинншш п стендовое! экспериментами, а тск;:;о результатами практического использования в конкретных разработках.
Реализация результатов работа состоит
-
в создании методического, алгоритмического и программного обеспечения для решения задач анализа и оптимизации распределенных ИВС с учетом надежности, помехоустойчивости и живучестиі
-
в решении конкретных задач для ряда организаций с целью оценки показателей качества обслуживания абонентов, надежности и живучести ИВС. выбора способов и объема резервирования, организации системы технической эксплуатации, совершенствования структур проектируемых и эксплуатируемых ИВС и их компонентові
-
в промышленном использовании методов и программных средств при создании различных ИВС и их компонентов!
4) в разработке учебно-методического и программного
обеспечеггая, используемого в учебном процессе в ВУЗах и системе
поБ'лаения квалификации по специальностям и дисциплинам, связанными
-6-. с изучением организации, методов исследования и проектирования ИВС, вычислительных систем и сетей связи.
Разработанные модели, методы и программные средства внедрены: в ЛНПО «Красная Заря- при проектировании и отработке высокопроизводительного мультишкропроцессорного узла пакетной коммутации и разработке проектных решении для сети коммутации пакетов; в НПО -Дальняя связь» при разработке и модернизации автоматизированных узлов связи в рамках ОКР; в НІЖ систем связи и управления при разработке и исследовании приоритетных направлений и концепцій развития сетей связи, а такие при внрзботке проектных решений' к требований к комплексам и образцам техники связи-, в КПК Система* ЛНГЮ -Электрокмаш- при структуризации многоуровневой системы автоматизации спецтохнологаческих процессов и создании стендовой систем управления отработкой спецтехнологкй на основа вычислительных сетей в рамках плановых ККОКР и в ряде других организаций. Разработанные методики и программные средства проклп промышленное использование в НПО "Дальняя связь", НПК "Система-, институте надежности маїлш и технологий. ЛН РСФСР , а такте при проведении плановых хоздоговорных НИР и работ по договорам о научно-техническом сотрудничестве з Ленинградском механическом институте на кафедре вы целительной техники, выполнявшихся в рачках комплексних програм,,! о совместных НИР, регламентированных координационным планом фундаментальных и прикладных исследований по проблеме "йкформациошю-вычнелятелыше сети» (шифр 1.13.8) на 1936-1990 гг. Научного совета по комплексной проблеме "Кибернетика- АН СССР, а такта Постановлением ГКНГ СССР от 19.11.87 А 435 и РешениямиГос.комиссии СМ СССР от 05.10.85 й 323 и 4.07.83 й 251.
Разработанные программные средства передоїш в ГосМП СССР и демонстрировались на ВДНХ СССР в г.Москве.
Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс на кафедре вычислительной техники ЛМИ, на факультете повишеїшя квалификации преподавателей в ЛМИ, в Ленинградском институте повышения квалификации руководящих Работников и специалистов министерства связи СССР, Ленинградском институте точной механики и опта.л, Ленинградском государственном техническом университете, Ркеском политехническом институте, на кафедре автоматизированных систем управления и вычислительной техники Московского текстильного института, в Военном гглкнерне-космлчеекзм інституте имени А.Ф.Мч-ж.чао.сго, Заводе-ВТУЗе при ПО турбостроения ".л>і!П!:п-';д.:::пй
- 7 -металлический завод".
Теоретические и практические результаты диссертации использовались при подготовке 5 кандидатских диссертаций на кафедре вычислительной техники ЛМК. АЕТор лично подготовил 2 кандидатов технических наук.
Внедрение результатов исследований подтверждается соответствующими документами.
Апробация работа. Основные результаты работы долозены и обсуззденн на 44 республиканских. Всесоюзных и международных конференциях, совещаниях и семинарах, в том числз на Международной конференции "Проблемы функционирования информационных сетей (г.Новосибіфск ,1991 г.), Yu совєтско-ительянсксм семинаре -Сети пакетной коммутации ЭВМ:архитектура сетей и теория протоколов -(г.Ленинград,. 1989 г,), Всесоюзной конференции « ХСизучесть и реконфигурация шформаиионно-Бичислительных и упрзвлысзпа систем (.г.Алушта, 1983 г., г.Севастополь, 1991 г.), ХГ-АТ Всесоюзных семинарах по вычислительным сетям (г.Рига, 1986 г.; г.Одесса, 1987 г.! г.Алма-Ата, 1988 г.; г.Минск, 1989 г., г.Ленинград, 1990 г.), 2-й, 4-й, 5-й и 6-Й Есессюзных конференциях "Вычислительные сети коммутации пакетов" (г.Рига, 1981, 1985, 1987, 1989 г.г.), 3-й, 4-й и 5-й Всесоюзных Еколэх-секинарах по распределенным автоматизированным системам массового обслуживания (г,.Еикнііца, 1981 г.і г.Кутаиси, 1987 г.t г.Рига, 1988г.), на 1-м и 3-м Всесоюзних совещаниях по автоматизированным системам массового обслуживания (г.Нальчик, 1982 г.; г.Винница, 1990 г.), 2-м Всесоюзном семинаре v я 3-м Всесоюзном симпозиуме "Перспективы развития вычислительных систем (применение идей адаптации п эволюции)" (г.Рига, 1985, 1989 г.г.), 1-й и 2-й Всесоюзных конференциях "Моделирование систем инф.)шзтики" (г.Новосибирск, 1988, 1990 г.). Всесоюзной школе-семинаре молодых ученых «Методы искусственного интеллекта в САПР я(г.Гурзуф, 1990 г.), 2-м Всесоюзном совещании по автоматизированному проектированию программного обеспечения систем управления ДБИгуцимнся объектами (Рыбачье, 1989 г.), X Всесоюзном симпозиуме по проблеме избыточности в информационных системах (г.Ленинград, 1989 г.), 3-м Всесоюзном совещании Высокопроизводительныо вычислительные систеш (г.Таллин, 1988 г.), Всесоюзной научно-технической конференции -Методы анализа надежности программного обеспечения вычислительных систем реального времени на основе моделей нечеткой логики и качественных описаний" (г.Киев, /987 г.), 4-й Сибирской
- 8 -Еколе молодых ученых по технологии разработки пакетов прикладных программ (г.Иркутск, 1981 г.). Всесоюзной конференции Многомашинные системы автоматизации научных исследований (г.Рига,
1978 г.), Всесоюзном совещании «Автоматизация проектирования
систем автоматического и автоматизированного управления
(г.Челябинск, 1978 г.). Всесоюзном семинаре 'Пакеты прикладных
программ САПР» (г.Люллемяз, 1978 г.), на научно-технических конфе
ренциях и семинарах - "Автоматизация проектирования" (г.Москва,
1978 г.), "Автоматизация проектирования и испытаний информационно-вычислительных систем, создаваемых на базе существующих сетей связи-- (г.Киев, 1983 г.), "Современные вероятностные методы исследования информационно-вычислительных сетей и систем (г.Гродно. 1988, 1989, 1991 г.г., г.Витебск, 1990 т.), "Математические и программные метода проектирования управляющих и информационных систем * (г.Пенза, 1983 г.), "Пуп: создания интегральных цифровых сетей связи* (г.Ленинград, 1983 г.), Интегральные сервисные цифровые сети связи с коммутацией пакетов (г.Ленинград, 1986 г.), на семинара секции минимашин и диалоговых систем обработки информации Научного совета по автоматизации научных исследований и проблемам кибернетики АН Латв.ССР в институте электроники и вычислительной техники (г.Рига,
1979 г.), городском семинаре комиссии по информационно-
вычислиельшад системам мекотраслзвого комитета по управлению
(г.Ленинград, 1979г.), городском семинаре постоянно
действующей комиссии по теории надежности (г.Ленинград, 1988 г.),
постоянно действующем семинаре «Оптимизация структур сетей связи »
секции передачи и телеобработки данных. Всесоюзного КТО РЭС им.А.С.
Попова (г.Ленинград, 1987, 1990, 1991 г.г,), на научно-технических
семинарах кафедры вычислительной техники ЛШ, кафедры
вычислительной техники ЛИТМО, кафедры вычислительной техники РПИ,
кафедры передачи дискретных сообщений ЛЭКС.
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание работы, изложены в 66 печатных работах, в том числе в 1 монографии и 3 учебных пособиях. Часть результатов отраяена в 24 отчетах по б НИР, з которых автор являлся научным руководителем темы или соответствующего раздела.
Структура и объеи работы. Диссертация состоит из введения, в разделов, заключени'7,, списка литературы.из 309 наименований на 30 страницах а прплокений, содержащих доказательства и выводы теоретических результатов, примеры расчетов надежности и живучести
сетей, описания алгоритмов, обаиэ характеристики пакетов прикладних щюграмгд.
Диссертация содержит 267 страниц основного текста, 32 рисунка и 30 таблиц.
Во введении обосновывается актуальность теш диссертации, формулируется ее цель и основные результата, вшюсяшо па зааиту.
В первом разделе рассмотрена проблема проектирования ИВО о учетом надежности, гзшучести и помехоустойчивости. Кратко описаны структура, состав п прлнцшш построения распределенных ИВО на основа системных концепций, изложенных в работах Мизина И.А., За -харова Г.П., Советова Б.Я., Якубактпса Э.А. и других ученых. Отмахни перспективность создания такой сети на базе единой цифровой сети интегрального обслуживания (ЦСИО), которая предоставляет пользователю широкий спектр различных видов сервиса с eucokhm качеством обслуживания. Перечислены учитиваеше в далыгеПзсн з диссертация основные прішціпш, на которых базируется асинхронный регим передачи, используязщий механизм быстрой коммутация пакотсв и подоконный в основу концепции построопия широкополосной ЦСІЇО.
Описаш основные функции и принципи построения АСУ сети.
Перспективна.! и результативним, однако и более слояпыи s реализации математических моделей и методов, является подход, состояний в оценке показателей качества обслуззшакпя абонентов сетьэ, как ненадаяюй восстанавливаемой системой, подЕоргапной действия отказов, помех и поракявдях факторов. При данном подходе качество функционирования сети наиболее полю, характеризуется вероятностно-временными характеристиками (ВВХ) доставки сообщений (пшеетов) абоненту, определявдими качество обслугзшапия абонентов, п производительность» сети, зависящими от показателей надвгяоета, ятучвети и помехоустойчивости.
Приводится определение свойств надежности, Еивучести в помехоустойчивости сети связи. Рассматриваются фактора, олределявдие эти свойства. Приводится классификация шделируеьых неблагоприятных воздействий (НВ), используемых при оценке живучести сети. Вводятся и обосновывается система показателей для различных свойств сети.
В частности, одним из показателей качества обслуживания корреспондаруадэй пары (КорП) абопонтов является вероятность своевременной доставки пакета Q(v) пр:г заданной кнтбпсиЕностя
старения информации v. Показано, что если v - параметр экспоненциального распределения, то Q(v) по сразнению с вероятностью дос -тавки за время не более t _ F(t), где t - заданное детерминирован-ное ограничение на время достазки (t=l/v), приводит к пессимистическим оценкам качества обслуживания, что позволяет решать задачи проектирования с некоторым "запасем ресурсов". При этом Q(v) является преобразованием Лапласа-Сталтьеса функции распределения F(t), что упрощает математический аппарат разрабатываемых моделей и позволило существенно развить метода оценки ВВХ ИВС с учетом надежности сети.
. Для оценки гзшучести сета используется система показателей, учитывающая характер неблагоприятного воздействия. В частности, з случае многократного НВ: вероятность выживаемости сети V(m), определяемая как вероятность связности КорП (с пропускной способностью не нихсе заданной) и являющаяся функцией числа m воздействий с учетом стратегии нанесения НВ и защитных мер; среднее число воздействий и, приводящих к нарушению работоспособности сети; средний запас живучести z = « - *>, где у -среднее число элементов, выводимых из строя одним воздействием ; коэффициенты сохранения эффективности в условиях НВ.
Описаны подходы к формированию показателей надежности и кивучест:? ьзюгополисных сетей.
Рассмотрены основные особенности построения и функционироЕа -ікя распределенных восстанавливаемых ИВС'с учетом АСУ: большая размерность сети; структурная сложность, приводящая к пересекающимся путям передачи информащш и их взаимной зависимости; неп -реривпость функционирования; ограниченное восстановление і структурное резервирование узлов к линий связи; управление потоками с целью обеспечения устойчивости качества функционирования в условиях действия помех, отказов и поражающих факторов-, взаимная зависимость элементов, обусловленная зависимыми отказаш и/или зависимостью по восстановлению, например, при ограниченном восстановлении; параметрическая неоднородность элементов; возмогшая немонотонность функции работоспособности.
Введены понятия зависимости элементов, путей и двухполюсных сетей, по состоянию "работоспособность/неработоспособность". Доказаны две теоремы о зависимости путей, из которых получено свойство полокитег.люй корреляции событий. состоящих в работоспособности путей в условиях ограниченного восстановления, и событий, состоящих в работоспособности пересекающихся путей.
- II -
Условие связности двухполюсной сета описывается логической функцией с помощью минимальных сечений или простых путей. В последнем случае она имеет вид
t(Xj = V Pd(Xg) = V ^ Xj , (1)
(J=7 d**l J л
где D - число используемых простых путей (маршрутов) кезду КорП; itd - множество номеров элементов сети, составляющих d-й простей
путь! хм - вектор (х{, І = Т7Ю» 1-я компонента которого является логической переменной и принимает значение 1, если элемент ( работоспособен , и 0 в противном случае-, р^х^) - функция работоспособности d-ro пути, принимающая значение 1, если есэ . элементы d-ro пута работоспособны, и О. если хотя бн один'элемент d-ro пути неработоспособен.
Вели рассматривается условие связности двухголосной сети с пропускной способностью не ниже заданной *, то в (1) вместо простих путей itd используются минимальные группы путей О.Тй), каздая из ксторіа обеспечивает пропускну» способность не яіг:о с, и никакое собственное подмножество минимальной группы таким свойством на обладает.
3 дальнейшем, осли по делается оговоре;;, монотонная логзг:эс-кая функция (1), записанная с помозьэ простых путей или ОТІ, рассматрпггется как функция работоспособности сети (ffPC). В ряде случаев описание условий работоспособности сета сводится к нс;.*опо?сппой ОРС, которая из приводится к Формэ (1).
Для проведения практических расчетов надежности и г:шучестп сети трзбуотся осуществить переход от ОРС Ф(хя) к вероятностной ФРС Р(ф(х0) и U. Предложена так называемая форма разделенных копъепкцяй (ОРК) для Р(б * 1), позволйкцая учесть зависимость кекду элеионтама.' Если muosoctbo еленентоз сота -о разделяется на В
полных непересекающихся групп зависимых элементов Т7Ь, Ъ=Т7Н, то с учетом- независимости элементов из разных груш ФРК ДЛЯ вероятностной ФРС представляется з вида
?ЩхМ) » Е z. п Р(( л х,)( л 5 і я/;, C2j
где o1h(0<^) - Ш02ЄСТЕ0 элэ!,!Зптоп сети, перэмэгашэ которых х (X.) входят в Л-е слагаемое без отрпциш (с отрицанием)! h -коэффициент, равный +/ л:бо -1 и оярэдэлятпий знак Л-го слагаемого.
Параметры Н, zh и подмножества е (которые могут быть пустыми) зависят , в'частности, от используемого метода, обеспечивающего переход от Ф(хг) к Р(Ф=1).
Сформулированы требования к методам получения вероятностной ФРС, предъявляемые в рамках рассматриваемой проблемы. В результате анализа известных методов, изложенных в работах отечественных и ззрубекных авторов, делается вывод о необходимости разработки и развития методов получения вероятностной СРС в ФРК (2) с учетом перечисленных выше особенностей ИВС.
Посла дэталыюго критического анализа известных в нашей стране 'и за рубеком подходов к разработке методов и моделей для исследования качества обслукшашш абонентов сетью, надекности ц живучести сета принята з качестве основной следующая постановка задачи проектирования ИВС
піп U (zv,yt) (3)
hrd (X ,U ) = У ~ Г* Aj"3d , ЇЇІ є П , С є S ,
j ' ыак * "*' по по по с
І а = и, z, п, у
где хк, yv - Еекторы неуправляемых (неЕэрьируеыых) и управляемых параметров соответственно,- П - приведенные затраты, на сеть и АСУ, S - множество видов сервиса (информации), обеспечиваемых ИВС (в частности, \5\=1); о - множество пар корреспондирующих узлов для сервиса вида с (в частности n& = п = n )-, d - идентификатор учитываемого свойства при расчете ВВХ сети - надежности (d = н), гивучести (d - г), помехоустойчивости (d = п). комплексного свойства устойчивости (d = j/ = H + Jr + n)i Q^Q, 2^b - вероятность, своевременной доставки и среднее время доставки паїсета (сообщения) ыеаду t-й (J-fi) корреспондаруыцей парой при обеспечении сервиса вида а (Ъ> с учетом свойства й сети; ду^ - информационный уцерб, обусловленный ненадежность» (й = н), поражающими воздействиями (d а ,?)„ помехами (d = п) ели всеми указанными воздействующими факторами (d = y)i г „» у* - производительность идеальной сети и реальной сети с ; четом свойства d соответственно-, Q^* , Jn, Ay^J- заданные требования к ВВХ и информационному ущербу сети. Предлагаемая постановка задачи (3) отличается от известных
- ІЗ -тем, что помимо требований к ВВХ задается также ограничение на допустимый информационный ущерб (спад производительности). Необходимость задания такого дополнительного ограничения при проектировании сетп с учетом ее надежности, кгаучести п помехоустойчивости, состоит в тем, чтобы обеспечение требуемого качества обслуживания выполнялось при допустимом ограничении входящей нагрузки системами динамического и административного управления. Постановка (3) требует решения задачи оптимизации сети совместно с АСУ при комплексном использовании всех способов и средств, обеспечивающих требуемое качество обслуживания абонентов.
Разработана методика решения задачи (3), основанная на многоэтапной итерационной процедуре субоптимального проектирования и включающая решение следующих частных задач: 1) построение структуры ненагруженной ненадежной сети при заданнпх требованиях к ЕВХ; 2) расцепление граа сети на маршрути мезду казной КоРП н построение плана распределения потоков в ненадежен сети;
3) расчет ВВХ ненадежной сетп с фиксированной карзрутиззциой;
4) расчет ВВХ ненадежной сета с маршрутизацией, адаптивной-
к отказам, повреждениям элементов и длительным помехам; 5) оценка
ВВХ сети при неустранимых, нарушениях в результате неблагоприятного
воздействия; б) расчет їснзучести сети при МПОГКфКНОМ КЗ с
различными стратегия}. и характеристиками воздойстй; 7) оптими
зация структуры и состава системы технической эксплуатации.
На рис. представлена укрупненная схема взаимосвязи разработана* в диссертации моделей я методов.Схема отражает структуру о<й;ей модели для расчета показателей качества обслуг'лзагая абонентов сетью коммутации пакетов с виртуальными соединениями (ІШ-В) с учетом организации СГЭ, надепгостл, помехоустойчивости и игвучести сети. 11а рис. приняты обозначения» Кг - імафізшкент готовности
двухполюсной сети; ?(п-1,п) - вероятность работоспособности маршрута я-го Еыбора при условии неработоспособности п-1 первых маршрутові Р(п*) - вероятность СОСТОЯНИЯ П* а (п,аеаъ), где я - число работоспособных идентичных компонентов (узлов, каналов связи) класса а, обслуживаемых Ь-н ЦТЭ; Тп1, Т ., К. -
показатели надозягастп (-го компонента сети; »> - интенсивность отказов узлч, усредненная на интервале т мзяцу соседними ш"шоеш.сі мероприятия;.?!! технического обслуживания; а - мзргрушая переменная.
ВтсроЗ раздел посвящен разработке натоматических мэделэя для рясч&та ВВХ ненадежной сети КЛ-В для двух алгоритмов мзрэд-т&шст
Модели для расчета ВВХ и производительности сети КП-В с учетом ггоо-цедут) управления пото-каиґна канальном к сзтевом уровнях; в условиях действия помех и отказов
Двусторонние оценки ВВХ и живучести сети КП-В после неблагоприятных воздействий
Раздел 2
К ,Р(п-1,п)
и др.
Раздел
'j и др.
V(m)
Метод расчетз
НЗДеКНССТИ СЄТК
Гнезду каздой
корюэспондиру-
юаеи парой
Гт
L.T,
ІІ0Д9ЛИ РЭМОКГ-
фюго обслунп-вкния
и др.
Модель надегао-сти периодически обслуживае-шго узла КП
и др.
Модель производительности узла КП
Раздел 6
Выражения для
К ,Р(ії-7,п> К
Приведение
БврОЯТНОСТНОЙ
ФРС к маргинальной форме
Методы построения вероятностной SPC
РС5(К ) = П
Раздел 3
Построение логической ФРС вех ) П.4.3 *
Методы расчета структурной киву-чести сети мевду каждой корреспондирующей парой
Модели неблагоприятных воздействий
Раздел 5
организация СТЭ
Множество маршрутов мезду корреспондирующими парами
Оптимизация состава СТЭ
Распределение потоков в ненадежной сети КП
Раздел 7
- 15 -- адаптивной ( в указанном вше смысле) и фиксированной, а также для оценки ВВХ с учетом кивучести сети после неблагоприятного воздействия.
Рассматривается процесс достаыш пакета от абонентского пункта (пакетного типа) АПЯ к абонентскому пункту АІ^ в рехиме виртуального соединения о учетом действия помех и отказов.
Для моделирования передачи пакета на входном абонентском участка от AIL к оконечному узлу коммутации (УК ) используется
модель систеш массового обслуживания (С?Ю) U/G/1 с ненадежным прибором, неограниченным накопителем и дисциплиной обслуживания в порядке поступления и дообслукиванием после восстановления прибора (предложенная Климовым Г.П.).
При адаптивной маршрутизации (AM) учитывается текущее техническое состояние элементов сети не только на ^тапе Енбора маршрута при установлении виртуального соединения, но и в процессе передачи абонентского потока. В связи с этим при AM поток отказов
прибора (предполагаемый пуассоновским) СМО M/G/1, моделирующей
абонентский участок АП3-УК3, трактуется как суммарный поток перерывов в обстукивании абонентской нагрузки АПо, обусловленных отказами и переключениями маршрутов (включая, в общем случае, и отказы абонентской линии).
(4)
(5)
, (С)
Получего выражение для среднего времени перерыва в сеансе связи мевду АП и ADt
и с,- Е ?, с/Л ,
J=1 J Jn n=r Jm in
где U - число маршрутов меаду оконечными УКД и УК4« с, - параметр потока отказов .j-ro элемента сети: с. - параметр потока перерывов
в сэапсо сзязя АПв, обусловленных отказами маршрутов; TJ,i*t -средняя длительность перерыва при отказе j-ro элемента t-ro мара -рута,определяемая в работе с учетом процедур подтверздений и повторних передач кадра на втором (канальном) уровне, а такта пакетов на третьем (сетевом) уровне в соотеєтстеии с
рекомендациям! Х.25 к Х.75; Р{ - стационарная вероятность того, что передача ведется по t-му маршруту; о, - логическая функция работоспособности j-то маршрута (см.фэрмулу (1)); а} - маршрутная переменная плана распределения пото?;ое б сети, равная вероятности первоначального выбора „'-го маршрута для установления Еіфтуального соединения; !() - стационарная вероятность того, что в момент выбора маршруты из упорядоченного списка с номерами J1=J,J2,-...Jn_1 коработосшсобны, а маршрут n-го выбора с номером Jn=i будет работоспособен; R - вероятность связности оконечных УК н УК,. Разработана математическая модель отказов информационного какала; которая для произвольных законов распределения длительности передата кздра с учетом повторных передач при обнаружении оекЗок, времени устранения отказа, іштерзала между наступлениями отказоз и длительности менду соседними поступлениями кадров з информационный канал определяет параметр потока отказов в информационном канале с,(входящий в (4) и (5)) с учетом ошибки первого рода, когда работоспособный канал фиксируется как отказавший. Для заданного конечного интервала фиксации отказа » получено выразение для среднего времени простоя T^iv) информационного канала, обусловленного действующим на їпітервале между фиксируемыми отказами остаточным потоком самоустраняющихся нефиксируемых отказов длительностью tn 17. Данный параметр TnJv) используется при определении ЕВХ передачи пакета в сети Qc и Г. и
трактуется как время восстановления прибора СМО U/G/1, кшользуемей Разработана математическая модель (теорема 2.4), определяшая ВЗХ зодеркки кадра в ненадежном ішформационном канале с учетом системных параметров процедур второго уровня и с использованием полученной в ВАС им.Буденного СМ. экспериментальной модели процесса передачи кадра постоянной длины в условиях действия помах.
Получены аналитические выражения для ВЗХ доставки пакета в магистральной сети
процедур протокола третьего уровня, моделируется СМО U/D/ 1.
_Ллл определения Qat и Г t выходного абонентского участка
используется модель CY.0 M/G/1.
Разработанные модели является развитием экспоненциальных моделей, предложенных Андриановым А.В. в кандидатской диссертации, к в отличие от последних допускают достаточно общие , функции
- 17 -распределения случайных величин и позволяют учесть взалдзую зависимость маршрутов, организацию и состав СТЭ, план распределения потоков в сети, влияние параметров процедур управления информационны?,! каналом на время передачи кадра, эксперимек--талыга полученную функцию распределения времени передач:: кадра в условиях действия помех, ненадежность и ограниченную производительность УК.
Для ВВХ сети КП-В с фиксированной маршрутизацией предложены выражения, полученные на основе развитая моделей Захарова Г.П.
Получены коєне аналитические оценки для ВВХ качества обслуживания абонентов и живучести ИБО при неблагоприятных воздействиях, приводящих к структурной деградации сети. Оценки получены в предположении, что система управления обеспеч:аает ограничение входящего потока на уровне, гарантирующем заданные требования к ВВХ Т3, Q3. Оценки Еыражаготся через величина 2s'", Q3, R. интенсивность входящего потока г0 для сети исходной структуры.
В третьем разделе разработаны метода определения вероятностной ФРС при зависимости элементов сети. Разработан метод рекурсивной ортогонализации, обеспечішзющий переход от произвольной (монотонной или немонотонной) логической С'?С к вороятностноЯ ФРС, представленной з ОРК (2). По сравнения с известными методам! ортогонализации данный метод яегяотся Солее экономичным по вычислительной слокности и числу получаемых конъюнкций (слагаемых) за счет динамического выбора ко кькдом шаге конъюнкции минимального ранга, по которой еіліоліяєтся ортогонализация. Креме того, метод позволяет получать уточняз!.ше двусторонние оценки вероятностной ФРС как для монотонных, так и для немонотонных логических ФРС, причем без использования для получения нижней оценки функции неработоспособности ~(xj и не требуя предварительного определения всех простых путей и/или минимальных сечений.
Разработан рекурсивный метод с поглощениями конъюнкций, использующий формы и правила преобразований, характерные для метода поглощения степеней В.А.Богатырева. Однако в отличие от последнего данный метод ориентирован нр получение ОРК вида (2). учлтквяидей зависимость между элементами, и использует дополнительные правила раскрытая облей черты нескольких конъюнкций, необходимость в которых в методе поглощения.степеней отсутствует в силу предполегеккя о независимости элементов. Метод обеспечивает получение ФРК з виде алгебраической суммы в смененной формо, допускавшей в кокггак-
- 18 -циях логические переменные с отрицанием. Незначительная модификация метода-позволяет получить корреляционный метод, изложенный в монографии под ред. Б.Я.Дудшка "Надежность и кивучесть систем сеязи", М., Радио и связь, 1984, и обеспечивающий получение прямой ФРК.
Основное достоинство второго разработанного метода состоит в возможности получения вероятности ТІ- } работоспособности л-го пути при неработоспособности первых п-1 путей, входящей в (б).
Рекурсивный метод с поглощением конъюнкций обеспечивает получение уточняемых двусторонних оценок для монотонных ФРС, не требуя предварительного определения всех простых путей и минимальных сечен~й.
В работе приведеш семейства зависимостей, полученных в результате машинного эксперимента и определяющие вычислительную слокность разработанных и известных методов (табличного, корреляционного, ортогонализацші) для различных графовых структур. Результаты сравнительной экспериментальной оценки подтвердили высокую эффективность разработанных методов. Причем, если ненадезкшаш в графе являются только ребра, то наименьшую вычислительную сложность имеет метод рекурсивной ортогонализации. Если ненадежными являются вершины и ребра, то - рекурсивный метод с поглощениями коньшкций, выигрыш которого возрастает с увеличением длины путей.
Доказана теорема 3.1 о переходе от ФРК (2) вероятностной ФРС к маргинальной форме, обеспечивающей построение более экономичных алгоритмов расчета вероятности работоспособности сети в случае элементов, которые по свойству зависимости ыезду собой могут быть разбиты на 8 z. 1 независимых трупп, а по идентичности параметров (надежности или яивучести в зависимости от исследуемого свойства сети) на Л z 1 классов. Получаемое выражение маргинальной вероятности работоспособности' сети используется в дальнейшем для определения коэффициента готовности и вероятности выживаемости сети.
В четвертей разделе разработаны метод, алгоритмы и модели для реаэния задачи расчета надежности восстанавливаемой сети в ело душей постановке.. Заданы s
- структура сети, представленная графом, вершш которого соответствуют узлам,, а ребра и/илы дуги - линиям связи. Все Я компонентов сети (узлов и линий связи) пронумерованы и составляют множество V, Я - N/\
множество о = {( a,t ), s,t « п > кореспоидирущит УЗЛОЗі
состав каздого 1-го компонента сети, как резервной группы с указанием числа Л{ основных элементов, числа Ь( нагруженных элементов (L^ И{) и общего числа Qt элементов, из которых Qt-i{ ненагруженннх резервных!
- интенсивность отказов \Ql нагруженного элемента 1-го
компонента сети. Предполагается, что элемента 1-го компонента
идентичны по надежности;
- число В центроз технической эксплуатации г. число Sb, о=77В,
ремонтных бригад в каждом центре;
- зона обслуживания кавдого ЦТЭ, задаваемая шозеством
компонентов пь, Ь=Т7Э , обслуживаемых Ь-м центром. Будем
считать, что зоны обслуживания не перекрываются, т.е. v 1,Ь=773, 1"Ъ, т)1п пь = о , где о - пустое мнсяество. Если все И
компонентов сети являются ремонтируемыми, TO U т?Ь = V*
h " ъ
- среднее время 1/и восстановления отказагиего компонента
С е т)Ь Ь-м ЦТЭ с учетом времени проезда бригада и времени
проведения ремонта, Ъ=Т7Б;
- пропускные способности каналов связи и производительности
узлов в работоспособном состоянии С(, 1=77їїі
- минимально допустимые уровни С t пропускной способности
сети для кавдой пары {s,t) с п корреспондирующих узлов.
Требуется рассчитать стационарный коэффициент готовности KpfC^f). средюои наработку на отказ T0(C^t) и среднее время восстановления связи TJC?t) с пропускной способностью не НИКЄ
заданной С. для каадой КорП узлов (3,t).
Предлагаемый метод ресения основан на двухуровневой модели.-сети. Булева модель верхнего уровня с помощью аппарата математической лоппот описывает условия работоспособности сети через состояния отдельных компонентов с учетом ее структуры, множества путей передачи информации и требований к пропускной способности сети между корреспондирувдими узлами.
Модели нижнего уровня - замкнутые неоднородные сети массового обслуживания - описывают процессы отказов и восстановлений элементов и компонентов с учетом организации системы технической эксплуатации. Эти моделі используются для расчета показателей надеяности компонентов и стационарных маргинальных
- 20 -вероятностей состояний група компонентов, обслуживаемых одним ЦЕЭ.
Метод проведения расчетов для , кяадой пары (s,t) .корреспондирующих узлов состоит из следующих этапов:
(1) Составление мнокесхва допустимых путей передачи
информации между узлами ant.
(2) Составление логической функции , определяющей условия
работоспособности сети относительно пары узлов (s,t), на основе
построения множества минимальных групп путей передачи информа
ции, кавдая из которых характеризуется пропускной способностью
не ниже С „. ах
(3) Построение вероятностной функции работоспособности сети
F(S*1) на основе полученной на ваге 2 логической функции Ф.
-Переход с помощью теоремы 3.1 к маргинальной форме вероятности работоспособности.
(4) Расчет с помощь» стохастических сетевых моделей
ремонтного обслуживания вероятностей стационарных состояний
групп компонентов сети, входящих в полученное на этапе 3 выражение
для вероятности работоспособности, определяющей в данной трактовке
стационарный коэффициент готовности KJCet),
(5) Расчет показателей надежности сета.
Описанный метод является достаточно универсальным, не зависящим от того, какая модель ремонтного обслуживания используется на нтем' уровне. Это обеспечивает возможность применения, данного метода, для исследования надежности сети при использовании на низшем уровне различных моделей, "раскрывающих" вида исследуемых зависимостей ыэйду компонентами и отличающихся степенью детальности и наборами учитываемых факторов (стратегий ремонтного обслуживания, процедурами и параметрами контроля и диагностики и т.д.). В частности, в настошцом разделе и разд.б описаны различные модели ремонтного обслуживания, которые могут использоваться в данном методе.
На втором этчпе метода используется разработанный автором алгоритм получения мновества минимальных групп путей, . удовлетворяющих заданным требованиям к пропускной способности сети ыеаду корреспондирупцими узлами. (Алгоритм является более экономичным по вычислительной сложности и требуемой памяти, чем предложенный в'работе 4ggarual Е.К., IEEE Trans.Bel tab.,1982,Я 2).
Предложена модель ремонтного обслугмваккя компонентов сзтп, относящаяся к классу неоднородных замкнутых сетей массового обслуживания и допускающая нагруженное, ненагружэнное и комйшированное скользящее резервирование в компонентах сети. Для нерезервированных композитов а компонентов с нагруженным резервированием наработки на олсаз могут иметь ігроизвольнсе распределение с рациональным преобразованием Лапласа, при использовании ненагружекного или комбинированного резервирования -экспоненциальные распределунея. В ЦТЭ допускается произвольное число ремонтных бригад. Дисциплинами ремонтного обслуживания я замены отказаЕзга; элементов на резервные могут быть FCFS или RAND. Распределение времени восстановления - экспоненциальное.
На основе моделі; ремонтного обслуживания получены рекуррентные соотношения для расчета стационарных вероятностей различных состояний группы зависимых компонентов, а такге выражения для показателей надежности компонентов.
ЗыЕедеш выражения для средней наработки сети на отказ л среднего времени восстановления.
Далее в работе доказана возможность применения неуточняомых двусторонних оценок Эзарп-Проиапа для показателей надежности восстанавливаемой сети. Кроме того, получены уточняемые двусторонние оценки показателей надегности для восстанавливаемой сета, основанные на методе рекурсивной ортогонализации и нэ требующие в отличие от изеєсткнх оценок предварительного определения всех простих путей (или минимальных групп путей, если критерием отказа сети кегду корреспондирующей парой является снижение пропускной способности ниже заданного уровня) и сечении (мккпмгльных групп сечений).
В пятой разделе разработаны методы расчета живучести сети для моделей многократных локальных и пространственных неблагоприятных воздействий с двумя стратегиями - пассивной и активной, не учитывающей и учитывающей соответственно результаты предшествующи, воздействий.
Модель многократного локального НВ пассивной стратегии представляет НВ как поток независимых воздействий, каздоэ пз которых мезет вывести из строя не более одного компонента сети. Сеть состоит из N компонентов, номера которых составляют мнояеет-во Т7. Все компоненты разбиты на А < N классов. К одному, например, а-му классу, относятся компоненты, имеющие одинаковые вероятности а попадания в область отдельного воздействия.
- 22 -Предполагается, что ga, о=Т72, не зависит от номера воздействия, что означает возможность повторных поражений компонентов,
выведенных ранее из строя. Вероятность пораженття (возможно повтор-
л ного) одного из компонентов при отдельном ПВ раЕна Q = ff q 1,
где Na - число компонентов а-го класса, а = 772. Вероятность проката при отдельном воздействии, т.е. вероятность того, что ни один компонент не попадет в область воздействия', равна 1 - Q.
В модели активной стратегии пораженные компоненты исключаются из области очередного воздействия. Кандоэ воздействие выводит из строя один из непораженных ранее компонентов с вероятностью Q, промах возможен с вероятностью 1-Q. Воздействия являются зависимыми. Вероятность поражения отдельного компонента а-го класса зависит от того состояния, ,в котором находится сеть к моменту осуществления воздействия.
- W ' Q ra/Wi 1УП^ V Q ' t-T a=l
где п#- вектор (ті,, пг,...,Пд), в котором п определяет число
работоспособных компонентов а-го класса, а = ТТЛ.
. Величина га определяет вероятность поражения компонента а-го
класса при первом воздействии и удовлетворяет соотношению л
Е г JT « Q s 1, где N - число. компонентов а-го класса в ИСХОД
ОВ а а а
ном состоянии сети, как и в модели ПС.
Две описанные стратегии многократного НВ характеризуют две крайние степени агрессивности внешней среды и могут использоваться для получения верхней и шишей оценок живучести сети.
Предложены модели для многократных распределенных НВ пассивной и активной стратегии, в которых каждое Бездействие, осуществляемое в одном из заданных N направлений,, может вывести из строя определенную группу компонентов. Все направления воздействий разбиты на Л s N классов, к одному классу относятся направления, имеющие одинаковые вероятности выбора их из N возможных. .
Доказаны теоремы, определяющие показатели живучести сети для рассмотренных моделей НВ с учетом возможной немонотонности функции работоспособности сети. В частности, в соответствии с теоремой 5.2 вероятность выживаемости сети с немонотонной ФРС
пап . *^л
для модели пассивной стратегии многократного НВ после п локаль-
ей воздействий определяется выражением
7(a) =7- Zz (1-(1- Е/?аКа|Л>. «M%flV W
где г - коэффициенты + ? и -1, определящно знаки слагаемых з ГЭ); св - множество номеров компонентов, входящих в е-о слагаемое вероятности работоспособности, представленной в прямой форме разделенных конъюнкций
?(0(х )=1)= т. z-Ж л х=и . о)
* вГ лет "
Разработана основанная на логико-вероятностных методах двухшаговая процедура получения вероятностной ФРС в прямой форме (9) из немонотонной ОРС (7).
В соответствии с теоремой 5.3 вероятность выкиваемости сета (с произвольной функцией работоспособности) для модели активной стратегии многократного НВ после г. локальних воздействий с учетом возможности промахов определяется выражением
п о, па
7(п) *zzh Е Ph(%/m) п -tt-n ^ .
"B "" I 'V '^ % s ViO, г f"a- -v sbj, a < 1
v a
ha W' a' ha W' a' ho ha ha*
где P(nt/m) - вероятность того, что несло я воздействий сеть
НаХОДИТСЯ В СОСТОЯНИИ, Определяемом ЕеКТОрОК rt^efTlj.n,,... (,10^1 ,
э^Се; - множество номеров компонентов» перэкоЕЕЦ'Э хп которых входят без отрицания (с отрицанием; в ft-o слагаемое вэроятнес-тл работоспособности, представленной в форме разделенных конъюнкций (2) при В = 1.
Условные вероятности Р(пуп) опредэяявтея рекурреятно из системы уравнений, описывакцей счетную марковскую цепь.
Для исследования гивучести сетей большой размерности используются двусторонние оценки,получаемые с помесью методов из разд.З.
Выполнен численный сравнительный аналіз кипучести сети для различиях НВ.
В шестой разделе разработаны математические модели надежности и производительности муль'тимикропроцессорного узла коммутации пакетов (НЫК УКП).
Выделена два класса узлов коммутации, отличающихся стратегией ремонтного обслуживания,- постоянно обслуживаемые узлы, имеющие постоянный обслукиващий персонал, немедленно устраняющий большинство возникающих отказов, и периодически обслукиваемые узлы, не имевшие постоянного обслуживающего персонала. Восстановление периодически обслуяиваемого узла осуществляется бригадами из ЦГЭ: при проведении плановых мероприятий технического обслуживания и неплановых аварийно-восстановительных работ при возникновении системных отказов узла.
Разработана смененная стохастическая сетевая модель ММК УКП с многошинным интерфейсом для определения коммутационной .производительности узла и среднего времени обработки пакета. Выполнено преобразование модели к замкнутой однородной соти массового обслуживания, для расчета характеристик которой предложен рекуррентный алгоритм, основанный на методе анализа средних. Для случая сбалансированных по нагрузке модулей мультимикропроцессорного узла получено аналитическое выражение для комдутациошой производительности.
Разработана марковская модель надегшости периодически обслуживаемого узла с учотом невдоальности системы контроля, диагностики и реконфигурации, а тага отказов программного обеспечения. Получены аналитические соотношения для вероятности Оозотказной работы, интенсивности отказов узла и усредненной ивтенсЕвкости отказов по интервалу * между соседними плановыми мероприятиями технического обслуаивання .
Разработана , стохастическая сетевая модель надежности постоянно обслуяиваемого узла, . учитнващая характеристики системы контроля и диагностики, процедур защиты от системных отказов,, процедур восстановления в случае сбоев, безотказности модулей, используемых способов структурного резервирования, двухуровневой системы аварийно-восстановительных работ, образуемой на нижнем уровне местным обслуживающим персоналом , и используемым им контрольно-диагностическими средствами и ЗИПоы, а на верхнем уровне - ремонтными бригадами ЦГЭ и используемыми ими средствами. Получены аналитические соотношения для показателей надешости узла - коэффициента
готовности, средней наработки на отказ, средней доли времени пребывания в дэградпциозкнх состояниях, интенсивности вызова ремонтных бригад из ЦТЭ.
Приведены выражения для расчета реальной (с учетом надежности) шялутацконкой производительности периодически обслухиваемого и постоянно обслукиваемого мудьтЕШжропроцэссорных узлов коммутации пакетоз.
Разработанные модели и рассчитываемые с их помощью показатели надежности и производительности узла коммутации используются для параметризации модели сети коммутация пакетов (разд.2), а также при решении задач оптимального проектирования узла коммутации.
В седьмом разделе разработаны алгоритма, основанные нз моделях и методах предыдущих разделов и реализующие в совокупности общую методику оптимизации ИВС совместно с АСУ.
Сформулирована задача и разработан алгоритм оптимизации структури ненагружекной ненадежной сети по критерий приведенных затрат при устаковлешшх ограничениях на показатели надежности. Требования к надезиости конагрухеннсй сети определяются из задашшх в общей постановке задачи проектирования (3) требований к ВВХ качества обслуживания абонентов. Преобразование требований к ВВХ к требованиям к показателя:»! надежности сети выполнено на основе представления сета как системы массового обслуживания с ненадежным прибором.
Результате:.: работа адгоршма является структура ' сети, которая используется в качестве начального варианта при последующем нагрукенга сети информационными потоками, и шал оптимальной реконфигурации сета, определяющий наилучшую (в определенном смысле) последовательность действий по наращивания структуры сети в случае необходимости.
Разработанный алгоритм клеет полиномиальную сложность, позволяет получать удовлетворительное приближенное решение и но уступает известным по вычислительной сложности и точности получаемых решений.
На основе получаемого плана реконфигурации сети предложено реиешіе ряда задач САУ по определению очередности восстановления отказавших или пораженных в результате неблагоприятного воздействия компонентов сети. Рассмотрены стратегии восстановления полней и частичной работоспособности отказзвщих компонентов.
- 26 -Предложен алгоритм статического распределения потоков е ненадежной сети, который является развитием алгоритма Ревелъса В.П. В частности, в предложенном модифицированном алгоритме в .случае нереализуемости заданной, входящей нагрузки решается задача определения допустимой входящей нагрузки для каждой корреспондирующей лари го критерию минимизации блокируемой на входе сети нагрузки.
Для компонента сети, моделируемого системой U/G/1/a> , получено выражение для критического значения входящего потока, при котором достигается максимальная производительность. Полученное выражение используется для определения допустимых потоков в компонентах сети ' в алгоритмах оптимизации, в частности, в алгоритме статического распределения потоков.
Получено аналитическое решение задачи оптимизация С, по критерію минимума срэдкесетеБсй задерккя ) распределения потоков в сота, лодБэргенной устраняемым нарушениям. Выведено выражение для максимального допустимого суммарного' входящего трафика ненадежной сети с фиксированной -маршрутизацией, при котором обеспечивается заданная средаесетевая задержка.
На основе известных алгоритмов предложены решения задач согласования входящей суммарной и дцфїяренвдрованной по каздой корраспондирущей паре нагрузок со структурой сети. Данные результаты применимы в. СДУ и СДУ при реализации процедур контроля is управления входящей нагрузкой.
Дредлоконо решение задачи оптимизации (по критерию приве-донных затрат) структуры СТЭ на основе алгоритма, являющегося развитием алгоритма Добрина Л.Б. и Захаренко г.П, (Тез.докл. 5-й Всесоюзной конф. ШШШ-67, Purat ИЭВТ, 1987), дополненного, в частности, процедурой определения числа ремонтных бригад в каждом центре технической эксплуатации.
В восыш разделе дается краткая характеристика разработанного комплекса программных средств для ЭВМ ЕС, СЫ и IBM PG, раализупцего разработанные метода, ' модели и алгоритмы и включающего пакет прикладных программ (ПШІ) для решения задачи распределения потоков в ненадешои сети КП, расчета ВВХ сетей КП-В с фиксированной и адаптивной маршрутизацией, ШШ для анализа и оптимизации структуры и состава системы технической эксплуатации сети, ІЕЮ для анализа и синтеза сетевых систем по показателям вадегности и' шшучести, ППП для анализа отказоустойчивых восотшшишваэмцх к невооотаяавливвемш: окотом о различными ввделзг
- 2? -
структурного резервирования, ІШП для анализа сетей массового обслуживания, сервисной пакет для организащи устойчшгого и гибкого диалога на СМ ЭВМ, ряд автонощшх. программ, решающих задачи анализа функционирования узла коммутации пакетов.
Программные средства прошли опытную эксплуатации в ряде организаций и яа кафедре вычислительной техники ЛЬМ в рамках выполнявшихся научно-исследовательских работ, а такхэ внедрены в утебккй процесс ряда ВУЗов страны, что подтвергиаэтся соответствующий! документами о внедрении.
Основные компоненты программного комплекса переданы в Госфонд алгоритмов и программ.
В разделе представлены результаты решения ряда практических задач анализа и оптимизации ИВС и СТЭ, подтверждающих рэзультатив-. кость разработанных моделей, методов и программных средств.
Проведено сравнительное численное исследование ВВХ ненадежной сета для различных алгоритмов марпругазации с учетом зависимости пересекающихся маршрутов. Выявлены параметрические области предпочтительного использования адаптивной марярутизации по сравнению с фиксированной. Для алгоритма адаптивной маршругазации показано, что существует оптимальное значение параметра ?, определяющего число повторных передач кадра в информационной, канале, при котором достигаются экстремальные значения вероятности своевременной'доставки max <їш и среднего времени доставки пакета mlnf.
и AM
Проведено сравнительное, исследование алгоритмов фиксированной и адаптивной маршрутизации по надежности и хивучести сети. Получены зависимости показателей надежности сети от надежности компонентов, позволявши выполнять научно обоснованный выбор алгоритма маршрутизации. Приведены зависимости для оценок ВВХ и производительности сети при шогократшм неблагоприятном воздействии с учетом свойства живучести.
Выполнен численный анализ влияния организации системы технической эксплуатации на падехность сети и качество обслуживания абонентов. Показано, что организация СТЭ сугрстсошша образом влияет на качество функционирования сети, что указывает на недопустимость игнорирования задач, связанных с организацией СТЭ, и на необходимость их решения на ранних этапах проектирования ИВС.
Решены в комплексе задачи оптимального проектирования структура сети р системы технической эксплуатации.
- 28 -Продемонстрировано влияние различных вариантов исходных данных и требований к качеству обслуживания абонентов на конечный проект сети и СТЭ.
