Підвищення надійності функціонування мережі тактової синхронізації

Размещено на http://www.allbest.ru/



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В даний час спостерігається зростання і розвиток телекомунікаційних засобів і систем, впровадження новітніх технологій, зростання числа компаній, що займаються проектуванням і експлуатацією мереж і систем телекомунікацій. Вже не рідкість, коли в одного оператора кількість вузлів, які потребують забезпечення синхросигналом, досягає 1000, топологічна структура мережі при цьому, набуває вигляду решітчастої. Причиною такого ускладнення топологічної структури є розширення функціональності обладнання. Тому, для ефективного функціонування мереж передачі даних стає необхідним адекватне ускладнення топологічної структури мереж підтримки.

Одним з головних завдань є побудова мережі тактової синхронізації, надійність якої має, як мінімум, не поступатися надійності мережі передачі даних. Оскільки в мережах передачі даних існують механізми захисту трафіку від можливих аварій, то мережа синхронізації має бути спроектована з врахуванням можливих змін в маршрутах передачі даних. Виконання такої вимоги в мережах синхронізації пов'язане з необхідністю побудови оптимального логічного дерева синхронізації. Від якості планування дерева синхронізація залежить якість функціонування мереж тактової синхронізації.

Підвищення надійності функціонування мереж тактової синхронізації можливо за рахунок використання механізму динамічної адаптації логічного дерева синхронізації. Цей механізм дозволяє залежно від зміни ситуації на мережі (аварії, відновлення тощо) формувати оптимальне для даної ситуації дерево синхронізації.

Реалізація даного механізму є найбільш ефективною при використанні в мережах тактової синхронізації замкнутої топології. Проте наявність замкнутих топологічних структур пов'язана з можливою появою петель синхронізації в мережі. Виникнення петель в мережі тактової синхронізації призводить до ряду проблем, зокрема до погіршення характеристик сигналу синхронізації за рахунок присутнього позитивного зворотного зв'язку, появі в мережі короткочасних або тривалих збоїв, іноді з випадковим періодом тривалості, причину або первинне джерело яких дуже важко виявити.

Тому існує необхідність дослідження причин і умов появи петель синхронізації в замкнутих фрагментах складних мереж, а також методів, що дозволяють визначати і запобігати виникненню петель на етапах проектування і експлуатації.

Для створення механізму динамічної адаптації дерева синхронізації необхідно доопрацювати існуючі алгоритми функціонування мережних вузлів і протоколи взаємодії між ними.

Завдання аналізу станів, в яких може знаходитися мережа тактової синхронізації, при функціонуванні динамічної адаптації дерева синхронізації представляється неможливим без формалізації його на рівні вхідних мов програмного забезпечення комп'ютерів. Отже, створення програмного комплексу для аналізу мережі синхронізації, є невід'ємною частиною завдань, вирішення яких необхідне для успішного впровадження механізму динамічної адаптації дерева синхронізації на мережі тактової синхронізації.

Для прийняття рішень за оцінкою якості функціонування мережі тактової синхронізації необхідне здобуття залежності надійності функціонування мережі тактової синхронізації від сукупності параметрів таких, як інтенсивність потоку відмов і відновлень, топології мережі, ефективності планування, алгоритмів функціонування мережних елементів тощо. Таким чином, необхідна розробка методики аналізу функціонала, для якого в якості незалежних функцій використовуються функціональні залежності між параметрами, приведеними вище.

У науковій літературі досліджуються різні варіанти побудови мереж тактової синхронізації, описуються алгоритми функціонування мережних елементів мережі тактової синхронізації.

Питанням надійності телекомунікаційних мереж присвячено багато робіт українських та закордонних вчених. Розробці і вдосконаленню методів теорії надійності і теорії випадкових процесів присвячені роботи таких вчених як Колмогоров А.Н., Хинчин А.Я., Гнеденко Б.В., Берг А.І., Сифоров В.І., Вентцель Є.С., Левін Б.Р., Філін Б.П., Нетес В.О. Розв'язування задач з проектування і оптимізації телекомунікаційних мереж пов'язано з роботами таких вчених, як Кривуца В.Г., Рижков О.В., Беркман Л.Н., Галлагер Р. та інші. Проте, до цього часу не розроблені методи, що дозволяють оцінювати якість планування мереж тактової синхронізації, а також алгоритми функціонування мережних елементів з точки зору їх впливу на надійність функціонування мережі. Не вирішено завдання визначення умов виникнення петель синхронізації (часових і топологічних), а також не проведена оцінка міри їх впливу на якість функціонування мережі тактової синхронізації. Не існує механізму, що дозволяє при збільшенні зв'язності вузлів мережі тактової синхронізації забезпечити задану надійність функціонування мережі.

Дисертаційна робота, яка присвячена вирішенню задачі підвищення надійності функціонування мережі тактової синхронізації шляхом розробки механізму динамічної адаптації дерева синхронізації і методики визначення значень узагальненого функціонала надійності мережі тактової синхронізації, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Обраний напрямок досліджень безпосередньо пов'язаний з напрямками науково-дослідних та дослідно-конструкторських робіт, що проводились протягом 2006 - 2010 років в Державному підприємстві "Український науково-дослідний інституті зв'язку" за темами: "Модернізація IP/МPLS мережі передавання даних ВАТ "Укртелеком", "Впровадження проектів національних стандартів: ДСТУ ITU-T G.703; ДСТУ ITU-T G.811; ДСТУ ITU-T G.812; ДСТУ ITU-T G.813; ДСТУ ITU-T G.957", "Модернізація IP/MPLS мережі ВАТ "Укртелеком". державні реєстраційні №№0108U011180, 0107U010500, 0109U005829.

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення надійності функціонування мережі тактової синхронізації шляхом розробки і впровадження механізму динамічної адаптації дерева синхронізації, що дозволяє забезпечити працездатність мережі тактової синхронізації при збільшенні зв'язності мережі і значному збільшенні кількості аварійних ситуацій, а також дозволяє запобігти виникненням петель синхронізації. синхронізація аварійний петля мережа

Для досягнення поставленої мети вирішуються наступні завдання:

- проведення аналізу працездатності існуючих і запропонованих топологічних структур з врахуванням дії на них сумарного потоку відмов і відновлень;

- отримання узагальненого функціонала надійності мережі тактової синхронізації, що визначає залежність надійності мережі тактової синхронізації від функціональних залежностей між інтенсивностями потоків відмов і відновлень, топології мережі, ефективності планування, алгоритмів функціонування мережних елементів;

- розробка методики визначення надійності функціонування мережі тактової синхронізації з врахуванням інтенсивностей потоків відмов і відновлень, топології мережі і алгоритмів функціонування мережних елементів;

- розробка методики аналізу впливу алгоритму функціонування мережного елементу на надійність функціонування мережі тактової синхронізації з врахуванням умов виникнення топологічних і часових петель синхронізації;

- розробка алгоритму функціонування мережного елементу мережі тактової синхронізації і протоколу взаємодії між мережними елементами для формування дерева синхронізації, що динамічно адаптується, в запропонованій топологічній структурі;

- розробка механізму введення програмованої затримки в алгоритм функціонування мережного елементу з метою запобігання часових петель синхронізації;

- розробка системи автоматизованого проектування, що дозволяє аналізувати існуючі і планувати нові мережі тактової синхронізації, з використанням запропонованих топологічних структур і механізму формування динамічної адаптації дерева синхронізації.

Об'єктом дослідження є мережа тактової синхронізації транспортної телекомунікаційної мережі.

Предметом дослідження є алгоритми функціонування і протоколи взаємодії мережних елементів мережі тактової синхронізації, а також її типові топологічні структури (фрагменти мережі).

Основні методи дослідження. Вирішення поставлених завдань здійснювалося за допомогою математичного аналізу із застосуванням теорії графів, методу аналізу марковських процесів з дискретними станами і безперервним часом; методу аналізу структурної надійності; методу чисельного вирішення диференціальних рівнянь; методу об'єднання простих ланцюгів з врахуванням ефекту поглинання; методи теорії кінцевих автоматів і методів лінійного програмування.

Підтвердження правильності вирішення поставлених завдань було виконане за допомогою методів прямого машинного моделювання і натурного експерименту основних положень і висновків.

Для всіх розроблених алгоритмів, а також імітаційного моделювання фрагментів мережі синхронізації було використано програму Matlab версії 7.0.4 (R14SP2), а також пакет Simulink 6.2.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

- розроблено методику визначення залежності надійності типових топологічних фрагментів мережі тактової синхронізації від сумарного потоку відмов і відновлень і вибраної топології;

- вперше отримано узагальнений функціонал надійності мережі тактової синхронізації, який визначає залежність надійності мережі тактової синхронізації від функціональних залежностей між інтенсивностями потоків відмов і відновлень, топології мережі, ефективності планування та алгоритмів функціонування мережних елементів;

- вперше отримано значення теоретичної межі для якості функціонування типових фрагментів мережі тактової синхронізації;

- розроблено методику визначення надійності функціонування мережі тактової синхронізації з врахуванням інтенсивностей потоків відмов і відновлень, топології мережі і алгоритмів функціонування мережних елементів;

- розроблено механізм формування динамічної адаптації дерева синхронізації на основі замкнутої топології з урахуванням умов появи топологічних і часових петель в замкнутих топологічних структурах мережі тактової синхронізації;

- розроблено алгоритм функціонування мережного елементу, що дозволяє запобігати появі петель в замкнутих топологічних структурах шляхом зміни пріоритетів і введення механізму програмованої затримки в алгоритм формування повідомлень про статус синхронізації;

- розроблено систему автоматизованого проектування, що дозволяє проектувати мережі тактової синхронізації із замкнутими топологічними структурами.

Достовірність отриманих результатів досягається завдяки коректному використанню методів досліджень і математичного апарату. Адекватність вибраних моделей підтверджується узгодженістю між результатами аналітичних досліджень, імітаційного моделювання і експериментальних перевірок, а відповідність висновків витікає зі змісту роботи.

Практичне значення отриманих результатів. Результати дисертаційної роботи знайшли своє впровадження в науково-дослідних роботах Державного підприємства "Український науково-дослідний інститут зв'язку" за темами "Модернізація IP/МPLS мережі передавання даних ВАТ "Укртелеком", "Модернізація IP/MPLS мережі ВАТ "Укртелеком", розробці державних стандартів України "ДСТУ ITU-T G.703; ДСТУ ITU-T G.811; ДСТУ ITU-T G.812; ДСТУ ITU-T G.813; ДСТУ ITU-T G.957". Для ідентифікації пристроїв синхронізації і оцінювання їх відповідності вимогам щодо функціонування в розподільній мережі синхронізації розроблено програму і методику “Перевірка функцій формування та передавання повідомлень про статус синхронізації”. Дану методику було використано в низці робіт ДП "УНДІЗ" при проведенні досліджень з функціонування мереж синхронізації.

В дисертаційній роботі:

- розроблено узагальнену методику визначення надійності функціонування для фрагмента мережі тактової синхронізації будь-якої топології;

- вперше отримано узагальнений функціонал надійності мережі тактової синхронізації, що визначає залежність надійності мережі тактової синхронізації від функціональних залежностей між інтенсивностями потоків відмов і відновлень, топології мережі, ефективності планування, алгоритмів функціонування мережних елементів;

- досліджено умови виникнення топологічних та часових петель в мережі синхронізації.

- розроблено механізм динамічної адаптації логічного дерева синхронізації.

Практичні результати підтверджуються актами впровадження, які приведені в Додатках до дисертаційної роботи.

Особистий вклад автора. В дисертаційній роботі особистий внесок автора відображено в наукових розробках, при цьому виконано: визначено залежність надійності типових топологічних фрагментів мережі тактової синхронізації від сумарного потоку відмов і відновлень і вибраної топології [5]; визначено узагальнений функціонал надійності мережі тактової синхронізації, що визначає залежність надійності мережі тактової синхронізації від функціональних залежностей між інтенсивностями потоків відмов і відновлень, топології мережі, ефективності планування, алгоритмів функціонування мережних елементів [5]; отримано значення теоретичної межі для якості функціонування типових фрагментів мережі тактової

синхронізації [5]; розроблено методику визначення надійності функціонування мережі тактової синхронізації з врахуванням інтенсивностей потоків відмов і відновлень, топології мережі і алгоритмів функціонування мережних елементів і з врахуванням імовірнісних характеристик подій, що відбуваються в мережі тактової синхронізації [5]; сформульовано необхідні і достатні умови появи топологічних петель в замкнутих топологічних структурах мережі тактової синхронізації [1,2,4,7]; проведено системний аналіз умов виникнення часових петель синхронізації в замкнутих топологічних структурах мережі тактової синхронізації [1,2,3,11,12]; розроблено механізм формування динамічної адаптації дерева синхронізації, на основі замкнутої топології [1,2,3,6,8]; розроблено алгоритм функціонування мережного елементу, що дозволяє запобігати появі петель в замкнутих топологічних структурах шляхом зміни пріоритетів на основі подій, що відбуваються в мережі тактової синхронізації [1,2,6,10,12]; розроблено механізм введення програмованої затримки в алгоритм формування повідомлень про статус синхронізації для запобігання виникненню часової петлі синхронізації [2,3,10,11]; розроблено систему автоматизованого проектування, що дозволяє проектувати мережі тактової синхронізації із замкнутими топологічними структурами [5,6,8,11,12]; отримано експериментальне підтвердження причин виникнення петель синхронізації [1,2,4].

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень представлені на наукових і науково-технічних конференціях і семінарах: V, VII, VIII, IX міжнародних науково-практичні конференціях “Проблеми управління мережами в умовах конкурентного ринку”, IХ міжнародній конференції “Еволюція транспортних мереж телекомунікацій, IV міжнародному науково-технічному симпозіуму "Нові технології в телекомунікаціях " (м. Київ, 2011 р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 12 статтях в наукових журналах, у тому числі 4 - в професійних виданнях, рекомендованих ВАК України.

Структура дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, виводів і 13 додатків. Загальний обсяг дисертаційної роботи складає 203 сторінки друкованого тексту. Дисертація містить 61 рисунок, 4 таблиці, 17 сторінок додатків. Список використаних джерел включає 110 найменувань на 9 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано мету і завдання дослідження, визначений об'єкт, предмет і методи вирішення завдань дослідження, представлено основні наукові результати і їх практичне значення, викладено загальну характеристику роботи. Приведені дані про особистий вклад автора, а також публікації за темою дисертації.

Перший розділ присвячений дослідженню принципів побудови мереж тактової синхронізації в умовах переходу до транспортних мереж наступного покоління, аналізу існуючих типів мережних елементів мережі тактової синхронізації, визначенню типових за топологією фрагментів мережі тактової синхронізації.

Проведено дослідження тенденцій розвитку транспортних мереж в умовах переходу до мереж нового покоління і визначено вимоги до побудови таких мереж. Визначено, що для впровадження нових послуг потрібний відповідний розвиток мереж зв'язку і, зокрема, їх транспортної інфраструктури, на якій мають базуватися мережі наступного покоління NGN (Next Generation Networks). Сучасна транспортна мережа повинна забезпечувати економічно ефективну агрегацію будь-якого клієнтського трафіку і його надійну, високоякісну передачу каналами зв'язку.

Досліджено основні принципи функціонування мережі тактової синхронізації. Основне завдання, яке повинна виконувати мережа тактової синхронізації, полягає в забезпеченні сигналом синхронізації кожного вузла транспортної телекомунікаційної мережі, що досягається побудовою логічного дерева синхронізації на базі існуючої фізичної топології транспортної мережі. Мережа тактової синхронізації є накладеною на фізичну топологію мережі передачі даних. Вимоги до надійності мережі тактової синхронізації залежать від вимог до транспортної мережі. Надійність мережі тактової синхронізації має бути, як мінімум, не гірше, ніж надійність самої транспортної мережі.

Розглянуто різні варіанти розвитку мереж тактової синхронізації. При виникненні аварійної ситуації транспортна телекомунікаційна мережа перебудовує маршрути проходження інформації, аби зберегти задану якість функціонування. У свою чергу, і мережа синхронізації повинна забезпечити можливість перебудови дерева синхронізації з врахуванням зміни статичних маршрутів передачі трафіку.

Існує декілька способів рішення даної задачі. Перше рішення передбачає перебудову дерева синхронізації відповідно до статичних маршрутів транспортної мережі. Це означає попереднє планування можливих варіантів дерева синхронізації з врахуванням алгоритму функціонування мережних елементів мережі тактової синхронізації.

Друге рішення ґрунтується на створенні протоколів, що дозволяють обробляти інформацію про стан ліній і вузлів мережі тактової синхронізації і поширювати дану інформацію по мережі синхронізації. При цьому підході кожен вузол володіє інформацією про стан мережі синхронізації і прийняття рішення є прерогативою цього вузла.

Перше і друге рішення даної задачі передбачають розподілене (децентралізоване) управління мережею синхронізації, причому, якщо в першому варіанті, здійснюється управління на основі еталонної моделі (заздалегідь визначеного плану), то другий варіант використовує управління на основі детермінованих правил прийняття рішень, закладених в алгоритмі функціонування вузла.

Третє рішення передбачає створення централізованої системи управління мережею тактової синхронізації, основу якої складає центральний вузол, що оброблює інформацію про стан мережі синхронізації. Перевагою цього рішення є можливість оцінки фізичних характеристик сигналу синхронізації і вироблення команд управління на основі даних оцінок.

Оптимальне рішення повинне враховувати всі три підходи до розв'язання цієї задачі. Це інтегроване рішення передбачає формування чіткого плану побудови дерева синхронізації, що динамічно змінюється, за заздалегідь складеним сценарієм з можливістю виміру фізичних характеристик сигналу синхронізації і вироблення управляючих рішень на основі вимірів і з врахуванням плану синхронізації.

Визначено метод еквівалентного представлення мережі тактової синхронізації як сукупності фрагментів різної топології, який дозволяє отримати чіткі аналітичні вирази, що характеризують алгоритм функціонування досліджуваного фрагмента, його надійність і відмовостійкість. Використовуючи теорію графів і теорію поглинання, можна будь-яку складну мережу синхронізації представити у вигляді набору простих типових фрагментів. Провівши аналіз топології існуючих діючих мереж синхронізації, можна зробити висновок про те, що основними топологічними фрагментами, на які може бути розбита будь-яка мережа, є кільцева, деревовидна і трикутна топології. Інакше кажучи, поєднання в тому або іншому вигляді запропонованих фрагментів дає повне уявлення про топологію мережі тактової синхронізації в цілому.

На рис.1 одну з ділянок мережі тактової синхронізації представлено у вигляді типового еквівалентного фрагмента, що має кільцеву топологію.



Рис. 1 - Фрагмент мережі тактової синхронізації за кільцевою топологією

Метод еквівалентного представлення мережі тактової синхронізації як сукупності фрагментів різної топології дозволяє отримати чіткі аналітичні вирази, що характеризують алгоритм функціонування досліджуваного фрагмента, його надійність і відмовостійкість. Аналітичні вирази отримані в результаті досліджень надійності і відмовостійкості типових фрагментів мережі тактової синхронізації можуть застосовуватися при плануванні і розрахунку реальних мереж тактової синхронізації.

У другому розділі розглядається питання визначення надійності типових топологічних фрагментів, розроблена методика визначення надійності функціонування мережі тактової синхронізації з врахуванням інтенсивностей потоків відмов і відновлень, топології мережі і алгоритмів функціонування мережних елементів, а також отримано узагальнений функціонал надійності мережі тактової синхронізації, що визначає залежність надійності мережі тактової синхронізації від функціональних залежностей між інтенсивностями потоків відмов і відновлень, топології мережі, ефективності планування, алгоритмів функціонування мережних елементів.

Розглянуто типові топологічні фрагменти мереж, на яких функціонують мережі тактової синхронізації. Проведено аналіз цих топологічних структур із застосуванням математичного апарату теорії марковських випадкових процесів з дискретними станами і безперервним часом. Основними типами топологічних структур використовуваних в мережах тактової синхронізації є деревовидна, кільцева, і трикутна. Модель кожного з фрагментів представлена у вигляді графа, вершини якого відповідають мережним елементам, а ребра є з'єднаннями між ними. Як критерій застосовності типа топології приймається працездатність даного фрагмента.

Фрагмент мережі тактової синхронізації, що складається з мережних вузлів і ліній зв'язку, вважається працездатним, якщо він здатний функціонувати із заздалегідь заданою якістю сигналу синхронізації протягом певного проміжку часу.

Методика визначення надійності топологічного фрагмента мережі тактової синхронізації може бути представлена у вигляді послідовності ряду процедур:

1) Процедура нумерації графа включає операції по привласненню порядкових номерів елементам (вершинам і ребрам) досліджуваної топології.

2) Побудова розміченого графа станів топологічного фрагмента полягає в тому, визначаються всі можливі стани (), в яких може знаходитися топологічний фрагмент мережі. Наприклад, для фрагмента мережі трикутної топології (рис. 3):

S1 Ї (усі елементи фрагмента в робочому стані);

S2 Ї ;

S3 Ї ;

S58 Ї ;

S64 Ї . (усі елементи фрагмента несправні), де

( = 4,5,.,9) - подія, яка полягає в тому, що елемент знаходиться в робочому стані; .- подія зворотна , яка полягає в тому, що елемент знаходиться в неробочому стані.

Рис. 2 - Граф фрагмента мережі тактової синхронізації з трикутною топологією

3) Визначення імовірності знаходження топологічного фрагмента мережі тактової синхронізації в кожному з можливих станів.

Для вирішення даного завдання скористаємося методом аналізу марковських процесів з дискретними станами і безперервним часом. Приймається, що всі потоки, що переводять структуру з одного стану в інший - пуассоновські і незалежні. Тоді випадковий процес переходів з одного стану досліджуваної структури в інший під дією потоків відмов і відновлення, є марковським процесом з дискретними станами та безперервним часом. Фрагмент мережі має кінцеву кількість дискретних станів, в яких він може знаходитися, а відмови в мережі синхронізації відбуваються у випадкові моменти часу.

Імовірність станів, в яких може знаходитися фрагмент мережі при дії на нього потоку відмов і відновлень визначається за таких умов:

- кожен елемент фрагмента мережі, представленої на рис. 2 у вигляді графа, виходить з ладу незалежно від інших елементів фрагмента мережі;

- потоки відмов елементів фрагмента мережі - пуассоновські, постійні, незалежні з інтенсивностями, рівними відповідно (індекси відповідають номерам елементів в графі рис. 2);

- після відмови кожен елемент відновлюється;

- потоки відновлення - пуассоновські, постійні і незалежні з інтенсивностями, рівними відповідно (індекси відповідають номерам елементів в графові, представленому на рис. 2);

- працездатність елементів 1,2,3 є достовірна подія.

Складається система диференціальних рівнянь Колмогорова для імовірності знаходження топологічного фрагмента мережі в одному з можливих станів.

1= -(л 4+л 5+л 6+л 7+л 8+л 9)•p1+µ4•p2+µ5•p3+µ6•p4+µ8•p6+µ9•p7+µ7•p5 ;

2=л4•p1-(µ4+л 5+л 6+л 7+л 8+л 9)•p2+µ5•p8+µ6•p9+µ7•p10+µ8•p11+µ9•p12;

3=µ6•p13+µ7•p14+µ8•p15+µ9•p16+л5•p1-(µ5+л 4+л 6+л 7+л 8+л 9)• p3+µ4•p8; (1)

58=л 6*p46+л 5*p49+л 4*p53-(µ8+µ7+µ6+µ5+µ4+л 9)*p58+µ9*p64+л 7*p44+л 8*p43;

64=л 4*p63-(µ9+µ8+µ7+µ6+µ5+µ4)*p64+л 5*p62+л 6*p61+л 8*p59+л 9*p58+л 7*p60, де

=

Розв'язання в чисельному вигляді даної системи лінійних диференціальних рівнянь представлено на рис. 3 у вигляді залежностей імовірності знаходження в одному із станів, згрупованих за кількістю можливих аварійних ситуацій. Рішення отримано за допомогою пакету символьних обчислень програми MATLAB для заданих початкових умов: інтенсивність відмов =2, інтенсивність відновлення =1, імовірність того, що система знаходилася в стані S1 в початковий момент часу p(S1)=1.

4) Формування умов працездатності топологічного фрагмента - полягає у визначенні сукупності подій, які приводять до втрати працездатності топологічного фрагмента (рис.2) на базі методу аналізу структурної надійності.

Всі можливі стани фрагмента , що представляють повну групу несумісних подій розбиваються на дві групи. Перша група станів включає ті події, які не мають істотного впливу на якість функціонування мережі. Друга група станів включає ті події, кожна з яких наводить до втрати працездатності мережі. Попадання тієї або іншої події в одну з груп залежить від алгоритму функціонування вузла синхронізації, способу розстановки пріоритетів вхідним інтерфейсам (портам) синхронізації, встановлення рівнів якості сигналів синхронізації і топології фрагмента мережі.

Припускається, що працездатність фрагмента мережі залежить лише від топології, і не залежить від реалізації алгоритму функціонування, способу розставляння пріоритетів вхідним інтерфейсам, встановлення рівнів якості сигналів синхронізації. Таким чином вищеперелічені параметри не справляють впливу на якість функціонування мережі, тобто є ідеальними.



Рис. 3 - Залежність імовірності виникнення аварій від часу

Розв'язання задачі за даних умов дозволяє отримати значення теоретичного межі для якості функціонування даного фрагмента. Отримане значення межі є максимальним з точки зору якості функціонування мережі. Ця межа називається верхнею і саме до неї буде наближатися функціонал працездатності фрагмента мережі.

Здійснення події , що приводить до втрати працездатності фрагмента трикутної топології (рис.2) має такий вигляд:

(2),

де, ,,- події за якими сигнал синхронізації відповідної якості буде відсутній на вихідному інтерфейсі (порту) мережного елементу, позначеного на рис. 3 цифрами , , , відповідно.

Складемо можливі маршрути проходження сигналу від вершин до точки для фрагмента мережі, представленого на рис. 3. Можливі маршрути можна представити у вигляді простих ланцюгів. Тоді маршрути проходження сигналу між вершинами і точкою можна представити таким чином:

- {};

{};

- {}

{};

- {}.

Відсутність сигналу в точці (подія ), станеться лише в тому випадку, якщо жоден з сигналів, що виходить з вершин , не досягне . Тоді дану подію можна представити таким чином:

= , (3)

де - події, що полягають в тому, що сигнали з вершин не досягнуть точки .

Сигнал з вершини досягне точки лише в тому випадку, якщо одночасно відмовлять два маршрути, за якими поширюється сигнал синхронізації {} і {}.

Тоді цю подію можна представити:

=,



де - подія, яка полягає в тому, що сигнал з вершини А не досягне точки, - подія, при якій відбувається відмова маршруту {}; - подія, при якій відбувається відмова маршруту {}.

Подія станеться лише в тому випадку, якщо відмовить хоч би один з елементів 8,2, 4 або 1, тому:

,

де - подія, при якій елемент знаходиться у робочому стані; - подія, при якій елемент знаходиться в неробочому стані, індекс при - порядковий номер елементу.

Аналогічно розраховуючи інші події і використовуючи метод поглинання, запишемо подію :

(4)

Виконавши аналогічні розрахунки для події , яка полягає у відсутності сигналу в точці і події , що полягає у відсутності сигналу в точці , визначаємо умови знаходження фрагмента трикутної топології в непрацездатному стані:

(5) 

5) Визначення імовірності знаходження топологічного фрагмента мережі в працездатному стані.

Вираз (5) є умовою розмежування повної групи станів мережі на дві групи: перша група включає стани, що не приводять до втрати працездатності досліджуваного фрагмента, друга група - стани, які приводять до втрати працездатності досліджуваного фрагмента. Якщо в результаті обчислень , то стан відноситься до першої групи, тобто фрагмент ідентифікується як працездатний. Якщо ж , то стан відноситься до другої групи, тобто фрагмент ідентифікується як непрацездатний. Обчислення проводяться таким чином:

- якщо n-й елемент фрагмента мережі знаходиться в працездатному стані, то приймає значення "істина" або логічна одиниця;

- якщо n-й елемент фрагмента мережі знаходиться в непрацездатному стані, то набуває значення "неправда" або логічний нуль;

Так наприклад, стан визначається як:

Підставляючи значення для ai в (5) отримуємо

Отже, , значить, фрагмент мережі не втратив працездатності, а відноситься до першої групи станів.

Проаналізувавши таким чином всі можливі стани (64), отримаємо повне уявлення про розподіл станів за групами.

Імовірність виходу з ладу фрагмента мережі тактової синхронізації, яка визначена через інтенсивність відмов і відновлень з урахуванням результатів розв'язання диференціального рівняння (1), буде:

(6)

Чисельне рішення при =2, =1 для імовірності знаходження досліджуваного фрагмента в працездатному стані наведено на рис.4.

Рис.4 - Функціональна залежність імовірностей функціонування і відмов для трикутного фрагмента мережі тактової синхронізації

Приведена методика є узагальненою методикою, що дозволяє розраховувати працездатність фрагментів мережі тактової синхронізації будь-якої топології.

Узагальнений функціонал надійності мережі тактової синхронізації визначає залежність надійності мережі тактової синхронізації від функціональних залежностей між інтенсивностями потоків відмов і відновлень, топології мережі, ефективності планування, алгоритмів функціонування мережних елементів.

Таким чином, надійність можна представити в такому вигляді:

,(7)

де - функція інтенсивності потоку відмов фрагмента мережі, який впливає на i-й елемент; - інтенсивність потоку відмов фрагмента мережі, який впливає на i-й елемент; - топологія досліджуваного фрагмента (j=, де j=1 відповідає трикутному фрагменту, j=2 - деревовидному фрагменту, j=3 - кільцевому фрагменту), - тип використаного алгоритму, де k=, причому k=1 відповідає алгоритму функціонування вузлів тактової синхронізації на основі таблиць пріоритетів, k=2 відповідає алгоритму функціонування вузлів тактової синхронізації на основі повідомлень про статус синхронізації, k=3 відповідає алгоритму функціонування вузлів тактової синхронізації з можливістю формування динамічної зміни дерева синхронізації і внесенням програмованої затримки.

У третьому розділі проведений аналіз впливу алгоритму функціонування вузлів тактової синхронізації з використанням таблиць пріоритетів і алгоритму, що використовує повідомлення про статус синхронізації (SSM) на надійність фрагмента мережі тактової синхронізації залежно від топології фрагмента і розроблено механізм динамічної адаптації дерева синхронізації.

Визначено, що для забезпечення функціонування мережі тактової синхронізації із заданою якістю, необхідно оптимізувати алгоритм функціонування вузлів тактової синхронізації. Розглядаються принципи планування мережі тактової синхронізації з точки зору встановлення пріоритетів на прикладі типового фрагмента мережі тактової синхронізації. Сформульовані і доведені теореми про умови виникнення топологічних і часових петель синхронізації.

Петля синхронізації - це процес, який може виникнути в мережах тактової синхронізації з примусовим режимом синхронізації, при якому на вхід пристрою, що формує сигнал тактової частоти (задаючий генератор) потрапляє власний сигнал тактової частоти.

Топологічна петля синхронізації - це така петля синхронізації, виникнення якої залежить лише від способу встановлення пріоритетів синхросигналу на вхідних портах вузлів синхронізації.

Часова петля синхронізації - це така петля синхронізації, виникнення якої залежить не тільки від способу встановлення пріоритетів синхросигналу на вхідних портах вузлів синхронізації, але і від неодночасності надходження синхросигналу на вхідні порти вузлів синхронізації. Ці часові затримки викликані реакцією мережних вузлів на зміну значення якості сигналу синхронізації.

Теорема 1. Якщо два або більш транзитних мережних елемента, що функціонують на основі алгоритму таблиць пріоритетів, взаємодіють між собою через двонаправлені зв'язки, то втрата опорного сигналу призводить до появи топологічних петель.

Теореми 2,3. Незалежно від того, за яким з двох алгоритмів функціонує мережний елемент (на основі таблиць пріоритетів або з використанням повідомлень про статус синхронізації) справедливе твердження про те, що топологічна петля в замкнутому контурі утворюється при втраті опорного сигналу тактової синхронізації і відсутності джерела в замкнутому фрагменті мережі синхронізації.

Теорема 4. За наявності джерела в замкнутому фрагменті мережі синхронізації і втраті опорного сигналу синхронізації можливо виникнення петель синхронізації, обумовлених часовими співвідношеннями між моментами зміни станів мережних елементів. Такі петлі називаються часовими.

Розроблено методики оптимального планування мережі тактової синхронізації з використанням таблиць пріоритетів і на базі повідомлень про статус синхронізації.

Проведено дослідження умов виникнення часових петель, при цьому отримано залежності надійності фрагмента мережі тактової синхронізації від способів встановлення пріоритетів синхросигналу на вхідних інтерфейсах мережних елементів і часу, потрібного для зміни стану мережного елементу.

Виходячи з теореми 4 визначена умова (8) виникнення часової петлі для топологічного фрагмента, показаного на рис 5.

Рис. 5 - Схема розподілу сигналу синхронізації

На рис. 6 цифрами 1, 2, 3 позначені значення пріоритетів, привласнені вхідним інтерфейсам мережних елементів; N1, N2, N3, Nб- мережні елементи мережі тактової синхронізації; P1, P2 - джерела опорного сигналу тактової синхронізації;

TI - час затримки i-м елементі; - напрямок існуючого дерева синхронізації

(8)

де - час затримки проходження сигналу від вузла до вузла ; ; - час перемикання вузла .

Отримано залежності надійності типового фрагмента від алгоритмів мережного елементу. Наприклад, для фрагмента мережі тактової синхронізації трикутної топології результати розрахунку імовірності знаходження фрагменту в робочу стані при використанні мережним елементом алгоритму на базі таблиць пріоритетів представлені на рис. 6.

Рис.6 - Залежність надійності трикутного фрагмента мережі тактової синхронізації від алгоритму функціонування мережного елементу

Проведено аналіз функціонування фрагментів мережі тактової синхронізації різних топологічних структур (кільце, деревовидна і трикутна) та алгоритмів функціонування вузлів мережі синхронізації (на базі пріоритетів і з використанням повідомлень про статус синхронізації), показав, що надійність фрагмента визначається потенційно можливою кількістю незалежних логічних дерев синхронізації, що формуються для заданої фізичної топології. Приймається, що дерево синхронізації існує тоді, коли воно забезпечує функціонування фрагмента мережі в режимі, що не призводить до виникнення петель синхронізації. Виникнення петель синхронізації залежить, головним чином, від алгоритму функціонування вузлів синхронізації. Таким чином, кількість можливих дерев синхронізації залежить від алгоритму, який використовується мережним елементом, а саме:

1) алгоритм на базі пріоритетів забезпечує формування тільки однонаправлених дерев синхронізації, що зменшує потенційно можливу кількість дерев синхронізації на фрагментах мережі тактової синхронізації з топологією, що має замкнутий контур.

2) алгоритм на основі повідомлень про статус синхронізації забезпечує можливість формування як однонаправлених, так і двонаправлених дерев синхронізації, що, з одного боку, дозволяє отримати більшу кількість дерев синхронізації для замкнутих і для деревовидних топологічних структур (в порівнянні з алгоритмом на основі пріоритетів); а з іншого боку призводить до того, що зростає кількість можливих ситуацій, що призводять до виникнення петель синхронізації (топологічних і часових) на фрагментах мережі з топологією, що має замкнутий контур.

Тому при проектуванні мереж тактової синхронізації вимога підвищення надійності функціонування призводить до необхідності збільшення незалежних дерев синхронізації.

Цю задачу вирішено в даному розділі шляхом розробки механізму динамічної адаптації дерева синхронізації, сутність якого є в динамічній перестановці пріоритетів, які привласнюються вхідним інтерфейсам мережних елементів мережі тактової синхронізації. Запропонований механізм передбачає набір правил, за якими здійснюється перебудова дерева синхронізації при виникненні аварійних ситуацій або ситуацій, що призводять до зміни значень якості синхросигналу.

Досліджено вплив алгоритму, що реалізує запропонований механізм динамічної адаптації дерева синхронізації, на надійність типових фрагментів мережі тактової синхронізації. Наприклад, для трикутного фрагмента умови перебування в працездатному стані визначається:

(9)

а імовірність виходу з ладу фрагмента мережі тактової синхронізації, яка виражена через інтенсивність відмов і відновлень з використанням рішення диференціального рівняння (1) представлена на рис. 7.

Рис.7 - Функціональна залежність імовірностей функціонування і відмов для трикутного фрагмента мережі тактової синхронізації при використанні механізму динамічної адаптації дерева синхронізації

У четвертому розділі розглядається модель мережного елементу мережі тактової синхронізації, що дозволяє перевірити коректність теоретичних результатів, отриманих в попередніх розділах методом імітаційного моделювання, а також створити середовище автоматизованого проектування мереж синхронізації.

Для підтвердження вірності теоретичних положень, отриманих в попередніх розділах проведено імітаційне моделювання і отримано його експериментальне підтвердження щодо розв'язання таких задач:

1) Підтвердження умов виникнення топологічних і часових петель синхронізації на досліджуваних фрагментах мережі тактової синхронізації з кільцевою топологією і мережними елементами, що функціонують за алгоритмами з використанням таблиці пріоритетів; з використанням повідомлень про статус синхронізації; з використанням механізму динамічної адаптації дерева синхронізації.

2) Перевірка можливості обладнання запобігати виникненню топологічних і часових петель синхронізації.

Для вирішення завдання щодо створення середовища автоматизованого проектування мереж синхронізації розроблено три типи віртуальних пристроїв. Відмінність між ними полягає в тому, що одна модель пристрою підтримує алгоритм обміну повідомленнями про статус синхронізації (SSM), друга підтримує алгоритм з використанням таблиці пріоритетів, а третя - алгоритм з динамічною адаптацією дерева синхронізації. Основною метою створення даного середовища проектування є автоматизація процесу проектування складних мереж синхронізації з врахуванням різних типів обладнання, яке використовується на мережі. Розроблено програмний пакет, який дозволяє автоматизувати процес планування. Даний пакет створено в середовищі Simulink оболонки MATLAB версії 7.0.4.365 (R14).

Основою даного програмного пакету служить модель мережного елементу, яка побудована відповідно до Рекомендації ITU-T G.781. Дана модель (рис.8) складається з "логічної" і "фізичної" функціональних частин.



Рис. 8 - Модель мережного елементу мережі тактової синхронізації

Логічна частина здійснює взаємодію з фізичною частиною моделі за допомогою сигналів управління, які формуються і транслюються блоком управління.

Фізична частина реалізована у вигляді блоку фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ) і керованих комутаторів (селекторів). Управління комутаторами здійснює логічна частина. Існує можливість в широких межах варіювати параметри ФАПЧ з метою здобуття необхідних характеристик обладнання синхронізації.

Результати імітаційного моделювання і експериментального дослідження появи петель синхронізації в кільцевому фрагменті мережі тактової синхронізації представлені на рис. 9, 10.



Рис.9 - Результати моделювання для кільцевого фрагмента

На рис. 9 представлено результат моделювання кільцевого фрагмента мережі тактової синхронізації за умови виникнення петлі синхронізації.

На рис. 10 представлено результат експериментального дослідження процесу виникнення петлі синхронізації.

Рис. 10 - Помилка часового інтервалу сигналу синхронізації при виникненні петлі синхронізації

З графіка наведеного на рис. 10 видно, що після виникнення аварійної ситуації, помилка часового інтервалу представляє собою незгасаючі коливання із зростаючою амплітудою. Дана ситуація є результатом виникнення петлі синхронізації.

Відносна стабільність частоти сигналу синхронізації, який використовується фрагментом мережі наведено на рис.10. Видно, що на початку існує невелика ділянка порядку 40 секунд в перебігу якого ще можна використовувати сигнал для синхронізації, проте фаза на цій ділянці змінюється не лінійно, у зв'язку з чим ФАПЧ, який використано в даному мультиплексорі, незабаром виходить з синхронізму. Таким чином, підтверджується коректність теоретичних положень умов виникнення петель синхронізації, що стосуються (теореми 3,4, викладені в третьому розділі).



ВИСНОВКИ

Сукупність наукових положень, сформульованих і обґрунтованих в дисертаційній роботі, вирішує задачу підвищення надійності функціонування мережі тактової синхронізації шляхом розробки і впровадження механізму динамічної адаптації дерева синхронізації, що дозволяє забезпечити працездатність мережі тактової синхронізації при збільшенні зв'язності мережі і значному збільшенні числа аварійних ситуацій, а також дозволяє запобігти виникненню петель синхронізації.

В ході дослідження отримані такі теоретичні і науково-практичні результати.

1 Розроблено методику визначення надійності функціонування типових фрагментів мережі тактової синхронізації за заданих початкових умов: інтенсивність відмов, інтенсивність відновлення і початкові умови, що визначають начальний стан системи і з врахуванням таких параметрів: алгоритм функціонування вузла синхронізації; спосіб призначення пріоритетів вхідним інтерфейсам (портам) синхронізації; рівні якості сигналів синхронізації; топологія фрагмента мережі.

2 Розроблено узагальнену методику визначення надійності функціонування для фрагмента мережі тактової синхронізації будь-якої топології, що дозволяє:

- визначити можливість використання даних фрагментів як основних для побудови дерева синхронізації, що динамічно адаптується;

- визначити значення параметрів, на основі яких можливий вибір оптимальної топології;

- визначити варіанти використання перспективних топологічних структур.

3 Вперше отримано узагальнений функціонал надійності мережі тактової синхронізації, що визначає залежність надійності мережі тактової синхронізації від функціональних залежностей між інтенсивностями потоків відмов і відновлень, топології мережі, ефективності планування, алгоритмів функціонування мережних елементів. Отримано значення теоретичної межі надійності функціонування фрагмента мережі тактової синхронізації, до якої наближається функціонал працездатності фрагмента мережі.

4 Розроблено методику аналізу впливу алгоритмів функціонування вузлів тактової синхронізації (з використанням таблиць пріоритетів і на основі повідомлень про статус синхронізації) на надійність фрагмента мережі тактової синхронізації залежно від топології фрагмента (кільцева, деревовидна і трикутна топологія).

5 Досліджено умови виникнення топологічних і часових петель. Доведено, що якщо два або більш транзитних мережних елементи, що функціонують на основі алгоритму з використанням таблиць пріоритетів, взаємодіють між собою через двонаправлені зв'язки, то втрата опорного сигналу призводить до появи топологічних петель (теорема 1). Доведено, що топологічна петля в замкнутому контурі утворюється при втраті опорного сигналу тактової синхронізації і відсутності джерела в замкнутому фрагменті мережі синхронізації (теорема 2). Доведено, що за наявності джерела в замкнутому фрагменті мережі синхронізації і втраті опорного сигналу синхронізації можливо виникненні петель синхронізації, обумовлених часовими співвідношеннями між моментами зміни станів мережних елементів (теорема 4).

6 Проведено порівняння отриманої надійності фрагментів мережі з досліджуваними топологічними структурами (кільцем, деревовидною і трикутною) з теоретичною межею надійності функціонування фрагмента мережі тактової синхронізації. Показано, що вибір алгоритму робить істотний вплив на надійність мережі тактової синхронізації.

7 Вперше отримано залежності надійності фрагмента мережі тактової синхронізації від способів встановлення пріоритетів синхросигналу на вхідних інтерфейсах мережних елементів і часу, потрібного для зміни стану мережного елементу.

8 Розроблено механізм функціонування мережного елементу мережі тактової синхронізації, синхронізації, що дозволяє створювати адаптивне (що динамічно змінюється) дерево, шляхом перебудови пріоритетів вхідним інтерфейсам мережних елементів для фрагментів мережі тактової синхронізації, топологія яких включає вузли, ранг яких більше двох. Розраховано виграш в надійності при використанні запропонованого алгоритму. Результати імітаційного моделювання показали, що запропонований в роботі механізм динамічної адаптації дерева синхронізації дозволяє підвищити надійність мережі тактової синхронізації в порівнянні з впровадженими на даний момент алгоритмами функціонування мережних елементів і доводить доцільність його використання в існуючих транспортних телекомунікаційних мережах.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Лісковський І.О. Умови виникнення петель синхронізації при використанні механізму SSM - повідомлень // вісник дуіКТ. - 2007, Спеціальний випуск. - С. 85-89.

2. Лисковский И. О. имитационное моделирование условий возникновения топологических и временных петель. // Наукові записки дп ундіз. - 2008, Випуск №1(3), С. 36-44.

3. Лісковський І.О. Внесення програмованої затримки в алгоритм обробки повідомлення про статус синхронізації // Збірник наукових праць Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка.-2008, Випуск №11, С. 46-50.

4. Лисковский И.О., Федорова Н.В. Использование модели сетевого устройства для анализа схем синхронизации // вісник дуіКТ. - 2008, С. 333-338

5. Беркман Л.Н., Лісковський І.О. Підвищення надійності функціонування мережі тактової синхронізації // Матеріали IV Міжнародного науково-технічного симпозіуму "Нові технології в телекомунікаціях ". дуіКТ.- 2011, С.72 - 75.

6. Федорова Н.В., Лісковський І.О. "Ідеальна" модель елементу мережі генераторного обладнання СЦІ. Основні вимоги та алгоритми роботи // Матеріали 2-го науково - практичного семінару молодих науковців та студентства "Сучасні телекомунікаційні та інформаційні технології". - 2007, С. 3-8.

7. Лисковский И.О., Федорова Н.В. Многомерные матрицы как инструмент анализа сети синхронизации // Вісник УНДІЗ. - 2006, № 1. - С. 55-59.

8. Лисковский И.О., Макурин Н.А., Федорова Н.В. Сетевые устройства синхронизации. Базовая модель устройства синхронизации оборудовании СЦИ // "Вісник" УНДІЗ. - 2006, № 1. - С. 59-63.

9. Бирюков М.Л., Лисковський І.О., Федорова Н.В. Алгоритм определения петель в сети синхронизации // Труды 7-й международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”. - 2006, ч.1. - С. 190.

10. Лисковский И.О. Применение программируемой задержки в алгоритме обработки сообщений о статусе синхронзации // Вісник УНДІЗ. - 2009, № 2. - С. 57-63.

11. Лисковский И.О. Внесение программируемой задержки в алгоритм обработки сообщения о статусе синхронизации // Вісник УНДІЗ. - 2010, № 2. - С. 42-47.

12. Лисковский И.О. Анализ схем синхронизации с использованием модели сетевого устройства // Вісник УНДІЗ. - 2009, № 3. - С. 79-83.



АНОТАЦІЯ

Лісковський І. О. Підвищення надійності функціонування мережі тактової синхронізації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченої міри кандидата технічних наук за фахом 05.12.02 - Телекомунікаційні системи і мережі. - Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, Київ, 2010.

Дисертаційна робота присвячена рішенню задачі підвищення надійності функціонування мережі тактової синхронізації, за рахунок розробки механізму дерева синхронізації і методики визначення значень узагальненого функціонала надійності мережі тактової синхронізації, що динамічно адаптується.

Розроблено методику визначення надійності функціонування типових фрагментів мережі тактової синхронізації за заданих початкових умов: інтенсивність відмов, інтенсивність відновлення і початкові умови, в яких знаходилася система і з врахуванням алгоритму функціонування вузла синхронізації, спосіб розставляння пріоритетів вхідним інтерфейсам синхронізації, рівнів якості сигналів синхронізації і топології фрагмента мережі.

Отриманий узагальнений функціонал надійності мережі тактової синхронізації, що визначає залежність надійності мережі тактової синхронізації від функціональних залежностей між інтенсивностями потоків відмов і відновлень, топології мережі, ефективності планування, алгоритмів функціонування мережних елементів. Проведено дослідження умов виникнення топологічних і часових петель в мережі тактової синхронізації.