автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Исследование способов резервирования в сетях СЦИ и разработка методов и алгоритмов оптимального проектирования этих сетей на базе самовосстанавливающихся структур

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 Исследование способов резервирования сетей СЦИ

1.1 Необходимость резервирования в сетях СЦИ

1.2 Особенности сетей СЦИ

1.2.1 Архитектура сетей СЦИ, построенных на базе 16 отказоустойчивых структур

1.2.2 Резервирование в сетях СЦИ

1.3 Сравнительная оценка затрат пропускной способности на 28 резервирование в различных отказоустойчивых структурах

1.3.1 Анализ характеристик отказоустойчивых структур СЦИ

1.3.2 Сравнение различных способов резервирования для 33 различных вариантов топологии и двух типов распределения трафика

1.3.3 Сравнение кольцевых схем резервирования SNCP и 52 MS SPRing

1.3.4 Кольцевая структура MS DPRing

1.4 Оценка надёжности, обеспечиваемой различными 70 отказоустойчивыми структурами

1.4.1 Модели надежности для кольцевых структур

1.4.2 Надежность структуры типа 1+

1.4.3 Оценочные расчеты надежности различных способов 77 резервирования в сетях СЦИ

ВЫВОДЫ из главы

ГЛАВА 2 Оптимизация транспортных сетей СЦИ при их проектировании

2.1 Формулировки, критерии и ограничения в задаче оптимизации 84 сетей

2.2 Определение оптимальной топологии сети 94 ВЫВОДЫ из главы

ГЛАВА 3 Оптимизация самовосстанавливающихся структур при 98 проектировании сетей СЦИ

3.1 Особенности оптимизации самовосстанавливающихся структур СЦИ

3.2 Оптимизация резервной ёмкости в изолированном кольце 99 MS SPRing

3.3 Оптимизация резервной ёмкости во взаимосвязанных кольцах 103 MS SPRing

3.4 Оптимальное выделение транзитных потоков для резервирования их 110 способом 1+1 или 1:

ВЫВОДЫ из главы

ГЛАВА 4 Разработка методов оптимального проектирования 115 отказоустойчивых структур

4.1 Место задачи оптимального проектирования кольцевых структур в 115 общей задачи проектирования сетей СЦИ

4.1.1 Выбор топологии сети СЦИ

4.1.2 Оптимизация проектирования кольцевых структур

4.2 Расчёт контрольного примера с использованием разработанных 122 методов и алгоритмов

4.2.1 Исходные данные для контрольных расчётов

4.2.2 Эвристический алгоритм оптимизации кольцевых структур 124 СЦИ с использованием ёмкозависимого алгоритма маршрутизации

4.2.3 Оптимизации взаимосвязанных кольцевых структур СЦИ 127 путём решения задачи линейного программирования (точным методом)

4.2.4 Сравнительный анализ точного и эвристического методов 146 оптимизации

4.3 Сравнительная оценка загрузки системы взаимосвязанных 149 кольцевых структур при маршрутизации по кратчайшим путям и с использованием разработанного метода оптимизации

4.4 Использование задачи оптимального выделения транзитных 152 потоков для резервирования их способом 1 + 1 или 1:

4.4.1 Возможности использования задачи

4.4.2 Расчёт контрольного примера по различным критериям

4.5 Перспективы использования на практике разработанных 160 методов и алгоритмов

4.5.1 Состав задачи компьютерного проектирования надежной сети СЦИ

4.5.2 Перспективы использования программы маршрутизации 161 трактов по сети с резервированием выделенных трактов по типу SNCP 1+

4.5.3 Перспективы использования методов и алгоритмов расчёта 162 оптимальных отказоустойчивых кольцевых структур

ВЫВОДЫ из главы

В настоящее время на транспортных сетях различных операторов РФ происходит широкое внедрение технологии СЦИ, обеспечивающей большие пропускные способности и новые возможности по управлению. Такая ситуация отвечает быстрому росту трафика и требованиям новых служб к надежности и качеству передачи. В результате возникла необходимость фундаментальных перемен в методах создания и применения инструментальных средств проектирования сетей в условиях неоднородности сетей, неопределенности в отношении типов и объемов трафика и увеличении соотношения расходов на эксплуатацию сети к капитальным затратам. Средства компьютерного проектирования (планирования) сетей играют важную роль при оценке вариантов стратегии развития сетей и принятии решений о внедрении новых технологий. В ряде важных аспектов эта роль отличается от той, которую средства проектирования играли во времена медленного роста сети и медленных изменений телекоммуникационных технологий. Прежде основной задачей систем планирования сетей, обусловленной довольно высокой предсказуемостью трафика, постепенным развитием техники и относительно малыми изменениями в базовой топологии сетей являлась задача определения пропускных способностей линий сети. Обычно системы компьютерного проектирования выполняли функции прогнозирования трафика, оптимального выбора маршрутов и, в итоге, определение пропускных способностей участков сети. Эти задачи решались с помощью специализированных программ расчета сетей, которые обеспечивали заданный уровень обслуживания при оптимальных капитальных вложениях. Известен ряд таких программ: система компьютерного проектирования SICAP фирмы SIEMENS, система INDT- разработка LUCENT TECNOLOGIES, система PIGEON фирмы NEC, пакет программ института CNET (Франция), а также пакеты программ для проектирования сетей разработки специализированных фирм Alcatel, DETECON и др.

Согласно положениям Генерального тома МСЭ по планированию сетей [51], планирование сети должно иметь разделяться на следующие этапы: стратегическое и долгосрочное планирование (до 15 лет); среднесрочное планирование (от 2 до 5 лет); краткосрочное или ежегодное планирование.

До настоящего времени такое разделение процесса планирования па этапы использовалось во всех известных системах планирования.

В настоящее время ситуация коренным образом изменилась. Во-первых, изменились периоды планирования. Ранее среднесрочное пятилетнее планирование определяло структуру сети и весьма приближенно ее основные обобщенные показатели (канало-километры, телефонную плотность и т.п.) [51]. В настоящее время, как указывается в ряде публикаций [50,52], требование конкурентоспособности сетей в условиях рыночной экономики требует очень динамичного развития, быстрого внедрения новых технологий и услуг. Это привело к сокращению периодов планирования до одного года или даже к более частому перепланированию сетей [50]. Во-вторых, повысилась детализация при описании структуры сети и исходных данных, что также связано с необходимостью более частого и конкретного планирования. В качестве критерия планирования уже не могут рассматриваться только капитальные затраты, так как рыночные условия прежде всего требуют быстрой окупаемости затрат, а также хорошей масштабируемости и гибкости сети с учетом роста трафика и использования новых технологий [56]. Необходимость постоянной модернизации сетей приводит к тому, что системы планирования преобразуются в инструментальное средство постоянного использования. Однако для разработки универсальных программных средств требуется большое время. Поэтому сейчас создаются средства расчета сетей для конкретных телекоммуникационных технологий. В данной диссертационной работе разрабатываются программные средства для расчета сетей СЦИ, в которых основное внимание уделяется разработке базовых алгоритмов и программ для выбора топологий, маршрутов, схем резервирования и расчета затрат, что позволит применять эти программные средства к решению широкого круга задач.

Одной из основных проблем при проектировании сетей СЦИ является большое и продолжающее увеличиваться число устройств, фигурирующих в анализе и расчете сети: разного типа порты, мультиплексоры, кросс-коннекторы и это разнообразие продолжает расти [26]. Кроме того, самовосстанавливающиеся структуры СЦИ определяют набор топологий (решетка, кольцо, гибридная), на базе которых можно строить типовые схемы, количество которых также растет.

Технология СЦИ продолжает развиваться в связи с необходимостью наилучшего предоставления различных услуг на базе технологий IP, ATM, FR и т.п., что приводит к созданию многофункциональных узлов, объединяющих разнородные информационные потоки с использованием форматов СЦИ, и с получением новых интегрированных сетевых решений, конфигурация которых также наследуется от сетей СЦИ [26]. Структуры СЦИ допускают постепенное введение систем с WDM с дальнейшим переходом к комбинированным (оптическим + СЦИ) транспортным сетям. В связи с этим исследование сетевых структур СЦИ, проведенное в данной работе, является актуальным и может быть распространено на перспективные интегрированные транспортные сети СЦИ, а также в отдельных своих положениях на оптические сети.

Высокие пропускные способности BOJIC (волоконно-оптических линий связи), используемых в сетях СЦИ, и повышенные требования к надежности передачи неголосового трафика, доля которого неуклонно возрастает, приводит в настоящее время к чрезвычайно высокой цене отказа в сетях СЦИ. Транспортные сети СЦИ обслуживают широкий круг различных служб и приложений, предъявляющих различные требования к надежности. Анализ показывает, что надежность аппаратуры СЦИ без резервирования не соответствует этим требованиям. Удовлетворение требований к надежности передачи возможно лишь с использованием систем резервирования, влекущих за собой дополнительные затраты на сеть, то есть увеличивающих стоимость сети. В связи с этим естественным является дифференцированный подход к обеспечению надежности различных услуг, цена которых будет зависеть от надежности. Таким образом, введение технологии СЦИ ставит перед проектировщиками сетей новую задачу оптимального сетевого резервирования.

Основная цель диссертации - провести сравнительный анализ самовосстанавливающихся структур и типовых схем СЦИ по необходимой величине пропускной способности и по надежности, разработать рекомендации по их эффективному использованию в зависимости от условий распределения трафика на сетях СЦИ, а также разработать алгоритмы и программы оптимизации сетей СЦИ, построенных на базе самовосстанавливающихся структур.

Достижение этой общей цели предопределяет необходимость решения следующих наиболее важных частных задач:

1. Провести исследование области наиболее эффективного применения различных самовосстанавливающихся структур на сети СЦИ и их комбинаций, поскольку сеть СЦИ представляет собой комбинацию самовосстапавливающихся структур и от выбора в каждом конкретном случае той или иной комбинации зависят затраты на построение транспортной сети СЦИ и получаемая надежность соединений.

2. Разработать методы и алгоритмы оптимального проектирования и моделирования транспортных сетей СЦИ, позволяющие без изменения структуры сети, только за счет выбора определенного набора маршрутов потоков повысить обслуженный трафик, т.е. увеличить прибыль оператора без дополнительных капитальных вложений. При необходимости развития сети разработанные методы и алгоритмы должны позволять находить наиболее экономичные варианты новой структуры.

Первая задача, в свою очередь, может быть разбита на две подзадачи:

- исследование надежности передачи, обеспечиваемой самовосстанавливающимися структурами на сети СЦИ;

- исследование затрат пропускной способности на организацию резервирования путем использования самовосстанавливающихся структур СЦИ.

Решению первой подзадачи посвящено довольно много работа. Однако эти работы не охватывают проблему целиком, акцентируя внимание лишь на отдельных проблемах. Так, в статье «Отказоустойчивость в многоуровневых сетях» [55] проблема обеспечения надежности рассматривается не для отдельных отказоустойчивых структур или технологий, а для многоуровневых систем, включающих различные технические системы типа ATM, СЦИ и WDM. Отказоустойчивость сетей, построенных на базе технологии СЦИ, рассматривается лишь в качестве одной из составляющих отказоустойчивости в многоуровневых транспортных сетях. При этом основное внимание в статье уделено проблеме взаимодействия различных технологий.

Статья «Модели надежности самовосстанавливающихся колец WDM» [69], хотя и посвящена технологии WDM, изложенный в ней материал весьма полезен для исследования отказоустойчивости сетей СЦИ, проводимого в диссертации. В статье исследуются самовосстанавливающиеся оптические кольцевые структуры OMS-SPRing и O-SNCP. Анализ материала статьи показывает, что приведенные в ней формулы для расчета коэффициента готовности указанных оптических колец могут быть использованы для анализа отказоустойчивости кольцевых структур СЦИ MS SPRing (Multiplex Section Shared Protection Ring - кольцо с совместным резервированием секций) и SNCP (SubNetwork Connection Protection -резервирование соединений подсети) соответственно.

В статье «Количественные оценки зависимости отказоустойчивости сети от ее структуры» [71] приведены результаты исследований, сходных с теми, что проведены в диссертации. Здесь исследуется зависимость значения коэффициента готовности сети от ее структуры, описываются результаты некоторых исследований, в том числе моделирования разных самовосстанавливающихся структур с целью определения надежности связи между любой парой узлов заданной отказоустойчивой структуры. Надежность кольцевых структур исследуется лишь с точки зрения включения их в решетчатые структуры. Кроме того, авторами статьи не проведены исследования некольцевых (линейных) отказоустойчивых структур, таких как SNCP 1+1, не исследована зависимость коэффициента готовности системы от коэффициента готовности участка сети.

Ряд отечественных исследователей также занимались вопросами надежности самовосстанавливающихся структур в сетях СЦИ. Так, в работе [5] приводятся формулы для расчета коэффициента готовности отказоустойчивых кольцевых структур на сетях СЦИ: SNCP и MS SPRing. В статье приводятся результаты сравнения этих кольцевых структур по времени безотказной работы в зависимости от коэффициента готовности звена.

Вторая подзадача - анализ затрат пропускной способнрсти сети на организацию резервирования — проработана менее полно. Результаты исследования данного вопроса приводятся, например, в работе [29]. Однако, так как данная статья посвящена вопросу проектирования сетей в целом, оценка затрат пропускной способности на организацию резервирования в ней носит качественный характер и затрагивает лишь случай использования изолированного кольца SNCP и MS SPRing. Попытка оценить затраты на организацию кольцевого резервирования различного типа предпринята также в статье [45]. В работе производится сравнительный анализ затрат пропускной способности при различных способах кольцевого резервирования и различных размерах кольцевой структуры. Однако работа содержит ряд неточностей как в описании отказоустойчивых структур, так и в расчетах, в связи с чем приведенные в ней результаты не представляют практической ценности для данной диссертации.

Второй задачей диссертации, как уже отмечалось выше, является разработка методов и алгоритмов оптимального проектирования сетей СЦИ, которые могли бы лечь в основу соответствующего отечественного программного продукта. Исследования в данной области проводятся, однако, по понятным причинам, публикуются весьма скудно. Публикации, посвященные данному вопросу, обычно, содержат лишь функциональное описание программного продукта без раскрытия сущности используемых в программе алгоритмов. Так, например, в статье «Будущая структура широкополосной сети: роль средств проектирования сетей в стратегиях технического развития сетей» [56] описывается комплекс программ (пакет) для проектирования сетей INDT -разработка Bell Laboratories. Авторы статьи указывают основные задачи, стоящие перед комплексами, подобными INDT, рассматривают алгоритмическую и программную структуру пакета INDT. В статье, также, описывается процесс решения некоторых задач с помощью этого пакета. Однако в статье не приводятся описание конкретных алгоритмов и методов, используемых в комплексе программ INDT.

Содержание работы

В главе 1 производится сравнение различных способов резервирования по надежности и затратам. Повышение надежности сети за счет резервирования неизбежно связано с дополнительными затратами. Поэтому в ходе оптимизации затрат на сеть для различных классов сетевых структур могут быть выбраны различные способы резервирования. В этом смысле важно проведение сравнительного анализа характеристик различных способов резервирования. Сети СЦИ отличаются высокой пропускной способностью, что предъявляет высокие требования к надежности передачи. В разделе 1.1 показывается необходимость резервирования в сетях СЦИ. В разделе 1.2 производится обзор различных способов резервирования, рекомендованных МСЭ-Т. Отмечается, что для сетей СЦИ приняты два основных способа резервирования - «защита» (protection) и «восстановление» (restoration), однако использование способа «восстановление» требует наличия системы управления. Резервирование в сетях СЦИ способом «восстановление» не рассматривается, так как выходит за рамки тематики данной диссертации. Резервирование типа «защита» связано с использованием так называемых самовосстанавливающихся структур, анализ технических характеристик которых производится в разделе 1.2. При этом основное внимание уделяется самовосстанавливающимся кольцам (СВК). Раздел 1.3 посвящен сравнению способов резервирования по затратам на резервную емкость. В разделе 1.4 производится сравнительный анализ различных способов резервирования по обеспечиваемой ими надежности. Раздел 1.5 содержит выводы и рекомендации по применению различных отказоустойчивых структур СЦИ с зависимости от вида трафика и требований по надежности передачи. В частности, отмечается, что схема резервирования SNCP 1 + 1 при большой протяженности линий, а также при низкой надежности элементов сети значительно уступает по надежности кольцевым структурам.

В главе 2 описывается задача оптимизации транспортных сетей СЦИ при их проектировании. Особо выделяется задача маршрутизации на сетях СЦИ, для решения которой используется эвристический алгоритм емкозависимой маршрутизации, основанный на применении системы штрафов за превышение пропускной способности, приводящей к наилучшему использованию пропускной способности сети.

В главе 3 описывается задача оптимизации кольцевых отказоустойчивых структур при проектировании сетей СЦИ. Особо выделаются две задачи: оптимизация резервной емкости в одиночных самовосстанавливающихся кольцах (СВК) MS SPRing, а также оптимизация резервной емкости системы . взаимосвязанных колец MS SPRing.

Глава 4 посвящена разработке методов оптимального проектирования сетей на базе отказоустойчивых структур СЦИ. В разделе 4.1 исследуется задача проектирования сетей СЦИ и показано важное значение оптимального проектирования кольцевых структур. В разделе 4.2 приведены примеры расчета сетей СЦИ с помощью эвристического алгоритма маршрутизации, описанного в главе 2. Третий раздел главы 4 посвящен исследованию практических примеров расчета сетей с использованием описанного в главе 3 метода оптимизации взаимосвязанных кольцевых структур СЦИ. В четвертом разделе производится анализ результатов, полученных в результате расчетов сетей с помощью эвристического и точного алгоритмов оптимизации, проведенных в разделах 4.2 и 4.3 соответственно. В частности, отмечается, что при помощи изменения критериев оптимизации могут быть получены самые разнообразные решения, что показывает большую важность правильного выбора критерия. В разделе 4.5 описывается задача выделения транзитных потоков. В разделе 4.6 описываются перспективы использования на практике разработанных методов и алгоритмов.

Апробация результатов работы. Основные материалы диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на LVII научной сессии в Российском научно-техническом обществе радиотехники, электроники и связи (РНТОРЭС) им. А.С. Попова (г. Москва, 15-16 мая 2002 г.), посвященной Дню радио, на научно-техническом семинаре «Вопросы проектирования, построения и эксплуатации современных телекоммуникационных систем» РНТОРЭС им. А.С. Попова (г. Москва, 4-5 февраля 2003 г.), а также на заседаниях НТС ЦНИИС и на технических совещаниях научного отдела ЦНИИС.

По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Основные научные положения, теоретические выводы и результаты, изложенные в диссертации, получены автором самостоятельно.^

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Разработана математическая модель изолированного кольца MS SPRing (Multiplex Section Shared Protection Ring - кольцо с совместным резервированием мультиплексных секций), позволяющая путем выбора определенных маршрутов потоков оптимизировать его загрузку с целью снижения уровня агрегатного потока в кольце. Математическая модель сформулирована в виде задачи целочисленного линейного программирования. Модель допускает формулировки с маршрутизацией потоков без разбиения и с разбиением их на части.

2. Разработана математическая модель системы взаимосвязанных колец MS SPRing, позволяющая оптимизировать загрузку системы колец с целыо снижения уровня агрегатных потоков во всех кольцевых структурах системы. Данная математическая модель позволяет также максимально снизить требования к пропускной способности звеньев в системе колец. Математическая модель сформулирована в виде задачи целочисленного линейного программирования, но допускает формулировку в виде задачи смешанного (целочисленного и непрерывного) линейного программирования при маршрутизации с разбиением потоков на части.

3. Разработана математическая модель для решения задачи оптимального выделения транзитных потоков на сети с организацией транзитных трактов верхнего ранга из трактов нижнего ранга. Математическая модель позволяет путем решения задачи целочисленного линейного программирования снизить уровень агрегатного потока в сети при вынесении транзитного потока на отдельное волокно или в отдельный оптический канал, а также сформировать набор дуг с целью оптимальной организации дополнительного кольца верхнего уровня.

4. Разработан эвристический алгоритм оптимизации системы взаимосвязанных колец СЦИ, позволяющий снизить уровень агрегатных потоков в системе путем выбора определенных маршрутов потоков в каждом из колец. Алгоритм обеспечивает целочисленное решение и является значительно более быстродействующим, чем методы целочисленного линейного программирования. Погрешность оптимизации с помощью эвристического алгоритма составляет не более 6% от точного оптимума.

5. Путем расчетов различных вариантов сетей с помощью разработанных математических моделей проведен анализ схем кольцевого резервирования MS SPRing и SNCP (SubNetwork Connection Protection — резервирование соединений подсети) с точки зрения требований к величине пропускной способности и обеспечиваемой надежности соединений. Показано, что надежность кольца SNCP незначительно превосходит надежность кольца MS SPRing, но при сравнительно равномерном распределении трафика в кольце требует для своей реализации существенно большей пропускной способности. По величине требуемой пропускной способности кольца SNCP приближаются к кольцам MS SPRing лишь в случае направления всего трафика только к одному узлу. Показано также, что линейное резервирование типа SNCP I + I (точка-точка) при значительной протяженности резервируемого тракта обеспечивает худшие показатели надежности, чем резервирование в кольцах, причем эта надежность резко снижается при увеличении длины соединения и снижении величины отказоустойчивости элементов сети.

Практическая значимость диссертации заключается в разработке рекомендаций по эффективному применению различных самовосстанавливающихся структур на сетях СЦИ, которые должны использоваться при выборе структуры проектируемых сетей СЦИ, а также в разработке методов и алгоритмов оптимизации кольцевых структур СЦИ, позволяющих повысить пропускную способность кольцевых структур типа MS SPRing не менее, чем на 15% по сравнению с использованием способа направления потоков по кратчайшим путям. Практическая значимость работы состоит также в программной реализации основных разработанных математических методов. Разработанные в ходе работы над диссертацией методы, алгоритмы и программы позволят проектировщику в короткие сроки производить многовариантные расчеты транспортной сети, построенной па базе технологии СЦИ.

Полученные в диссертационной работе результаты заключаются в следующем:

1. Разработаны рекомендации по наиболее эффективному применению различных самовосстанавливающихся структур СЦИ в зависимости от конкретных условий распределения трафика на сети.

2. Показано, что кольца SNCP имеют теоретически более высокую надежность, чем кольца MS SPRing, но для практики эту разницу можно считать несущественной. Показано также, что схема резервирования SNCP 1+1 значительно уступает по надежности кольцевым структурам, особенно при большой протяженности сетевых трактов и низкой отказоустойчивости элементов сети.

3. Разработаны математические модели для решения следующих задач, являющихся частью общей задачи оптимизации проектирования сети СЦИ: задача оптимизации изолированного кольца, задача оптимизации системы взаимосвязанных колец, задача оптимального выделения транзитных потоков из загруженных кольцевых структур. Каждая из этих задач формулируется как

11 задача смешанного линейного программирования. Программная реализация каждой из этих задач входит в разработанный комплекс программ «Ring».

4. Разработан эвристический метод решения задачи оптимизации системы взаимосвязанных колец, незначительно уступающих такому методу оптимизации.

5. С использованием методов и алгоритмов, изложенных в диссертации, разработан комплекс программ «Ring», который может быть положен в основу комплекса компьютерного проектирования транспортных сетей СЦИ.

Реализация результатов диссертационной работы. Результаты диссертации использованы в НИР, выполненных в интересах Минсвязи РФ, ОАО «Ростелеком» и ОО «Международная Академия связи». Внедрение результатов диссертационной работы при разработке «Концепции развития сети региона на примере Смоленской области» подтверждается соответствующими актами (Приложение 1).

Основные положения диссертационной работы, выносимые на защиту:

1. Оптимальное проектирование сетей СЦИ включает в себя разработанные математические модели для решения следующих задач:

- оптимизация загрузки изолированного кольца MS SPRing (Multiplex Section Shared Protection Ring - кольцо с совместным резервированием мультиплексных секций), позволяющая путем изменения маршрутов потоков увеличить пропускную способность кольца или снизить уровень агрегатного потока;

- оптимизация маршрутов потоков в системе взаимосвязанных колец MS SPRing, обеспечивающая необходимую пропускную способность с минимальным уровнем агрегатных потоков во всех кольцах;

- оптимизация объединения трактов нижнего ранга в транзитные тракты верхнего ранга, позволяющая уменьшить объем аппаратуры в узлах сети и уменьшить потребность в пропускной способности сети.

2. Кольца MS SPRing обеспечивают обслуживание суммарного трафика большей величины и имеют лучшую масштабируемость по сравнению с кольцами SNCP (SubNetwork Connection Protection - резервирование соединений подсети) для всех видов распределения трафика кроме направления всего трафика к одному узлу.

3. Кольцевое резервирование (MS SPRing и SNCP) обеспечивает более высокую надежность по сравнению с линейным резервированием типа SNCP 1+1 (точка-точка). Увеличение размеров сети или ухудшение показателей надежности элементов сети оказывает на резервирование типа SNCP 1+1 существенно большее влияние, чем на кольцевое резервирование, в связи с чем в сетях большой протяженности с ненадежными элементами рекомендуется использовать кольцевое резервирование!

4. Результаты исследований систем взаимосвязанных кольцевых структур с использованием предложенных моделей показывают, что для колец типа MS SPRing может быть получена экономия пропускной способности от 15% до 38% по сравнению с использованием способа направления потоков по кратчайшим путям, т.е. проектирования кольцевых структур без оптимизации.

Оптимизация кольцевых структур представляет собой сложную многоэтапную процедуру, состоящую из оптимизации отдельных колец и учета их взаимодействия в системе взаимосвязанных колец. Программа расчета для кольца MS SPRing производит оптимизацию загрузки кольца, т.е. осуществляет его балансировку, определяет его конкретную реализацию (двухволоконное 2F или четырехволоконное 4F), определяет уровень агрегатного потока STM-4 или STM-16. В узлах, смежных с другим кольцом, указываются перемычки-шлюзы между этими смежными кольцами. Для колец SNCP минимизируются направляемые в кольцо потоки путем создания системы приоритетов. Программа может использоваться операторами связи для расчета сетей СЦИ с кольцевыми структурами. Модуль расчёта оптимальных отказоустойчивых кольцевых структур реализован в виде комплекса программ «Ring» для проектирования сетей кольцевой структуры. Более подробное описание комплекса приводится в Приложении 3. ВЫВОДЫ ИЗ ГЛАВЫ 4

1. Разработанные в ходе работы над диссертацией методы оптимального расчета отказоустойчивых сетей СЦИ были положены в основу разрабатываемого в ЦНИИС при участии автора диссертации программного комплекса «Optimator», использующего общепринятый в настоящее время подход человеко-машинного проектирования. Проектирование сети СЦИ в данном комплексе является формально независимой задачей от технологий в пользовательских сетях, так как при расчете сети СЦИ все потребности выражаются в трактах Е1 между двумя узлами сети, к маршрутизации которых могут предъявляться различные требования.

2. Ввиду невозможности формального синтеза структуры сетей СЦИ, топология сети при проектировании задается оператором как комбинация различных отказоустойчивых (преимущественно кольцевых) структур. Простота изменения типов колец и их взаимосвязи позволяют рассчитывать большое количество вариантов топологии и выбирать наилучший вариант.

3. Расчёты, произведённые по точному алгоритму оптимизации пропускной способности кольцевых структур, показали широкие возможности методов линейного программирования для решения задачи оптимизации кольцевых структур. Были рассмотрены различные критерии оптимизации: минимизация числа STM-4 в структуре взаимосвязанных колец, минимизация затрат на резервную ёмкость в Е1 в структуре взаимосвязанных колец; минимизация числа систем STM-4 с учётом числа звеньев в кольцах; минимизация максимальной загрузки в EI звеньев кольца с учётом числа узлов; минимизация основной загрузки всех звеньев сети, минимизация общей загрузки в Е1 (основной+резервной) всех звеньев структуры взаимосвязанных колец; минимизация общей загрузки (основной+резервной) всех звеньев структуры взаимосвязанных колец с учётом уровня агрегатного потока СЦИ; минимизация общей загрузки (основной+резервной) всех звеньев структуры взаимосвязанных колец с минимизацией максимальной загрузки звеньев в Е1.

4. Исследования показали, что погрешность оптимизации эвристическими методами составляет не более 6% по сравнению с точными методами. При этом эвристический алгоритм балансировки позволяет производить проектирование сетей, построенных на базе кольцевых структур СЦИ, за значительно более короткое время, чем при использовании точных методов.

5. Анализ затрат пропускной способности при проектировании системы взаимосвязанных колец MS SPRing с направлением маршрутов по кратчайшим путям и с использованием разработанного алгоритма оптимизации показали, что оптимизация позволяет получить выигрыш в пропускной способности от 15% до 38% (при расчете пропускной способности в единицах STM-1).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Транспортные сети СЦИ в современных, очень динамичных условиях развития должны одновременно обеспечивать высокие требования по надежности и оставаться при этом конкурентоспособными с точки зрения соотношения расходы/доходы. Эффективные экономически и технически реализуемые решения, гарантирующие необходимые характеристики сети при быстрой окупаемости капиталовложений, могут быть разработаны только с использованием специальных компьютерных систем для проектирования и моделирования сетей.

В настоящей диссертации проведено исследование транспортной сети, построенной в виде комбинации различных отказоустойчивых структур СЦИ. В рамках проведённых исследований решены первостепенные задачи проектирования оптимальных с точки зрения надёжности и затрат пропускной способности сетей СЦИ:

1. Разработаны рекомендации по наиболее эффективному применению различных самовосстанавливающихся структур СЦИ в зависимости от конкретных условий распределения трафика на сети.

2. Проведенные в диссертации исследования по надёжности показали, что кольца SNCP имеют несколько лучшую надёжность, чем кольца MS SPRing. Кроме того, показано, что схема резервирования SNCP 1+1 значительно уступает по надёжности кольцевым структурам, особенно при большой протяжённости сетевых трактов и низкой отказоустойчивости элементов сети.

3. Разработаны математические модели следующих задач, являющихся частью общей задачи оптимизации проектирования сети СЦИ: задача оптимизации изолированного кольца, задача оптимизации системы взаимосвязанных колец, задача оптимального выделения транзитных потоков из загруженных кольцевых структур с целью их резервирования по схеме 1+1 или

1:1. Каждая из этих задач формулируется как задача смешанного линейного программирования.

4. Разработан эвристический алгоритм решения задачи оптимизации системы взаимосвязанных колец MS SPRing.

5. С использованием методов и алгоритмов, изложенных в диссертации, разработан комплекс программ «Ring», предназначенный для расчёта самовосстанавливающихся кольцевых структур СЦИ как точными, так и эвристическими методами.

Проведенные в данной диссертации исследования позволили получить следующие результаты и сделать следующие выводы:

- Транспортные сети СЦИ в современных, очень динамичных условиях развития должны одновременно обеспечивать высокие требования по надежности и оставаться при этом конкурентоспособными с точки зрения соотношения расходы/доходы. Эффективные экономически и технически реализуемые решения, гарантирующие необходимые характеристики сети при 'быстрой окупаемости капиталовложений, могут быть разработаны только с использованием специальных компьютерных систем для проектирования и моделирования сетей.

- Разработанный в данной диссертации алгоритм проектирования сети СЦИ подразделен на отдельные модули, каждый из которых решает одну из задач проектирования. Для каждой из этих задач разработаны математические модели, проанализированы методы их решения и выбран алгоритм, позволяющий разработать программу для получения необходимых проектных решений.

- Практически все разработанные алгоритмы пригодны для расчетов комбинированной сети СЦИ+WDM, а также оптической сети.

- Для разработанных алгоритмов в данной диссертации разработаны оптимизирующие программы: программа группирования трактов и программа расчета кольцевых структур. Программы объединены в единый программный пакет, сопрягающийся с базой данных сети.

- Разработка методов и алгоритмов для компьютерного проектирования оптимальных и отказоустойчивых сетей СЦИ, выполненная в данной диссертации, закладывает методологические основы для создания пакета методики проектирования транспортных сетей СЦИ.

1. и др. Опыт внедрения ЦСП на сетях МПС. // Мир связи Connect!. - 2000. - № 11/2. - С.54-55.

2. Алексеев Е.Б. Основы технической эксплуатации современных волоконно-оптических систем передачи. Учебное пособие. М.: ИПК при МТУСИ, 1988.-195 с.

3. Алексеев Е.Б. Особенности технической эксплуатации волоконно-оптических систем и сетей синхронной цифровой иерархии. Учебное пособие. М.: ИПК при МТУСИ, 1999. - 183 с.

4. Баркова И.В. Оптимизация загрузки двустороннего кольца // Тез. докл. на LVII научной сессии, посвященной Дню Радио: Тез. доклада. М.: РНТО РЭС им. А.С. Попова, 2002. - том 2. - С. 240-242.

5. Баркова И.В., Сергеева Т.П. Математические модели оценки надежности кольцевых структур в сетях SDH II Электросвязь. — 2001. — №11. -С.36-39.

6. Басакер Р., Саати Т. Конечные графы и сети: Пер. с англ. / Под ред. А И. Геймана. М.: Наука, 1974. - 386 с.

7. Бедин М.И. Развитие цифровых сетей в жилом и корпоративном секторе. // Вестник связи. 2000. - № 10. - С. 12-19.

8. Бочкарев И.А. Правильный выбор оборудования SDH — залог успешной работы оператора // Технологии и средства связи, отраслевой каталог. — 2002.-С.134-141.

9. ГОСТ 27.002-89 «Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения»

10. Давыдов Г.Б. и др. Сети электросвязи. — М.: Связь, 1977.

11. Заркевич Е.А., Скляров O.K., Устинов С.А. Приоритеты и тенденции развития волоконно-оптической связи // Электросвязь. — 2000. — №6. — С.7-11.

12. Зевеке М.А. Эффективность разработки инструментальных средств для телекоммуникационного программного обеспечения // Электросвязь. — 2000. №7. — С.33-34.

13. Иванов П. Скользкие камушки первичных сетей. // Глобальные сети и телекоммуникации. 2000. -№11. — С.62-68.

14. Ишкин В. О концепции развития единой сети электросвязи электроэнергетики на период до 2015 года. // Мир связи Connect!. 2000. — №11/2.-С. 14-19.

15. Иенсен П., Барнес Д. Потоковое программирование. М.: Радио и связь, 1984.-392 с.

16. Коган С.С., Мамонов А.В. OPTINEX™ — новое поколение оборудования компании «Алкатель» для транспортных сетей связи // Электросвязь. —2000. №4. — С.50-53.

17. Кристофидес Н. Теория графов, алгоритмический подход. М,: Наука, — 1984.-289 с.

18. Курносов И.Н. Российская инфокоммуникация: стратегия, проблемы, переспективы // Технология и средства связи, отраслевой каталог. — 2002. — С. 172-174.

19. Лагутин B.C., Дедоборщ В.Г. Эволюция развития Московской городской телефонной сети //Электросвязь. — 2000. — №4. — С.7-9.

20. Левит Б.Ю., Лившиц В.Н., Нелинейные транспортные задачи. — М.: Связь, 1972.

21. Мартин Р. Мобильный и высокоскоростной Интернет // Электросвязь.2001. — № 1. — С.44-46.

22. Меньков В.А., Майоров А.Ю. Московская цифровая зона связи ОАО «Газпром» — принципы построения и функционирования. // Мир связи Connect!. 2000. - №11/2. - С.7-9.

23. Мешковский К.А. Синхронные цифровые сети SDH. Методическое пособие. — М.: Информсвязьиздат, 1999. 64 с.

24. Мишенков СЛ. Инфокоммуникации XXI века // Электросвязь. 2001. -№1.-С.5-7.

25. Нетес В.А. Новые возможности аппаратуры SDH // Вестник связи. 1999. — №9. - С.47-51.

26. Нетес В.А. Оборудование SDH следующего поколения // Вестник связи. — 2002. № 10. - С.32-40.

27. Нетес В.А. Основные принципы организации самозалечивающихся сетей на основе синхронной цифровой иерархии // Электросвязь. — 1995. — №12. — С.9-11.

28. Нетес В.А. Основные принципы синхронной цифровой иерархии // Сети и системы связи. 1996-№6-С.58-62.

29. Нетес В.А. Типичные недостатки при проектировании сетей SDH // Вестник связи. 2000. -№4 - С.82-85.

30. Оре О. Теория графов. М.: Наука, 1980. - 336 с.

31. Основные положения развития Взаимоувязанной сети связи Российской Федерации на перспективу до 2005 г. Руководящий документ. Книга 2. Основные положения развития первичной сети общего пользования. М., 1996.-223 с.

32. Основные положения развития Взаимоувязанной сети связи Российской Федерации на перспективу до 2005 года. Руководящий документ. Книга 10. Основные положения развития систем обеспечения функционирования сетей электросвязи. М., 1996. - 137 с.

33. РД 45.120-2000 Нормы технологического проектирования. Городские и сельские телефонные сети. — М.: ЦНТИ «Информсвязь», 2000. — 168 с.

34. Рейман JI.Д. Концепция развития рынка телекоммуникационных услуг // Электросвязь. 2001. - № 1. - С.2-3.

35. Руководящий технический материал по применению систем и аппаратуры синхронной цифровой иерархии на сети связи Российской Федерации. — М., 1994.-50 с.

36. Сергеева Т.П., Королькова С.Е., Баркова И.В. Алгоритмы расчёта резервных ёмкостей для различных структур сетей с SDH. // Сборник трудов ЦНИИС.- 1998.-С. 134-141.

37. Скляров O.K. Современные волоконно-оптические системы передачи, аппаратура и элементы. М.: Солон-Р, 2001.-237 с.

38. Слепов Н.Н. Синхронные цифровые сети SDH. — М.: Эко-трендз, 1997. -148 с.

39. Тизик А.П., Думбадзе Л.Г. Алгоритмы нахождения кратчайших путей в оптимизационных задачах на сетях связи // Цифровые системы передачи и интегральные сети: Сборник научных трудов ЦНИИС, — М., 1988. — С. 12-22.

40. Томский B.C. Новые подходы к проектированию телекоммуникационных сетей // Электросвязь. 2000. - №5. - С.20-22.

41. Убайдуллаев P.P. Волоконно-оптические сети. — М.: Эко-трендз, 2001. — 267 с.

42. Федоткин Н.Н. Загрузка соединительных линий кольцевых структур SDH // Электросвязь. 2003. - №3. - С.44-46.

43. Хволес Е.А., Ходатай В.Г., Шмалько А.В. Волоконно-оптические линии связи и проблемы их надежности // ВКСС. Connect. 2001. -№3. — С. 10-12.

44. Химмельблау Д. Прикладное нелинейное программирование. М.: Мир, 1975.-536 с.

45. Шадё JI., Фритцше JI., Лонге Р. Моделирование, планирование и оптимизация телекоммутационных сетей с помощью системы // NETWORKS, ТЕЛЕВЕСТНИК. 1994. - № 3. - С.

46. Шмалько А.В. Цифровые сети связи. Основы планирования и построения. — М.: Эко-трендз, 2001. 282 с.

47. Caballero Р.А., Gonzalez-Soto О. Planung von vettbewerbsfahigen Netzen // Alcatel Telecom Rundschau, Telecom 95. — 1995. №8.

48. CCITT Recommendation, General Network Planning 1983.

49. Ching-Chir S., Shan-Hsin Т., Ying-Ming W. Surviable Network Planning Methods and Tools in Taiwan // IEEE Communications Magazine. 1995. — Vol.33-№9.

50. Clemente R. Influences of the Switching Strategy on the Introduction of a Resilient Optical Layer in a SDH Network // Proc. of DRCN-2000 (Design of Reliable Communication Networks workshop), Munich, Germany, April 2000. — P. 141 -146.

51. Doshi В., Hershavardhana P. Broadband Network Infrastructure of the Future: Roles of Network Design Tools in Technology Development Strategies // IEEE Communications Magazine. 1998 - Vol.35 -№5 - P.60-71.

52. ITU-T Recommendation E.800, Terms and definitions related to quality of service and network performance including dependability 1994.

53. ITU-T Recommendation G.602, Reliability and availability of analogue cable transmission systems and associated equipments 1988.

54. ITU-T Recommendation G.707, Network node interface for the synchronous digital hierarchy (SDH) 2001.

55. ITU-T Recommendation G.709, Interfaces for the Optical Transport Network (OTN)-2001.

56. ITU-T Recommendation G.803, Architecture of transport networks based on the synchronous digital hierarchy (SDH) 2000.

57. ITU-T Recommendation G.805, Generic functional architecture of transport networks 2000.

58. ITU-T Recommendation G.841, Types and Characteristics of SDH Network Protection Architectures 1998.

59. ITU-T Recommendation G.842, Interworking of network protection architectures 1997.

60. Johnson D., Hayman N., Veitch P. The Evolution of a Reliable Transport Network // IEEE Communications Magazine. 1999 - Vol.37 - №8. - P.52-57.

61. Manchester J., Bonenfant P., Newton C. The Evolution of Transport Network Survivability // IEEE Communications Magazine. 1999. - Vol.37 — №8. -P.44-51.

62. Minoux Network synthesis and optimum network design problems: Models, solution, method and applications // Network. — 1977 — Vol.19.

63. Schupke D.A. Reliability Models of WDM Self-Healting Rings // Proc. of DRCN-2000 (Design of Reliable Communication Networks workshop), Munich, Germany, April 2000.-P. 174-180.

64. Sergeeva Т., Tetekin N. Design of Reliable Transport SDH Networks // Proc. of DRCN-2000 (Design of Reliable Communication Networks workshop), Munich, Germany, April 2000. P.304-307.

65. Wilson M. The Quantitative Impact of Survivable Network Architectures on Service Availability // IEEE Communications Magazine. 1998. — №5. - P. 122126.

66. Wu T.S. Emerging Technologies for Fiber Network Survivability // IEEE Communications Magazine. 1995. - Vol.33. - №2. - P.58-74.

67. Yves T'Joens Yves, Ester Gary, Vandenhoute Marc, Alcatel, Resilient Optical and SONET/SDH-based IP networks. // Proc. of DRCN-2000 (Design of Reliable Communication Networks workshop), Munich, Germany, April 2000. — P.255-260.