автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Системный анализ и синтез топологической структуры проводных сетей передачи данных

На правахрукописи

Кривоносов Дмитрий Михайлович

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ И СИНТЕЗ ТОПОЛОГИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ

Специальность 05.13.01 Системный анализ, обработка информации и управление

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Волгоград 2004

Работа выполнена на кафедре ЭВМ и системы Волгоградского государственного технического университета.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Лукьянов Виктор Сергеевич

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук Старовойтов Александр Владимирович доктор технических наук, доцент Дмитриев Вадим Николаевич

Ведущая организация: Научно - исследовательский испытательный полигон Спецсвязи России (войсковая часть 32382 г. Орёл).

Защита состоится

»12»

декабря 2004 г. в _

часов на заседании диссертационного

совета Д 212.028.04. в Волгоградском государственном техническом университете по адресу: 400131, Волгоград, проспект Ленина 28, Волг ГТУ

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу: 400131, г. Волгоград, проспект Ленина 28, Волг ГТУ, секретарю диссертационного совета Д 212.028.04.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета.

Автореферат разослан

.. 22 ■■

декабря 2004 г.

Водопьянов Валентин Иванович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Интенсивное внедрение в российских телефонных сетях общего пользования современных средств и технологий абонентского доступа является существенным фактором уменьшения общего количества АТС и укрупнение коммутационных узлов.

Кроме того, использование для широкополосного доступа обычной телефонной пары, соединяющей домашнюю телефонную розетку и местную АТС, является наиболее подходящим решением для операторов телефонных сетей общего пользования при предоставлении высокоскоростного доступа к удалённым информационным ресурсам.

Перед проектировщиком встаёт задача моделирования оптимальной коммуникационной системы минимальной стоимости, удовлетворяющей необходимым требованиям. Нахождение оптимальной структуры такой системы в процессе её проектирования не всегда имеет единственное решение. Большинство используемых моделей определения топологической структуры сети основаны на применении известных эвристических алгоритмов проектирования, допускающих приближённые решения.

Проблемам анализа топологических структур сетей и определения методов их оптимального проектирования посвящены работы немецких исследователей Р. Бесслера и А. Дойча. Российские учёные Г.Т. Артамонов и В.Д. Тюрин, рассмотрели в своих трудах вопросы анализа и синтеза структур сетей передачи информации методами теории графов. Эвристические методы синтеза топологии сети по заданному местоположению её узлов рассмотрены в работах Лазарева В.Г., Савина Г.Г., Янбых Г.Ф., Столярова Б.А., Лукьянова B.C. Методам автоматизированного проектирования систем связи посвящены исследования Мясникова В.А., Мельникова Ю.Н., Абросимова Л.И., Яковлева С.А.

Практическое применение в настоящее время нашли методы Прима, Ежи -Вильямса, метод концентраторов и определения структуры иерархической сети.

В силу особенностей реализации алгоритмам Прима и Ежи - Вильямса присущи некоторые ограничения, которые не позволяют эффективно использовать их в современных условиях для определения оптимальной топологической структуры. В

основном ограничения сводятся к следующему:

1. Использование данных алгоритмов возможн э fiia&ittMMWMA^MWSn ;й с одним

библиотека

сяящвш /ла. з

jSjSjL^

центром коммутации (централизованных сетей).

2. При расчётах не учитывается наличие базовой действующей сети с трактами, обладающими определённой информационной ёмкостью.

3. Не учитывается перспективность дальнейшего использования оборудования, резерв пропускной способности и канальной ёмкости соединительных кабелей и т.д.

4. При расчётах не берутся во внимание параметры стоимости линейного и каналообразующего оборудования, подключения линии связи.

В результате практического рассмотрения и анализа существующих моделей определения оптимальной топологической структуры выявляется необходимость их модификации и создания новых вариантов, учитывающих современные требования.

Таким образом, указанные обстоятельства обуславливают актуальность сформулированной темы исследования, направленной на разработку перспективных моделей определения оптимальных структур проводных сетей передачи данных.

Цели и задачи исследования состоят в разработке перспективных моделей определения оптимальных топологических структур сетей передачи данных свободных от недостатков и ограничений существующих способов решения данной проблемы.

Для достижения поставленных целей в работе решаются следующие задачи:

1. Синтез составной сети, включающей в свой состав несколько подсетей с общими трактами передачи и отдельными автономными центрами коммутации.

2. Оптимизация мест расположения источников технологических сигналов, выбора трасс передачи технологических сигналов с целью уменьшения их доли в общем объёме кабельных соединений.

3. Эмуляция гипотетической структуры сети для проектирования новых вариантов топологий и совершенствования существующей структуры.

4. Оптимизация числа и местоположения пассивных (без уплотнения линий) и активных концентраторов, уменьшающих необходимое число линий связи.

5. Выбор рациональных способов совершенствования структуры существующих сетей абонентского доступа путём определения оптимальных размеров подрайонов подключения, соединительных путей в сети, изменения состава и мест расположения центров коммутации.

Предметом исследования является топологическая структура проводных сетей передачи данных

Объектом исследования - перспективные методы определения оптимальной топологической структуры проводных сетей передачи данных.

Методы исследования. Поскольку сети передачи данных относятся к категории сложных систем, то в ходе их исследования применялся системный подход. На его основе для решения возникающих задач исследуемые структуры были подвергнуты системному анализу, направленному на создание обобщённой модели, описывающей систему, отображающую определённую группу свойств. Использованы методы имитационного моделирования структур передачи данных в совокупности с эвристическими методами, что обусловлено сложностью исследуемых систем и многообразием их функциональных элементов. Кроме того, использовались аналитические методы исследования.

Основой диссертационного исследования является общенаучная методология, предполагающая комплексный, системный подход к решению проблем, предусматривающая единство качественного и количественного анализа; применение методов системного анализа и синтеза.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Модели определения оптимальной структуры сети связи, развивающие алгоритмы Прима и Ежи — Вильямса для синтеза новой сети и модернизации существующей, расчёта оптимальной структуры сети с несколькими центрами коммутации.

2. Эвристический метод дальних точек для определения мест размещения концентраторов в сети с возможностью оптимизации их местоположения в группе и установки активных концентраторов в данных точках.

3. Модель определения оптимальной структуры системы связи, когда координаты, количество центров коммутации и место размещения информационного центра сети заранее не заданы, а также системы связи, в которой несколькими подсетями используются единые каналы первичной сети.

4. Модель расчёта оптимального количества и мест расположения источников технологических сигналов в сети. Различные варианты представления критериев оптимизации.

5. Эвристический алгоритм определения оптимальных размеров прямоугольного подрайона подключения с учётом современных параметров стоимости элементов сети.

6. Метод определения эффективности прокладки соединительных линий местной кабельной сети, использующий критерий модифицированной длины.

7. Эвристический алгоритм определения оптимального места размещения сетевого узла абонентского кабеля сети доступа с учётом влияния на него места расположения информационного центра сети.

Научная новизна работы:

Сформулирована концепция применения перспективных методов определения оптимальной топологической структуры сети связи, основанная на эвристических приёмах, включающая:

- алгоритмы определения конфигурации сети минимальной стоимости, позволяющие модернизировать существующую топологическую структуру, оптимизировать её с использованием концентраторов, в том числе, когда координаты и количество центров коммутации заранее не заданы;

алгоритм определения оптимальной структуры сети связи, в которой единые каналы первичной сети используются несколькими подсетями;

- систему критериев оптимизации, достаточную для проектирования трасс прокладки и мест размещения источников технологических сигналов, алгоритм определения оптимального количества и мест расположения источников технологических сигналов;

- алгоритмы определения оптимального размера прямоугольного подрайона подключения, места размещения сетевого узла абонентского кабеля с учётом влияния на него места размещения информационного центра сети.

Использование при проектировании структуры сетей предложенных алгоритмов значительно облегчает расчёты оптимальных по стоимости топологических структур крупномасштабных сетей с большим количеством абонентов.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что на основе полученных данных предложена конкретная методика расчёта оптимальных структур сетей связи, определения мест размещения центров коммутации, трасс прокладки и мест размещения источников технологических сигналов, совместного использования трактов передачи первичной сети несколькими ведомственными сетями.

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационного исследования использованы в проектах Научно - исследовательского испытательного

полигона Службы специальной связи и информации Федеральной службы охраны РФ (войсковая часть 32382 город Орёл).

Апробация результатов исследования. Основные идеи, развиваемые в диссертационном исследовании, излагались соавторами статей в докладах на научно-практических конференциях, проводимых в 2002-2004гг.: на всероссийской научно-технической конференции (г. Камышин 2002 г.), XXX юбилейной международной конференции и I международной конференции молодых учёных (г. Гурзуф 2003 г.), международной научно-технической конференции и Российской научной школе молодых учёных (г. Москва 2003г.), II международной конференции молодых учёных (г. Гурзуф 2004г.).

По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе материалы 3-х международных конференций.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка использованной литературы и приложения. Объём основной части работы 209 страниц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертации даётся обоснование темы, раскрываются её актуальность и степень научной разработки, формулируются цели и задачи научного исследования, а также методы их решения, излагается научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первой главе "Анализ проводных сетей передачи данных" рассматривается классификация аппаратурных средств проводных сетей связи, даны основные характеристики линий связи и представлены основные разновидности структур проводных сетей. Обращено внимание на достоинства и недостатки тех или иных конфигураций, определены существенные свойства сетей передачи данных, относящиеся к характеристике системы связи в целом, которые оказывают серьёзное влияние на процесс синтеза структуры, выступая в качестве условий или ограничений в применяемых методах при проектировании оптимальной топологии сети.

Показано, что к числу существенных свойств сети передачи данных относятся: уязвимость передаваемой по каналам информации, нарушение её конфиденциальности, и в этой связи возникает необходимость реализации в сетях передачи данных системы

контроля и защиты, строящейся с использованием технологических сигналов.

Рассмотрены основные критерии, которые применяются в настоящее время для оценки качества и выбора лучшего из предложенных вариантов структур сети. Предложено ввести новый показатель, который характеризует степень рационального построения топологической структуры:

где - средняя стоимость соединения в сети для одного абонента; - число абонентов в сети; - число отдельных соединительных путей между шкафами в сети, включая соединение от абонента до первого шкафа и соединительный тракт от последнего (п-1) шкафа до АТ С,-; - длина отдельного соединения между смежными шкафами; - удельная стоимость единицы длины соединения в тракте; - удельная стоимость, приходящаяся на одно соединение в кроссе.

В этом случае основание выбора рациональных соединительных трактов в уже существующей сети от отдельного абонента или группы абонентов будет определяться степенью снижения стоимости соединений от рассматриваемой группы до коммутационного центра сети.

Обращено внимание на важность задач, решаемых на этапе топологического проектирования сети связи, как начальной стадии системного анализа, целью которого является построение из элементов с заданными характеристиками единой системы, обладающей требуемыми характеристиками.

Приводятся основные понятия способа математического представления проводной сети передачи данных в виде графа: путь, ранг пути, связность сети, контур, сечение сети, ранг сечения и т.д. Основной структурой, определяющей конфигурацию сети, является матрица связности.

проводных сетей передачи данных, применяемые в настоящее время. Приводятся и рассматриваются на практическом примере эвристические алгоритмы Прима, Ежи-Вильямса для определения структуры древовидной конфигурации, алгоритмы добавления и удаления для расчёта древовидных централизованных сетей с концентраторами, а также алгоритм определения оптимальной структуры сети,

С

а

N

В работе рассмотрены основные методы определения оптимальных структур

организованной по иерархическому принципу.

Алгоритм Ежи-Вильямса предусматривает нахождение узлов а,- (< = наиболее удалённых от центра коммутации и подключение этих узлов к

ближайшим, используя дуги наименьшей длины. При этом проверяется ограничение на пропускную способность. В основу алгоритма Прима положено два принципа:

- Всякий изолированный узел соединяется с ближайшим соседним узлом;

- Всякий изолированный фрагмент соединяется с ближайшим соседним узлом кратчайшей дугой (изолированный фрагмент - это подмножество узлов, связанное дугами, но не охватывающее всех заданных узлов).

Рассмотрены варианты построения топологий сетей с применением концентраторов. Суть алгоритма метода добавления в определении оптимальной сети с концентраторами в том, что первоначально все терминалы (абоненты) подключаются к центральной АТС. Концентраторы закрыты и открываются итерационно по одному с целью обеспечения минимальной стоимости сети. Рассчитывается первоначальная стоимость сети как сумма элементов первого столбца матрицы стоимости, затем обеспечивается максимальное уменьшение этого значения. Алгоритм метода удаления противоположен алгоритму метода добавления. Первоначально все концентраторы открыты, затем начинается последовательная проверка целесообразности удаления каждого из них.

В эвристическом алгоритме расчёта иерархической древовидной структуры определены два этапа:

1. Этап целенаправленного группирования.

2. Этап улучшения краевых точек.

На каждом шаге этапа целенаправленного группирования определяется оптимальная группа, состоящая из отдельных элементов, входящих в состав сети. Этап улучшения краевых точек обеспечивает перераспределение сгруппированных элементов таким образом, чтобы, не нарушая ограничений по конфигурации, получить более компактные группы. Поиск глобального оптимума заменяется поиском суммы локальных оптимумов, т.е. эвристический алгоритм осуществляет поиск решения по функции вида:

где - промежуточные уровни иерархии структуры - неизвестное

число уровней иерархии); - исходная матрица взвешенных

расстояний между каждой парой узлов а„ Грд , р-\,Ыг, - сформированная р - я группа, центры которых составляют уровень - булевы

переменные, которые определяют местоположение центров - булевы

переменные, которые определяют, с каким центром группы связан исходный узел а,.

В ходе проведённого анализа представленных методов сделан вывод о том, что в силу особенностей реализации рассмотренным алгоритмам присущи недостатки, которые не позволяют эффективно применять их в современных условиях.

В этой связи выделены следующие существенные ограничения вышеприведённых алгоритмов при проектировании оптимальной структуры сети связи: использование данных алгоритмов для расчёта сетей с одним центром коммутации; при расчёте не учитывается наличие базовой действующей сети с трактами, обладающими определённой информационной ёмкостью; не учитывается перспективность дальнейшего использования оборудования, резерв пропускной способности и канальной ёмкости соединительных кабелей и т.д.; при расчёте не берутся во внимание параметры стоимости линейного и каналообразующего оборудования, единицы длины кабеля, стоимости подключения линии связи.

Сформулированы задачи, которые должны решаться в перспективных алгоритмах определения оптимальной топологической структуры сети: синтез составной сети, включающей в свой состав несколько подсетей с общими трактами передачи первичной сети и отдельными автономными центрами коммутации; оптимизация мест расположения источников технологических сигналов, выбор трасс передачи технологических сигналов в соединительных линиях сети с целью уменьшения их доли в общем объёме кабельных соединений; эмуляция гипотетической структуры сети для проектирования новых вариантов топологий и совершенствования существующей структуры сети; оптимизация числа и местоположения пассивных и активных концентраторов; выбор рациональных способов совершенствования структуры существующих сетей абонентского доступа путём выбора оптимальных размеров подрайонов подключения, соединительных путей, изменения состава и мест расположения центров коммутации.

Во второй главе "Исследование сетевых структур с помощью имитационного моделирования" разработана концепция применения перспективных методов определения оптимальной топологической структуры сети связи, основанная на эвристических приёмах и включающая систему требований к задачам, которые должны решаться при проектировании оптимальной структуры сети.

Проблема синтеза оптимальной топологической структуры сети сформулирована как частная задача, решаемая на первом этапе системного проектирования. Определена основная цель топологического синтеза.

При топологическом синтезе используется наиболее простой метод построения интегрального критерия, заключающийся в том, что один из критериев набора принимается в качестве обобщённого, а все остальные учитываются в виде ограничений, определяющих область допустимых альтернатив:

где - значение эффективности;

- значения рассматриваемых критериев;

- вектор, определяющий допустимые значения по всем

критериям.

В этом случае задача сравнения альтернатив по векторному критерию эффективности сводится к задаче принятия решений со скалярным критерием, а все остальные критерии переводятся в разряд ограничений.

Полученные практические рекомендации, очевидно, будут зависеть от того, как будут выбраны ограничения для вспомогательных критериев.

В такой формулировке задача принятия оптимального решения при выборе альтернативы формулируется как задача математического программирования:

тах [д^ (а)] (или ), при аеА,

В зависимости от вида функции для решения задачи

выбора оптимальной альтернативы используются различные методы оптимизации.

Поскольку проектирование оптимальной структуры проводной сети передачи данных представляет собой многокритериальную задачу оптимизации, то эффективным средством для её решения является моделирование. Большинство используемых моделей определения топологической структуры сети основаны на применении известных эвристических алгоритмов проектирования, допускающих приближённые решения. В работе были развиты существующие и реализованы новые алгоритмы.

Определены требования к программным средствам проектирования сети, которые используются в ходе применения метода имитационного моделирования, позволяющего реализовать расчёты оптимальной структуры с учётом необходимых ограничений и условий. Программное обеспечение должно обеспечивать расчёт оптимальной структуры сети, результатом которого должны быть определены:

- оптимальные, с точки зрения эффективности использования существующих ресурсов маршруты подключения абонентов к станциям с учётом имеющихся исходных данных и ограничений;

- количество и месторасположение кабельных шкафов с указанием их задействованной ёмкости абонентскими парами каждой из подсетей связи;

- связность кабельных шкафов между собой и АТС с указанием количества кабелей каждого из типов и их задействованные ёмкости;

- обобщённые показатели рассчитанной структуры по критериям оценки.

В ходе рассмотрения методов синтеза новой сети древовидной конфигурации были развиты существующие алгоритмы. Определена последовательность проведения расчётов оптимальной структуры сети в случае её стихийного развития и появления дополнительных узлов. Практически был рассмотрен пример расчёта оптимальной структуры сети в ходе её модернизации и сравнения результатов, полученных по методам Прима и Ежи-Вильямса для модернизации существующей сети.

При рассмотрении вопроса проектирования сети с несколькими центрами коммутации предложены модели и реализованы новые алгоритмы расчётов оптимальной структуры сети, развивающие алгоритмы Прима и Ежи-Вильямса. В новых алгоритмах учтена возможность установки активного концентратора и оптимизации его местоположения в определённой на предыдущем этапе алгоритма группе абонентов.

Для выбора числа и определения оптимальных мест расположения концентраторов предложен и реализован новый эвристический метод дальних точек.

Суть данного метода в определении подмножеств станций по количеству вводимых в сеть концентраторов. В начале определяется средний объем соединений (I), приходящийся на один концентратор в сети:

У = ' , где К - число концентраторов в сети; Х-, - объем соединений от /-го узла;

N - число узлов в сети. Сокращённый алгоритм метода дальних точек приведен на рисунке 1.

Рис. 1.

В ходе реализации данного метода:

1. Определяется самый дальний узел от центра коммутации, который помещается в пространство, охватываемое первым концентратором;

2. Отыскиваются ближайшие к нему узлы до достижения суммарного объёма соединений сгруппированного подмножества величины среднего объёма соединений, приходящегося на один концентратор в сети;

3. Определённое в ходе алгоритма подмножество узлов, охватываемое первым концентратором, исключается из сети;

4. Находится второе подмножество, и процесс повторяется;

5. После определения всех подмножеств, в пределах каждого из них уточняется место концентратора. После оптимизации мест размещения концентраторов в группах предложено определить возможность установки в данной точке активного концентратора по формуле Энгсета.

Предложена модель для определения оптимальной структуры сети связи, в которой несколькими подсетями используются единые каналы первичной сети. В данном случае учтена особенность проводных систем передачи данных состоящая в том, что в сети имеются тракты соединений между узлами, которые являются общими для различных подсетей. Сокращённый алгоритм метода приведён на рисунке 2.

Рис. 2.

Реализован алгоритм расчёта оптимальной структуры на основе вычисления и сравнения коэффициентов группирования подсетей. На начальном этапе известны координаты узлов отдельных подсетей и матрицы их связности. На основании этих данных выделяются узлы сети, общие для нескольких подсетей. Определяются коэффициенты группирования отражающие степень использования одного узла в разных подсетях: /С/ = / х и,- , где И; - количество подсетей, в которые входит узел I Определятся суммарный коэффициент группирования для каждой j подсети:

где - количество узлов в } подсети, которые используются также в других подсетях.

Выполнение условия позволяет уменьшить влияние подсетей большой

размерности с преобладанием собственных узлов. Вычисляемый коэффициент отражает

степень использования узлов каждой из подсетей в различных сетевых структурах заданной конфигурации.

В ходе определения оптимальной топологической структуры предложенными методами учитываются необходимые параметры проектируемой сети и стоимости её структурных элементов, а также вводимые ограничения на различных этапах проектирования. В процессе исследования получены результаты, доказывающие эффективность применяемых в перспективных моделях решений по оптимизации структуры сети связи.

В третьей главе "Исследование моделей проводных сетей с учётом технологических сигналов" рассматриваются различные параметры сети как критерии оптимизации прокладки трасс технологических сигналов в сети.

В качестве технологических сигналов (ТС) в работе рассматриваются сигналы, обеспечивающие функционирование системы связи и передаваемые по кабельным линиям в сети совместно с информационными. В результате кабельная ёмкость соединительных линий сети используется для передачи служебной информации, помеховых сигналов, необходимых для обеспечения надёжного функционирования системы связи, обеспечения защиты информационного обмена. Для ведомственных сетей это в первую очередь сигналы, обеспечивающие активную защиту передаваемой по сети информации (зашумление).

При проектировании структуры сети связи на определение мест установки источников технологических сигналов и трасс прокладки линий ТС необходимо обращать серьёзное внимание, поскольку общая канальная емкость, используемая сигналами, не несущими полезную информационную нагрузку, может занимать значительные объёмы.

Предложена математическая модель исследования сети с расположенными в её узлах источниками технологических сигналов и различные варианты представления критериев оптимизации. Для решения задачи определения общей длины трассы используется операция умножения вектора трассы ТС (Г ) на матрицу связности (А1) ■

т.е. двумерная квадратная матрица со стороной элементов умножается на

одномерный вектор длиной также элементов.

Для получения конечной длины трассы прокладки ТС необходимо следующее

преобразование: умножение полученного вектора . В результате имеем

произведение одномерных векторов. Скалярная величина вычисляется по формуле:

I. х Л , где/-порядковый номер элементов в векторах Ь нТ .

В ходе анализа было обращено внимание на необходимость размещения централизованной системы контроля и управления в распределённой сети передачи данных на её функциональных и структурных элементах. Отмечено, что задачи системы управления и контроля кроме функционального разделения на группы делятся и по уровням иерархической организации структуры сети связи.

В работе представлены некоторые наиболее существенные параметры сети, которые можно использовать в процессе анализа как критерии оценки оптимальности прокладки и размещения источников технологических сигналов в сети:

1. Соотношение количества информационных и технологических сигналов в соединительных кабелях системы связи - самый важный параметр. При проектировании топологии сети в каждом кабеле закладывается определённый резерв канальной ёмкости. Суммарное количество ТС, проходящих через этот кабель, может превысить как количество свободных жил, так и ёмкость кабеля.

2. Средняя длина трассы технологического сигнала. Источники ТС имеют конечную мощность, определяющую в конечном итоге ограничение длины трассы технологического сигнала. В целях усовершенствования режимов работы источника ТС на отдельном узле и в целом по сети имеет смысл ввести интегральный показатель в виде суммы физических длин трасс (средней длины).

3. Количество дополнительных ТС, проведенных для контроля кабелей магистралей. Магистральные кабели могут контролироваться за счёт ТС, которые проходят в них от распределительных сетей узлов, поэтому необходимо обратить внимание, в первую очередь, на контроль распределительных сетей узлов. Количество дополнительно проведенных трасс ТС для контроля магистральных кабелей может служить показателем того, насколько удачно выбраны трассы прокладки ТС от абонентских распределительных сетей узлов.

4. Соотношение свободных и занятых источников ТС в местах их установки.

Перед проектировщиком ставиться задача, не только максимально задействовать

16

имеющиеся возможности источников ТС, но и наиболее плавно распределить нагрузку между узлами, на которых установлены источники ТС. Один из возможных параметров равномерности распределения нагрузки может служить соотношение числа занятых и свободных источников ТС, установленных в узлах.

5. Общее число магистральных кабелей, оставшихся без достаточного контроля.

6. Общее количество источников ТС, обеспечивающих контроль и управление сетью передачи данных. Очевидно, что при оптимизации по данному параметру необходимо искать минимум функции суммы всех источников ТС.

7. Среднее количество транзитных узлов. Данный показатель является одним из ключевых в вопросе оптимизации в случае наличия переменных мест установки источников ТС. Однако при фиксированных местах установки источников технологических сигналов данный параметр не может служить средством оценки.

Проведен анализ и определены правила прокладки технологических сигналов в сети, исходящие из того, что сигналы зашумления должны полностью перекрывать как магистральные, так и абонентские участки системы связи.

Показана возможность оценки сети связи с точки зрения эффективности и прокладки трасс технологических сигналов, выраженная через различные математические представления критериев оптимизации. Рассмотрен процесс формирования физических показателей из исходных данных сети.

Приведен практический пример выражения критериев оптимизации из исходных данных и расчета суммарной длины трассы ТС, коэффициентов магистральной загруженности трасс технологическими сигналами, числа дополнительно проведённых ТС. На данном примере рассмотрены различия и особенности в выборе варианта прокладки трассы технологического сигнала в зависимости от выбранного критерия оптимизации.

Пример, показывающий как технологические сигналы уменьшают общую канальную емкость соединительных линий сети, изображённой на рисунке № 3, представлен в таблицах 1 и 2. На рисунке узлы представлены в виде окружностей с номером в центре, в узле №9 установлен генератор технологических сигналов.

Соединительные линии представлены отрезками, информационная ёмкость участков и количество необходимых для их контроля технологических сигналов представлены в таблице № 1, а также на рисунке. Пунктирными линиями на рисунке

показан один из вариантов прокладки трассы контроля узла №4 (матрица-вектор трассы ТС имеет вид: Т— {0111010010}). Всего таких вариантов два, если в качестве ограничения выступает наименьшее количество транзитных узлов в трассе ТС.

Рис. 3.

Участок 1-2 1-5 1-6 2-3 2-6 3-4 3-7 3-8 5-6 6-10 9-5 9-6 9-10 8-10

Емкость 21 13 18 14 25 22 26 17 24 23 15 19 16 20

Необходимо ТС 3 2 3 2 4 3 4 2 4 4 2 3 2 3

Табл.1

Комбинации вариантов прокладки ТС контроля всех узлов сети Коэффициент магистральной загруженности соединительных линий сети технологическими сигналами (источник в узле Кг 9)

0,4 0,5 0,6 0,7 0,9

1 1121111111 5 участков 5 участков 3 участка 2 участка Нет участков

2 1111211111 5 участков 5 участков 3 участка 3 участка Нет участков

3 1111112111 7 участков 4 участка 3 участка 2 участка Нет участков

4 2112111111 4 участка 4 участка 3 участка 3 участка 1 участок

5 21111121И 6 участков 3 участка 3 участка 2 участка Нет участков

Табл. 2,

В таблице № 2 представлены пять оптимальных комбинаций прокладки трассы ТС контроля всех узлов сети, выбранных с точки зрения минимального количества магистралей сети (участков между узлами), превысивших коэффициент загруженности технологическими сигналами.

Анализируя представленные результаты исследования можно сделать вывод о том, что с точки зрения наименьшего количества участков сети, превысивших контрольные значения загруженности соединительных линий технологическими сигналами, предпочтительнее комбинация № 5, в которой узлы №1,7 контролируются вариантами №2 трассы контроля ТС, узлы № 2,3,4,5,6,8,9,10 - вариантами №1.

Сделан вывод о том, что окончательное решение о маршруте прокладки технологических сигналов необходимо принимать после применения нескольких критериев оптимизации трасс прокладки ТС и в конечном итоге зависит от требований, предъявляемых к системе контроля.

Анализ полученных результатов показал, что все параметры в отдельности косвенно зависят друг от друга и связаны сложной зависимостью, которая не поддаётся математическому описанию. Однако зависимость всех показателей от одного входного параметра можно предсказать. Этот параметр - общее количество источников технологических сигналов, необходимых для контроля распределительных абонентских сетей каждого из узлов.

Реализована модель расчёта оптимального количества и мест расположения источников технологических сигналов в сети. В данной модели расчёт производился с учётом следующих ограничений: проектировщиком задаются различные параметры затухания технологического сигнала на линии связи и различные значения загруженности общей канальной ёмкости соединительной линии технологическими сигналами.

Рассмотрены требования к узлам сети связи, в которых планируется размещение пунктов управления и контроля различных уровней иерархии территориально-организационного деления структуры сети. Обращено внимание на необходимость применения методов, которые могут использоваться для обеспечения живучести центров управления сети. На всех этапах проектирования методы повышения живучести системы должны учитываться так же, как и основные технические решения, необходимые для обеспечения заданного функционирования системы.

В четвёртой главе "Проектирование местных и узловых проводных сетей передачи данных" определены основные задачи проектирования сетей абонентского кабеля и определения оптимальных размеров подрайонов подключения в зависимости от плотности размещения абонентов на территории района подключения.

Отмечены принципиально различные методические подходы, характеризующие существующие разработки оптимальной структуры сетей абонентского доступа. В настоящее время для сетей абонентского кабеля созданы две модели: модель прямоугольного и секторного подрайонов подключения (ПРП). В них используются следующие предпосылки и допущения:

1. Модель прямоугольного района подключения характеризуется:

- ортогональной прокладкой трасс питающего кабеля;

- прямоугольными подрайонами подключения и однородной плотностью линий.

Эта модель учитывает, прежде всего, старые способы застройки в крупных городах и отличается сравнительно простыми вычислениями.

2. Модель секторного района подключения характеризуется:

- радиальной прокладкой трасс питающего кабеля;

- трапецеидальными формами подрайонов подключения;

- любыми (в том числе разнородными) плотностями линий.

Эта модель возникла в результате анализа сетей абонентского кабеля в малых городах и позволяет учитывать преобладающую в них неоднородную плотность линий.

Для определения оптимальных размеров подрайонов подключения автор исходил из общего уравнения затрат на распределительный кабель, кабельный распределительный шкаф и питающий кабель некоторого подрайона подключения.

Исследованы основные модели определения оптимальных размеров подрайонов подключения абонентского кабеля в соответствии с плотностью размещения абонентов. Реализован алгоритм определения оптимального размера прямоугольного подрайона подключения, в котором учтены современные параметры стоимости линейно-кабельного оборудования, линейные размеры и ёмкостные параметры соединительных линий абонентского доступа. По сравнению с известными методами, рассмотренными Р. Бесслером, А. Дойчем и другими, предложен следующий вариант определения оптимального размера ПРП, учитывающий особенность ведомственных сетей связи, которая заключается в том, что количество абонентов ПРП относительно невелико.

Если принять число пар жил кабеля в одном ПРП P = , где И/, я? - число

разбиений РП по вертикали и горизонтали соответственно

Li~li «/; L2=h П2 - размеры района подключения; /; 12 - размеры ПРП, g - плотность абонентов, то стоимость одной ветки питающего кабеля:

где где а - постоянная часть стоимости кабеля и работ по прокладке трассы; - зависящая от ёмкости часть стоимости кабеля; р - количество пар жил распределительного (питающего) кабеля; L - длина прассы кабеля, число веток

Следующая составляющая стоимости - стоимость распределительных шкафов, поскольку шкафы устанавливаются в каждом ПРП:

Стоимость распределительного кабеля в ПРП, если принять, что участок кабеля прокладывается вдоль большей стороны ПРП, а затем от него отводятся подводящие кабели к пя-ии-мштс:пп Hiьгг'ппыпж'тгя стте.т/ютттим обпязом*

Кпр= п,хп2*(р/2е х min (/,, 6)х <*„Ца„+ рш *р) * max (/,, 12)),

где число оконечных разветвителей в ПРП равно р/е (е - среднее количество пар жил в

распределительном кабеле на каждый оконечный разветвитель.

Таким образом, общая стоимость пайона поттютючения будет равна: Ковщ— Кробщ^ Кш+ Кпр

Данная сумма вычисляется для различных и ил и находится минимум, учитывая ограничения на минимальную ёмкость распределительного шкафа и размеры ПРП.

На основании результатов выработаны рекомендации для более эффективного применения рассмотренных моделей.

Реализованы алгоритмы различных методов определения потребности в путях передачи (перспективных значений нагрузок) между различными районами подключения (РП) зоны местной сети абонентского доступа. Методы определения

потребностей различались по критериям вводимых при расчетах параметров нагрузки, создаваемой конечными коммутационными устройствами.

Заинтересованность в телефонном обмене в зоне местной сети, выраженная заданными значениями нагрузки и направлениями связи является основанием для определения потребности в путях передачи. В настоящее время оказались применимы три принципиально различных подхода:

1. Исходя из гипотезы об изменении средней нагрузки между абонентами двух РП можно вычислить будущую нагрузку, при неизменных РП. При появлении новых РП или изменении их прежних границ следует произвести перерасчёт значений нагрузки, рассчитанных для остающихся неизменными районов подключения.

2. По существующим в настоящее время потокам нагрузки можно определить нормированные коэффициенты телефонного тяготения, с помощью которых можно дать общую оценку коэффициента тяготения в зависимости от удалённости абонентов.

3. Предполагая увеличение среднего значения местной нагрузки на абонента, можно сначала определить общее увеличение местной нагрузки в РП. Используя другое предположение, основанное на характере предыдущего развития сети связи и предполагаемой доле внутренней нагрузки, можно рассчитать её абсолютное значение.

Произведён сравнительный анализ трёх рассмотренных методов, выработаны рекомендации.

Для определения эффективности прокладки соединительных линий местной кабельной сети реализован алгоритм, использующий критерий модифицированной длины, включающий в себя основные параметры стоимости канала, плотности узлов в сети, а также степень трудности прокладки трасс и количество путей передачи.

Сделан вывод о том, что при рассмотрении зависимости стоимости зон местной сети от различных параметров стоимости её структурных элементов и количества районов подключения определение оптимального количества районов подключения -сложная комплексная задача.

Для решения вопроса о месте размещения сетевого узла абонентского кабеля предложен и реализован модифицированный метод Лагранжа, позволяющий определить квадрат размещения сетевого узла с учётом влияния координат места расположения центра коммутации сети, а также особенности ведомственных сетей нижнего уровня, упоминавшейся ранее. Получены результаты и сделаны выводы по проектированию.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Общим результатом работы является сформулированная концепция применения перспективных методов определения оптимальной топологической структуры сети передачи данных, основанная на эвристических приёмах. При решении данной проблемы получены следующие основные результаты:

1. Реализованы алгоритмы определения оптимальной структуры сети связи и оптимизации её с использованием концентраторов, в том числе, когда несколькими подсетями используются единые каналы первичной сети.

2. Рассмотрены различные параметры сети как критерии оптимизации прокладки трасс технологических сигналов контроля сети, реализован алгоритм определения оптимального количества и мест размещения источников технологических сигналов.

3. Реализован эвристический алгоритм определения оптимальных размеров прямоугольного подрайона подключения с учётом современных параметров стоимости элементов сети абонентского доступа.

В ходе исследования сетей передачи данных автором применялся системный подход. Анализируя полученные результаты топологического проектирования можно сделать следующие выводы:

1. Точное и целостное решение задачи анализа для реальных топологий с большим количеством взаимодействующих узлов затруднительно из-за громоздкости вычислений. Необходимо применение подхода, направленного на отыскание приближённых методов, позволяющих решить проблему с приемлемыми для практических целей точностью и затратами машинного времени.

2. Для успешного решения проблемы синтеза оптимальной структуры системы передачи данных необходима разработка соответствующего математического обеспечения такого проектирования, основу которого должны составлять проблемно-ориентированные пакеты прикладных программ, обеспечивающие поэтапное решение общей задачи определения оптимальной топологической структуры.

Применение реализованных в ходе научного исследования моделей и методов определения оптимальной топологической структуры сети на практике показали преимущества и эффективность заложенных в них алгоритмов и решений по сравнению с разработками, существующими в данной предметной области в настоящее время.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ Р 2 5 8 8 4

1. Кривоносов Д.М., Земцов А.Н. Имтационная модель проектирования топологических структур сетей / Прогрессивные технологии в обучении и производстве Материалы Всероссийской конференции, г. Камышин, 24-27 апреля 2002г. - Волгоград. 2002: Изд-во Волгоградского технического университета, 2002. - С. 133.

2. Кривоносов Д.М. Методы проектирования распределённых cетей связи, характеристика новых задач по совершенствованию топологической структуры городской сети / Концептуальное проектирование в образовании, технике и технологии: Межвузовский сборник научных грудов. - Волгоград: Изд-во РПК "Политехник", 2002. -С.130-136.

3. Лукьянов B.C., Кривоносов Д.М. Модели топологических структур ceтей Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе Материалы XXX юбилейной международной конференции и I международной конференции молодых учёных, 19-28 мая 2003. - Гурзуф: Изд-во Запорожского государственною университета, 2003. - С. 179.

4. Лукьянов B.C., Кривоносов Д.М. Модели концептуального проектирования топологических структур сетей связи / Системные проблемы качества, математического моделирования, информационных и электронных технологии. / Материалы Международной научно-1ехничсской конференции и Российской научной школы. Часть 3. Том №1, 1-12 октября 2003.- М: Изд-во Радио и связь, 2003.- С.11.

5. Кривоносов Д.М. Метод проектирования структуры сетей связи с концентраторами / Известия ВолгГТУ. Серия "Концептуальное проектирование в образовании, технике и технологии". Межвузовский сборник научных статей. -Волгоград: Изд-во РПК "Политехник", 2004. - С. 81-85.

6. Кривоносов Д.М., Лукьянов B.C., Палашевский А.В. Особенности проектирования ведомственных сетей нижнего уровня / Информационные технологии в науке, образовании, телекоммуникации и бизнесе: Материалы II международной конференции молодых учёных, 19-28 мая 2004. - Гурзуф.

Соискатель _ Д. М. Кривоносов

Подписано в печать 22. // 2004 г. Заказ и. р а ж 100 экз. Печ. л. 1,0.

Формат 60 х 84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная.

Типография «Политехник» Волгоградского государственного технического университета.

400131, Волгоград, ул. Советская,35

449

Условные обозначения и сокращения.

Введение.

Глава 1. Анализ проводных сетей передачи данных.

1.1. Классификация аппаратурных средств проводных сетей.

1.2. Разновидности структур проводных сетей.

1.3. Характеристики надёжности проводных сетей передачи данных.

1.4. Проблемы обеспечения защиты информации в сетях управления.

1.5. Активные методы защиты информации в проводных сетях передачи данных.

1.6. Обзор задач топологического проектирования сетей.

1.7. Математическое представление проводной сети и основные определения.

1.8. Методы определения топологий сетевых структур минимальной стоимости.

1.9. Основные задачи определения оптимальных структур проводных сетей передачи данных.

Современные проводные сети передачи информации представляют собой сложные системы, включающие в свой состав тысячи узлов и соединений. В последние годы значительно изменился объём передаваемой информации, резко возрос трафик данных, начинают исчезать различия между сетями передачи данных и телефонными сетями. На графике (рис.1.) представлен прогноз роста глобального трафика речи и данных [54].

Т бит/с

5 4 3 2 1

О 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007

Годы

- Трафик данных Источник: Authur D. Little, 1999 ~ - Международный телефонный трафик

- Суммарный телефонный трафик

Изменение природы передаваемой информации оказывает существенное влияние и на структуру сетей передачи данных. Нахождение оптимальной конфигурации систем связи в процессе их проектирования и модернизации точными методами (для сетей большой размерности) трудно реализуемо из-за сложности вычислений, поэтому основано на использовании эвристических методов, допускающих приближённые решения. Перед проектировщиком встаёт задача моделирования оптимальной топологической структуры коммуникационной системы и её совершенствование с минимальной стоимостью, удовлетворяющей необходимым требованиям.

Одно из важнейших требований, предъявляемых к системе связи в современных условиях - это обеспечение защиты передаваемой по сети связи информации. Ежегодные материальные и моральные потери от несанкционированного доступа к информационным ресурсам, передаваемым по каналам связи, постоянно увеличиваются. В этой связи увеличивается число ведомственных и выделенных сетей в общем объёме (специальные банковские сети, сети силовых ведомств, МПС, пенсионного фонда и т.д.), основные тенденции и проблемы развития систем передачи данных присущи и этим корпоративным сетям. Вопросам защиты передаваемой по проводным сетям связи информации, в том числе с использованием технологических сигналов, уделяется всё большее внимание.

В современных условиях на первое место при проектировании структуры сети связи выступает критерий стоимости. Поэтому данный параметр выступает основным при определении конкурентоспособности проекта и выбран в качестве определяющего в перспективных методах.

Проблемам анализа топологических структур сетей и определения методов их оптимального проектирования посвящены работы немецких исследователей Р. Бесслера и А. Дойча [41]. Российские учёные Г.Т. Артамонов и В.Д. Тюрин [18], рассмотрели в своих трудах вопросы анализа и синтеза структур сетей передачи информации методами теории графов.

Эвристические методы синтеза топологии сети по заданному местоположению её узлов рассмотрены в работах Лазарева В.Г.[14], Янбых Г.Ф.[32], Лукьянова В.С.[34]. Методам автоматизированного проектирования систем связи посвящены исследования Мясникова В.А., Мельникова Ю.Н., Абросимова Л.И.[36], Советова Б.Я., Яковлева С.А.[23, 24, 33].

Практическое применение в настоящее время нашли методы Прима [62], Ежи - Вильямса [35], метод концентраторов и определения структуры иерархической сети [36], а также модификации алгоритмов Прима и Ежи-Вильямса - метод Крукскала и метод фирмы IBM [10].

Подробнее рассмотрев применяемые эвристические методы, можно выявить некоторые ограничения известных моделей определения оптимальной топологической структуры проводных сетей, которые не позволяют эффективно использовать их в современных условиях для определения оптимальной топологической структуры. В основном эти ограничения сводятся к следующему:

1. Использование данных алгоритмов для расчёта сетей только с одним центром коммутации (централизованных сетей).

2. При расчёте не учитывается наличие базовой действующей сети с трактами, обладающими определённой информационной ёмкостью.

3. Не учитывается перспективность дальнейшего использования оборудования, резерв пропускной способности и канальной ёмкости соединительных кабелей и т.д.

4. При расчёте не берутся во внимание параметры стоимости линейного и каналообразующего оборудования, единицы длины кабеля, подключения линии связи.

В результате анализа и практического рассмотрения существующих моделей выявляется необходимость проведения дальнейших исследований, модификации существующих и создания новых вариантов, учитывающих современные требования.

Таким образом, указанные обстоятельства обуславливают актуальность сформулированной темы исследования, направленной на разработку перспективных моделей определения оптимальных структур проводных сетей передачи данных ведомственных сетей.

Цель диссертационной работы заключается в разработке перспективных моделей определения оптимальных структур ведомственных сетей передачи данных, снимающих ограничения существующих способов решения данной проблемы.

Предметом исследования является топологическая структура ведомственных проводных сетей передачи данных.

Объектом исследования - перспективные методы определения оптимальной топологической структуры ведомственных проводных сетей передачи данных. Для достижения поставленных целей в работе решаются следующие задачи:

1. Синтез составной сети, включающей в свой состав несколько подсетей с общими трактами передачи и отдельными автономными центрами коммутации.

2. Оптимизация мест расположения источников технологических сигналов, выбора трасс передачи технологических сигналов с целью уменьшения их доли в общем объёме кабельных соединений.

3. Эмуляция гипотетической структуры сети для проектирования новых вариантов и совершенствования существующей структуры.

4. Оптимизация числа и местоположения пассивных (без уплотнения линий) и активных концентраторов, уменьшающих необходимое число линий связи.

5. Выбор рациональных способов совершенствования структуры существующих сетей путём выбора оптимальных соединительных путей, изменения состава и мест расположения центров коммутации.

Поскольку сети передачи данных относятся к категории сложных систем, то в ходе их исследования применялся системный подход. На его основе для решения возникающих задач исследуемые структуры были подвергнуты системному анализу, направленному на создание обобщённой модели, описывающей систему, отображающей определённую группу свойств: сложность; иерархичность; связность; переменность топологии; надёжность; наращиваемость; избыточность; стоимость - характеристика, оценивающая стоимость реализации структуры.

В работе использованы методы имитационного моделирования структур передачи данных в совокупности с эвристическими методами, что обусловлено сложностью исследуемых систем и многообразием их функциональных элементов. Кроме того, использовались аналитические методы исследования.

На этапе топологического проектирования, который представляет собой начальную стадию системного анализа, должны решаться следующие задачи: определение структуры сети, размещение структурных компонентов в 8 пространстве для получения базовых вариантов топологии системы, совершенствование базовых топологий для получения систем с определёнными характеристиками.

Точное и целостное решение задачи анализа для реальных топологий с большим количеством взаимодействующих узлов затруднительно из-за громоздкости вычислений. Поэтому большинство работ в области анализа топологий направлено на отыскание приближённых методов, позволяющих решить проблему с приемлемыми для практических целей точностью и затратами машинного времени.

Таким образом, под синтезом в широком смысле понимают задачу уменьшения неопределённости (или разнообразия) систем за счёт соответствующей переработки информации о функциях, целях, оценках, требованиях и топологиях объекта. Поэтому задача синтеза, как правило, решается как многократный анализ систем, выбираемых по определённому правилу из множества вариантов. Сформулировать, а тем более решить общую задачу синтеза оптимального варианта сети интегрального обслуживания в настоящее время невозможно. Поэтому, по мере решения задач синтеза топологической структуры сети, необходимо формулировать и решать частные оптимизационные задачи с элементами эвристики, максимально использующие априорную информацию об объекте.

В качестве критерия оптимизации в работе использовалась приведенная стоимость, которая учитывает расстояние между узлами сети, а также удельную стоимость соединительных линий. Кроме того, что данный параметр наглядно отражает эффективность применяемых методик, в условиях рыночной экономики именно критерий стоимости выступает на первое место из всех других параметров сети. Соотношение цена-качество у заказчика является определяющим.

Использование при проектировании структуры сетей моделей определения оптимальной топологической структуры, построенных с использованием вышеуказанных положений значительно облегчает расчёты оптимальных по стоимости крупномасштабных сетей с большим количеством абонентов, а также сетей связи нижнего уровня (сетей абонентского доступа).

Практическая значимость работы очевидна, поскольку на основе полученных в ходе исследования результатов реализованы конкретные предложения по расчёту оптимальных структур ведомственных сетей связи и при определённых условиях телефонных сетей общего пользования, определения мест размещения центров коммутации, трасс прокладки и мест размещения источников технологических сигналов в сети, совместному использованию трактов передачи ведомственных сетей, определения оптимальных размеров подрайонов подключения и мест размещения узлов коммутации сети связи.

Основные результаты диссертационного исследования использованы в проектах Научно - исследовательского испытательного полигона ФСО РФ. По теме диссертации опубликовано 6 научных работ, в том числе материалы 3-х международных конференций.

В первой главе определены те элементы и свойства систем связи, которые непосредственно влияют на методы и подходы к решению задачи определения оптимальной топологической структуры проводной сети, рассмотрены основные методы определения оптимальных структур проводных сетей передачи данных, применяемые в настоящее время. Сделан вывод о том, что рассмотренным алгоритмам присущи недостатки, которые не позволяют эффективно применять их в современных условиях.

Во второй главе задача синтеза оптимальной топологической структуры сети определена как частная задача, решаемая на первом этапе системного проектирования. Существенно развиты существующие и реализованы новые алгоритмы расчётов, включающие в себя необходимые дополнения в соответствии с современными условиями проектирования. Разработана концепция применения перспективных методов определения оптимальной топологической структуры сети связи, основанная на эвристических приёмах и включающая систему требований к задачам, которые должны решаться при проектировании оптимальной структуры сети.

В третьей главе рассматриваются различные параметры сети как критерии оптимизации прокладки трасс и мест установки источников технологических сигналов защиты передаваемой по сети информации. Предложена математическая модель исследования сети с установленными в её узлах источниками технологических сигналов, реализован алгоритм определения оптимального количества и мест размещения источников технологических сигналов в сети.

В четвёртой главе определены основные задачи проектирования сетей абонентского кабеля и определения оптимальных размеров подрайонов подключения в зависимости от плотности размещения абонентов на территории района подключения. Реализован алгоритм определения оптимального размера прямоугольного подрайона подключения, в котором учтены современные параметры стоимости линейно-кабельного оборудования, линейные размеры и ёмкостные параметры соединительных линий сети абонентского доступа. Реализован алгоритм определения оптимального места размещения сетевого узла абонентского кабеля с учётом влияния на принимаемое решения координат точки размещения информационного центра сети, а также определения эффективности прокладки соединительных линий местной кабельной сети.

Автор выражает искреннюю благодарность руководству и личному составу Научно - исследовательского испытательного полигона ФСО России (войсковая часть 32382 г. Орёл) за помощь в проведении исследований.

1. АНАЛИЗ ПРОВОДНЫХ СЕТЕЙ ПЕРЕД АЧИ ДАННЫХ

Выход

Рис. 4.22.(г)

Зависимое

Зависимость стоимости установки АТС от удаленности информационного центра от предполагаемого места размещения концентратора

Рис. 4.22.(д)

ШШЯШШ^^Ш^ШШШШ. -IPI х! 1

Зависимость величины расхождения координат концентратора в результате реализации I и It этапов метода от удаленности информационного црнтра от предполагаемого места размена ни я концентратора по оси X - удаленность центра КС от предполагаемого центра, м по оси У - расхождение координат концентратора в I и В методе, м.

График! График2 | График 3 |

Увеличить Уменьшить Сброс а ш ш В

Рис. 4.22.(е)

Заключение по четвёртой главе.

Отмечены принципиально различные методические подходы, характеризующие существующие разработки оптимальной структуры сетей абонентского доступа. Определены основные задачи проектирования сетей абонентского кабеля. Методы оптимизации разрабатываются на основе упорядочивания устройств сети связи в ходе структурного анализа и исследования путём деления на первичную и вторичную сети, которые взаимосвязаны и существуют в рамках единой системы.

4.1. Исследованы основные модели определения оптимальных размеров подрайонов подключения абонентского кабеля в соответствии с плотностью размещения абонентов. Рассмотрены и проанализированы различные методы определения потребности в путях передачи между различными районами подключения зоны местной сети.

4.2. Исследованы модели определения оптимальных размеров подключения прямоугольного и секторного подрайонов подключения. Реализованы алгоритм определения оптимального размера прямоугольного подрайона подключения, в котором учтены современные параметры стоимости оборудования. На основании результатов выработаны рекомендации для проектирования и эффективного применения разработанных методов.

4.3. Для определения эффективности прокладки соединительных линий местной кабельной сети реализован алгоритм, использующий критерий модифицированной длины, включающий в себя параметры стоимости канала, плотности узлов в сети, а также степень трудности прокладки трассы и количество путей передачи.

4.4. Установлено, что определение оптимального количества районов подключения - сложная комплексная задача. Для решения вопроса о месте размещения сетевого узла абонентского кабеля сети доступа реализован алгоритм модифицированного метода Лагранжа. Получены результаты и сделаны выводы по проектированию.

ОБЩЕЕ ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Вопросы, рассмотренные автором в работе, приобретают в настоящее время всё большую актуальность. С точки зрения интенсивного внедрения в российские телефонные сети общего пользования, а также ведомственные сети современных средств и технологий абонентского доступа существенным фактором является уменьшение общего количества АТС и укрупнение коммутационных узлов, в связи с чем увеличиваются области обслуживания пользователей и дальность действия оборудования сети доступа, стоимость которой составляет до 70% от стоимости местных телефонных сетей. Кроме этого нельзя забывать, что большинство существующих сетей передачи данных базируются на телефонных сетях, используемых ими в качестве первичных.

В связи с этим перед проектировщиком возникает вопрос определения оптимальной структуры создаваемой сети интегрального обслуживания, т.е. мест размещения узлов коммутации сети, АТС, информационных центров, а также определения путей передачи информации, которые удовлетворяют выдвигаемым к соединительным линиям требованиям по передаче данных.

Поскольку сети передачи данных относятся к сложным системам, то в ходе их исследования автором применялся системный подход. На его основе для решения возникающих задач исследуемые структуры были подвергнуты системному анализу, направленному на создание обобщённой модели, описывающей систему, отображающей определённую группу свойств.

В работе автором описаны средства представления проводных сетей передачи данных, используемые в ходе их системного анализа, построены модели определения оптимальных структур сетей связи различных классов и свойств. С этой целью были разработаны новые и усовершенствованы существующие методы определения оптимальной топологической структуры сетей связи.

В методах, используемые до настоящего времени, имеется ряд ограничений, которые не позволяют эффективно использовать их в современных условиях для определения оптимальной топологической структуры сети, поскольку в этих методах не учитываются новые технологии построения систем телекоммуникаций, а также существенные особенности их эксплуатации и развития.

На этапе топологического проектирования, который представляет собой начальную стадию системного анализа, автором решались следующие задачи: определение структуры сети, размещение структурных компонентов в пространстве для получения базовых вариантов топологии системы, совершенствование базовых топологий для получения систем с определёнными характеристиками.

Точное и целостное решение задачи анализа для реальных топологий с большим количеством взаимодействующих узлов затруднительно из-за громоздкости вычислений. Поэтому большинство работ в области анализа топологий направлено на отыскание приближённых методов, позволяющих решить проблему с приемлемыми для практических целей точностью и затратами машинного времени. В работе автором широко используются эвристические методы. Поскольку сформулировать, а тем более решить общую задачу синтеза оптимального варианта сети интегрального обслуживания довольно затруднительно и не всегда возможно, то по мере решения задач синтеза топологической структуры автором формулировались в работе и решались частные оптимизационные задачи с элементами эвристики. Задача синтеза решалась как многократный анализ систем, выбираемых по определённому правилу из множества вариантов.

Под синтезом, таким образом, понималась задача уменьшения неопределённости системы, за счёт соответствующей переработки информации о функциях, целях, оценках, требованиях и топологиях объекта.

Важным компонентом постановки задач анализа и синтеза в работе являются ограничения, налагаемые на структуру сети особенностями технологии эксплуатации, обслуживания, спецификой используемой в ней техники связи, требованиями к качеству работы сети.

В итоге в процессе научного исследования были сделаны определённые выводы и получены следующие результаты.

В ходе анализа проводных сетей передачи данных определены те элементы и свойства систем связи, которые непосредственно влияют на методы и подходы к решению задачи определения оптимальной топологической структуры сети, проанализированы методы определения оптимальной структуры, используемые в настоящее время, определены проблемные вопросы, решение которых обязательно в перспективных алгоритмах.

При исследовании сетевых структур с помощью имитационного моделирования были определены требования к программным средствам проектирования сети, рассмотрены перспективные модели определения оптимальных структур проводных сетей. Составлены и реализованы алгоритмы синтеза новой сети и модернизации существующей на основе алгоритмов Прима и Ежи-Вильямса, проектирования сети с несколькими центрами коммутации, определения места размещения концентратора (метод дальних точек), а также структуры сети связи, в которой несколькими сетями используются единые каналы первичной сети.

В результате исследования моделей проводных сетей с учётом технологических сигналов определены наиболее существенные параметры сети, которые можно использовать при анализе как критерии оценки оптимальности в ходе проектирования трасс прокладки и мест размещения источников технологических сигналов. Рассмотрены процесс формирования физических показателей и выражения критериев оптимизации из исходных данных, реализована модель расчёта оптимального количества и мест размещения источников технологических сигналов в сети. Рассмотрены требования к узлам сети, где предполагается разместить пункты управления и контроля сетью.

При проектировании оптимальной структуры местных и узловых проводных сетей передачи данных исследованы основные модели определения оптимальных размеров подрайонов подключения абонентского кабеля, реализован алгоритм определения размера прямоугольного подрайона подключения с учётом современных параметров стоимости линейно-кабельного оборудования, линейные размеры и ёмкостные параметры соединительных линий сети абонентского доступа. Реализованы алгоритмы и проведён сравнительный анализ различных методов определения потребности в путях передачи (перспективных значений нагрузок) между районами подключения, алгоритм определения эффективности прокладки соединительных линий местной кабельной сети, использующий критерий модифицированной длины, а также алгоритм определения оптимального места размещения сетевого узла абонентского кабеля сети доступа с учётом влияния на него места расположения центра коммутации.

В ходе анализа результатов представленного научного исследования можно сделать следующий вывод: успех в решении общей проблемы оптимального проектирования информационно - вычислительных систем и сетей коллективного пользования может быть достигнут только при разработке соответствующего математического обеспечения такого проектирования, основу которого должны составить проблемно - ориентированные пакеты прикладных программ, обеспечивающих поэтапное решение задачи оптимального проектирования.

1. Гольдштейн Б.С. Системы коммутации.- СПб.: БХВ Санкт - Петербург, 2003.

2. Многоканальная связь. Под ред. И.А. Аболица.- М.: Связь, 1971.

3. Основы многоканальной связи. Под ред. И.К. Бобровской.- М.: Связь, 1975.

4. Клейнрок Л. Коммутационные сети: Пер. с англ.- М.: Наука, 1970.

5. Сообщение телефонное. Характеристики. Термины и определения. ГОСТ 20733-75.

6. Беллами Дж. Цифровая телефония.- М.: Радио и связь, 1986.

7. Д.Дэвис, Д.Барбер, У.Прайс и др. Вычислительные сети и сетевые протоколы.- М.: Мир, 1982.

8. Дмитраченко В.М., Осипов В.Г. Построение цифровых сетей связи." Электросвязь".- 1986.-№7.

9. Захаров Г.П. Методы исследования сетей передачи данных,- М.: Радио и связь, 1983.

10. Мартин Дж. Вычислительные сети и распределённая обработка данных.-М.: Финансы и статистика; Вып.1, 1985.; Вып.2, 1986.

11. Иносэ X. Интегральные цифровые сети связи: Введение в теорию и практику.- М.: Радио и связь, 1982.

12. Захаров Г.П., Яновский Г.Г. Интегральные цифровые сети связи // Итоги науки и техники. Электросвязь; Т. 16- М.: ВИНИТИ, 1986.

13. Захаров Г.П. Некоторые тенденции развития электросвязи // Электросвязь.-1984.-№10.

14. Лазарев В.Г., Лазарев Ю.В. Динамическое управление потоками информации в сетях связи.- М.: Радио и связь, 1983.

15. Мизин И.А., Богатырёв В.А., Кулешов А.П. Сети коммутации пакетов.- М.: Радио и связь, 1986.

16. Якубайтис Э.А. Информационно вычислительные сети.- М.: Финансы и статистика, 1984.

17. Экономика связи. Под ред. О.С. Срапионова. Изд.2-е. -М.: Связь, 1974.

18. Артамонов Г.Т., Тюрин В.Д. Топология сетей ЭВМ и многопроцессорных систем. М.: Радио и связь, 1991.

19. Николаев В.И., Брук В.М. Системотехника: методы и приложения. М.: Машиностроение, 1985.

20. Волкова В.Н., Воронков В.А., Денисов А.А. и др. Теория систем и методы системного анализа в управлении и связи. М.: Радио и связь, 1983.

21. Вавилов А.А., Имаев Д.Х. Машинные методы расчёта систем управления: Учеб. пособие. Л.: ЛГУ, 1981.

22. Рухман Е.Л. Яковлев С.А. Аналитические и имитационные модели информационных сетей.- Л.: изд. ЛЭТИ, 1982.

23. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем.- М.: Высш. шк., 1985.

24. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Моделирование систем. Курсовое проектирование.- М.: Высш. шк., 1988.

25. Кофман А. Введение в прикладную комбинаторику: Пер. с франц. М.: Мир, 1975.

26. Кристофидес Н. Теория графов Алгоритмический подход: Пер. с англ. — М.: Мир, 1978.

27. Толчан А.Я. "Рельеф" и задача поиска экстремальных путей на графе.- В кн.: Информационные сети и коммутация.- М.: Наука, 1968.

28. Давыдов Г.Б. и др. Сети электросвязи.- М.: Связь, 1977.

29. Зыков А.А. Основы теории графов.- М.: Наука, 1987.

30. Харари Ф. Теория графов: Пер. с англ.- М.: Мир, 1973.

31. Свалин М., Тхуласираман К. Графы, сети и алгоритмы: Пер. с англ.- М.: Мир, 1984.

32. Янбых Г.Ф. Этингер Б.Я. Методы анализа и синтеза сетей ЭВМ.- JL: Энергия, 1980.

33. Советов Б.Я., Рухман E.JL, Яковлев С.А. Системы передачи информации от терминалов к ЦВМ.- JL: изд. Ленингр. ун-та, 1978.

34. Лукьянов B.C., Калмыков П.С. Проектирование топологической структуры сети. В.: ВГТУ, 1997.

35. Мартин Дж. Системный анализ передачи данных: Пер. с англ. под ред. B.C. Лапина. М.: Мир, 1975.

36. Мясников В.А., Мельников Ю.Н., Абросимов Л.И. Методы автоматизированного проектирования систем телеобработки данных: Учеб. пособие для вузов. М.: Энергоатомиздат, 1992.

37. Половинкин А.И. Основы инженерного творчества: Учеб. пособие для студентов втузов. -М.: Машиностроение, 1988.

38. Денисов А.А., Колесников Д.Н. Теория больших систем управления: Учеб. пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат, 1982.

39. Бакланов А.В., Смирнов М.И., Яковлев С.А. Структурно алгоритмический синтез системы управления сетью обмена информацией с использованием машинной имитации // Сложные системы управления: Межвуз. сб.- Л.: изд. Ленингр. ун-та, 1985.

40. Сочнев А.В., Яковлев С.А. Интерактивная процедура автоматизации проектирования интегральных сетей связи // Проблемы системотехники и АСУ: Межвуз. сб.- Л.: 1985.

41. Бесслер Р., Дойч А. Проектирование сетей связи: Справочник: Пер. с нем. -М.: Радио и связь, 1988.

42. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Новые технологии и оборудование 1Р-сетей.-СПб.: БХВ-Петербург, 2001.

43. Олифер В.Г., Олифер Н.А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы. СПб.: Питер, 2001.

44. Князев Н.А. Алгоритм поиска кратчайших по времени путей в связывающей сети с переменной структурой.- В кн.: Синтез управляющих устройств.- М.: Наука, 1976.

45. Храмешин С.К. Построение кратчайших допустимых цепей.- В кн.: Построение устройств управления сетями связи.- М.: Наука, 1977.

46. Зима В.М., Молдовян А.А., Молдовян Н.А. Безопасность глобальныхсетевых технологий.- СПб.: БХВ Петербург, 2001.

47. Безир X. Цифровая коммутация.- М.: Радио и связь, 1984.

48. Автоматическая междугородная и сельская телефонная связь. Под ред.Е.А. Зайончковского. Изд. 2-е.- М.: Связь, 1976.

49. Давыдов Г.Б. Вопросы оптимизации развития сети связи.- "Электросвязь", 1977, №1.

50. Дунаев С. INTRANET-технологии. WebDBC. CGI. COBRA 2.0 Netscape. Suite. IntraBuilder. Java. JavaScript Live Wire.- M.: Диалог-МИФИ.-1997.

51. Николаев Ю.И. Проектирование защищённых информационных технологий. Ч. 1. Введение в проблему проектирования распределённых вычислительных систем.- СПб.: издательство СП6ГТУ.-1997.

52. Ресурсы Microsoft Windows NT: Пер. с англ. СПб.: BHV- Санкт Петербург.- 1997.

53. Соколов Н.А. Сети абонентского доступа. Принципы построения.- М.: ЗАО "ИГ Энтер профи", 1999.

54. Кох Р., Яновский Г.Г. Эволюция и конвергенция в электросвязи.- М.: Радио и связь, 2001.

55. Советов Б.Я., Яковлев С.А. Построение сетей интегрального обслуживания.- JL: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1990.

56. Rapp, Y.: The economic optimum in urban telefone networks problems. Ericsson Technics 49 Pt 2. (1950).

57. Schunemann, G: Graf. H.: Gestaltung und Planung von Femmeldenetzen. Inf. -H. Nr. 166 Inst. f. Post- u. Fernmeldewesen.

58. Бухвинер B.E. Интегральные сети и службы электросвязи // Зарубежная радиоэлектроника.- 1984.- №7.

59. Громов Г.Р. Национальные информационные ресурсы: проблемы промышленной эксплуатации,- М.: Наука, 1984.

60. Шигин Г.А. Локальные сети в плане автоматизации и будущей интегральной сети связи // Зарубежная радиоэлектроника.- 1986.- №3.

61. Ba(31er, R.: Walter, Т.: Vergleich von Verfahren zur Berechnung von Orts verbindungskabelnetzen. Fernmeldetechnik 19 (1979) H.3.

62. Прим P.K. Кратчайшие связывающие сети и некоторые обобщение. Кибернетический сборник №2, 1986.

63. Междугородняя АТС 2 РП 1 Гы К Xи *