СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СТРУКТУРОЙ ИНФОКОММУНИКАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

Изобретение относится к области информационных технологий и может быть использовано в инфокоммуникационных системах (ИКС) специального назначения.

Необходимость управления структурой ИКС вытекает из того, что каждая уровневая сеть Netw_i ИКС в целом является динамической средой, внутри которой постоянно происходят изменения. Коммутаторы, мультиплексоры, модемы, серверы услуг, другие средства функционируют с разной производительностью, и их взаимодействие друг с другом меняется. Отдельные элементы уровневой сети выходят из строя, ремонтируются и восстанавливаются. Число пользователей может меняться. Оборудование уровневых сетей обновляется, устанавливаются новые средства и более производительные серверные комплексы и коммутационное оборудование.

В рамках способа управления структурой инфокоммуникационной системы использована модель ИКС, заданная совокупностью уровневых сетей услуг Netw_i (соответственно для инфраструктурного i=1, промежуточного i=2 и базового i=3 уровней), каждая из которых описана неориентированным регулярным графом без петель G_i(N_i,L_i), i=1, 2, 3 с множеством вершин (узлов) N_i и множеством ветвей (линий связи) , соединяющих вершины.

Каждой ветви l_ikj, соединяющей k-ю и j-ю вершины i-уровневой сети ИКС, ставится в соответствие значение ее пропускной способности, равной скорости передачи информации ν_ikj при информационном обмене и получении z_i услуг, которая, в общем виде, зависит от управления структурой всей ИКС u_s и уровневой сети .

На каждую уровневую сеть Netw_i ИКС поступает многомерный пуассоновский поток требований на получение услуг с параметром , а время, на которое требование потока занимает виртуальный канал (с учетом времени получения самой услуги), распределено по произвольному закону ƒ_i(t) с параметром , одинаковым для всех потоков i-го уровня ИКС. В этом случае вероятности соответствующих состояний обслуживания потока требований Λ_i на получение уровневой услуги можно задать следующим образом:

где

Отдельные средства могут работать неправильно, нарушая работу всей ИКС. Конкретный сервер услуг, коммутатор или маршрутизатор может быть удален как узел обслуживания из уровневой сети из-за неисправности аппаратного или программного обеспечения вследствие атаки. Если неисправность временная, то его следует удалить только логически, пометив как недоступный элемент уровневой сети, что соответствует ее реконфигурации.

Способ управления учитывает, что при управлении структурой уровневых сетей ИКС осуществляются следующие функции:

- идентификация любого объекта управления и назначение имени объекту;

- определение любого нового объекта управления;

- установка начальных значений для атрибутов объектов;

- управление взаимодействием объектов управления;

- изменение оперативных характеристик объекта управления и информирование о любых изменениях в состояниях объектов;

- удаление объекта управления;

- ввод в действие объекта управления с организацией его связей с другими объектами.

Разработанный способ управления структурой включает модели ИКС (ее сетей), заложенные в прикладных процессах управления, и модели инфокоммуникационной поддержки прикладных процессов управления (фиг. 1), стандартизованные в документах МСЭ-Т и ИСО.

При управлении структурой каждой уровневой сети ИКС определены основные взаимосвязи состояний объектов управления и допустимые переходы между этими состояниями (фиг. 2).

Выделены следующие рабочие состояния:

- разрешенное состояние: ресурс объекта управления не используется, но он работоспособен и доступен;

- запрещенное состояние: ресурс недоступен или зависим от другого источника, который недоступен;

- активное состояние: ресурс доступен для использования и имеет возможность принять на обслуживание другой источник;

- занятое состояние: ресурс доступен, но не имеет свободной емкости (пропускной способности) для дополнительных услуг.

Допустимые рабочие состояния (фиг. 2) не обязательны для всех объектов управления. Некоторые объекты не ограничены по числу субъектов, которые могут одновременно использовать этот объект. В этом случае объект управления не может быть в занятом состоянии. Кроме того, объект управления не может находиться в запрещенном состоянии, если это не влияет на другие объекты управления, т.е. это состояние несущественно.

Переход в разрешенное состояние обеспечивают средства, которые делают объект управления действующим. Действия типа замены сервера, коммутатора, маршрутизатора или вышедшего из строя одного порта, устранение дефекта программного обеспечения и т.д. переводят объект в действующее состояние. Следует отметить, что переход «разрешать» может иметь место тогда, когда рабочее состояние объекта было запрещенным. Однако и некоторые другие действия позволяют объекту переходить в разрешенное состояние. Например, субъект может завершить работу с объектом, не использующим коллективный доступ, что переводит объект из занятого состояния в разрешенное.

Запрещенное состояние имеет место тогда, когда объект управления объявлен неработоспособным. Например, компонент уровневой сети ИКС может иметь параметры выше допустимого порога (например, число сбойных ситуаций или температура коммутатора, сервера), неприемлемого для системы управления уровневой сетью. Объект управления объявляется запрещенным из любого рабочего состояния (объект объявляется запрещенным вторично, потому что зафиксирована другая неисправность).

Действие «завершение работы» позволяет объекту управления переходить из занятого к неактивному состоянию или из активного к разрешенному состоянию, потому что это действие не переводит объект управления в запрещенное или неактивное состояние.

При управлении структурой описание трех административных состояний объектов ИКС при управлении ее структурой следующие (фиг. 3):

- не заблокирован: объект управления может использоваться;

- заблокирован: объект управления не может использоваться;

- закрытие: объект управления может использоваться текущими пользователями, но не может использоваться новыми пользователями.

Некоторые ресурсы не могут быть в заблокированном состоянии. Например, файл-сервер локальной сети органа управления с доступом только для чтения (read-only) не может быть заблокирован за исключением подмножеств файлов, которые могут иметь ограниченный доступ. Кроме того, некоторые ресурсы не могут быть закрытыми, и там нет ситуаций, как «закрытое состояние». Так административный логический канал в плате коммутатора пакетов должен быть постоянно в разблокированном состоянии, т.к. любое закрытие канала 0 в интерфейсах передачи данных может создать хаос в зависимых логических каналах и соединениях.

Запрещенное заблокированное состояние определяет объект управления, который административно запрещен для использования. Состояние считается запрещенным, если оно связано с определенными проблемами. Для перехода объекта управления в рабочее состояние проводится диагностика, а также некоторые действия, чтобы вначале перевести объект в незаблокированное и разрешенное состояние.

Разрешенный заблокированный объект управления запрещен административно для использования, но в нем нет никаких отказов. Это состояние имеет место в ресурсах, предназначенных для резервирования, которые вводятся в действие, когда отказывают другие разрешенные модули.

Занятый закрытый объект управления действует, но по определенным причинам подсистема управления структурой ИКС закрывает ресурс. Эта ситуация имеет место, когда ресурс ИКС должен быть отключен или объект имеет малую доступность для пользователей, обращающихся к нему. Обычно переход объекта управления в это состояние обусловлен его недостаточной производительностью.

Запрещенное незаблокированное состояние административно не запрещено для использования, однако ввиду определенных причин фиксируется запрещенное состояние. Это обычно наблюдается при определенных неполадках в программном или аппаратном обеспечении компонентов сетей ИКС после воздействия атак нарушителей.

Разрешенное незаблокированное состояние - состояние, когда объект управления в рабочем режиме. Следующее активное незаблокированное состояние определяет объект управления, который является действующим, используется и имеет свободную производительность (пропускную способность) для дополнительных пользователей.

Занятый незаблокированный объект управления - это объект, который либо занят, либо работает с максимальной производительностью. В этом состоянии другие пользователи не имеют доступа к объекту управления, пока обслуживаемые им пользователи не освобождают части или всего ресурса.

Активное закрытие - это состояние объекта управления, когда он в настоящее время доступен и имеет производительность для предоставления новых услуг, но не принимает на обслуживание любого.

Активное незаблокированное состояние - это состояние, в котором объект управления обладает свободной производительностью и может использоваться. На фиг. 4 показан один из возможных сценариев задач управления структурой ИКС при необходимости временного введения сегмента сети с коммутатором пакетов (или маршрутизатором) и подключенных к нему пользователям с последующим отключением этого сегмента. На фиг. 4 подрисуночные записи имеют следующее значение.

1. Посылка разрешающего сигнала

2. Магистраль (канал) доступна и не заблокирована

3. Магистраль (канал) принимает нагрузку

4. Центр управления посылает команду о закрытии

5. Коммутатор принимает нагрузку от обслуживаемых пользователей, но отказывает в обслуживании по этой магистрали (каналу) новым пользователям

6. Закончено обслуживание по этой магистрали и об этом уведомляется центр

7. Центр блокирует ресурс для поиска неисправностей

8. Ресурс заблокирован

Сначала управление сетью ИКС открывает магистраль (канал) коммутатору пакетов (маршрутизатору, серверу) путем использования сигнала разрешения управления конфигурацией. Предполагается, что магистраль (тракт) находится в активном состоянии и принимает нагрузку. В случае высокой занятости магистрали (тракта), что может быть источником проблем (переполнение буферных накопителей и т.д.), коммутатор извещает об этом центр, который посылает сигнал о закрытии.

Эта директива (команда) определяет в коммутаторе пакетов активное состояние магистрали до тех пор, пока пользователи, которые работают с магистралью, не завершат сеансы связи, или до тех пор, пока коммутатор не выдаст преждевременное прекращение из-за неблагоприятной ситуации. Центр посылает команду блокировки, прекращая использование магистрали (тракта), тем самым исключая сегмент из сети в ИКС.

Задачей управления структурой ИКС является оптимальная перестройка структуры (в случаях, когда это необходимо: ввод в строй новых или выход из строя существующих узлов ИКС, существенное изменение числа пользователей, старая структура не обеспечивает качественные показатели и т.д.).

При известных зафиксированных конфигурациях уровневых сетей Netw_i, параметрах поступающей нагрузки , процедурах обслуживания Proc_i оптимальное управление каналами обеспечивает минимизацию суммарных отказов в обслуживании в каждой уровневой сети, т.е. выбираться из условия:

где P_ikj - вероятность потери требования или отказа в обслуживании ikj-го потока в уровневой сети Netw_i с нагрузкой , структурой S_i и процедурах обслуживания Proc_i.

Для типовой Proc_i в уровневой сети Netw_i ИКС выражение (2) преобразуется к виду:

Оптимизация функционала (3) аналитическими методами для сложной ИКС практически неосуществима либо сопряжена с непреодолимыми на сегодняшний день вычислительными трудностями.

Для оценки того или иного варианта структуры сети, один из которых выбран в качестве окончательного и реализован в процессе управления структурой ИКС, рассчитываются обоснованные показатели качества обслуживания пользователей для вариантов сети при фиксированных процедурах обслуживания процедурах обслуживания Proc_i и методах управления потоками требований, сообщений обслуживания, пакетов (кадров, ячеек) либо рассчитываются численные значения этих показателей в процессе имитационного моделирования функционирования уровневых сетей ИКС с разной структурой.

Поэтому в связи с чрезвычайной сложностью получения аналитических выражений показателей качества обслуживания пользователей для сложной ИКС предпочтение отдается второму подходу. Многоуровневая структура ИКС еще сложнее, поэтому процессы управления структурой ИКС организованы с применением ее имитационной модели в контуре управления АСУ ИКС.

Имитационная модель ИКС создается в рамках специального программного обеспечения сервера управления АСУ ИКС. Администратор сети осуществляет анализ задачи управления, подготавливает (автоматизировано или вручную) возможные варианты структурного построения сетей совместно с данными о нагрузке.

После этого пакет исходных данных выдается в сервер подсистемы управления для осуществления моделирования и получения оценки параметров функционирования сетей ИКС или ИКС в целом по каждому из вариантов. Полученные сведения о параметрах подвергаются анализу, в результате которого выбирается наиболее целесообразный вариант структуры, которую необходимо реализовать соответствующими процессами управления.

Таким образом, управляющие решения по структуре ИКС вырабатываются с оптимальной перестройкой по результатам расчета обоснованных показателей качества обслуживания пользователей для вариантов сети при фиксированных процедурах обслуживания в случаях ввода в строй новых или выхода из строя существующих узлов ИКС, существенного изменения числа пользователей, необеспечения качественных показателей старой структурой на основе управляющих решений по структуре, которые вырабатываются на основе результатов функционирования различных структур на имитационной модели ИКС, с использованием полного морфологического описания входящих в него сетей, их характеристик и возможных вариантов воздействий.

Разработанный способ управления структурой ИКС, основанный на применении имитационной модели в контуре АСУ ИКС, представлен на фиг. 5.

Сравнительная характеристика разработанного метода управления структурой (фиг. 5) показала, что его применение позволяет существенно сократить время формирования новой структуры ИКС (в среднем в 1,9-2,1 раза в зависимости от структуры ИКС - количество узлов предоставления услуг, связности и т.д.) по сравнению с существующими методами неавтоматизированного управления (фиг. 6).