СПОСОБ МНОГОУРОВНЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ ПОТОКАМИ В ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ В УСЛОВИЯХ ДЕСТРУКТИВНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ НА ОСНОВЕ ВЕРОЯТНОСТНО-ИГРОВОГО МЕТОДА

Изобретение относится к области информационных технологий и может быть использовано в инфокоммуникационных системах (ИКС). Толкование терминов, используемых в заявке.

Под деструктивными изменениями сети понимается выход из строя узлов сети по техническим причинам (отказ оборудования, отключение питания узла сети, внешнее физическое, механическое, электромагнитное воздействие на узлы сети, приводящее к невозможности их функционирования, воздействие вредоносного программного обеспечения, приводящего к выходу из строя узлов сети разных уровней).

Вероятностно-игровой метод, который состоит в том, что для установления соединения с узлом предоставления услуг или передачи требований, сообщений, пакетов (кадров, ячеек) вначале наугад выбирается исходящее направление, и если виртуальное соединение установлено или передача информации успешно завершена, то это направление поощряется, в противном случае на следующем шаге коррекции параметров штрафуется путем увеличения параметра автомата управления во столько раз, чтобы блокировать данное направление на время изменения структуры ИКС.

Реальный масштаб времени, в рамках которого формируется план гибкого оперативного распределения предоставляемых пользователям услуг, означает возможность выполнения заявляемого способа многоуровневого управления потоками в пределах временного интервала, соизмеримого (равного или менее) чем период возникновения деструктивных изменений в инфокоммуникационных системах, определяемых условиями ее функционирования.

Наиболее соответствующим заявляемому способу (прототипом) является способ, изложенный в патенте WO 2012093379 А1 «Сеть между VOIP- и PSTN-вызовами», сущность которого заключается в том, что программно изменяя идентификацию числовой линии, представленную на шлюзе служб связи, в имена пользователей IP-телефонии с «предшествующей ассоциацией», обеспечивает динамическое «переключение по разрешению» коммутирующих соединений с земли на облако, позволяя любому обычному телефону набирать и подключаться к любой связанной конечной точке IP-телефонии в мире, без изменений номера обычного телефона.

Система для поддержки связи известного способа между пользователем на устройстве IP-адресации и абонентским устройством телефонной связи, содержит один или несколько узлов обслуживания, сконфигурированных так, что предусматривается:

- получать от интернет-адресата-коммуникационного устройства пользователя Интернета телефонный номер абонентского устройства телефонии;

- создать связь с телефонного номера с пользователем Интернета, при этом ассоциация позволяет абонентскому устройству телефонии подключаться к пользователю Интернета;

- получать запрос связи от абонента телефонной связи и т.д.

Также соответствующим заявляемому способу (аналогом) является «Способ оперативного управления потоками данных в сетях с коммутацией пакетов» RU 2574814 от 12.08.2014 и опубликованного 10.02.2016 в бюллетене №4, сущность которого заключается в том, что при выполнении известного способа на центральном узле сети связи формируют зонд-сигнал с адресом узла назначения. Сформированный зонд-сигнал по всем инцидентным данному узлу сети связи каналам передачи информации передают на узлы сети, смежные с данным узлом. На каждом из принявших сформированный зонд-сигнал узлов определяют номер канала, по которому принят зонд-сигнал, дополняют принятый зонд-сигнал полученным номером и передают дополненный зонд-сигнал далее на смежные с данным узлы сети связи по всем инцидентным данному узлу сети связи каналам, кроме того, по которому принят зонд-сигнал. На узле назначения формируют отраженный зонд-сигнал, который передают на сформировавший зонд-сигнал узел сети связи по каналам, номера которых содержатся в дополненном зонд-сигнале, и на каждом узле сети связи при определении номера канала параллельно запоминают номер канала, по которому пришел принятый первым зонд-сигнал. С помощью зонд-сигнал производится оценка состояния сети при ее структурных изменениях.

Общим недостатком и аналога и прототипа является сложность технической реализации из-за необходимости формирования специального зонд-сигнала и невозможность повышения устойчивости работы ИКС за счет совершенствования способов управления.

Техническая проблема, решаемая заявленным способом, заключается в повышении устойчивости работы ИКС за счет того, что в саму систему управления закладываются способы управления, позволяющие организовывать работу сетей ИКС в условиях, когда имеющиеся и перспективные средства информационного и физического воздействия на систему управления ИКС достигают такого уровня, что возможно частично или полностью дезорганизовать работу ИКС, воздействуя только на ее систему управления.

Техническая проблема решается тем, что для установления соединения с узлом предоставления услуг или передачи требований, сообщений, пакетов (кадров, ячеек) вначале наугад (вероятностно-игровым методом) выбирается исходящее направление, и если виртуальное соединение установлено или передача информации успешно завершена, то это направление поощряется, в противном случае на следующем шаге коррекции параметров штрафуется путем увеличения значения параметра автомата управления во столько раз, чтобы блокировать данное направление на время изменения структуры ИКС,

и отличается от ранее известных тем, что при выполнении предлагаемого способа для установления соединения с узлом предоставления услуг или передачи требований, сообщений, пакетов (кадров, ячеек) осуществляется осознанный выбор соединения или направления передач пакетов в последовательности:

- если виртуальное соединение установлено или передача информации успешно завершена, то это направление поощряется, в противном случае штрафуется;

- накапливается статистика успешных и неуспешных соединений или передач пакетов в каждой уровневой сети ИКС;

- средствами управления потоками (детерминированными механизмами корректировки параметров сети в виде автоматов, функционирующих в этой среде (играющих со средой)) осуществляется гибкое оперативное распределение предоставляемых пользователям услуг в реальном масштабе времени.

Существенным отличием от ранее известного способа, изложенного в патенте WO 2012093379 А1 «Сеть между VOIP- и PSTN-вызовами» является то, что для поддержки связи между пользователем на устройстве IP-адресации и абонентским устройством в заявленном способе используется:

- не только линия телефонной связи, которая содержит один или несколько узлов обслуживания, но и любая цифровая линия;

- при выполнении предлагаемого способа не формируется специальный зонд-сигнал с адресом узла назначения;

- в предлагаемом способе каждая уровневая сеть ИКС рассматривается как случайная среда, переменные параметры которой корректируются механизмами корректировки параметров сети, функционирующих в этой среде (играющих со средой), в реальном масштабе времени.

Технический результат заключается в повышении устойчивости работы ИКС за счет того, что в саму систему управления закладываются способы управления, позволяющие организовывать работу сетей ИКС в условиях, когда имеющиеся и перспективные средства информационного и физического воздействия на ИКС (особенно на ее систему управления), достигают такого уровня, что возможно частично или полностью дезорганизовать их работу, воздействуя только на систему управления.

Многоуровневое управление ИКС в условиях динамических структурных осуществляется путем гибкого оперативного распределения предоставляемых пользователям услуг. При этом обеспечение гибкости, масштабируемости и возможности наращивания номенклатуры требуемых услуг при управлении ИКС невозможно без рациональной организации процедур управления комплексом предлагаемых услуг, так как для выполнения конкретной задачи в различных сложных условиях каждому пользователю требуется определенное соотношение предоставляемых ИКС гарантированных инфокоммуникационных услуг. Организация процедур управления комплексом предлагаемых услуг осуществляется на основе вероятностно-игрового метода.

Процесс «игры» состоит в том, что для установления соединения с узлом предоставления услуг или передачи требований, сообщений, пакетов (кадров, ячеек) вначале наугад выбирается исходящее направление. Если виртуальное соединение установлено или передача информации успешно завершена, то это направление поощряется, в противном случае штрафуется. Через некоторое время в каждой уровневой сети ИКС накапливается статистика успешных и неуспешных соединений или передач пакетов, и выбор осуществляется осознанно.

В качестве играющего автомата на j-м узле уровневой сети ИКС принимают автомат с переменной структурой (фиг. 1):

где p_jγ>0 - вероятность появления состояния γ-го выхода, а .

Изменение элементов p_jγ происходит следующим образом: если было совершено действие γ-го типа и автомат был оштрафован, то

Если за это же действие автомат был поощрен, то

где α≤1 и β≥1 - параметры метода; - оценка вероятности состояния γ-го выхода по результатам обслуживания предыдущих заявок.

После изменения величин все остальные элементы нормируются:

Реализация игрового способа в уровневых сетях ИКС состоит в следующем: на каждом i-м узле каждой уровневой сети хранится стохастическая матрица с числом строк, равным числу узлов в сети, и числом столбцов, равным числу исходящих направлений. Каждая j-я строка матрицы, соответствующая j-му узлу, представляет собой автомат A_ij=(p_ij1, p_ij2, …, p_ijγ, …, p_ijk) элемент p_jγ сопоставляется с γ-м исходящим направлением. Элементы p_jγ изменяются описанным выше образом. Причем, если заявка на передачу информации к j-му узлу по исходящему направлению γ заканчивается успешно, то автомат поощряется; если нет, то штрафуется.

Основное достоинство вероятностно-игрового метода при применении его в ИКС заключается в том, что при формировании управления потоками требований в уровневых сетях и соответствующих планов управления потоками не требуется передача по сетям какой-либо служебной информации. В вероятностно-игровом методе в качестве служебных сигналов выступают сами требования, сообщения обслуживания, пакеты, кадры, вызовы. При этом при формировании плана для каждой новой заявки используются результаты их прохождения по сетям в предыдущее время, а после обслуживания их план вновь корректируется.

Однако, несмотря на такое свойство вероятностно-игрового метода как отсутствие передачи по сети какой-либо служебной информации, практическое применение их возможно только в уровневых сетях ИКС со стабильными слабо изменяющимися потоками, характеризующимися длительными периодами стационарности (интенсивности которых длительное время остаются неизменными) и в условии полного отсутствия структурных изменений. Только в этом случае в качестве оценки вероятности успешной доставки требования, сообщения обслуживания и пр. можно использовать величины p_jγ. В противном случае ошибка смещения оценки p_jγ возрастет настолько, что эти оценки вообще никак не будут отражать реальную ситуацию в каждой уровневой сети ИКС, т.к. в методах практически отсутствует реакция на структурные изменения в уровневых сетях (выход из строя или нарушение работоспособности противником участков или элементов уровневой сети).

В случае близких к стационарным потокам требований на обслуживание в каждой уровневой сети ИКС изменяются величины α и β в соответствии с изменившейся нагрузкой. Однако получить аналитическое выражение для этих величин в зависимости от нагрузки не представляется возможным. Параметры α и β подбираются путем имитационного моделирования работы каждой уровневой сети ИКС, в результате которого, исходя из заданной вероятности отказа в передаче требований, сообщений, пакетов (кадров, ячеек) или установления соединений по определенному исходящему направлению Р_ОТК, получены некоторые вероятности р₁ и р₂, удовлетворяющие условию p₁≤Р_ОТК<р₂, по которым определяются параметры α и β:

где q₁=1-p₁; q₂=1-р₂.

Как правило, в уровневых сетях ИКС потоки неравномерно распределены по сетям и изменяются. Кроме того, сама ИКС (и ее уровневые сети или компоненты) может претерпевать существенные изменения. В этих условиях прямое применение вероятностно-игрового метода может дезориентировать работу каждой уровневой сети и всей ИКС в целом. Поэтому использование игровых методов для формирования плана распределения в таких ИКС нецелесообразно.

Так как случайная среда в уровневых сетях ИКС является переменной, то параметры α и β корректируются. Однако, учет параметров изменяемой среды в уровневых сетях ИКС, приводит к тому, что полученный новый способ управления потоками уже нельзя отнести к классу чисто игровых методов. К тому-же существует требование обеспечение работы ИКС в реальном масштабе времени, что приводит к использованию математических методов теории вероятности. Поэтому эти способы получили в теории управления сетями названия вероятностно-игровых. Вместе с тем, изменения среды, вызванные изменением самих потоков требований в уровневых сетях ИКС, оставаясь в рамках игровой концепции, учесть достаточно сложно, так как, как ранее утверждалось для стационарного случая, аналитическое выражение для α и β в зависимости от параметров потоков требований получить не представляется возможным. Конечно, они могут быть подобраны экспериментальным путем при имитационном моделировании функционирования для некоторых вариантов изменения параметров потоков. Однако эти значения не обеспечивают ясных правил выбора α и β для других вариаций потоков и, кроме того, параметры должны меняться динамически в процессе функционирования ИКС. Это объясняется тем, что сам способ получения оценки вероятности ориентирован на асимптотические оценки при t→∞. Поэтому, для управления сетями предложены детерминированные механизмы корректировки α и β, которые можно адаптировать для уровневых сетей в процессе функционирования ИКС.

Что же касается изменений среды, вызванной функционированием самой системы управления ИКС в реальном масштабе времени, то она учитывается следующим образом. Поскольку выбор исходящего направления на каждом узле каждой уровневой сети ИКС осуществляет вероятностный автомат, то изменения среды, вызванные функционированием системы управления сами носят случайный характер.

Автомат A_j(t_c)=(p_j1(t_c), p_j2(t_c), …, p_jγ(t_c), …, p_jk(t_c)), функционирующий в изменяемой среде, характеризуется:

где P_iβ(p_iβ) - вероятность штрафа - определяется вероятностью не доведения требования, сообщения, пакета (кадра, ячейки) по соответствующему исходящему направлению уровневой сети ИКС.

Изменение структуры вероятностного автомата на χ-м шаге определяется параметрами α_χ и β_χ. Математическое ожидание приращения элемента за выбор χ-го действия составит:

Для упрощения предложено принять параметр β_γ=1, тогда

Таким образом, чтобы учесть изменения, вызванные процессами управления уровневыми сетями ИКС, выбран β_γ=1, а параметр α_γ при этом определен из выражения:

Второй недостаток игровых методов состоит в практически отсутствующей реакции на структурные изменения, которые произошли в ИКС (или в уровневой сети или компоненте ИКС), что конечно недопустимо при применении способа в ИКС, функционирующей в сложных условиях эксплуатации.

Однако только структурные изменения достаточно эффективно отрабатываются рядом известных способов управления потоками (предложенный и разработанный квазистатический способ, матричные методы, метод рельефов и т.д.). Поэтому использовано применение разработанного квазистатического способа управления совместно с вероятностно-игровым методом. Его применение позволяет определить исходящие направления, входящие в те пути передачи информации, в которых произошел выход из строя участков уровневой сети ИКС. Если при этом осуществить принудительное штрафование данного направлении, то вероятность выбора этого направления существенно снизится и это направление не будет выбрано. Сделать это целесообразно на следующем шаге коррекции параметров при штрафовании автомата путем увеличения параметра β_γβ во столько раз, чтобы блокировать данное направление на время изменения структуры в ИКС.

Таким образом, в способе предложена комбинация модернизированного вероятностно-игрового метода с разработанным для компонент ИКС квазистатическим детерминированным способом учета структурных изменений в уровневых сетях использована в способе многоуровневого управления потоками в инфокоммуникационных системах в условиях деструктивных изменений на основе вероятностно-игрового метода.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного способа, отсутствуют. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием элементной базы, на основе которой могут быть выполнены устройства, реализующие данный способ.

Оценка эффективности предлагаемого способа проводилась путем сравнения достоверности оценки полученных результатов при моделировании функций управления для прототипа и при моделировании функций управления для предлагаемого способа при низкой и высокой нагрузке.

Использована формула (Вентцель Е.С, Овчаров Л.А. Теория вероятностей и ее инженерные приложения. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит. - 1988 г., 480 с., стр. 463):

где Ф - функция Лапласа;

N - количество моделируемых событий;

p_ош - реальное значение оценки;

- требуемое значение оценки;

ε - величина доверительного интервала.

Определяем достоверность результатов моделирования процессов управления и связи на распределенной территории в интересах объектов органов вышестоящего управления, принимая:

Переходя от функции Лапласа к ее аргументу:

Тогда:

Определим и , принимая ε=0,05, а N=4 для прототипа на различных уровнях ИКС с техническими средствами различных уровней управления:

Оценка эффективности заявленного способа:

Эффективность применения разработанного способа подтверждается результатами моделирования (улучшение показателя устойчивости обслуживания на уровневых компонентах ИКС по сравнению с известными способами и методами: при применении квазистатического способа - при высокой нагрузке в 1,3-1,6 раза, при низкой нагрузке в 1,2-1,4 раза; при применении вероятностно-игрового метода - при высокой нагрузке в 1,3-1,7 раза, при низкой нагрузке в 2,1-3,8 раза (фиг. 2).

Таким образом, решается техническая проблема изобретения, заключающаяся в повышении устойчивости работы ИКС в реальном масштабе времени, когда имеющиеся и перспективные средства информационного и физического воздействия на ИКС достигают такого уровня, что возможна дезорганизация работы системы управления ИКС.