Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою Дослідження методів структурної надійності у інфокомунікаційніх мережах

Зміст

Введення

Останнім часом спостерігається різке збільшення обсягу переданого трафіку по інфокомунікаційних мереж зв'язку. Це обумовлено бурхливим розвитком технологій передачі інформації в даній галузі. Що призводить, в свою чергу, до підвищення вимог до надійності і безвідмовної роботи засобів комунікації. Надійність безпосередньо залежить від навантаження, що надходить на мережу, якщо вона перевищує її надмірність, то з'являються відмови і втрати даних. Термін безвідмовної роботи характеризує можливість системи зберігати свою працездатність не тільки в режимі штатної навантаження, але і в разі пікової.

Залучення операторів телекомунікаційних мереж в ринкові відносини висуває на перший план вимогу підвищення якості надаваних послуг. У зазначеному документі сформульовані технічні норми на показники функціонування мереж зв'язку: телефонних, телеграфних і передачі даних, а також технічні норми на показники надійності цих мереж. Досягнення нормативних значень перелічених вище показників в процесі експлуатації неможливо, якщо ці показники не закладені на стадії проектування мереж електрозв'язку. Для мереж зв'язку, які є складними багатофункціональними системами, які складаються з великої кількості різнорідних за своїм властивостям пристроїв, за показниками надійності, за призначенням, дати виготовлення, терміну введення в експлуатацію, за умов функціонування і т. п., можна виділити два аспекти надійності: апаратурний і структурний. Під апаратурним аспектом розуміється проблема забезпечення надійності апаратури, окремих пристроїв і їх елементів, що утворюють мережу зв'язку.

Структурний аспект надійності відображає функціонування мережі в цілому в залежності від стану вузлів і ліній зв'язку. Структурна надійність мережі пов'язана, перш за все, з можливістю існування шляхів доставки інформації між кореспондуючими вузлами або пунктами зв'язку мережі.

1. Актуальність теми

Актуальність роботи полягає в тому, в даний час відбувається бурхливий розвиток засобів інфокомунікації, що призводить до збільшення обсягу переданої інформації. У зв'язку з цим до пристроїв мережі пред'являються підвищені вимоги надійності і безвідмовної роботи

2. Мета і завдання дослідження

Метою роботи є підвищення визначення структурної надійності мережі за рахунок використання коефіцієнтів готовності різного типу вузлів зв'язку.

Завдання:

  1. Проаналізувати існуючі методи визначення структурної надійності інфокомунікаційних мереж.
  2. Розробити алгоритм розрахунку показників структурної надійності.
  3. Провести моделювання для аналізу проведених розрахунків.

3. Наближений метод визначення структурної надійності

Застосування підходу полягає в тому, що Vi – це відношення кількості команд i–го типу до усередненої чисельності команд I, які виконуються при одноразовому виконанні обчислювальний процесів в мережевому пристрої, де i=1,М, а М – це кількість видів команд, застосованих при обчисленнях, які реалізуються в компоненті мережі. У цьому випадку ймовірність безвідмовної роботи і виконання завдання (Рз) обчислюється за формулою:


Pз=Pк[tз/tк]

де Pк=∑ViPi – імовірність виконання середньої команди;

Pi – ймовірність виконання i–ї команди;

Vi – знаходиться з використанням методу Гібсона.

Розрахунок ймовірності безвідмовного виконання команд протягом часу t обчислювального процесу Рвп (t) заснований на результатах розрахунку або оцінки показника безвідмовної роботи Pc і конкретної математичної моделі, що описує потік запитів для завдання. У більшості практичних випадків потік запитів може бути прийнятий Пуассоном. Це пов'язано з великою кількістю непріоритетних факторів, що викликають додатки. Звідси немає післядії і звичайного, і стаціонарного потоку, тобто тих властивостей, які притаманні найпростішого потоку.Тоді ймовірність того, що протягом часу t надійде i–е кількість заявок, визначається формулою:


P(i,t)=((μt)i/(i!))·t-μt

З цього випливає:


∞
PВП=∑((μt)i/(i))·e-μt·Pзi=e-μt·ez
i=0

де z=μtPз


В результаті отримуємо:


РВП=е-μtez=e-μ(1-Pз)t=exp[-μ(1-Pз)t]

Середня робота до відмови залежить від обчислювального процесу і визначається виразом:


TВП=1/(μ(1-Pз))

Таким чином, середнє напрацювання до функціональної відмови щодо обчислювальних процесів обернено пропорційне ймовірності потоку заявок на виконання завдань.

Вище описаний метод, а для підвищення існують різні методи. Перш за все, це Апаратна надмірність і тимчасова Надмірність. Що стосується функціональної надійності, то ефективність структурної надмірності проблематична. Це пов'язано з тим, що помилки в обчислювальному процесі не можна усунути перемиканням на резерв, якщо ці помилки викликані випадковими збоями, програмними помилками або помилки у вхідній інформації. В інформаційному процесі помилки усуваються за допомогою інформаційної надмірності. Тимчасове резервування може мати відчутний ефект у підвищенні функціональної надійності, однак застосування традиційних методів подвійного–потрійного підрахунку застосовується там, де немає надто жорстких часових обмежень для виконання завдань.

Ці міркування припускають необхідність комплексного застосування гнучких стратегій для забезпечення функціональної стійкості МСС. Ці стратегії, поряд з вищезгаданими, включають введення контрольних точок при реалізації обчислювальних та інформаційних процесів. Підхід добре відомий, однак, якщо тимчасові інтервали між контрольними точками вибрані таким чином, що у них між додатками для забезпечення виявлення та усунення часткових функціональних збоїв зміст і ефективність такої стратегії радикально зміняться. Іншою ефективною стратегією підвищення функціональної надійності є використання природної, тимчасової, функціональної і структурної надмірності в МСС.

Для парирування функціональних збоїв доцільно ввести спеціальні механізми раціонального використання надлишковості. Ці механізми разом з надлишковими засобами утворюють засоби забезпечення функціонального відпрацювання відмови (ЗЗВ).

Призначення засобів забезпечення функціонального відпрацювання відмови:

– виявлення факту помилки в програмі або в роботі технічних засобів;

– локалізація несправностей;

– класифікації несправності;

– прийняття рішення про характер несправності і переривання виконання завдання процесу;

– виявлення місця пошкодження;

– реорганізації МТС і маскування несправності;

– відновлення виконання завдань процесу.

Таким чином, COO призначені для забезпечення адаптації МС до функціональних збоїв. Очевидно, що основне слово за визначенням складу і структури СОО стоїть за розробниками МС.

Показник, який показує ефективність СОО, є ймовірність успішного узгодження МС і ССО до функціональних відмов:


β=P{Ω≤Ωg}

де Ω – це структурний, часовий ресурс, що використовується без погіршення інших показників захищеності;

Ωg – допустимий ресурс витрати.

Якщо ресурсом є час, а допустима витрата – це допустимий час перебоїв в роботі МСС tg, то:


tg
β=P{V≤tg}∫fv(t)dt
0

де – це інтервал від початку появи несправності до моменту виправлення її і відновлення робочого процесу;

fv(t) – функція щільності розподілу випадкового часу V.

Допустимий час перебоїв в роботі системи, є випадковим і розподіляється за експоненціальним законом, і параметром ρg, і за формулою повної ймовірності бачимо:


∞
β=∫P{V≤Vg}ρg·eρgtdt=[fv·(S)]s=ρg
0

де fv·(S) – є перетворенням Лапласа.

Оцінимо ймовірність того, що в процесі виконання завдання або не виникнуть функціональні збої, що виникли або часткові функціональні збої будуть успішно нейтралізовані за допомогою забезпечення відмовостійкості на основі допустимих витрат надлишкових ресурсів. Позначимо ймовірність безвідмовного виконання завдання як Рз і ймовірність того, що при виконанні завдання не виникло функціональних збоїв як Р1. Тоді ймовірність безвідмовного виконання завдання під виглядом засобу забезпечення функціонального відпрацювання відмови дорівнюватиме:


Рз1=РзР1+(1-Рз)Р1β1=1-gз-g1+gзg1+β1(gз-gзg1),

де β – імовірність успішного прийняття першого рівня захисту; g1=1-P1;gз=1-Pз.

Якщо g1≤1 и gз≤1, то з похибкою не більшою другого порядку визначаємо:


Рз1=1-g1-gз(1-β1).

Між ймовірністю успішного пристосування МСС до відмов з імовірністю g1 й gpз. β1=1-exp[–σξ], де ξ =5…10 – це нормувальний коефіцієнт, а ξ=g1/(gз+g1).

Даний метод можна застосувати до великих, розгалужених мереж, наприклад, пенсійного фонду або податкової служби, які вимагають високої надійності і безперебійної роботи.

4. Метод з використанням коефіцієнта готовності лінії зв'язку

Для оцінки структурної надійності мережі використовують показники, які в тій чи іншій мірі характеризують стійкість функціонування мережі до відмов її елементів – вузлів або ліній зв'язку. Вибір показника (групи показників) структурної надійності визначається, перш за все, використовуваної математичною моделлю адекватної мережі зв'язку. В якості такої моделі в даній роботі використаний імовірнісний граф, вершини якого поставлені у відповідність вузлів, а ребра – ліній зв'язку мережі. Ваги елементів графа представляють надежностние показники вузлів і ліній зв'язку мережі – коефіцієнти готовності вузлів або ліній зв'язку мережі. При цьому значення показників можуть бути визначені на основі статистичних даних або різних гіпотез. В представленій роботі для дослідження структурної надійності різних варіантів побудови транспортної мережі коефіцієнти готовності ліній зв'язку розраховуються за формулою:


Kгij=exp(-Lij/L0)Ln(1/Kг0)

де Кгij  – коефіцієнт готовності лінії зв'язку між вузлами i й j транспортна мережа;

Lij – довжина лінії зв'язку між вузлами i й j; L0 – одинична довжина лінії зв'язку (100 км);

Кг0 – коефіцієнт готовності лінії зв'язку одиничної довжини.

Коефіцієнти готовності вузла зв'язку – КУ, відповідно до технічних вимог, становить величину КУ ≥ 0,99999 і істотно підвищують надійність ліній зв'язку. Тому в наведених дослідженнях надійність вузлів не враховується.

Для оцінки структурної надійності мережі використовується математичне очікування числа зв'язків в мережі М*ОТН(Х), яке розраховується за формулою:


M*ОТН(Х)=100М(Х)/n(n-1)

де Х – випадкова величина, поставлена у відповідність числу зв'язків в мережі;

n – число кореспондуючих вузлів мережі;

М(Х) – математичне очікування числа зв'язків в мережі з урахуванням ненадійності вузлів і ліній зв'язку.

Для визначення запропонованого показника структурної надійності в роботі використовується імітаційне моделювання, алгоритм якого представлений на рис. 1.

Оскільки кожній числовій характеристиці випадкової величини Х відповідаєте статистичний аналог, математичне очікування числа зв'язків в мережі М*ОТН(Х) в даному випадку оцінюється як середнє арифметичне спостережуваних значень випадкової величини Х–М*ОТН(Х).

Алгоритм розрахунку структурної надійності

Рисунок 1 – Алгоритм розрахунку структурної надійності

Гіф зображення (10 кадрів, 7 циклів, 43,8 Кбайт)

1 – начало;

2 – введення вихідних даних;

3 – i=1;

4 – розрахунок станів елементів графа в i–ому випробуванні;

5 – визначення числа зв'язків у графі в i&ndashому віпробуванні;

6 – i=i+1;

7 – i≤N;

8 – розрахунок М*ОТН(Х) ;

9 – виведення результатів;

0 – кінець;

В якості вихідних даних для вирішення завдання аналізу будемо використовувати:

а) сструктури мережі, представлені зваженими графами:

  • варіант 1 – радіально–вузлова;
  • варіант 2 – кільцева;
  • варіант 3 – сетевидная мережу з коефіцієнтом зв'язності вузлів не менше 3;
  • варіант 4 – сетевидная мережу з коефіцієнтом зв'язності вузлів не менше 5;
Структури аналізованих мереж

Рисунок 2 – Структури аналізованих мереж: 1) – радіально–вузлова структура; 2) – кільцева структура; 3) – мережева структура; 4) – повнозв'язна структура.

б) число вершин n=10 (розташування вузлів при дослідженні різних варіантів мережі не змінюється);

в) вага кожного ребра графа являє відповідно довжину лінії зв'язку і коефіцієнт готовності;

г) коефіцієнт готовності лінії зв'язку одиничної довжини КГО при проведенні розрахунків змінюється в межах від 0 до 0,999;

д) ранг шляхів (число ділянок мережі, що утворюють шлях), використовуваних для зв'язку вершин графа, змінюється в залежності від структури мережі від 1 до n – 1;

е) число проведених випробувань для заданого значення КГО визначається вимогою до точності отримання результатів з довірчою ймовірністю 0,95.

Висновок

Розроблені алгоритми розрахунку структурної надійності інфокомунікаційних мереж, що включають як наближений так і детальний розрахунок показників надійності, дозволяють вирішувати не тільки задачі аналізу, але і задачі синтезу, що дає можливість досить ефективно виробляти вибір прийнятного варіанта структури транспортної мережі з урахуванням надійності ліній зв'язку мережі, і можуть бути використані на стадії проектування, а також корекції структури транспортної мережі в умовах експлуатації.

Список источников

  1. Теория сетей связи / под ред. В. Н. Рогинского. М.: Радио и связь, 1981.–192 с.
  2. Закиров В. И., Золотухин В. В. Исследование надёжности беспроводных сетей методом имитационного моделирования в среде AnyLogic // Имитационное моделирование для науки и бизнеса (ИММОД–2011), Санкт–Петербург, 2011. c. 365–369.
  3. Никольский И. Е. Модели и методы построения широкополосных оптических сетей доступа. Автореферат диссертации на соискание учёной степени д. т. н. ФГУП ЦНИИС–ЛОНИИС, Санкт–Петербург, 2011.–33 с.
  4. Алигулиеев Э. А. Вероятность безотказной работы сети. E–journal “Reliability” Theory & Application, №1, vol. 2, 2011. – С. 88–90.
  5. Бугров Д. А. Методы поэтапной структурной оптимизации магистральных корпоративных сетей. Автореферат на соискание учёной степени к. т. н. Нижегородский государственный технический университет. Нижний Новгород, 2007.–10 с.
  6. Рахматулин А. М. Разработка метода расчёта отказоустойчивости решётчатых оптических транспортных сетей. Автореферат на соискание учёной степени к. т. н. ФГУП ЦНИИС, М.: 2010.–19 с.
  7. Попков В. К. Математические модели связности. Новосибирск: РИЦ «Прайс–курьер», 2006.–490 с.
  8. Лившиц А. П., Мальц Э. А. Статистическое моделирование систем массового обслуживания. М.: Сов. радио, 1978.–248 с.
  9. Величко В. В., Субботин Е. А., Шувалов В. П., Ярославцев А. Ф. Телекоммуникационные системы и сети / под ред. В. П. Шувалова. Том 3. М.: Горячая линия–Телеком, 2005.–711 с.