549_Sovremennye_problemy_telekommunikatsij_
.pdfСекция 1 АВТОМАТИЧЕСКАЯ КОММУТАЦИЯ И СЕТИ СВЯЗИ
Подходы к повышению коэффициента готовности в телекоммуникационных сетях связи
А.В. Воронов
В данной статье рассматривается различные подходы к повышению коэффициента готовности в телекоммуникационных сетях связи. Анализируя результаты испытаний на оборудовании Cisco автор показывает, что с точки зрения повышения коэффициента готовности телекоммуникационной сети более рационально стремиться минимизировать риски возникновения угроз информационной безопасности, чем добиваться снижения времени, затрачиваемого на восстановление работоспособности сети после инцидента. Также рассматривается экономическая стратегия сохранения живучести сети путем увеличения ресурсов защиты и их перераспределением.
Ключевые слова: коэффициент готовности, показатели надежности, MTTR (время восстановления).
Одними из важнейших характеристик оборудования являются показатели надежности. Показатели надежности количественно характеризуют, в какой степени данному объекту присущи определенные свойства, обуславливающие надежность. Показатели надежности (например, технический ресурс, срок службы) могут иметь размерность, ряд других (например, вероятность безотказной работы, коэффициент готовности) являются безразмерными. [1] В соответствии с Рекомендацией МСЭ-Т Е.800 надежность является важнейшим фактором, влияющим на качество обслуживания, а центральное место в концепции надежности занимает готовность. Это соответствует и положениям ГОСТ 27.003-90. Надежность в технике. Состав и общие правила задания требований по надежности, согласно которым коэффициент готовности является основным показателем надежности для восстанавливаемых объектов непрерывного действия, выходной эффект от применения которых пропорционален суммарной продолжительности пребывания в работоспособном состоянии (что, конечно, не исключает возможность применения при необходимости и других показателей). Именно такими объектами и являются, как правило, средства связи. [2]
Для обеспечения требуемого коэффициента готовности телекоммуникационных сетей, необходимо провести анализ влияющих на него факторов и выработать практические рекомендации.
Коэффициент готовности определяет вероятность того, что объект окажется в работоспособном состоянии в произвольный момент времени, кроме планируемых периодов, в течении которых применение объекта по назначению не предусматривается. [3] Как правило считается, что на коэффициент готовности в телекоммуникационных сетях оказывают влияние коэффициенты готовности телекоммуникационного оборудования и линий связи. В настоящее время целесообразно к двум вышеперечисленным составляющим добавить влияние угроз информационной безопасности.
В работе В.Е. Митрохина и П.Г. Рингерблюма было проведено моделирование телекоммуникационной сети с линейной топологией на оборудовании Cisco. Исследования показали, что использование средств защиты информации, несмотря на снижение коэффициента готовности формализованной топологии по сравнению с установкой только маршрутизатора на узле связи, дает прирост коэффициента готовности парируя угрозы информационной безопасности. [4] Результаты испытаний свидетельствуют о большем влиянии на итоговый ко-
21
эффициент готовности сети вероятности возникновения угрозы информационной безопасности, нежели времени, затрачиваемого на восстановление работоспособности после реализованной угрозы. С практической стороны, полученные результаты говорят о том, что с точки зрения повышения коэффициента готовности телекоммуникационной сети более рационально стремиться минимизировать риски возникновения угроз информационной безопасности, чем добиваться снижения времени, затрачиваемого на восстановление работоспособности сети после инцидента.
В настоящее время сети обычно конструируются таким образом, чтобы выдержать любой одиночный сбой за счет конструкции, где коэффициент готовности напрямую зависит от появления двойных сбоев. При этом, для сохранения живучести сети, необходимо увеличение ресурсов защиты, либо их перераспределение. Поэтому реальных сетях необходимо найти экономическую стратегию, объединяющую уменьшение MTTR ( время восстановления ) и использование дополнительных ресурсов (увеличение восстанавливаемости сети и предотвращение сбоев). Расчеты Уэйна Д. Гровера и Энтони Сэка(лаборатория вычислительной техники, университета Альберта, г. Эдмонтон , Канада) показывают существование баланса между вложением в резервы и уменьшением MTTR, что дает высокую готовность пути в сетях, спроектированных с учетом защиты от одиночных сбоев ( R1=1), то есть 100% устранение одиночных сбоев. Данная стратегия баланса логична только когда в сети достигнута полная восстанавливаемость от одиночных сбоев. При достижении уровня R1=1 начинается выбор лучшей стратегии баланса между R2 и MTTR: привлечение дополнительных ресурсов или улучшение базы по восстановлению сетей от сбоев. Эта стратегия зависит от особенностей сетей. [5] Экспериментальные данные показывают что 1/3 инвестиций должна уходить на снижение MTTR, а 2/3 на увеличение R2. В реальных моделях существуют другие влияющие факторы: операторы как правило предпочитают вклады из экономических соображений (т.е. развитие инфраструктуры и закупка нового оборудования вместо ощутимых затрат на сокращение MTTR) С финансовой точки зрения сокращение MTTR приводит к более интенсивной работе сотрудников, что несет за собой рост оплаты труда, увеличение налогов и прочие денежные потери. С рабочей точки зрения улучшение R2 приводит к усложнению структуры сети.
Литература
1.Студопедия. Основные показатели надежности, http://studopedia.net/11_12732_osnovnie- pokazateli-nadezhnosti.html
2.Ефимушкин В.А., Ледовских Т.В., Качество услуг связи: задачи национальной стандартизации. Журнал T-Comm - Телекоммуникации и Транспорт, Выпуск№ 5 / 2008. - С. 39-44.
3.О.И. Аверьянов, В.Ф. Солдатов., Основы проектирования и конструирования. Учебное пособие. 2008.
4.В.Е. Митрохин, П.Г. Рингерблюм. Влияние угроз информационной безопасности на ко-
эффициент готовности телекоммуникационной сети с линейной топологией. 2010г. http://www.tusur.ru/filearchive/reports-magazine/2010-1/156-159.pdf
5. Wayne D. Grover, Anthony Sack ” High Availability Survivable Networks: |
|
|||||||
When |
is |
Reducing |
MTTR |
Better |
than |
Adding |
Protection |
Capacity?” |
http://www.ece.ualberta.ca/~grover/pdf/DRCN_2007/Grover_Sack_MTTR_vs_R2_D RCN_2007.pdf
22
Воронов Александр Викторович
Аспирант кафедры передачи дискретных сообщений и метрологии СибГУТИ, инженер 1 категории технического отдела Управления связи ООО «Газпром трансгаз Югорск» (628260,
г. Югорск, ул. Свердлова 3-38), р.т. (34675)2-10-50, 2-28-05, с.т. 8922-405-94-94, e-mail: voronlight@bk.ru
A.Voronov
This article discusses various approaches to increase availability in telecommunication networks. Analyzing the results of tests on Cisco equipment, the author shows that from the point of view of increasing the availability of the telecommunications network more rationally seek to minimize the risks of information security threats than to reduce the time spent on the restoration after the incident. Also discusses the economic strategy for the conservation of the survivability of the network by increasing resources protection and redistribution.
Keywords: availability, reliability, MTTR (recovery time).
23
Подходы к проектированию корпоративных сетей
А.В. Воронов
Статья посвящена анализу основных подходов к построению корпоративных сетей, их преимуществ и недостатков, описанию возможностей применения данных подходов в проектировании. Рассмотрена задача оптимального проектирования корпоративной сети с математической точки зрения и в заключении приводится выбор перспективного метода решения задачи.
Ключевые слова: проектирование корпоративных сетей, методы проектирования, нелинейное целочисленное программирование, математическая модель.
Внастоящее время на предприятиях все больше увеличивается степень автоматизации производственных процессов. Для большей эффективности управления, особенно при разветвленной филиальной структуре предприятий, необходимо создавать интегрированную корпоративную сеть (КС) между подразделениями предприятий. Затратная часть создания корпоративной сети прогрессирует от размера предприятия и особенно остро встает вопрос окупаемости на крупных предприятиях. Окупаемость напрямую связана с тем, насколько точно КС соответствует требованиям предприятия. Обеспечение соответствия создаваемой сети требованиям заказчика представляет сложную научную задачу, связанную с разработкой научно-обоснованных методов. [1]
Внастоящее время существует два основных подхода к построению корпоративных сетей (метод применения стандартных подходов и аналитический метод проектирования). Первый подход основывается на использовании разработчиком собственного опыта, а так же набора стандартных решений при построении сетей, предлагаемых известными производителями, такими как Cisco, HP и другими.[2] В основном, это делают разработчики, основываясь на собственном опыте, следовательно, процесс проектирования КС субъективен и сильно зависит от человеческого фактора. Ранее, когда число КС было невелико и широко применялось стандартизированная разработка, такой подход к проектированию был приемлем. В настоящее время развитие информационных технологий и их активное внедрение во многие сферы деятельности человека привело к резкому росту корпоративных сетей, помимо этого идет постоянная модернизация ранее созданных КС. К сожалению средства и алгоритмы проектирования большинства проектных институтов не разглашаются, что в свою очередь делает их недоступными для широкого круга специалистов и в целом тормозит развитие данной области телекоммуникаций. Данный подход характеризуется относительно низким уровнем временных и финансовых затрат на проектирование. Однако полученное решение, как правило, не в полной мере отвечает предъявляемым заказчиком требованиям и является более дорогостоящим в реализации из-за большей функциональной избыточности оборудования.
Второй подход основан на глубоком анализе технологических и бизнес-процессов предприятия в результате которого определяются основные параметры и требования для разработки КС. Данный подход позволяет создавать сети, наиболее полно отвечающие задачам предприятия и учитывающие специфику конкретного производства. Наиболее сложными и трудоемкими являются первые этапы проектирования корпоративных сетей. Ошибки на данных этапах практически недопустимы, поэтому в настоящее время весьма актуальна разработка эффективной методики, которая упростит алгоритмизацию и автоматизацию разработки структуры КС на начальных этапах проектирования. Применение данного метода про-
24
ектирования более трудоемкое и требует больших временных затрат, однако зачастую оказывается финансово оправданным. Экономия финансовых средств достигается тем, что на основе точных расчетов получается оптимальная КС без лишней избыточности. Данная КС разработана для решения конкретных задач и требуемой производительности, но при этом повышается время и сложность процесса проектирования. С увеличением размера сети сложность проектирования (временные затраты и трудоѐмкость) растет в геометрической прогрессии, поэтому разработка метода, позволяющего повысить эффективность и сократить время проектирования КС является особенно актуальной задачей. [3]
С математической точки зрения задача оптимизации сводится к поиску минимума или максимума целевой функции многих переменных при ограничениях на их значения и функциональные связи. Задача оптимального проектирования корпоративной сети представляет собой задачу нелинейного целочисленного программирования, так как целевая функция и ограничения являются нелинейными выражениями, в которых присутствуют целочисленные переменные. Наличие значительных трудностей и специфических особенностей в решении целочисленных и комбинаторных задач оптимизации породило большое количество методов и алгоритмов. Разработанные методы, в зависимости от требуемого качества получения результата, можно отнести к одному из двух классов: методы, которые всегда приводят к нахождению оптимального решения, но при реальных задачах требуют недопустимо большого числа операций; методы, которые не всегда приводят к нахождению оптимального решения, но требуют приемлемого числа операций. Точные методы являются наиболее общими, их применяют при небольшой размерности задачи, причем время работы алгоритма находится в экспоненциальной зависимости от ее размерности.[4] Одним из наиболее перспективных методов в данном направлении представляется построение математической модели на основе марковских цепей.
Литература
1.Бекасов В.Ю. Актуальные вопросы построения корпоративных мультисервисных сетей // Качество. Инновации. Образование. № 7, 2009, с. 45-48.
2.Данилин Г.Г., Зарвигоров Д.А. Обзор подходов и методологий проектирования корпоративных сетей // Труды международной научно-технической конференции «Информационные средства и технологии М.: Янус-К, 2005. – с. 88-91.
3.Бекасов В.Ю. Аспекты анализа структуры корпоративных мультисервисных сетей//Труды XVI Всероссийской научно-методи ческой конференции «Телематика'2009», 22-25 июня 2009 г., СПб., том 2, с. 274-275.
4.Онищенко Н.Л. «Исследование характеристик и разработка методики модернизации корпоративных сетей на основе IP-платформы»
Воронов Александр Викторович
Аспирант кафедры передачи дискретных сообщений и метрологии СибГУТИ, инженер 1 категории технического отдела Управления связи ООО «Газпром трансгаз Югорск» (628260,
г. Югорск, ул. Свердлова 3-38), р.т. (34675)2-10-50, 2-28-05, с.т. 8922-405-94-94, e-mail: voronlight@bk.ru
A. Voronov
This article analyzes the main approaches to building corporate networks, their advantages and disadvantages, describes the capabilities of the application of these approaches in the design. We consider the optimal design of corporate networks from a mathematical point of view and
25
concludes with the selection of promising method for solving the problem.
Keywords: design of corporate networks, design methods, nonlinear integer programming, mathematical model.
26
Алгоритмы распределения соединений при обеспечении дифференцированной во времени
отказоустойчивости
Л. В. Колягин
Рассмотрены алгоритмы распределения соединений при обеспечении дифференцированной во времени отказоустойчивости.
Ключевые слова: надежность, готовность, критическое окно.
Эффективные алгоритмы необходимы для обработки большого количества соединений. Простая каскадная схема подключения (называется схема подключения с локально определенными CW) удовлетворяет этому требованию - соединения обрабатываются в заранее установленном порядке. Для каждого соединения между парой узлов, если некоторый путь может быть использован в качестве основного пути с использованием только развернутых резервных ресурсов для резервного пути (то есть, для резервирования пути не нужно увеличивать k, Bk), мы выбираем путь с наибольшим количеством доступных ресурсов (для достижения балансировки нагрузки). Если ни один из путей не может принять соединение без увеличения Bk, тогда выбирается путь с наименьшей нагрузкой (для балансировки нагрузки). Обратите внимание, что когда соединения запрашивают различное количество пропускной способности, мы можем выбрать путь, для которого нужно увеличить наименьшее количество резервных ресурсов.
В этой схеме, в первую очередь определяется распределение соединений на временном интервале, в который требуется максимальное количество резервных ресурсов, т.е. временной интервал, который определяется Bk. Однако Bk, j других временных интервалов, которые могут повлиять в будущем на общие резервные ресурсы, не считается. Возьмем Рисунок 1 в качестве примера: Bk (в временном интервале 6) в настоящее время соответствует величине максимально возможного запроса резервных ресурсов, и должен быть ограничен на увеличение. Однако, вполне возможно, что требование резервных ресурсов Bk,j в каком-то другом временном интервале j возрастет быстрее, так как соединения в CW, распределенные позднее, потенциально могут превысить текущее максимальное требование резервного Bk. Чтобы избежать этого, в глобальной оптимизации необходимо учитывать все временные интервалы.
Рис. 1. Иллюстрация совместного использования ресурсов.
27
Мы группируем соединения, которые имеют комплементарные CW, так что CW на одном пути были наиболее совместные друг с другом, и требование резервных ресурсов было "плоским" в течении всего времени. Рассмотрим "многоточечные" проверки для более комплексной оценки эффективности обмена. В отличие от локальной CW-Aware схемы, мы рассчитываем эффективность совместного резервирования на каждом временном интервале, так что распределение соединений совместно определяется для общего Bk,j.
Представленная схема работает следующим образом. Во-первых, мы проверяем соответствие резервных ресурсов на каждом временном интервале. В течение двух соединений m и n на определенном временном интервале j, существует четыре возможных случая, соответственно:
bm,j = 0, bn,j = 0; bm,j = 0, bn,j = b; bm,j = b, bn,j = 0; bm,j = b, bn,j = b.
Случай (а) показывает, что ни одно из двух соединений не нуждается в защите CW на временном интервале j. Таким образом, никаких дополнительных ресурсов для резервирования не требуется и, следовательно, и Bk будет оставаться неизменным. Однако не будет достигнуто совместное использование ресурсов. Случаи (б) и (в) показывают, что только одно соединение нуждается в защите CW временного интервала j. В этих двух случаях, два соединения взаимно дополняют свои CW, и, следовательно, потенциально могут достичь эффективного совместного использования резервных ресурсов. В варианте (г), оба соединения нуждаются в резервных ресурсах для их CW, но не имеют доступа к ресурсам. С точки зрения совместного использования ресурсов, мы относим случаи (a) к нейтральным, случаи (б) и (в) для достижения эффективного совместного использования резервных ресурсов, и случай (г) - ситуация, которую следует избегать. Временной интервал с соответствующими резервными ресурсами (случаи (б) и (в)) определяется как точка совпадения (Matching Point).
Для оценки эффективности совместного использования ресурсов, предлагаем подсчитать количество совпадающих точек (Matching Points). Однако, когда соединение должно быть распределено на пути, который уже транспортирует несколько соединений, то этот случай заслуживает особого внимания. Например, на определенном временном интервале j для распределения соединения уже имеется несколько Matching Points с несколькими существующими соединениями. Однако эти несколько Matching Points в том же временном интервале не приводят к более эффективному совместному использованию, так как сохраненяется только b резервных ресурсов . В связи с этим, мы считаем Matching Points соединения i и путь p не более одного раза на каждом временном интервале j, который называется эффективной точкой соответствия (Effective Matching Point (EMP i,p (j)). Таким образом, для нового соединения i, для слота j, на пути р:
если bi,j = b, а все существующие соединения m на p имеют bm,j = 0, или если bi,j = 0, и любое bm,j = b,
мы получаем Effective Matching Point.
Кроме того, нужно сбалансировать увеличение необходимых резервных ресурсов на каждом временном интервале, так чтобы ни на одном временном интервале не требовалось увеличения резервных ресурсов. Чтобы сделать это, распределим на каждый временной интервал вес, чтобы регулировать величину Effective Matching Point, которая равняется B'k - B'k, j, где B'k и B'k, j, . изменяемые величины, если соединение i распределено на путь k. Применяя этот вес, временной интервал является предпочтительным и имеет больше возможностей для последующего распределения (и меньше шансов переполнения Bk) .
Мы вычисляем индекс совместного использования (SI Sharing Index) [1] для соединения i и пути p как
28
SIi,p (Bk' Bk' , j ) EMPi,p ( j)
j
При использовании индекса совместного использования, предлагается эвристический алгоритм, названный глобального размещения CW (Globally CW-Aware) для распределения соединений, который глобально оценивает совокупную потребность резервных ресурсов для каждого временного интервала. Тем не менее, нужно по-прежнему учитывать самую большую потребность резервных ресурсов Bk. Таким образом, это гибридный подход, сочетающий каскадный алгоритм и коэффициент совместного использования.
Блок-схема предлагаемого алгоритма показана на рис. 2 (для упрощения, защита в течение всего срока службы всей следующей структурной стратегии дифференциации не показана).
29
1.Вычислить n коротких непересекающихся
путей для каждой пары s-d
2.Для каждого не распределенного соединения
запрашивается i между парами s-d
3.Найти множество s-d путей P, таких чтобы текущий
на резервные пути p P не переполнил множество, присвоить р
нет
4. P не пустое?
да
путь p P , который имеет
максимальный Sli,p и достаточную проспособность
да
7. Выделить полосу
кания на пути p для i
нет
8. Выбрать путь p из всех s-d
торый имеет максимальный Sli,p , способность для i, и достаточную для резервирования этого пути
|
|
да |
10. Выделить полосу |
|
9 Успешно? |
|
|
|
|
пускания на пути p |
|
|
|
|
резервном пути для |
нет |
|
нет |
|
|
|
|
11отклонить запрос на |
Обозначение |
|
|
|
операция |
на |
|
12 Конец |
|
|
||
оборудовании |
|
|
|
Вычислительная операция |
|
|
|
Рис. 2. Блок-схема глобального CW-aware распределения соединений |
|||
30