Повышение функциональной надежности системы управления сетью связи ведомственного оператора на основе структурно-информационного подхода

Актуальность и перспективность работы. Одним из наиболее развивающихся на сегодняшний день рынков является рынок телекоммуникационных услуг. Современный мир уже нельзя представить без использования телефонной связи, сети Интернет. В то же время связь необходима для организаций и ведомств, данные которых не должны пересекаться с доступными информационными ресурсами. Такие ведомства строят свои собственные сети связи, доступ к которым есть только у них. Такие сети называются сетями связи ведомственного оператора.

В работе под ведомственным оператором подразумевается системы сети связи, представляющие собой совокупность сети связи общего пользования (территориальной сети связи), полевых систем связи и специальных систем связи.

На сегодняшний день проблема заключается в сложившемся противоречии между возрастающими требованиями к системам управления специального назначения по длительности цикла управления с одной стороны и возможностями его реализации с использованием старых системных подходов к построению системы связи и автоматизации с другой.

Технический уровень и темпы развития систем связи значительно уступают аналогичным системам развитых зарубежных государств и не обеспечивают достижения паритета с экономически развитыми государствами, например, в области управления войсками и оружием, организационная и техническая разобщенность различных подсистем обусловливают низкую технико-экономическую эффективность использования имеющегося ресурса.

Существующая система управления сетью связи ведомственного оператора и, тем более, перспективная на основе принципов ТМЫ не стыкуются с системами управления связью силовых ведомств ни на организационном, ни на техническом, ни на функциональном уровнях.

Особое значение при создании СУССВО приобретает необходимость экономного использования канального ресурса. Автоматизация процессов коммутации на узлах связи пунктов управления (УС ПУ) и на коммутационных центрах (КЦ) позволит перейти к коммутируемым сетям связи, что значительно повысит коэффициент использования каналов и снизит тем самым требуемое число каналов в сети в 3−4 раза при сохранении заданной пропускной способности сети, при этом значительно повышается живучесть и надежность за счет организации обходных путей для каждого направления связи [1,2].

В задачи ведомственного оператора входит не только передача данных, но и управление каналами связи в интересах конечного потребителя и гарантирование доставки как передаваемой информации, так и управляющей. Одной из главных проблем в системе связи является проблема гарантированной доставки сообщения до конечного потребителя. Решение задач управления является одной из важнейших целей в «Концепции развития взаимоувязанной сети связи Российской Федерации"[3]. В частности, в руководящем документе [4] указывается, что «Взаимоувязанная сеть связи Российской Федерации — это комплекс технологически сопряженных сетей электросвязи на территории Российской Федерации, обеспеченный общим централизованным управлением». Задача управления каналами связи, оборудованием и защитой от вмешательства извне является первостепенной при организации всей сети связи в целом.

Развитие инфраструктуры связи осуществлялось неравномерно. Этим обусловлены особенности ведомственных сетей связи, на которых в настоящее время функционирует телекоммуникационное оборудование разных поколений. Кроме того, на сетях связи используются различные телекоммуникационные технологии и оборудование разных производителей, включая системы сетевого управления.

Таким образом, проблемы внедрения системы управления сетями связи могут быть определены следующими факторами [5]:

• использование в сетях связи большого числа устаревших аналоговых систем, не имеющих средств контроля функционирования и удаленного воздействия на систему;

• большое разнообразие типов телекоммуникационного оборудования, эксплуатируемого на сетях связи;

• использование различных средств технической эксплуатации и систем управления разных производителей, что затрудняет осуществление взаимодействия между ними.

Оператор ведомственной сети связи располагает совокупностью сетей связи различных типов: телефонные сети общего пользования, сети мобильной (полевой) связи, сети доступа, интеллектуальные сети, сети сигнализации и так далее, построенные на базе транспортных сетей. Для оператора наиболее важным является обеспечение соответствующего уровня функциональности, управляемости и надежности эксплуатируемых сетей, а также уровня обслуживания и оперативности устранения неисправностей [6].

При построении систем управления сетями электросвязи в настоящее время применяется концепция сети управления электросвязью (TMN), предложенная Международным Союзом Электросвязи (ITU) [7].

Общие положения концепции TMN определены в рекомендации ITU М. ЗОЮ [8], согласно которой, сеть управления электросвязью представляет собой специальную инфраструктуру, обеспечивающую управление сетями электросвязи и их услугами путем организации взаимодействия с компонентами различных сетей электросвязи посредством сети передачи данных на основе единых интерфейсов и протоколов обмена управляющей информацией.

Разделение сети управления и телекоммуникационной сети повышает надежность функционирования управляемой сети за счет возможности доступа к неисправному оборудованию через сеть управления даже в случае отказа телекоммуникационной сети [9−11].

При проектировании сетей связи стоит задача организации управления. Для этого должны быть обеспечены передача/прием управляющей информации от устройств управления самого высокого уровня до управляемых объектов самого низкого уровня.

Сеть связи ведомственного оператора используется в жестких условиях эксплуатации, отсюда основным критерием качества этой системы является ее функциональная надежность (гарантоспособность).

В состав набора характеристик (свойств) систем контроля и управления (СКУ), определенного серией стандартов IEC 61 096 «Industrial-process measurement and control — Evaluation of system proporties for the purpose of system assessment /МЭК 61 096-х Измерение и управление промышленными процессами — Оценка свойств систем для целей аттестации системы», входит такая обобщенная характеристика (свойство), как функциональная надежность (dependability) СКУ [12−14].

Функциональная надежность (или гарантоспособность) — это свойство информационно-управляющей системы обеспечивать в полном объеме перечень сервисов, представляемых пользователюпричем, в качестве пользователя может выступать другая система или физическое лицо, взаимодействующее с данной системой [15].

В общем случае, функциональная надежность системы характеризуется рядом атрибутов, среди которых можно выделить: готовность, надежность, безопасность, конфиденциальность, целостность, ремонтоспособность.

Функциональная надежность системы не может быть охарактеризована одним числом. Некоторые ее свойства могут быть выражены в виде вероятностей, другие свойства могут быть представлены количественно, а некоторые только качественно.

Следует отметить, что когда система выполняет несколько задач, то функциональная надежность выполнения каждой отдельной задачи может изменяться, и для каждой из этих задач требуется проведение отдельного анализа.

В соответствии с Рекомендацией МСЭ-Т Х.700, система управления должна реализовывать следующие функции управления:

— управление устранением неисправностей;

— управление конфигурацией;

— управление качеством передачи;

— управление безопасностью [16−20].

К настоящему времени вышел в свет ряд работ, посвященных проблеме синтеза сетей связи [1, 6, 21 — 25]. Авторами данных работ были предложены методики, направленные на решение данной проблемы. Предложенные методики пригодны для синтеза стационарных сетей связи.

Многообразие существующего оборудования сетей связи ведомственного оператора представляет собой конгломерат различных эпох. Основные задачи развития СУССВО должны определять следующие принципы: создание единого ресурса типовых каналов и трактовунификация способов их предоставлениявнедрение цифровых систем передачи и коммутацииавтоматизация процессов контроля и распределения канального ресурсацеленаправленное формирование сети цифровых каналов.

Таким образом, современные сети связи ведомственного оператора не в полной мере отвечают перечисленным выше требованиям. До сегодняшнего дня в РФ не проводилось работ, связанных с оптимизацией существующей структуры сети управления, оценки количества необходимой минимальной и достаточной управляющей информации, а также обеспечения безопасности сети управления.

Целью настоящей работы является повышение функциональной надежности системы управления сетью связи ведомственного оператора на основе структурно-информационного подхода.

Для достижения цели сформулированы следующие задачи:

1. Разработка методики выбора структуры СУССВО, позволяющей обеспечить требуемый уровень структурной надежности с использованием комплексного критерия.

2. Определение функциональной зависимости между информационными параметрами СУССВО, позволяющей минимизировать информационную и структурную избыточность.

3. Разработка метода повышения функциональной надежности, позволяющего повысить уровень безопасности СУССВО за счет снижения уязвимости, на основе распределенной передачи управляющей информации.

4. Разработка математической модели уязвимости СУССВО и оценка на ее основе эффективности разработанного метода повышения функциональной надежности.

5. Разработка практических рекомендаций к внедрению полученных результатов.

Методы исследования. Поставленные задачи в диссертационной работе решаются с использованием методов теории надежности, теории информации, теории многоканальной связи, теории принятия решений, математического моделирования.

Научная новизна:

1. Предложена методика выбора структуры СУССВО, отличающаяся от существующих последовательным применением методов наискорейшего спуска и анализа иерархий, позволяющая обеспечить требуемый уровень структурной надежности.

2. Получена функциональная зависимость, отличающаяся от существующих тем, что учитывается количество модулей связи в СУССВО, связывающая необходимый объем управляющей передаваемой информации, скорость ее передачи, количество модулей и время, необходимое для управления, позволяющая находить конструктивные параметры СУССВО с минимальной избыточностью и увеличить функциональную надежность системы управления сетью связи.

3. Предложен метод повышения функциональной надежности СУССВО, заключающийся в разбиении управляющего слова на фрагменты и их передаче по различным маршрутам, отличающийся тем, что маршрут выбирается случайным образом из списка возможных, что позволяет без специального оборудования и дополнительных аппаратных затрат повысить безопасность СУССВО.

4. Впервые разработана математическая модель уязвимости СУССВО, основанная на результатах анализа путей перемещения фрагментов пакета управляющей информации по сети, позволяющая количественно оценить безопасность СУССВО, использующей предложенный метод повышения функциональной надежности.

Практическую ценность имеют:

1. Методика выбора структуры СУССВО, позволяющая обеспечить требуемый уровень структурной надежности.

2. Функциональная зависимость, позволяющая определить время решения задач управления отдельным узлом связи на сети или сети в целом при использовании имеющегося оборудования, необходимую пропускную способность каналов управления, в том числе, для случаев реконфигурации структуры СУССВО.

3. Модель уязвимости СУССВО, на базе которой можно количественно оценить уровень безопасности СУССВО.

4. Алгоритмическое и программное обеспечение предложенного метода повышения функциональной надежности в СУССВО, позволяющее проводить моделирование для конкретных СУССВО, выбирать формат разбиения управляющего слова и получать оценку уязвимости при каждой моделируемой реализации.

На защиту выносятся:

1. Методика выбора структуры СУССВО.

2. Функциональная зависимость между информационными параметрами СУССВО.

3. Метод повышения функциональной надежности СУССВО.

4. Математическая модель уязвимости СУССВО.

5. Алгоритмическое и программное обеспечение предложенного метода повышения функциональной надежности СУССВО.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и семинарах: Всероссийских молодежных научно-технических конференциях «Интеллектуальные системы управления и обработки информации» (г. Уфа, 2001, 2003) — 5-й международной научно-технической конференции «Проблемы техники и технологии телекоммуникаций» (г. Самара, 2004) — Международной молодежной конференции «XXX Гагаринские чтения» (г. Москва, 2004) — X Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (г. Москва, 2004) — 2-м.

Региональном зимнем семинаре аспирантов и молодых ученых «Интеллектуальные системы обработки информации и управления» (г. Уфа, 2007).

Основные положения и результаты исследования по теме диссертации опубликованы и непосредственно отражены в 9 статьях, из них 2 — в изданиях, входящих в список ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста, основных результатов и выводов, списка литературы из 114 наименований, содержит 35 рисунков, 13 таблиц и 6 приложений. Общий объем диссертационной работы 159 страниц, в том числе 38 страниц приложений.

Выводы по четвертой главе.

1. Предложена аппаратная реализация «элементарного модуля», которая позволила упростить аппаратные средства и повысить надежность оборудования управления.

2. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение предложенного метода повышения функциональной надежности, позволившие путем моделирования показать работоспособность и эффективность метода. Разработанное программное обеспечение позволяет реализовать вычисление всех возможных путей прохождения пакета в зависимости от заданной структуры и критериев. Для всех путей просчитывается вероятность перехвата и составляется база данных маршрутов.

3. Разработанные технические решения внедрены в НИИ «Солитон» в техническую документацию ОКР «Разработка унифицированной аппаратуры каналообразования и коммутации с адаптивным конфигурированием и высокой помехообравоустойчивостью» и в НИР «Дон», проводимую Ставропольским военным институтом связи ракетных войск.

Заключение

.

Ведомственная связь необходима для организаций и ведомств, данные которых не должны пересекаться с доступными информационными ресурсами. Такие ведомства строят свои собственные сети связи, доступ к которым есть только у них. В задачи ведомственного оператора входит не только передача данных, но и управление каналами связи в интересах конечного потребителя и гарантирование доставки как передаваемой информации, так и управляющей.

Сеть связи ведомственного оператора используется в жестких условиях эксплуатации, отсюда основным критерием качества этой системы является ее функциональная надежность.

Соответственно, целью данной работы явилось повышение функциональной надежности системы управления сетью связи ведомственного оператора на основе структурно-информационного подхода.

В работе получены следующие результаты:

1. Предложена методика выбора структуры СУССВО с использованием комплексного критерия, отличающаяся от существующих последовательным применением методов наискорейшего спуска и анализа иерархий, позволяющая обеспечить требуемый уровень структурной надежности. На примере показано, что применение предложенной методики позволило повысить вероятность безотказной работы СУССВО со значения 0,93 до 0,99 за время 360 часов.

2. Получена функциональная зависимость, характеризующая взаимосвязь основных информационных параметров СУССВО, отличающаяся от существующих тем, что учитывает количество модулей связи и связывает необходимый объем управляющей передаваемой информации, скорость ее передачи, количество каналов и время, необходимое для управления, и позволяет находить конструктивные параметры с минимальной избыточностью и увеличить функциональную надежность системы управления сетью связи в целом, определять время решения задач управления отдельным узлом связи на сети при использовании имеющегося оборудования, необходимую пропускную способность каналов управления, в том числе, для случаев реконфигурации структуры СУССВО.

3. Разработан метод повышения функциональной надежности СУССВО, заключающийся в разбиении управляющего слова на фрагменты и их передаче по различным маршрутам, отличающийся тем, что маршрут выбирается случайным образом из списка возможных, позволяющий без специального оборудования и дополнительных аппаратных затрат повысить безопасность СУССВО.

4. В рамках предложенного метода разработана математическая модель уязвимости СУССВО, основанная на результатах анализа путей перемещения фрагментов пакета управляющей информации по сети, отличающаяся тем, что учитывает случайный характер выбора путей. На примере показано, что эффективность предложенного метода, оцениваемая с помощью разработанной модели, характеризуется изменением вероятности уязвимости СУССВО с величины 0,3 до 1,5*1 О*3 при 5 непересекающихся путях.

5. Разработано алгоритмическое и программное обеспечение предложенного метода повышения функциональной надежности в СУССВО, позволяющее проводить моделирование для конкретных СУССВО, выбирать формат разбиения управляющего слова и получать оценку уязвимости при каждой моделируемой реализации.

Разработанные в диссертации рекомендации нашли практическое применение в ОКР «Разработка унифицированной аппаратуры цифрового каналообразования и коммутации с адаптивным конфигурированием и высокой помехообрывоустойчивостью», выполняемой ОАО НИИ «Солитон», и в части повышения функциональной надежности за счет предложенного метода повышения безопасности управляющей информации — в НИР «Дон», проводимой Ставропольским военным институтом связи ракетных войск.