Способ и устройство гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы, блок коммутации и генератор искусственного трафика

Группа изобретений относится к области информационно-вычислительных сетей. Технический результат, достигаемый с помощью заявленных способа и устройства гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы, блока коммутации и генератора искусственного трафика, сводится к повышению эффективности использования выходных трактов и улучшению вероятностно-временных характеристик информационного обмена при допустимом уровне отказов в обслуживании за счет выбора режима коммутации и применения локальной адаптивной, децентрализованной и централизованной маршрутизации, учитывающих уровень загрузки буферов памяти на различных сетевых уровнях иерархии распределенной системы, реализации режима обучения и настройки устройства с широким классом видов трафика, используемого в современных сетевых технологиях. Причем снижение вероятности отказа и среднего времени задержки сообщений при обслуживании устройством неравномерного трафика происходит за счет предварительного обучения системы и учета ее состояния при выборе режима коммутации. Уведомление блока коммутации о длине подлежащего передаче сообщения в фазе установления соединения позволяет предотвратить коллизии в сети, связанные с переполнением памяти узлов коммутации, повысить эффективность использования каналов связи за счет передачи длинных сообщений в реальном масштабе времени с использованием режима коммутации каналов, а коротких - в режиме коммутации пакетов. Обеспечивая режим обучения, генератор искусственного трафика позволяет прогнозировать нагрузку на сети без привлечения пользователей (абонентов), генерируя случайные импульсные последовательности, моделирующие основные виды трафика современных телекоммуникационных систем. 4 н.п. ф-лы, 16 ил.

 

Заявленные технические решения объединены единым изобретательским замыслом, относятся к области информационно-вычислительных сетей и могут быть использованы, например, при проектировании узлов коммутации на цифровых сетях интегрального обслуживания.

Известен способ гибридной коммутации (см. патент ЕПВ (ЕР). №0403911 А1, 27.12.1990 г. Кл. H04L 12/64), позволяющий коммутировать каналы в режиме синхронной цепи и в режиме синхронного и асинхронного пакета. Данный способ основан на использовании режима разделения времени между абонентами, причем временной интервал доступа присваивают различным абонентам в режиме коммутации пакетов, что ведет к ограничению объема требуемой оперативной памяти центров коммутации сети связи.

Недостатком данного способа коммутации является то, что он не обеспечивает эффективного использования каналов связи, так как при подобном управлении неизбежно возникают паузы между моментом отправки сообщения и моментом выдачи отправителем очередного сообщения, что увеличивает среднее время задержки сообщения. Также способ не предусматривает обучение системы для статистически обоснованного выбора режима коммутации, что немаловажно при обслуживании современных видов трафика и при проектировании (моделировании) сложных сетей связи.

Также известен способ адаптивной коммутации (см. Самойленко С.И. Метод адаптивной коммутации // Электросвязь. - 1981. - №6.), обеспечивающий организацию на сети соединений в режиме коммутации каналов (КК) с одновременной передачей сообщений в режиме коммутации пакетов (КП). При этом осуществляется динамическое перераспределение пропускной способности трактов сети между потоками сообщений, передаваемых в режимах коммутации каналов и пакетов. Процессор обработки пакетов анализирует сформированные в памяти пакеты и определяет их дальнейший маршрут согласно маршрутным таблицам.

Недостаток данного способа коммутации состоит в высокой вероятности отказа в обслуживании сообщений, поскольку выбор того или иного способа коммутации осуществляется в режиме с отказами при отсутствии свободных ячеек памяти. При этом сообщения разбиваются на блоки и записываются в общее поле памяти независимо от способа коммутации, а различные блоки одного и того же сообщения могут передаваться с использованием различных методов коммутации, что приводит к нарушению масштаба времени всего сообщения. Также маршрутизация сообщений осуществляется согласно статических маршрутных таблиц, без учета загрузки и состояния телекоммуникационной системы

Наиболее близким по технической сущности к заявленному способу (прототипом), является способ гибридной коммутации и адаптивной маршрутизации (см. патент РФ №2305374 от 27.08.2007. Кл. H04L 12/64), основанный на интеграции коммутационного оборудования, необходимого для реализации каждого метода коммутации: каналов и пакетов. Способ-прототип заключается в том, что при установлении соединения принимают информацию об адресе вызываемого абонента и записывают сообщение в общую память, при этом измеряется длина сообщения L и сравнивается с порогом L_пор, причем если длина сообщения превышает пороговое значение L>L_пор, то устанавливается физическое соединение и передача осуществляется в режиме коммутации каналов, а при длине сообщения L<L_пор сообщение разбивается на пакеты, переписывается в буферную память и передается в режиме коммутации пакетов по каналам с максимальной пропускной способностью в соответствие с маршрутной таблицей.

Недостатками данного способа коммутации являются относительно большие временные задержки передачи сообщений, вызывающие частые блокировки и отказы в обслуживании при передаче длинных сообщений в режиме коммутации пакетов, осуществляемой по маршрутным таблицам, построенным без учета загрузки и состояния телекоммуникационной системы, что ведет к нарушению реального масштаба времени передачи сообщений. Кроме того, данный способ также не предусматривает предварительного обучения системы при выборе режимов коммутации для разнородного трафика, что опять же приводит к росту среднего времени задержки сообщений из-за времени, отводимого на анализ.

Известно устройство гибридного коммутатора сообщений, состоящее из блока ввода-вывода, блока управления, запоминающего блока и коммутатора (см. Баркун М.А., Ходасевич О.Р. Цифровые системы синхронной коммутации. - Москва: Эко-Трендз, 2001.).

Недостатком данного устройства является относительно большое время задержки в передаче сообщений, вызванное отсутствием возможности автоматического управления режимами коммутации в зависимости от величины трафика и использованием отдельных трактов оборудования для осуществления режимов коммутации каналов и коммутации пакетов. Также в нем отсутствует режим обучения системы на различные типы нагрузки (трафика), что приводит к увеличению времени задержки при прохождении сообщений через устройство.

Известно устройство узла адаптивной коммутации (см. Самойленко С.И. Метод адаптивной коммутации. // Электросвязь. - 1981. - №6.), содержащее входной процессор, общую память, процессор взаимодействия с абонентами, связанный с общей памятью, процессор обработки пакетов, вход которого соединен с выходом общей памяти, а выход с входом процессора управления, выходы которого подсоединены к входам входного процессора, процессора взаимодействия с абонентами, и выходного процессора, связанного входом с общей памятью, выходные шины которого являются входами выходных трактов.

Недостатками данного устройства является относительно высокая вероятность отказов в обслуживании и временная задержка сообщений на реальных каналах связи, вызванная низкой эффективностью использования пропускной способности выходных трактов, а также отсутствием режима обучения системы на различные типы нагрузки (трафика).

Наиболее близким к заявленному устройству гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы является устройство для осуществления способа гибридной коммутации и адаптивной маршрутизации, описанное в патенте РФ №2305374 от 27.08.2007. Структурная схема данного устройства содержит: блок обработки запросов, осуществляющий процедуру доступа абонентских комплексов к распределенной многоуровневой телекоммуникационной системе; блок управления узлом коммутации для управления памятью, регистрации адреса и длины сообщения, определения направления передачи сообщения, располагающий информацией о состоянии буферов и выходных трактов, связанные с общей памятью; блок адаптивной маршрутизации для адресации и маршрутизации сообщений, соединенный управляющим входом с первым выходом процессора управления; вычислитель порога для вычисления порога L_пор, соединенное входом с вторым входом блока управления узлом коммутации, а выходом - с одним из входов схемы сравнения, другой вход которой соединен с третьим выходом блока управления узлом коммутации; управляющий элемент, вход установки в единицу которого соединен с выходом схемы сравнения, а вход установки в ноль соединен с четвертым выходом блока управления узлом коммутации; первый и второй электронные ключи, управляющие входы которых связаны с инверсным и прямым выходами управляющего элемента соответственно, при этом выход общей памяти соединен с информационными входами ключей, выходы которых подсоединены к информационным входам блока адаптивной маршрутизации, соединенного выходами с выходными трактами.

Недостатками прототипа являются относительно большие временные задержки в обслуживании неравномерного трафика, на нагрузках, близких к критическим, а также неконтролируемый рост величины вероятности отказа в обслуживании сообщения при изменяющихся видах трафика и интенсивности его поступления, из-за отсутствия сведений о текущем состоянии соседних узлов коммутации (загрузке их буферов памяти) и маршрутов передачи сообщений по сети (загрузке узлов коммутации распределенной сети).

Известно устройство идентификации системы автоматического контроля объекта (см. Фомин Л.А., Черноскутов А.И. Оптимизация ошибок при двухэтапной процедуре контроля // Автоматика и вычислительная техника. - 1975. - №3. - С.34-37), содержащее блок регистрации, два элемента И, блок сравнения, первый выход которого соединен с первым входом первого элемента И, второй выход - с первым входом второго элемента И, выход которого подключен к первому входу блока регистрации, блок суммирования, выход которого соединен с первым входом блока сравнения, блоки преобразования, подключенные каждый своим выходом к одному из входов блока суммирования и входов - к соответствующему информационному входу устройства, датчик случайных чисел, первый выход которого соединен с вторым входом первого элемента И, второй выход - с вторым входом второго элемента И, блок управления, выход которого соединен с входом датчика случайных чисел и вторым входом блока регистрации.

Недостатком устройства является высокий коэффициент простоя, поскольку для контроля сложных технических систем и идентификации их состояния необходимо производить измерение, преобразование и обработку большого числа параметров, что нередко связано с отключением системы и ее простаиванием.

Также известно устройство принятия решения (см. Фомин Л.А., Будко П.А. Эффективность и качество инфокоммуникационных систем. Методы оптимизации. - Москва: Физматлит, 2008. - С.146-157, рис.3.15), реализующим условие нахождения оптимального значения порогов, обеспечивающих минимальную ошибку идентификации состояния системы, при этом, в сравнении с описанным выше устройством в него введены дополнительный блок преобразования, два блока формирования пороговых значений, второй блок сравнения, третий элемент И и элемент ИЛИ. Датчик случайных чисел заменен генератором искусственного трафика. Элемент ИЛИ подключен своими входами к выходам первого и третьего элементов И, выходом - к первым входам блоков формирования пороговых значений и к третьему входу блока регистрации, подсоединенного вторым входом к первому выходу первого блока сравнения и первому входу третьего элемента И. Второй выход блока сравнения соединен со входами блоков преобразования и с третьими входами первого и второго элементов И. Первый вход первого блока сравнения подключен к выходу дополнительного блока преобразования, входы которого соединены с соответствующими выходами генератора искусственного трафика и входом системы, вторые входы блоков сравнения подключены к выходам соответствующих блоков формирования пороговых значений, вторые входы которых соединены с выходом блока управления, третьи входы - с выходом второго элемента И, второй вход третьего элемента И соединен с первым выходом генератора искусственного трафика.

Недостатком устройства является относительно высокая вероятность отказа в обслуживании, вызванная тем, что назначение порогов принятия решения на переключения режимов работы осуществляется без учета общего состояния телекоммуникационной системы и величины загрузки буферных устройств узлов коммутации каналов связи, вызывающее блокировку устройства на загруженной сети, при передаче коротких сообщений методом коммутации пакетов.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному блоку коммутации (прототипом) является идентификатор блока принятия решения (см. Патент РФ №2450335 (фиг.4), Кл. G06F 15/00, G05B 23/00. Опубликован 10.05.2012 Бюл. №13), содержащий цифроаналоговый преобразователь, выход которого подключен к первому входу элемента сравнения, выход которого подключен к первому входу управляющего элемента, второй вход которого является управляющим входом «установка 0». При этом цифроаналоговый преобразователь состоит из K преобразователей признаков «параметры», подключенных к сумматору. На второй вход элемента сравнения подается значение порогового напряжения из блока принятия решения.

Недостатком прототипа является его относительно низкая производительность, вызванная ростом времени задержки сообщений из-за необходимости производить измерение, преобразование и обработку большого числа параметров, что нередко связано с отключением системы и ее простаиванием.

Известны генератор шума (см. Авторское свидетельство СССР №369673, Кл. H03B 29/00, 1971 г.) и многоканальный генератор с временным методом декорреляции сигналов, содержащий генератор шума, генератор тактовых импульсов, квантователь, интерполятор, временной коммутатор и переключатель (см. Бобнев М.П. Генерирование случайных сигналов. - М.: Энергия, 1971, с.84).

Недостатком указанных генераторов является малый диапазон генерируемых последовательностей, сильно зависимых от исходного сигнала, поскольку получаемые в результате преобразования импульсы имеют плотность вероятностей исходного сигнала в виде случайных по амплитуде периодических импульсов, а сам генератор не позволяет раздельно регулировать время корреляции, следовательно и спектральную плотность.

Наиболее близким по технической сущности (прототипом) к заявляемому изобретению является генератор случайных сигналов (см. Авторское свидетельство СССР №1116524, Кл. H03B 29/00), содержащий генератор шума, элемент выборки и хранения, элемент сравнения, перестраиваемый генератор тактовых импульсов, генератор линейно-изменяющегося напряжения, управляющий элемент и перестраиваемую линию задержки. При этом выход генератора шума подключен к первому выходу элемента выборки и хранения, выход которого подключен к первому входу элемента сравнения, к второму входу которого подключен выход генератора линейно-изменяющегося напряжения, а выход элемента сравнения подключен к первому входу управляющего элемента. Причем выход перестраиваемого генератора тактовых импульсов подключен к первому входу генератора линейно-изменяющегося напряжения, к регулируемой линии задержки и второму входу управляющего элемента.

Недостатком прототипа является узкий класс генерируемых случайных импульсных последовательностей, не позволяющий имитировать различные виды трафика современных сетей интегрального обслуживания.

Технический результат, достигаемый с помощью заявленных способа и устройства гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы, блока коммутации и генератора искусственного трафика сводится к повышению эффективности использования выходных трактов и улучшению вероятностно-временных характеристик информационного обмена при допустимом уровне отказов в обслуживании за счет выбора режима коммутации и применения адаптивной децентрализованной маршрутизации, учитывающих уровень загрузки буферов памяти на различных сетевых уровнях иерархии распределенной системы, реализации режима обучения и настройки устройства с широким классом видов трафика, используемого в современных сетевых технологиях.

В заявленном способе гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы технический результат достигается тем, что предварительно устанавливают пороговое значение длины L_пор сообщения, принимают сообщение, запоминают его, сравнивают длину L принятого сообщения с L_пор и по результатам сравнения принимают решение о выборе режима коммутации, для предварительной установки значения L_пор генерируют сетевые трафики с отличающимися длинами сообщений L и интенсивностью λ их поступления для N типов сетей связи и М видов трафика, по данным L и λ и заданной интенсивности обслуживания сообщений µ вычисляют коэффициент загрузки $${\rho }_m^n$$ для каждого m-го вида трафика и n-го типа сети связи, где m=1,2, …, М; n=1,2, …, N, удовлетворяющий требованию выполнения допустимой вероятности отказа $$P_{отк}^{док}$$ в обслуживании, по полученным результатам вычислений $${\rho }_m^n$$ рассчитывают соответствующие ему критические длины $$L_{кр}^{mn}$$ сообщения, преобразуют их в критические уровни пороговых напряжений $$U_{пор}^{mn}$$ переключения режима коммутации, причем массив сформированных значений $$U_{пор}^{mn}$$ запоминают, принимают от абонентов сообщения на обслуживание, запоминают их, по маске сети адресной части сообщений определяют адрес сети назначения и тип сети n, а по интенсивности поступления сообщений λ классифицируют вид поступающего трафика, измеряют длину поступивших на обслуживание сообщений L^mn, преобразуют измеренную длину L^mn в соответствующее ей значение уровня напряжения U^mn, сравнивают его с пороговым значением $$U_{пор}^{mn}$$ , при $$U^{mn}>U_{пор}^{mn}$$ выбирают режим «коммутации каналов» и устанавливают физическое соединение для передачи сообщения получателю, в противном случае сообщение L^mn разбивают на пакеты, выбирают режим «коммутации пакетов» и передают получателю сообщение в режиме дейтограмм, причем для установления физического соединения и дейтограммного режима, путем опроса соседних узлов и получения их таблиц маршрутизации определяют состав, топологическую структуру и связность распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы, и по результатам опроса назначают исходную таблицу маршрутизации доставки сообщений к ее узлам, проверяют их текущую доступность, для чего отправляют и принимают эхо-запросы типа «ping» по протоколу ICMP, набирают статистические данные о занятых объемах буферов памяти на входе в каждый канал по протоколу SNMP, на основании адреса сети назначения формируют локальный адаптивный маршрут, для чего используют информацию исходной таблицы маршрутизации, определяющую все доступные направления передачи пакетов, корректируют ее на основании данных о доступности выходных каналов связи и длинах очередей пакетов, ожидающих передачи в каналы связи, формируют децентрализованный адаптивный маршрут, для чего принимают по общесетевым каналам сигнализации от соседних узлов коммутации таблицы маршрутов ко всем узлам назначения, с указанием маршрутов с минимальным временем задержки пакетов и длинами очередей пакетов в этих узлах, на основании чего корректируют исходную таблицу маршрутизации по данным из полученных таблиц маршрутов и информации о доступности выходных каналов связи, а также о длинах очередей пакетов, ожидающих передачи в каналы связи, формируют централизованный адаптивный маршрут, для чего вычисляют текущие весовые коэффициенты доступных к получателю сообщения ветвей с входящими в них каналами связи, сравнивают полученные значения весовых коэффициентов по всем доступным ветвям, ранжируют их в порядке убывания, выбирают маршруты с максимальными значениями весовых коэффициентов, лежащих на них ветвей, запрашивают информацию о маршруте доставки пакетов до сети-адресата из распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы и на основании полученной информации, данных о доступности выходных каналов связи и значениям весовых коэффициентов ветвей корректируют исходную таблицу маршрутизации, с которой сравнивают адресную часть передаваемого сообщения, выбирают маршрут передачи сообщения, при этом для обеспечения физического соединения используют маршрут с максимальным значением весового коэффициента, а для обеспечения дейтограммного режима рассылки пакетов назначают маршруты, по которым проходят ветви с весовыми коэффициентами из построенного ранжированного ряда, измененные маршруты запоминают.

Благодаря перечисленной новой совокупности существенных признаков способа гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы и введенной последовательности действий обеспечивается предварительное обучение системы, более корректная оценка параметров поступающих на обслуживание сообщений и адаптивный выбор маршрута для ее доставки получателю, на основе чего обосновывается выбор режима коммутации и достигается поставленная цель по своевременной доставке сообщений с допустимым значением вероятности отказа. При этом величина $$L_{кр}^{mn}$$ , а следовательно и L_пор, может быть установлена как путем анализа трафика, поступающего в устройство гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы, оценки загрузки буферов памяти на различных сетевых уровнях иерархии системы, так и за счет обучения системы заблаговременно, путем моделирования различных видов сетевого трафика при проектировании устройства и сети. Поскольку в данном способе критичной является длина сообщения, а объем буфера строго дозирован и выбирается по условиям решения задачи оптимизации сети по минимальному среднему времени задержки, то сообщения, длина которых превышает некоторую величину L_пор, нецелесообразно разбивать на пакеты, поскольку это приведет к ухудшению вероятностно-временных характеристик информационного обмена. Отправка пакетов по маршрутам, имеющим максимальную пропускную способность, будет приводить к быстрому освобождению буферов.

В заявленном устройстве гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы технический результат достигается тем, что в устройство, содержащее распределенную многоуровневую телекоммуникационную систему, включающую на каждом уровне совокупность узлов коммутации, каждый из узлов коммутации включает блок обработки запросов, w≥2 информационных входов которого являются входами «Абоненты», при этом блок обработки запросов снабжен информационным выходом «Сообщение», блок адаптивной маршрутизации, группа информационных входов/выходов «В(из) каналы(ов) связи» которого подключена к узлам коммутации соответствующих уровней распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы и который снабжен информационными входами «Коммутация каналов» и «Коммутация пакетов», блок управления узлом коммутации, дополнительно включен блок коммутации, управляющий вход «Уровень напряжения» и информационный выход «Обучение» которого подключены к одноименным управляющему выходу и информационному входу блока обработки запросов, управляющие выходы «Адрес», «Длина сообщения», «Трафик» и управляющий вход «Приоритет» блока обработки запросов подключены к одноименным управляющим входам и управляющему выходу блока управления узлом коммутации, управляющий выход «Таблица маршрутов» и управляющий вход «Занятый объем памяти В» которого подключены к одноименным управляющему входу и управляющему выходу блока адаптивной маршрутизации, группа управляющих выходов «Сеть адресата A, B, C», управляющий выход «Коэффициент загрузки», управляющий выход «Уровень порога», группа управляющих входов/выходов «Занятый объем памяти A, B, C», управляющий выход «Установка нуля» и управляющие выходы «Режим обучения» блока управления узлом коммутации подключены к одноименным управляющим входам блока коммутации, информационный вход «Сообщение» которого соединен с одноименным информационным выходом блока обработки запросов, а группа управляющих выходов «Сеть адресата A, B, C» и информационные выходы «Коммутация каналов» и «Коммутация пакетов» подключены к одноименным группе управляющих входов и информационным входам блока адаптивной маршрутизации, группа управляющих входов/выходов «Общесетевые каналы сигнализации» блока управления узлом коммутации подключены к соответствующим узлам коммутации распределенной k-уровневой телекоммуникационной системы, где k=1,2, …K, K - общее число уровней, имеющую на первом уровне информационные вход и выход в глобальную сеть.

Благодаря перечисленной новой совокупности существенных признаков устройства гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы обеспечивается повышение эффективности использования выходных трактов и улучшение вероятностно-временных характеристик информационного обмена при допустимом уровне отказов в обслуживании за счет выбора режима коммутации и применения адаптивной локальной, децентрализованной или централизованной маршрутизации, учитывающих объем загрузки буферов памяти на различных сетевых уровнях иерархии распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы.

В заявленном блоке коммутации технический результат достигается тем, что в блок, содержащий буфер памяти, вычислитель порога, идентификатор и коммутатор, причем первый и второй управляющие входы идентификатора являются управляющими входами «Уровень напряжения» и «Установка нуля» блока коммутации, а третий подключен к управляющему выходу «Величина порога» вычислителя порога, управляющие выходы идентификатора «Коммутация каналов» и «Коммутация пакетов» подключены к первому и второму управляющими входами коммутатора соответственно, информационный вход коммутатора является информационным входом «Сообщение» блока коммутации, первый информационные выход «Коммутация каналов» является одноименным информационным выходом блока коммутации, а второй информационный выход «Коммутация пакетов» присоединен к информационному входу буфера памяти, информационный выход которого является информационным выходом «Коммутация пакетов» блока коммутации, дополнительно введены массив памяти, первый и второй управляющие входы которого являются к управляющими входами «Коэффициент загрузки» и «Уровень порога» блока коммутации, третий управляющий вход массива памяти подключен к управляющим выходам «Коммутация каналов» и «Коммутация пакетов» идентификатора, а выход массива памяти подключен к первому управляющему входу вычислителя порога, генератор искусственного трафика, информационный выход которого является информационным выходом «Обучение» блока коммутации, а управляющие входы «Скорость трафика», «Величина задержки» и «Включение» являются группой управляющих входов «Режим обучения» блока коммутации, группа управляющих входов/выходов «Занятый объем памяти» блока коммутации, состоящая из управляющих входов «A», «B» и управляющего выхода «C» подключена к группе управляющих входов «Занятый объем памяти A, B, C» вычислителя порога, при этом управляющий вход «C» вычислителя порога соединен с управляющим выходом «Занятый объем буферной памяти C» буфера памяти, группа управляющих входов «Сеть адресата» блока коммутации, состоящая из управляющих входов «A», «B» и «C» подключена к одноименным группам управляющих входов «Сеть адресата» вычислителя порога и буфера памяти, и является группой управляющий выходов «Сеть адресата» блока коммутации.

Благодаря перечисленной новой совокупности существенных признаков блока коммутации обеспечивается снижение вероятности отказа и среднего времени задержки сообщений при обслуживании устройством неравномерного трафика за счет предварительного обучения системы и учета ее состояния при выборе режима коммутации, чем и достигается поставленная цель. Причем уведомление блока коммутации о длине подлежащего передаче сообщения в фазе установления соединения позволяет предотвратить коллизии в сети, связанные с переполнением памяти узлов коммутации, повысить эффективность использования каналов связи за счет передачи очень длинных сообщений в реальном масштабе времени по физическому соединению и уменьшить общее число сообщений, получающих отказ в обслуживании по причине отсутствия свободных буферов памяти. При этом хранение длинных сообщений возложено на вызывающего абонента, а время хранения не должно превышать некоторой величины τ в соответствии с рекомендацией Q.543 сектора JTU-Т (CCITT).

В заявленном генераторе искусственного трафика технический результат достигается тем, что в известный генератор случайных сигналов, содержащий первый генератор шума, первый элемент выборки и хранения, первый элемент сравнения, перестраиваемый генератор тактовых импульсов, генератор линейно-изменяющегося напряжения, управляющий элемент и регулируемую линию задержки, причем выход первого генератора шума подключен к первому входу первого элемента выборки и хранения, выход которого подключен к первому входу первого элемента сравнения, к второму входу которого подключен выход генератора линейно-изменяющегося напряжения, а выход первого элемента сравнения подключен к первому входу управляющего элемента, выход перестраиваемого генератора тактовых импульсов подключен к первому входу генератора линейно-изменяющегося напряжения, дополнительно введены второй генератор шума, второй элемент выборки и хранения, второй элемент сравнения и электронный ключ, первый вход которого подключен к выходу регулируемой линии задержки, второй вход подключен к вторым входам элементов выборки и хранения и к выходу перестраиваемого генератора тактовых импульсов, управляющий вход которого является управляющим входом «Скорость трафика» генератора искусственного трафика, вход регулируемой линии задержки подключен к первому входу управляющего элемента, а управляющий вход является управляющим входом «Величина задержки» генератора искусственного трафика, выход второго генератора шума подключен к первому входу второго элемента выборки и хранения, выход которого соединен с первым входом второго элемента сравнения, второй вход которого подключен к выходу генератора линейно-изменяющегося напряжения, а выход подключен к третьему входу электронного ключа, управляющий вход которого объединен с управляющими входами генераторов шума, генератором линейно-изменяющегося напряжения и перестраиваемым генератором тактовых импульсов, и является управляющим входом «Включение» генератора искусственного трафика, который наряду с управляющими входами «Скорость трафика» и «Величина задержки» образуют группу управляющих входов «Режим обучения» генератора искусственного трафика, выход электронного ключа подключен ко второму входу управляющего элемента, выход которого является информационным выходом «Обучение» генератора искусственного трафика.

Благодаря перечисленной новой совокупности существенных признаков генератора искусственного трафика обеспечивается более широкий класс генерируемых случайных импульсных последовательностей, позволяющий моделировать основные виды трафика современных телекоммуникационных систем за счет использования в своем составе перестраиваемого генератора тактовых импульсов, регулируемой линии задержки и настраиваемых на случайные последовательности с основными законами распределения двух генераторов шума, отвечающих за формирование соответственно фронта и спада импульсов в генерируемых последовательностях. Причем, обеспечивая режим обучения, генератор искусственного трафика позволяет прогнозировать нагрузку телекоммуникационной системы без привлечения пользователей (абонентов).

Заявленные технические решения поясняются чертежами, на которых показаны:

на фиг.1 - структурная схема устройства гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы;

на фиг.2 - функциональная схема блока обработки запросов;

на фиг.3 - функциональная схема блока адаптивной маршрутизации;

на фиг.4 - функциональная схема блока управления узлом коммутации;

на фиг.5 - алгоритм способа гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы на первом этапе - в режиме обучения системы;

на фиг.6 - алгоритм способа гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы на втором этапе - в режиме гибридной коммутации сообщений;

на фиг.7 - алгоритм способа гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы на третьем этапе - в режиме обеспечения локальной, децентрализованной или централизованной адаптивной маршрутизации;

на фиг.8 - функциональная схема блока коммутации;

на фиг.9 - функциональная схема вычислителя порога;

на фиг.10 - функциональная схема идентификатора;

на фиг.11 - принципиальная схема коммутатора;

на фиг.12 - функциональная схема генератора искусственного трафика;

на фиг.13 - геометрическая интерпретация процесса формирования искусственного трафика;

на фиг.14 - графики зависимости времени задержки и вероятности отказов от объема буфера памяти блока коммутации и коэффициента загрузки устройства;

на фиг.15 - номограммы определения основных показателей и вероятностно-временных характеристик распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы;

на фиг.16 - геометрическая интерпретация способа гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы.

Реализация заявленного способа гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы объясняется следующим образом.

Способ состоит из трех этапов:

Первым этапом способа является обучение системы, при котором вместо нагрузки, поступающей от абонентов сети, используются сообщения, формируемые генератором искусственного трафика. При этом для предварительной установки значения L_пор генерируют сетевые трафики с отличающимися длинами сообщений L и интенсивностью λ их поступления для N типов сетей связи и М видов трафика, по данным L и λ и заданной интенсивности обслуживания сообщений µ вычисляют коэффициент загрузки $${\rho }_m^n$$ для каждого m-го вида трафика и n-го типа сети связи, где m=1,2, …, М; n=1,2, …, N, удовлетворяющий требованию выполнения допустимой вероятности отказа $$P_{отк}^{доп}$$ в обслуживании, по полученным результатам вычислений $${\rho }_m^n$$ рассчитывают соответствующие ему критические длины $$L_{кр}^{mn}$$ сообщения, преобразуют их в критические значения уровней порога $$U_{пор}^{mn}$$ переключения режима коммутации, причем массив сформированных значений $$U_{пор}^{mn}$$ запоминают для дальнейшего использования при обработке поступающих от абонентов сообщений заданных параметров в реальном масштабе режиме (on-line).

Алгоритм способа гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы на первом этапе, в режиме обучения системы, приведен на фиг.5. На ней представлены:

«Начало» - включение алгоритма, получение информации о составе, топологической структуре и связности сети из распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы;

шаг 1 - включение режима обучения системы, задание исходных данных по скорости трафика, величинам задержки, а также значениям r, n, m, µ, V, ν ν_з(t), L_пак, $$P_{отк}^{доп}$$ , $$T_{зад}^{\min }$$ ;

шаг 2 - генерация искусственного сетевого трафика с варьируемой длиной сообщений L и изменяющейся интенсивностью поступления $$\tilde{\lambda }$$ (подробно описана при рассмотрении генератора искусственного трафика и на фиг.12 и 13);

шаг 3 - прием сообщения на обслуживание;

шаг 4 - определение интенсивности поступления сообщений (заявок) на обслуживание λ;

шаг 5 - запись сообщения в общую память;

шаг 6 - измерение длины сообщения L;

шаг 7 - преобразование длины сообщения L в уровень напряжения U;

шаг 8 - вычисление коэффициента загрузки устройства $${\rho }_m^n=\lambda /\mu$$ для определенного вида трафика и типа сети;

шаг 9 - расчет критической длины сообщения $$L_{кр}=\frac{L_{пак}}{\ln \rho }\cdot \ln \frac{P_{отк}^{доп}}{[1-\rho (1-P_{отк}^{доп})]}$$ ;

шаг 10 - преобразование рассчитанного значения критической длины сообщения L_кр в значение уровня порогового напряжения U_пор;

шаг 11 - сохранение результатов расчетов, например, запись значений коэффициента загрузки устройства, критической длины сообщения и соответствующей ей уровня порогового напряжения в массив;

шаг 12 - корректировка порога переключения режима коммутации в зависимости от загрузки устройства и узлов коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы L_пор=L_кр[1-ν_з(t)/ν]+β[∂ν_з(t)/∂t] и преобразование L_пор в $$U_{пор}^{кр}$$ ;

шаг 13 - идентификация (выбор) режима коммутации сообщений: при $$U>U_{пор}^{кр}$$ - включение режима коммутации каналов, при $$U<U_{пор}^{кр}$$ - включение режима коммутации пакетов. Набор статистики в массиве данных о соответствии коэффициента загрузки устройства и текущих значений занятых объемов памяти системы выбранному режиму коммутации;

шаг 14 - обеспечение выбранного режима коммутации (отправка сообщения в тракт коммутации каналов или в тракт коммутации пакетов);

шаг 15 - разбиение сообщения на пакеты в режиме коммутации пакетов и определение текущего значения занятого сформированными пакетами объема буфера памяти устройства;

шаг 16 - определение текущих значений занятых объемов буферов памяти ν_з(t) выходных каналов связи (количество пакетов, находящихся в очереди на отправку в каждый выходной канал связи) и определение весовых коэффициентов выходных каналов по их загрузке;

«Окончание» - отключение первого этапа алгоритма, выключение генератора искусственного трафика, подключение абонентов к информационным входам устройства.

Поскольку рассматриваемый алгоритм является распределенным, то выполнение данных его шагов происходит во всех блоках предлагаемого устройства, для чего на фиг.5 приведены порты, через которые осуществляется взаимодействие блоков алгоритма (см. также фиг.1-4):

П2.3 - порт управляющего входа «Трафик» между блоком обработки запросов 2 и блоком управления узлом коммутации 4;

П2.4 - порт управляющего входа «Длина сообщения» между блоком обработки запросов 2 и блоком управления узлом коммутации 4;

П2.7 - порт управляющего входа «Уровень напряжения» между блоком обработки запросов 2 и блоком коммутации 5;

П2.8 - порт информационного входа «Сообщение» между блоком обработки запросов 2 и блоком коммутации 5;

П3.3-порт управляющего входа «Занятый объем памяти В» между блоком адаптивной маршрутизации 3 и блоком управления узлом коммутации 4;

П4.1₁, П4.1₂, …, П4.1_k, …, П4.1_K - порты группы управляющих входов-выходов «Общесетевые каналы сигнализации» между блоком управления узлом коммутации 4 и распределенной многоуровневой телекоммуникационной системой I по K уровням сетевой иерархии;

П4.7 - порт управляющего выхода «Коэффициент загрузки» между блоком управления узлом коммутации 4 и блоком коммутации 5;

П4.8 - порт управляющего выхода «Уровень порога» между блоком управления узлом коммутации 4 и блоком коммутации 5;

П4.9 - порт группы управляющих входов-выходов «Занятый объем памяти A, B, C» между блоком управления узлом коммутации 4 и блоком коммутации 5;

П4.10 - порт управляющего выхода «Установка нуля» между блоком управления узлом коммутации 4 и блоком коммутации 5;

П4.11 - порт группы управляющих входов «Режим обучения» между блоком управления узлом коммутации 4 и блоком коммутации 5 (управляющие входы «Скорость трафика», «Величина задержки», «Включение»);

П4.12 - порт управляющего входа «Занятый объем памяти 5» между блоком адаптивной маршрутизации 3 и блоком управления узлом коммутации 4;

П5.7 - порт информационного выхода «Обучение» между блоком коммутации 5 и блоком обработки запросов 2;

П5.10 - порт информационного выхода «Коммутация каналов» между блоком коммутации 5 и блоком адаптивной маршрутизации 3;

П5.11 - порт информационного выхода «Коммутация пакетов» между блоком коммутации 5 и блоком адаптивной маршрутизации 3.

Последовательность работы первого этапа алгоритма предлагаемого способа гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы в режиме обучения системы (в соответствие с фиг.2-4) заключается в следующем.

В исходном состоянии из распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы 1 в режиме реального времени по общесетевым каналам сигнализации через порты П4.1₁ П4.1₂, …, П4.1_k, …, П4.1_K от каждого из K доступных узлов коммутации звеньев иерархии системы в блок задания исходных данных (шаг 1) блока управления узлом коммутации поступает информация о состоянии загрузки сетей распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы, а также данные с действующими в них таблицами маршрутизации.

На шаге 1 первого этапа алгоритма через порт П4.11 по управляющему входу «Включение» подается команда на включение генератора искусственного трафика, а также через управляющие входы «Скорость трафика» и «Величина задержки» задаются исходные данные для формирования искусственного трафика в режиме обучения системы. Здесь же используется информация об исходных данных по значениям параметров и характеристикам сети таким как: общее число узлов сети - r, с которыми взаимодействует устройство, а соответственно и количество ветвей, в которые может быть направлено сообщение; типы сетей - n в распределенной многоуровневой телекоммуникационной системе; виды трафика - m (данные, видео, речь…), курсирующего на сетях и требования к нему по вероятностно-временным характеристикам в виде допустимой вероятности отказов $$P_{отк}^{доп}$$ и минимальной временной задержки $$T_{зад}^{\min }$$ к передаваемым сообщениям (пакетам); заданная интенсивность обслуживания поступающих сообщений - µ коммутационными приборами блока коммутации; назначенные априорно весовые коэффициенты ветвей связи, например, в единицах пропускной способности, времени задержки сообщения или вероятности отказа не хуже требуемого; объем памяти буферных устройств - ν (измеряется в количестве пакетов) и его текущие значения занятости от корреспондирующих с устройством узлов коммутации системы, а также текущие значения занятости объема собственного буфера выходных каналов связи; предварительно установленное пороговое значение длины сообщения - L_пор; длины пакетов для различных сетей - L_пак (например, для сетей ATM - 53 байта) и др. исходные данные.

На шаге 2 происходит генерация искусственного сетевого трафика с варьируемой длиной сообщений $$\tilde{L}$$ и изменяющейся интенсивностью поступления $$\tilde{\lambda }$$ . Более подробно действия данного шага описаны далее при рассмотрении режимов работы генератора искусственного трафика и на фиг.12 и 13.

На шаге 3 через порт П5.7 происходит прием генерируемых на предыдущем шаге сообщений на обслуживание (по принципам работы систем массового обслуживания).

На шаге 4 происходит определение интенсивности λ поступления сообщений (заявок) на обслуживание и подача данного значения на порт П2.3.

На шаге 5 принятое на обслуживание сообщение записывается в общую память и подается на коммутацию на порт П2.8.

На шаге 6 производится измерение длины принятого сообщения L и подача измеренного значения на порт П2.4.

На шаге 7 значение длины сообщения L преобразуется в уровень напряжения U который направляется на порт П2.7.

На шаге 8 по значению интенсивности поступления сообщения на обслуживание λ, полученному через порт П2.3 и значению интенсивности обслуживания сообщений - µ, заданному на этапе проектирования коммутационных приборов устройства и сохраненному на первом шаге алгоритма, осуществляется вычисление коэффициента загрузки устройства ρ по выражению ρ=λ/µ и отправка данного значения на последующий шаг и на порт П4.7.

На шаге 9 происходит расчет критической длины сообщения L_кр, влияющей на установление порога переключения режимов коммутации. Пример расчета критической длины сообщения подробно приведен в приложении 1. Для проведения данного расчета на шаге 9 используются: сведения о длине сообщения принятого на обслуживание L, поступающие через порт П2.4; сведения о допустимом значении вероятности отказов $$P_{отк}^{доп}$$ для конкретных типов сетей и видов трафика, об установленных (в соответствие с международными стандартами) длинах пакетов L_пак для конкретных типов сетей и видов трафика, сохраненные на первом шаге алгоритма; расчетное значение коэффициента загрузки устройства, полученное на предыдущем шаге.

На шаге 10 осуществляется преобразование рассчитанного значения критической длины сообщения L_кр в значение уровня порогового напряжения U_пор и отправка данного значения на порт П4.8.

На шаге 11 данные значения уровней порога с порта П4.8, а также соответствующие им значения коэффициентов загрузки устройства ρ, получаемые от порта П4.7 сохраняются (статистически накапливаются) в массиве данных для использования при обучении системы.

На шаге 12 алгоритма происходит корректировка порога переключения режима коммутации с учетом текущей загрузки устройства и узлов коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы в соответствие с выражением L_пор=L_кр[1-ν_з(t)/ν]+β[∂ν_з(t)/∂t]. При этом информация о исходном значении объема буфера памяти ν устройства задается в исходных данных на первом шаге алгоритма, а текущие значениях занятых объемов памяти узлов коммутации ν_з(t), сопряженных с устройством по общесетевым каналам сигнализации поступает в расчетный блок алгоритма через порты П4.1₁, П4.1₂, …, П4.1_k, …, П4.1_K - также на первом шаге алгоритма и далее через порт П4.9_A (учет текущей загрузки системы на глобальном уровне иерархии), или через порт П4.9_B и П4.12 (текущее значение объема памяти выходных каналов связи, сопряженных с узлами коммутации регионального уровня иерархии распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы), или от буфера памяти устройства (текущее значение объема буфера памяти устройства на локальном уровне). Причем для корректировки порога переключения режима коммутации в качестве текущего значения занятого объема буферов памяти ν_з(t) (см. выражения (П.1.1) из приложения 1) используется наибольшее значение данного показателя из всех поступивших значений, что обеспечивает учет критического состояния любого из участков маршрута (начального, транзитного или конечного) доставки сообщения (наихудшего в смысле текущего состояния) и своевременный переход от режима коммутации пакетов к режиму коммутации каналов, не приводя систему к блокировке (для обеспечения адаптации устройства к текущему состоянию системы). Полученное значение пороговой длины сообщения L_пор преобразуется в уровень порогового напряжения в соответствие с выражением П.2.1, приведенном в приложении 2.

На шаге 13 скорректированный в соответствии с текущим состоянием системы в реальном масштабе времени порог переключения режимов коммутации (подробно рассмотрен при описании второго этапа алгоритма способа - режима коммутации сообщений) сравнивается с поступившим ранее через порт П2.7 значением уровня напряжения U, соответствующим длине поступившего на обслуживание сообщения L. Для согласования поступившего на обслуживание сообщения процессу расчета загрузки устройства, вычислению критической длины сообщения L_кр, поступившего на обслуживание, корректировки порога переключения режима коммутации в реальном масштабе времени и осуществлению выбора режима коммутации соответствующие шаги алгоритма 8, 9, 12, и 13 синхронизируются от шага 1 алгоритма (например, путем подачи команды «Установка нуля» через порт П4.10). По результатам сравнения осуществляется выбор режима коммутации: при $$U>U_{пор}^{кр}$$ - выбирается режим коммутации каналов, при $$U<U_{пор}^{кр}$$ - режим коммутации пакетов. Решение о выбранном режиме коммутации для поступающих сообщений с определенной длиной L при работе с конкретными типами сетей n и видами трафика m, а также с учетом текущего состояния распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы на локальном, региональном или глобальном уровнях ее иерархии сохраняется в массиве для набора статистических данных, обучения системы и дальнейшего использования на последующих этапах рассматриваемого способа гибридной коммутации при основных режимах работы устройства.

На шаге 14 осуществляется обеспечение выбранного режима коммутации. При этом для обеспечения режима коммутации каналов сообщение через информационный порт «Коммутация каналов» П5.10 поступает в тракт коммутации каналов, а для обеспечения режима коммутации пакетов поступает в тракт коммутации пакетов, где осуществляется разбиение сообщения на пакеты для дальнейшей передачи.

На шаге 15 осуществляется разбиение сообщения на пакеты в режиме коммутации пакетов и определение текущего значения занятого объема буфера памяти устройства сформированными пакетами с учетом резервирования объема адреса сети назначения (в режиме обучения системы при формировании информационных пакетов адреса сети назначения к пакетам не присоединяются, поскольку сообщения сформированного искусственного сетевого трафика не снабжены адресами сетей назначения, а предназначены лишь для набора статистики и обучения системы). Сформированные и пронумерованные информационные пакеты передаваемого сообщения через порт П5.11 направляются в тракт коммутации пакетов.

На шаге 16 осуществляется определение текущих значений занятых объемов буферов памяти ν_з(t) выходных каналов связи. Данное значение необходимо для корректировки порога переключения режима коммутации (см. шаг 12) и для определения весовых коэффициентов выходных каналов по их загрузке пакетами, находящимися в очереди на отправку.

На шаге «Окончание» осуществляется отключение первого этапа алгоритма, выключение генератора искусственного трафика и, подключение абонентов к информационным входам устройства через порты П2.1₁, П2.1₂, …, П2.1_w, …, П2.1_W.

Вторым этапом способа является выбор режима коммутации при обработке сообщений. При этом в фазе установления соединения с вызывающим абонентом принимают сообщения на обслуживание, запоминают их, по маске сети адресной части сообщений определяют адрес сети назначения и тип сети n, а по интенсивности поступления сообщений λ - вид поступающего трафика, измеряют длину поступивших на обслуживание сообщений L^mn, преобразуют измеренную длину L^mn в значение уровня напряжения U^mn, сравнивают его с соответствующим ему предварительно вычисленным и сохраненным на этапе обучения пороговым значением $$U_{пор}^{mn}$$ , при $$U^{mn}>U_{пор}^{mn}$$ выбирают режим «коммутации каналов» и устанавливают физическое соединение для передачи сообщения получателю, в противном случае, при $$U^{mn}<U_{пор}^{mn}$$ , сообщение L^mn разбивают на пакеты, каждый из которых снабжают адресной частью в их заголовках, выбирают режим «коммутации пакетов» и передают получателю по виртуальному соединению в режиме дейтограмм. Процедура формирования информационных пакетов из сообщения подробно описана, например, в [1].

Алгоритм способа гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы на втором этапе, при выборе режима коммутации обрабатываемых сообщений представлен на фиг.6. На ней представлены:

«Начало» - включение алгоритма, получение информации о составе, топологической структуре и связности сети из распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы;

шаг 1 - задание исходных данных по скорости трафика, величинам задержки, а также значениям r, n, m, µ, V, ν, ν_з(t), L_пак, $$P_{отк}^{доп}$$ , ;

шаг 2 - прием сообщений от абонентов на обслуживание, определение приоритетов в обслуживании;

шаг 3 - определение интенсивности поступления сообщений (заявок) на обслуживание λ;

шаг 4 - запись сообщения в общую память. Считывание адреса сети-назначения;

шаг 5 - измерение длины сообщения L;

шаг 6 - преобразование длины сообщения L в уровень напряжения U;

шаг 7 - вычисление коэффициента загрузки устройства $${\rho }_m^n=\lambda /\mu$$ для определенного вида трафика m и типа сети n;

шаг 8 - расчет критической длины сообщения $$L_{кр}=\frac{L_{пак}}{\ln \rho }\cdot \ln \frac{P_{отк}^{доп}}{[1-\rho (1-P_{отк}^{доп})]}$$ ;

шаг 9 - преобразование рассчитанного значения критической длины сообщения L_кр в значение уровня порогового напряжения U_пор;

шаг 10 - определение класса сети-адресата: A, B, C;

шаг 11 - сохранение результатов расчетов, например, запись значений коэффициента загрузки устройства, критической длины сообщения и соответствующей ей уровня порогового напряжения в массив;

шаг 12 - корректировка порога переключения режима коммутации в зависимости от загрузки устройства и узлов коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы L_пор=L_кр[1-ν_з(t)/ν]+β[∂ν_з(t)/∂t] и преобразование L_пор в $$U_{пор}^{кр}$$ ;

шаг 13 - идентификация (выбор) режима коммутации сообщений: при $$U>U_{пор}^{кр}$$ - включение режима коммутации каналов, при $$U<U_{пор}^{кр}$$ - включение режима коммутации пакетов. Набор статистики в массиве данных о соответствии коэффициента загрузки устройства и текущих значений занятых объемов памяти системы выбранному режиму коммутации;

шаг 14 - обеспечение выбранного режима коммутации (отправка сообщения в тракт коммутации каналов или в тракт коммутации пакетов);

шаг 15 - разбиение сообщения на пакеты в режиме коммутации пакетов, Снабжение пакетов адресной частью. Определение текущего значения занятого объема буфера памяти устройства сформированными пакетами;

шаг 16 - определение текущих значений занятых объемов буферов памяти ν_з(t) выходных каналов связи (количество пакетов, находящихся в очереди на отправку в каждый выходной канал связи) и определение весовых коэффициентов выходных каналов по их загрузке;

«Окончание» - передача сообщения в каналы связи в режиме коммутации каналов или коммутации пакетов.

Поскольку рассматриваемый алгоритм является распределенным, то выполнение данных его шагов происходит во всех блоках предлагаемого устройства, для чего на фиг.6 приведены порты, через которые осуществляется взаимодействие блоков алгоритма (см. также фиг.1-4):

П2.1₁, П.2.1₂, …, П2.1_w, …, П2.1_W - порты группы информационных входов «Абоненты»;

П2.3 - порт управляющего входа «Трафик» между блоком обработки запросов 2 и блоком управления узлом коммутации 4;

П2.4 - порт управляющего входа «Длина сообщения» между блоком обработки запросов 2 и блоком управления узлом коммутации 4;

П2.5 - порт управляющего входа «Адрес» между блоком обработки запросов 2 и блоком управления узлом коммутации 4;

П2.7 - порт управляющего входа «Уровень напряжения» между блоком обработки запросов 2 и блоком коммутации 5;

П2.8 - порт информационного входа «Сообщение» между блоком обработки запросов 2 и блоком коммутации 5;

П4.1₁, П4.1₂, …, П4.1_k, …, П4.1_K - порты группы управляющих входов-выходов «Общесетевые каналы сигнализации» между блоком управления узлом коммутации 4, блоком адаптивной маршрутизации 3 и распределенной многоуровневой телекоммуникационной системой 1 по K уровням сетевой иерархии;

П4.2 - порт управляющего выхода «Приоритет» между блоком управления узлом коммутации 4 и блоком обработки запросов 2;

П4.6А, П4.6B, П4.6С - порты группы управляющих выходов «Сеть адресата» по основным типам (классам) сетей (А, В, С) между блоком управления узлом коммутации 4 и блоком коммутации 5;

П4.7 - порт управляющего выхода «Коэффициент загрузки» между блоком управления узлом коммутации 4 и блоком коммутации 5;

П4.8 - порт управляющего выхода «Уровень порога» между блоком управления узлом коммутации 4 и блоком коммутации 5;

П4.9 - порт группы управляющих входов-выходов «Занятый объем памяти А, В, С» между блоком управления узлом коммутации 4 и блоком коммутации 5;

П4.10 - порт управляющего выхода «Установка нуля» между блоком управления узлом коммутации 4 и блоком коммутации 5;

П4.12 - порт управляющего входа «Занятый объем памяти В» между блоком адаптивной маршрутизации 3 и блоком управления узлом коммутации 4;

П5.10 - порт информационного выхода «Коммутация каналов» между блоком коммутации 5 и блоком адаптивной маршрутизации 3;

П5.11 - порт информационного выхода «Коммутация пакетов» между блоком коммутации 5 и блоком адаптивной маршрутизации 3.

Последовательность работы второго этапа алгоритма предлагаемого способа гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы при выборе режима коммутации сообщений (в соответствие с фиг.2-4) заключается в следующем.

На шаге «Начало» в исходном состоянии из распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы 1 в режиме реального времени по общесетевым каналам сигнализации через порты П4.1, П4.1₂, …, П4.1_k, …, П4.1_K - от каждого из K доступных узлов коммутации звеньев иерархии системы в блок задания исходных данных (шаг 1) блока управления узлом коммутации поступает информация о состоянии загрузки сетей распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы, а также данные с действующими в них таблицами маршрутизации.

На шаге 1 второго этапа алгоритма информация, поступившая на предшествующем шаге через порты П4.1₁, П4.1₂, …, П4.1_k, …, П4.1_K обрабатывается для установления исходных данных по значениям параметров и характеристикам сети таким как: общее число узлов сети - r, с которыми взаимодействует устройство, а соответственно и количество ветвей, в которые может быть направлено сообщение; типы сетей - n в распределенной многоуровневой телекоммуникационной системе; виды трафика - m (данные, видео, речь…), курсирующего на сетях и требования к нему по вероятностно-временным характеристикам в виде допустимой вероятности отказов $$P_{отк}^{доп}$$ и минимальной временной задержки $$T_{зад}^{\min }$$ к передаваемым сообщениям (пакетам); заданная интенсивность обслуживания поступающих сообщений - µ коммутационными приборами блока коммутации; назначенные априорно весовые коэффициенты ветвей связи, например, в единицах пропускной способности, времени задержки сообщения или вероятности отказа не хуже требуемого; объем памяти буферных устройств - ν (измеряется в количестве пакетов) и его текущие значения занятости от корреспондирующих с устройством узлов коммутации системы, а также текущие значения занятости объема собственного буфера выходных каналов связи; предварительно установленное пороговое значение длины сообщения - L_пор; длины пакетов для различных сетей - L_пак (например, для сетей ATM - 53 байта) и др. исходные данные. Сформированные исходные данные используются в дальнейшем при вычислении коэффициента загрузки устройства (шаг 7 алгоритма, см фиг.6), расчете критической длины сообщения (шаг 8), корректировке порога переключения режима коммутации (шаг 12) и идентификации режима коммутации (шаг 13). Здесь же через порт П4.2 по управляющему выходу «Приоритет» включается этап выбора режима коммутации и информация об установленных приоритетах обслуживаемых абонентов и сообщений подается в блок обработки запросов (для реализации шага 2).

На шаге 2 по команде через порт П4.2 о включении второго этапа алгоритма предлагаемого способа открываются входные порты абонентов П2.1₁, П2.1₂, …, П2.1_w, …, П2.1_W и с группы информационных входов «Абоненты» сообщения поступают на вход устройства, где ранжируются по приоритетам для последующего обслуживания.

На шаге 3 происходит определение интенсивности λ поступления на обслуживание отранжированных на предыдущем этапе сообщений (заявок) и подача данного значения на порт П2.3.

На шаге 4 принятое на обслуживание сообщение записывается в общую память и подается на коммутацию на порт П2.8. Параллельно с этим происходит считывание информации об адресе сети-назначения обслуживаемого сообщения (IP-адреса) и подача ее на порт П2.5.

На шаге 5 производится измерение длины принятого сообщения L и подача измеренного значения на порт П2.4.

На шаге 6 значение длины сообщения L преобразуется в уровень напряжения U который направляется на порт П2.7.

На шаге 7 по значению интенсивности поступления сообщения на обслуживание X, полученному через порт П2.3 и значению интенсивности обслуживания сообщений - µ, заданному на этапе проектирования коммутационных приборов устройства и сохраненному на первом шаге алгоритма, осуществляется вычисление коэффициента загрузки устройства ρ по выражению ρ=λ/µ и отправка данного значения на последующий шаг и на порт П4.7.

На шаге 8 происходит расчет критической длины сообщения L_кр, влияющей на установление порога переключения режимов коммутации. Пример расчета критической длины сообщения подробно приведен в приложении 1. Для проведения данного расчета на шаге 8 используются: сведения о длине сообщения принятого на обслуживание L, поступающие через порт П2.4; сведения о допустимом значении вероятности отказов $$P_{отк}^{доп}$$ для конкретных типов сетей и видов трафика, об установленных (в соответствие с международными стандартами) длинах пакетов L_пак для конкретных типов сетей и видов трафика, сохраненные на первом шаге алгоритма; расчетное значение коэффициента загрузки устройства, полученное на предыдущем шаге.

На шаге 9 осуществляется преобразование рассчитанного значения критической длины сообщения L_кр в значение уровня порогового напряжения U_пор и отправка данного значения на порт П4.8.

На шаге 10 поступивший через порт П2.5 IP-адрес сети-назначения классифицируется по основным типам (классам) сетей (А, В, С): адреса сетей класса А - глобальных сетей (маска подсети 255.0.0.0), класса В - региональных сетей (маска подсети 255.255.0.0), класса С - локальных сетей (маска подсети 255.255.255.0). Информация о принадлежности сообщения тому или иному классу сети поступает на порты П4.6A, П4.6B или П4.6С группы управляющих выходов «Сеть адресата».

На шаге 11 значения уровней порога U_пор из порта П4.8, а также соответствующие им значения коэффициентов загрузки устройства ρ, получаемые от порта П4.7 сохраняются (статистически накапливаются), например, записываются в массив памяти для использования при обучении системы.

На шаге 12 алгоритма происходит корректировка порога переключения режима коммутации с учетом текущей загрузки устройства и узлов коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы в соответствие с выражением L_пор=L_кр[1-ν_з(t)/ν]+β[∂ν_з(t)/∂t]. При этом информация о исходном значении объема буфера памяти ν устройства задается в исходных данных на первом шаге алгоритма, а текущие значениях занятых объемов памяти узлов коммутации ν_з(t), сопряженных с устройством по общесетевым каналам сигнализации поступает в расчетный блок алгоритма через порты П4.1₁, П4.1₂, …, П4.1_k, …, П4.1_K также на первом шаге алгоритма и далее через порт П4.9_А (учет текущей загрузки системы на глобальном уровне иерархии), или через порт П4.9_В и П4.12 (текущее значение объема памяти выходных каналов связи, сопряженных с узлами коммутации регионального уровня иерархии распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы), или от буфера памяти устройства (текущее значение объема буфера памяти устройства на локальном уровне). Причем, для сообщений, адрес сети-назначения которых принадлежит к классу А (глобальные сети) при корректировке порога переключения режима коммутации в качестве текущего значения занятого объема буферов памяти ν_з(t) (см. выражения (П.1.1) из приложения 1) используется наибольшее значение данного показателя из всех поступивших значений, что обеспечивает учет критического состояния любого из участков маршрута (начального, транзитного или конечного) доставки сообщения (наихудшего в смысле текущего состояния). Для сообщений, адрес сети-назначения которых принадлежит к классу В (региональные сети) при корректировке порога переключения режима коммутации в качестве текущего значения занятого объема буферов памяти ν_з(t) (см. выражения (П.1.1) из приложения 1) используется наибольшее значение данного показателя из поступивших значений от устройств локального и регионального уровня иерархии сети, что обеспечивает учет критического состояния начального или конечного участка доставки сообщения (наихудшего в смысле текущего состояния). Для рассылки сообщений внутри локальной сети (сеть-адресата класса С) в качестве текущего значения занятого объема буферов памяти ν_з(t) используются данные о загрузке собственного буфера устройства. Это необходимо для обеспечения своевременного перехода от режима коммутации пакетов к режиму коммутации каналов, не приводя систему к блокировке (для обеспечения адаптации устройства к текущему состоянию системы). Полученное значение пороговой длины сообщения L_пор преобразуется в уровень U_пор порогового напряжения в соответствие с выражением П.2.1, приведенном в приложении 2.

На шаге 13 скорректированный в соответствии с текущим состоянием системы в реальном масштабе времени порог переключения режимов коммутации сравнивается с поступившим ранее через порт П2.7 значением уровня напряжения U, соответствующим длине поступившего на обслуживание сообщения L. Для согласования поступившего на обслуживание сообщения процессу расчета загрузки устройства, вычислению критической длины сообщения L_кр, поступившего на обслуживание, корректировки порога переключения режима коммутации, классификации сети-назначения обслуживаемого сообщения и осуществлению выбора режима коммутации в реальном масштабе времени соответствующие шаги алгоритма 7, 8, 12, и 13 синхронизируются от шага 1 алгоритма (для шага 13, например, путем подачи команды «Установка нуля» через порт П4.10). По результатам сравнения осуществляется выбор режима коммутации: при $$U>U_{пор}^{кр}$$ - выбирается режим коммутации каналов, при $$U<U_{пор}^{кр}$$ - режим коммутации пакетов. Решение о выбранном режиме коммутации для поступающих сообщений с определенной длиной L при работе с конкретными типами сетей n и видами трафика m, а также с учетом текущего состояния распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы на локальном, региональном или глобальном уровнях ее иерархии сохраняется в массиве (шаг 11) для набора статистических данных, обучения системы и дальнейшего использования на последующих этапах рассматриваемого способа гибридной коммутации при основных режимах работы устройства.

На шаге 14 осуществляется обеспечение выбранного режима коммутации. При этом для обеспечения режима коммутации каналов сообщение, поступающее через информационный порт П2.8 коммутируется на информационный порт «Коммутация каналов» П5.10 и поступает в тракт коммутации каналов, а для обеспечения режима коммутации пакетов поступает в тракт коммутации пакетов.

На шаге 15 осуществляется разбиение сообщения на пакеты в режиме коммутации пакетов, снабжение каждого пакета адресной частью и определение текущего значения занятого сформированными пакетами объема буфера памяти устройства. Сформированные и пронумерованные информационные пакеты передаваемого сообщения через порт П5.11 направляются в тракт коммутации пакетов.

На шаге 16 осуществляется определение текущих значений занятых объемов буферов памяти ν_з(t) выходных каналов связи. Данное значение необходимо для корректировки порога переключения режима коммутации (см. шаг 12) и для передачи по общесетевым каналам сигнализации в взаимодействующие узлы коммутации распределенной телекоммуникационной системы, а также для определения весовых коэффициентов выходных каналов по их загрузке пакетами, находящимися в очереди на отправку.

На шаге «Окончание» осуществляется рассылка обрабатываемых сообщений в адреса получателей через подключенные к устройству каналы связи в режиме коммутации каналов либо коммутации пакетов.

Третьим этапом способа является обеспечение локальной, децентрализованной или централизованной адаптивной маршрутизации. При этом для установления физического соединения и дейтограммного режима, путем опроса соседних, региональных и центрального узлов коммутации определяют состав, топологическую структуру и связность распределенной телекоммуникационной системы, в результате чего назначают исходную таблицу маршрутизации доставки сообщений к ее узлам, проверяют текущую доступность каналов связи, при этом измеряют занятый объем буферов памяти на входе в каждый канал и формируют локальный адаптивный маршрут, для чего используют информацию исходной таблицы маршрутизации, определяющую все доступные направления передачи пакетов, корректируют ее на основании данных о доступности выходных каналов связи и длинах очередей пакетов, ожидающих передачи в каналы связи, формируют децентрализованный адаптивный маршрут, для чего принимают по общесетевым каналам сигнализации от соседних узлов коммутации таблицы маршрутов ко всем узлам назначения, с указанием маршрутов с минимальным временем задержки пакетов и длинами очередей пакетов в этих узлах, на основании чего корректируют исходную таблицу маршрутизации по данным из полученных таблиц маршрутов и информации о доступности выходных каналов связи, а также о длинах очередей пакетов, ожидающих передачи в каналы связи, формируют централизованный адаптивный маршрут, для чего вычисляют текущие весовые коэффициенты доступных к получателю сообщения ветвей с входящими в них каналами связи, сравнивают полученные значения весовых коэффициентов по всем доступным ветвям, ранжируют их в порядке убывания, выбирают маршруты с максимальными значениями весовых коэффициентов, лежащих на них ветвей, запрашивают информацию о маршруте доставки пакетов до сети-адресата из распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы и на основании полученной информации, данных о доступности выходных каналов связи и значениям весовых коэффициентов ветвей корректируют исходную таблицу маршрутизации, с которой сравнивают адресную часть передаваемого сообщения, выбирают маршрут передачи сообщения, при этом для обеспечения физического соединения используют маршрут с максимальным значением весового коэффициента, а для обеспечения дейтограммного режима рассылки пакетов назначают маршруты, по которым проходят ветви с весовыми коэффициентами из построенного ранжированного ряда, измененные маршруты запоминают.

Алгоритм способа гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы на этапе обеспечения локальной, децентрализованной или централизованной адаптивной маршрутизации представлен на фиг.7. На ней представлены:

«Начало» - включение алгоритма, получение информации о составе, топологической структуре и связности сети из распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы;

шаг 1 - задание исходных данных по скорости трафика, величинам задержки, а также значениям r, n, m, µ, V, ν, ν_з(t), L_пак, $$P_{отк}^{доп}$$ , $$T_{зад}^{\min }$$ ;

шаг 2 - прием сообщений от абонентов на обслуживание, определение приоритетов в обслуживании;

шаг 3 - определение интенсивности поступления сообщений (заявок) на обслуживание λ;

шаг 4 - запись сообщения в общую память. Считывание адреса сети-назначения;

шаг 5 - измерение длины сообщения L;

шаг 6 - преобразование длины сообщения L в уровень напряжения U;

шаг 7 - вычисление коэффициента загрузки устройства $${\rho }_m^n=\lambda /\mu$$ для определенного вида трафика m и типа сети n;

шаг 8 - расчет критической длины сообщения $$L_{кр}=\frac{L_{пак}}{\ln \rho }\cdot \ln \frac{P_{отк}^{доп}}{[1-\rho (1-P_{отк}^{доп})]}$$ ;

шаг 9 - преобразование рассчитанного значения критической длины сообщения L_кр в значение уровня порогового напряжения U_пор;

шаг 10 - определение класса сети-адресата: А, В, С;

шаг 11 - сохранение результатов расчетов, например, запись значений коэффициента загрузки устройства, критической длины сообщения и соответствующей ей уровня порогового напряжения в массив;

шаг 12 - корректировка порога переключения режима коммутации в зависимости от загрузки устройства и узлов коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы L_пор=L_кр[1-ν_з(t)/ν]+β[∂ν_з(t)/∂t] и преобразование L_пор в $$U_{пор}^{кр}$$ ;

шаг 13 - идентификация (выбор) режима коммутации сообщений: при $$U>U_{пор}^{кр}$$ - включение режима коммутации каналов, при $$U<U_{пор}^{кр}$$ - включение режима коммутации пакетов. Набор статистики в массиве данных о соответствии коэффициента загрузки устройства и текущих значений занятых объемов памяти системы выбранному режиму коммутации;

шаг 14 - обеспечение выбранного режима коммутации (отправка сообщения в тракт коммутации каналов или в тракт коммутации пакетов);

шаг 15 - разбиение сообщения на пакеты в режиме коммутации пакетов. Снабжение пакетов адресной частью. Определение текущего значения занятого сформированными пакетами объема буфера памяти устройства;

шаг 16 - проверка доступности сетей-адресатов;

шаг 17 - обеспечение локальной маршрутизации;

шаг 18 - обеспечение децентрализованной маршрутизации;

шаг 19 - обеспечение централизованной маршрутизации;

шаг 20 - корректировка таблицы маршрутов в зависимости от состояния сети и каналов связи;

шаг 21 - осуществление адаптивной маршрутизации;

шаг 22 - определение текущих значений занятых объемов буферов памяти ν_з(t) выходных каналов связи (количество пакетов, находящихся в очереди на отправку в каждый выходной канал связи) и определение весовых коэффициентов выходных каналов по их загрузке;

«Окончание» - передача сообщения в каналы связи в режиме коммутации каналов или коммутации пакетов с обеспечением адаптивной маршрутизации. Завершение алгоритма предлагаемого способа.

Поскольку рассматриваемый алгоритм является распределенным, то выполнение данных его шагов происходит во всех блоках предлагаемого устройства, для чего на фиг.6 приведены порты, через которые осуществляется взаимодействие блоков алгоритма (см. также фиг.1-4):

П2.1₁, П2.1₂, …, П2.1_w, …, П2.1_W - порты группы информационных входов «Абоненты»;

П2.3 - порт управляющего входа «Трафик» между блоком обработки запросов 2 и блоком управления узлом коммутации 4;

П2.4 - порт управляющего входа «Длина сообщения» между блоком обработки запросов 2 и блоком управления узлом коммутации 4;

П2.5 - порт управляющего входа «Адрес» между блоком обработки запросов 2 и блоком управления узлом коммутации 4;

П2.7 - порт управляющего входа «Уровень напряжения» между блоком обработки запросов 2 и блоком коммутации 5;

П2.8 - порт информационного входа «Сообщение» между блоком обработки запросов 2 и блоком коммутации 5;

П4.1₁, П4.1₂, …, П4.1_k, …, П4.1_K - порты группы управляющих входов-выходов «Общесетевые каналы сигнализации» между блоком управления узлом коммутации 4, блоком адаптивной маршрутизации 3 и распределенной многоуровневой телекоммуникационной системой 1 по К уровням сетевой иерархии;

П4.2 - порт управляющего выхода «Приоритет» между блоком управления узлом коммутации 4 и блоком обработки запросов 2;

П4.6A, П4.6B, П4.6С - порты группы управляющих выходов «Сеть адресата» по основным типам (классам) сетей (А, В, С) между блоком управления узлом коммутации 4 и блоком коммутации 5;

П4.7 - порт управляющего выхода «Коэффициент загрузки» между блоком управления узлом коммутации 4 и блоком коммутации 5;

П4.8 - порт управляющего выхода «Уровень порога» между блоком управления узлом коммутации 4 и блоком коммутации 5;

П4.9 - порт группы управляющих входов-выходов «Занятый объем памяти А, В, С» между блоком управления узлом коммутации 4 и блоком коммутации 5;

П4.10 - порт управляющего выхода «Установка нуля» между блоком управления узлом коммутации 4 и блоком коммутации 5;

П4.12 - порт управляющего входа «Занятый объем памяти В» между блоком адаптивной маршрутизации 3 и блоком управления узлом коммутации 4;

П4.13 - порт управляющего выхода «Таблица маршрутов» между блоком управления узлом коммутации 4 и блоком адаптивной маршрутизации 3;

П5.10 - порт информационного выхода «Коммутация каналов» между блоком коммутации 5 и блоком адаптивной маршрутизации 3;

П5.11 - порт информационного выхода «Коммутация пакетов» между блоком коммутации 5 и блоком адаптивной маршрутизации 3;

П5.12 - порт группы управляющих выходов «Сеть адресата» между блоком коммутации 5 и блоком адаптивной маршрутизации 3.

Последовательность работы третьего этапа алгоритма предлагаемого способа гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы при обеспечении локальной, децентрализованной или централизованной адаптивной маршрутизации (в соответствие с фиг.2-4) фактически реализован в блоке адаптивной маршрутизации и опирается на последовательность действий, осуществляемых в ходе реализации второго этапа способа. Не описывая аналогичные действия по выбору режима коммутации сообщения, осуществленные в ходе второго этапа алгоритма способа, продолжим описание последующих действий третьего этапа. Итак, после шага 14 осуществляется обеспечение выбранного режима коммутации. При этом для обеспечения режима коммутации каналов сообщение, поступающее через информационный порт П2.8 коммутируется на информационный порт «Коммутация каналов» П5.10 и поступает в тракт коммутации каналов, а для обеспечения режима коммутации пакетов на шаге 15 осуществляется разбиение сообщения на пакеты в режиме коммутации пакетов, снабжение каждого пакета адресной частью и определение текущего значения занятого объема буфера памяти устройства сформированными пакетами. Сформированные и пронумерованные информационные пакеты передаваемого сообщения через порт П5.11 направляются в тракт коммутации пакетов.

На шаге 16 (см. фиг.7) осуществляется проверка доступности сетей-адресатов, для чего по общесетевым каналам сигнализации через порты П4.1₁, П4.1₂, …, П4.1_k, …, П4.1_K осуществляется прием служебной информации о загрузке буферов памяти корреспондирующих узлов коммутации распределенной телекоммуникационной системы на всех уровнях сетевой иерархии. Данная информация необходима в дальнейшем для обеспечения локальной, децентрализованной или централизованной маршрутизации.

На шаге 17, шаге 18, шаге 19 одновременно с выполнением шага 16 анализируется адрес получателя сообщения для определения маршрута его передачи. В случае принадлежности IP-адреса сети-получателя сообщения к классу С (локальная сеть), что определяется на шаге 10, а также в случае доступности узла адресата, что определяется на шаге 16, IP-адрес через порты П4.6_C и П5.12_C поступает далее для разрешения передачи сообщения с порта П5.10 (или П5.11 - в режиме коммутации пакетов) по заданному для данного адреса маршруту (шаг 17). В случае принадлежности IP-адреса сети-получателя сообщения к классу В (региональная сеть), а также в случае доступности данного узла адресата региональной сети, IP-адрес через порты П4.6_B и П5.12_B также поступает далее для разрешения передачи сообщения с порта П5.10 (или П5.11 - в режиме коммутации пакетов) по заданному для данного адреса маршруту в региональную сеть (шаг 18). В случае принадлежности IP-адреса сети-получателя сообщения к классу А (глобальная сеть), а также в случае доступности данного узла адресата глобальной сети, IP-адрес через порты П4.6_A и П5.12_A также поступает далее для разрешения передачи сообщения с порта П5.10 (или П5.11 - в режиме коммутации пакетов) по заданному для данного адреса маршруту в глобальную сеть (шаг 19).

На шаге 20 осуществляется корректировка таблицы маршрутов. При этом в качестве исходной таблицы используется таблица маршрутизации, заданная на шаге 1 и поступившая на корректировку через порт П4.13. Корректировка маршрутов доставки сообщений в режиме коммутации каналов (или их пакетов - в режиме коммутации пакетов) происходит в зависимости от состояния распределенной телекоммуникационной системы на каждом уровне сетевой иерархии, а также в зависимости от состояния каналов связи, которое определяется в ходе проверки доступности сетей-адресатов на шаге 16.

На шаге 21 происходит непосредственное осуществление адаптивной маршрутизации, распределение сообщений и информационных пакетов по буферам каналов связи (с учетом маршрутов) в соответствие с обновленной (скорректированной) таблицей маршрутизации. При этом маршрут прохождения сообщения (информационного пакета) закладывается в служебную часть заголовка сообщения (пакета).

На шаге 22 через информационные порты П4.1₁, П4.1₂, …, П4.1_k, …, П4.1_K осуществляется отправка сообщения в сеть по сформированному физическому каналу, либо информационных пакетов в дейтаграммном режиме по виртуальным путям в адрес получателя сообщения. Также на данном шаге осуществляется определение занятости буферов выходных каналов связи и их веса, например, по скорости передачи, пропускной способности, надежности и пр. Данная информация в последующем используется для корректировки порога переключения режима коммутации на шаге 12 через порты П4.12 и П4.9_В, а также для передачи по общесетевым каналам сигнализации в корреспондирующие узлы коммутации распределенной телекоммуникационной системы.

На шаге «Окончание» осуществляется завершение работы алгоритма предлагаемого способа.

Пример расчета критической длины $$L_{кр}^{mn}$$ сообщения для формирования критические значения уровней порога $$U_{пор}^{mn}$$ представлен в приложении 1.

Пример осуществления способа гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы представлен в приложении 2.

Оценка эффективности способа гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы представлена в приложении 3.

Заявленное устройство гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы, показанное на фиг.1 состоит:

из распределенной телекоммуникационной системы 1, имеющую многоуровневую иерархическую сетевую структуру с выходом в глобальную сеть;

блока обработки запросов 2, осуществляющего сопряжение входящих линий абонентов с устройством. Блок обработки запросов может иметь различную структуру, например, такую как представлено на фиг.2 и должен выполнять функции по приему сообщений, определению приоритетов, определению интенсивности входящего трафика, записи сообщения в общую память, измерения длины сообщения и преобразования длины сообщения в уровень напряжения;

блока адаптивной маршрутизации 3, осуществляющего сопряжение устройства с каналами связи для организации виртуального канала или виртуального пути с возможностями обеспечения локальной, децентрализованной и централизованной адаптивной маршрутизации. Блок адаптивной маршрутизации может иметь различную структуру, например, такую как представлено на фиг.3 и должен выполнять функции по определению занятости буферов выходных каналов связи и их веса, проверке доступности сетей-адресатов, осуществлении адаптивной маршрутизации, корректировке таблицы маршрутов в зависимости от состояния сети и каналов связи, включению режимов локальной, децентрализованной или централизованной адаптивной маршрутизации;

блока управления узлом коммутации 4, служащего для управления и контроля соединения исходящих и входящих линий, выполняющего функции управления устройством, а также функции по вычислениям, логике и другие, связанные с учетом и контролем текущего его состояния. Блок управления узлом коммутации может иметь различную структуру, например, такую как показано на фиг.4 и должен выполнять функции по взаимодействию с распределенной телекоммуникационной системой, вычислению коэффициента загрузки устройства, расчету критической длины сообщения, преобразованию критической длины сообщения в уровень порога и определению класса сети-адресата;

блока коммутации 5, предназначенного для осуществления выбора режима коммутации «Коммутации каналов» или «Коммутации пакетов» для передачи сообщений на основе обучения системы, анализа длины передаваемого сообщения и состояния системы на локальном, региональном (городском), …, или глобальном уровнях сетевой иерархии. Подробнее структура блока коммутации будет представлена ниже;

Такая структура устройства гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системой позволяет осуществлять обучение системы, гибридную коммутацию цифровых каналов связи и адаптивную маршрутизацию передаваемых сообщений.

При этом распределенная многоуровневая телекоммуникационная система включает на каждом уровне совокупность узлов коммутации, каждый из узлов коммутации включает блок обработки запросов, w≥2 информационных входов которого являются входами «Абоненты», группа информационных входов/выходов «В(из) каналы(ов) связи» блока адаптивной маршрутизации подключена к узлам коммутации соответствующих уровней распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы, блок коммутации, управляющий вход «Уровень напряжения» и информационный выход «Обучение» которого подключены к одноименным управляющему выходу и информационному входу блока обработки запросов, управляющие выходы «Адрес», «Длина сообщения», «Трафик» и управляющий вход «Приоритет» блока обработки запросов подключены к одноименным управляющим входам и управляющему выходу блока управления узлом коммутации, управляющий выход «Таблица маршрутов» и управляющий вход «Занятый объем памяти В» которого подключены к одноименным управляющему входу и управляющему выходу блока адаптивной маршрутизации, группа управляющих выходов «Сеть адресата А, В, С», управляющий выход «Коэффициент загрузки», управляющий выход «Уровень порога», группа управляющих входов/выходов «Занятый объем памяти А, В, С», управляющий выход «Установка нуля» и управляющие выходы «Режим обучения» блока управления узлом коммутации подключены к одноименным управляющим входам блока коммутации, информационный вход «Сообщение» которого соединен с одноименным информационным выходом блока обработки запросов, а группа управляющих выходов «Сеть адресата А, В, С» и информационные выходы «Коммутация каналов» и «Коммутация пакетов» подключены к одноименным группе управляющих входов и информационным входам блока адаптивной маршрутизации, группа управляющих входов/выходов «Общесетевые каналы сигнализации» блока управления узлом коммутации подключены к соответствующим узлам коммутации распределенной k-уровневой телекоммуникационной системы, где k=1, 2, … K, K - общее число уровней, имеющую на первом уровне вход и выход в глобальную сеть.

Заявленное устройство гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы работает в трех режимах:

режим обучения;

режим коммутации;

режим маршрутизации.

Режим обучения может включаться заблаговременно на этапе проведения пуско-наладочных работ, или в ходе эксплуатации при отсутствии реального трафика (также при проведении специальных тренировок). Данный режим фактически реализует этап обучения системы, описанный выше при рассмотрении алгоритма способа гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы. При этом блок управления узлом коммутации 4 устройства через группу управляющих входов-выходов «Общесетевые каналы сигнализации» (порты П4.1₁, П4.1₂, …, П4.1_k, …, П4.1_K), а также через управляющий вход «Занятый объем памяти B» (порт П4.12) и управляющий вход «Занятый объем памяти С» (порт П4.9_C) постоянно контролирует состояние распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы, загрузку буферов выходных каналов связи блока адаптивной маршрутизации 3 и загрузку буфера памяти блока коммутации 5. При настройке устройства гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы, а также в отсутствии реального трафика для передачи сообщений блок управления узлом коммутации 4 через группу управляющих входов «Режим обучения» (управляющий вход «Включение») включает режим обучения, при котором генератором искусственного трафика блока коммутации 5 моделируются различные режимы нагрузки системы, необходимые в процессе обучения и настройки устройства. При этом для основных типов сетей формируют последовательности сообщений, характерные различным видам сетевого трафика (данные, звук, видео и др.), поступающие по информационному выходу «Обучение» в блок обработки запросов вместо нагрузки пользователей (абонентов). В результате проведения методом статистических испытаний набирают статистику для различных видов трафика m и типов сетей n в определении критической длины сообщения $$L_{кр}^{mn}$$ , влияющей на величину соответствующего ей порогу напряжения $$U_{пор}^{mn}$$ для переключения режимов коммутации. Физический смысл критической длины сообщения заключается в выборе такой длины сообщения, которая при заданном виде трафика не вызывает роста таких показателей как загрузки объема буферов памяти, среднего времени задержки сообщений и вероятности отказа в обслуживании сообщения, обеспечивая оптимальное значение коэффициента загрузки сети и максимальное значение пропускной способности каналов связи (см. приложение 3). При увеличении среднего времени задержки сообщений и вероятности отказа в обслуживании сообщения (система близка к блокировке) устройство должно изменить режим коммутации пакетов на режим коммутации каналов. И, наоборот, при снижении данных показателей (сеть недогружена), режим коммутации каналов изменяется на режим коммутации пакетов. Массив статистических данных, полученных при моделировании различных типов сетей n и видов сетевого трафика m, сохраняют в массиве памяти для последующего использования при включении основных режимов работы устройства.

Более подробно режим обучения приведен в описании работы заявленного генератора искусственного трафика (см. далее описание работы по фиг.12) с построением временных диаграмм режима (см. фиг.13).

Режим коммутации для заявленного устройства является основным режимом работы и фактически реализует второй этап предложенного способа гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы, описанный выше, при выборе режима коммутации. В начале данного режима происходит отключение генератора искусственного трафика от блока обработки запросов и подключение абонентов к устройству. При этом блок обработки запросов 2 является частью системы, осуществляющей процедуру доступа абонентских комплексов к распределенной многоуровневой телекоммуникационной системе 1. Блок управления узлом коммутации 4 управляет процессами записи (считывания) информации в память блока коммутации 5, регистрирует адрес, и длину сообщения, определяет направление передачи сообщения, а также располагает информацией о состоянии распределенной многоуровневой системы, каналов связи выходных трактов и буферов памяти устройства. Блок адаптивной маршрутизации 3 решает задачи адресации и адаптивной маршрутизации сообщений. Блок управления узлом коммутации 4 и блок адаптивной маршрутизации 3 могут взаимодействовать по сети с соседними узлами коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы 1 либо с ее общим центром маршрутизации посредством группы управляющих входов-выходов «Общесетевые каналы сигнализации». Данная информация из блока управления узлом коммутации 4 посредством групп управляющих выходов «Занятый объем памяти» и «Сеть адресата» поступает в блок коммутации 5 для анализа и принятия решения на включение режимов коммутации каналов или коммутации пакетов.

Более подробно режим коммутации приведен в описании работы заявленного блока коммутации (см. далее описание работы по фиг.8-11) и в примере реализации схемы (см. приложения 1 и 2).

Режим маршрутизации для заявленного устройства является логическим продолжением режима коммутации при обработке сообщений в устройстве и их последующей передачи в сеть. Он реализует описанный выше третий этап заявленного способа гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы по обеспечению локальной, децентрализованной или централизованной адаптивной маршрутизации. Данный режим реализуется в блоке адаптивной маршрутизации 3 устройства. Для формирования виртуальных путей (в режиме коммутации пакетов) и виртуальных каналов (в режиме коммутации каналов) используется информация о состоянии узлов коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы 1, а также информация о состоянии каналов связи выходных трактов и загрузке собственных буферов памяти устройства. Данная информация, поступающая соответственно через группу управляющих входов-выходов «Общесетевые каналы сигнализации», управляющий вход «Занятый объем памяти В» в блок управления узлом коммутации 4 и далее в блоком коммутации 5 через группы управляющих выходов «Занятый объем памяти» и «Сеть адресата». При этом в блоке коммутации происходит формирование заголовков пакетов, размещение пакетов в выделенной части буфера памяти и пересылка адреса буфера в адресный регистр блока адаптивной маршрутизации 3, обрабатывающего выходящие линии «В(из) каналы(ов) связи». Фактически, в блоке коммутации 5 реализована локальная адаптивная маршрутизация, поскольку информация, необходимая для принятия решения о направлении передачи, представляет собой: заранее загруженные таблицы маршрутизации; сведения о текущем состоянии выходных трактов; данные очередей пакетов, ожидающих передачи по каждому из каналов. Однако, используя группу управляющих входов-выходов «В(из) каналы(ов) связи», сопряженную с группой управляющих входов-выходов «Общесетевые каналы сигнализации» устройства, блок адаптивной маршрутизации 3 реализует децентрализованную (при наличии информации от соседних узлов коммутации) или централизованную адаптивную маршрутизацию (при наличии информации от общего центра маршрутизации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы). В аналогичных устройствах гибридной коммутации транзитных узлов и узла назначения распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы также выделяется необходимый объем буферной памяти для каждого виртуального соединения под пересылку или сборку сообщения соответственно.

Оценка эффективности устройства гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы представлена в приложении 4.

Заявленный блок коммутации 5, функциональная схема которого приведена на фиг.8, предназначен для осуществления выбора режима коммутации «Коммутация каналов» или «Коммутация пакетов» для передачи сообщений на основе обучения системы, анализа длины передаваемого сообщения и состояния системы на локальном, региональном (городском), …, или глобальном уровнях сетевой иерархии. При этом он включает в свой состав (см. фиг.8):

генератор искусственного трафика 5.1 (ГИТ), предназначенный для формирования в режиме обучения для основных типов сетей различных видов современного сетевого трафика.

массив памяти 5.2, предназначенный для набора статистических данных об уровнях порога переключения режимов коммутации при различных коэффициентах загрузки устройства, интенсивностях и видах поступающего на обслуживание трафика, состояниях распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы. Используется как в режиме обучения, так и в ходе нормальной эксплуатации устройства;

вычислитель порога 5.3, предназначенный для расчета критической длины $$L_{кр}^{mn}$$ сообщения при формирования критические значения уровней порога $$U_{пор}^{mn}$$ переключения режима коммутации (коммутация каналов или коммутация пакетов) с учетом динамики изменения трафика поступающих на обслуживание сообщений, текущего состояния распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы (по уровням сетевой иерархии, в соответствие с адресом получателя сообщения), состояния каналов связи выходных трактов устройства и объема загрузки буферов памяти блока коммутации;

идентификатор 5.4, формирующий решение на осуществление режима «Коммутация каналов» или режима «Коммутация пакетов» с учетом длины передаваемого сообщения и величины порога переключения режима с учетом сведений о текущем состоянии системы на различных уровнях сетевой иерархии;

коммутатор 5.5, предназначенный для переключения режимов коммутации;

буфер памяти 5.6, предназначен для разбиения обрабатываемого сообщения на информационные пакеты, их обработки, снабжения адресной частью, хранения в буферном пространстве памяти, а также для передачи в выходные тракты.

В заявленном блоке коммутации первый и второй управляющие входы идентификатора являются управляющими входами «Уровень напряжения» и «Установка нуля» блока, а третий подключен к управляющему выходу «Величина порога» вычислителя порога, управляющие выходы идентификатора «Коммутация каналов» и «Коммутация пакетов» подключены к первому и второму управляющими входами коммутатора соответственно, информационный вход которого является информационным входом «Сообщение» блока, первый информационные выход «Коммутация каналов» является одноименным информационным выходом блока, а второй информационный выход «Коммутация пакетов» присоединен к информационному входу буфера памяти, информационный выход которого является информационным выходом «Коммутация пакетов» блока, первый и второй управляющие входы массива памяти являются управляющими входами «Коэффициент загрузки» и «Уровень порога» блока, его третий управляющий вход подключен к управляющим выходам «Коммутация каналов» и «Коммутация пакетов» идентификатора, а выход соединен с первым управляющим входом вычислителя порога, генератор искусственного трафика, информационный выход которого является информационным выходом «Обучение» блока, а управляющие входы «Скорость трафика», «Величина задержки» и «Включение» являются группой управляющих входов «Режим обучения» блока, группа управляющих входов/выходов «Занятый объем памяти» блока, состоящая из управляющих входов «А», «В» и управляющего выхода «С» подключена к группе управляющих входов «Занятый объем памяти А, В, С» вычислителя порога, при этом управляющий вход «С» вычислителя порога соединен с управляющим выходом «Занятый объем буферной памяти С» буфера памяти, группа управляющих входов «Сеть адресата» блока, состоящая из управляющих входов «А», «В» и «С» подключена к одноименным группам управляющих входов «Сеть адресата» вычислителя порога и буфера памяти, и является группой управляющий выходов «Сеть адресата» блока коммутации.

Функциональная схема вычислителя порога 5.3 может быть реализована различным способом, например как показано на фиг.9. При этом она включает в свой состав K (по числу сетевых уровней иерархии) цепочек вычисления порога, k-я из которых k=1, 2, …, K состоит:

из цифроаналогового преобразователя 5.3.1_k, предназначенного для преобразования двоичного кода в напряжение;

дифференцирующего элемента 5.3.2_k, предназначенного для вычисления выходных величин, которые являются производной от входных величин;

суммирующего усилителя 5.3.3_k, предназначенного для суммирования нескольких напряжений, подаваемых на его входы;

электронного ключа 5.3.4_k, предназначенного для подключения вычислителя порога каждого из уровней сетевой иерархии, участвующего в формировании виртуального пути (канала) к сумматору вычислителя порога;

сумматор 5.3.5 на K входов, предназначенный для суммирования величин, поступающих на его входы.

Причем входы всех K цифроаналоговых преобразователей 5.3.1_k (см. фиг.9) подключены через электронные ключи каждый к соответствующим входам «Локальный уровень», «Региональный уровень», … или «Глобальный уровень» группы управляющих входов «Занятый объем памяти А, В, С» вычислителя порога 5.3 и блока коммутации по уровням сетевой иерархии, первые их выходы соединены напрямую с первыми входами, а вторые - через дифференцирующие элементы 5.3.2_k цепочек вычисления порога своих уровней сетевой иерархии - со вторыми входами соответствующих k-м уровням суммирующих усилителей 5.3.3_k, выходы которых подключены ко входам сумматора. При этом электронные ключи цепочек вычисления порога на каждом из K уровней иерархии управляются через группу управляющих входов «Сеть адресата А, В, С» вычислителя порога 5.3 и блока коммутации, соответствующих глобальному, региональному или локальному уровню распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы. Здесь первому, второму, … и k-му уровню сетевой иерархии соответствует локальный уровень сетевой иерархии, региональный (уровень мегаполиса), … или глобальный уровень распределенной телекоммуникационной системы. Причем, выход сумматора 5.3.5 является управляющим выходом «Величина порога» вычислителя порога 5.3 (см. фиг.9) центра коммутации.

Благодаря перечисленной совокупности существенных признаков вычислителя порога обеспечивается более точное определение порога переключения режима коммутации устройством за счет учета состояния объема буферов памяти на всех уровнях иерархии распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы по маршрутам виртуальных путей и каналов передачи сообщения от сети-источника к сети-получателю. При этом вычислитель порога работает в трех режимах:

в режим вычисления порога для обеспечения локальной адаптивной маршрутизации;

в режиме вычисления порога для обеспечения децентрализованной адаптивной маршрутизации;

в режиме вычисления порога для обеспечения централизованной адаптивной маршрутизации.

Включение режимов работы вычислителя порога зависит от адреса назначения обрабатываемого сообщения в устройстве гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы. Именно при анализе адресной части коммутируемого в блоке коммутации и передаваемого в каналы связи блоком адаптивной маршрутизации сообщения происходит установление по IP-адресу маски подсети сети получателя и IP-адресов масок подсетей узлов коммутации транзитных сетей (при организации виртуальных путей и виртуальных каналов) распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы.

В режиме вычисления порога для обеспечения локальной адаптивной маршрутизации IP-адрес передаваемого сообщения относится к адресу сети класса С (небольшие локальные сети). При этом маска подсети сетей класса С по умолчанию идентифицируется как 255.255.255.0. Первый октет адреса изменяется в диапазоне от 192 до 223. В результате анализа блоком управления узлом коммутации 4 (см. фиг.1, 2, 4, 8, 9) адресной части передаваемого на коммутацию сообщения по управляющему входу-выходу «Занятый объем памяти С» выясняется объем свободного буфера памяти 5.6 и передается на вход «Локальный уровень» первого цифроаналогового преобразователя 5.3.1₁ (см. фиг.9) вычислителя порога 5.3. Также по управляющему входу «Локальный уровень» через вход «С» группы управляющих входов «Сеть адресата» от блока управления узлом коммутации поступает сигнал на открытие электронного ключа 5.3.4₁ вычислителя порога 5.3 для подключения цепочки вычисления порога длины сообщения, предназначенного для абонентов локальной сети, к выходному сумматору вычислителя порога. Тем самым вычислитель порога осуществляет расчет значения U_пор, соответствующий критической величине длины сообщения L_кр, которое может принять на обслуживание буфер памяти устройства собственной (локальной) сети (см. приложение 1).

В режиме вычисления порога для обеспечения децентрализованной адаптивной маршрутизации IP-адрес передаваемого сообщения относится к адресу сети класса В (сеть регионального масштаба или сеть мегаполиса). Это, как правило, сети, являющиеся соседними по отношению к локальной сети заявленного устройства. При этом маска подсети сетей класса В по умолчанию идентифицируется как 255.255.0.0. Первый октет адреса изменяется в диапазоне от 128 до 191. В результате анализа блоком управления узлом коммутации 4 (см. фиг.1, 2, 4, 8, 9) адресной части передаваемого на коммутацию сообщения по управляющему входу-выходу «Занятый объем памяти С» выясняется объем свободного буфера памяти 5.6, а через управляющий вход «Занятый объем памяти В» (см. фиг.1, 3, 4, 8, 9) от блока адаптивной маршрутизации 3 поступает информация о состоянии буферов выходных каналов с корреспондирующими узлами коммутации сети регионального уровня. Данная информация в виде двоичного кода поступает соответственно через выходы «Локальный уровень» и «Региональный уровень» группы управляющих входов «Занятый объем памяти» на входы соответственно первого 5.3.4₁ и второго 5.3.4₂ электронных ключей вычислителя порога 5.3 (см. фиг.9) блока коммутации. Также по управляющим входам «Локальный уровень» и «Региональный уровень» через группу управляющих входов «Сеть адресата» от блока управления узлом коммутации поступает сигнал на открытие первого 5.3.4₁ и второго 5.3.4₂ электронных ключей вычислителя порога 5.3 для подключения цепочки вычисления порога длины сообщения, предназначенного для абонентов локальной сети отправителя и заданной, в соответствии с маской подсети региональной сети-адресата сообщения. После прохождения цепочки вычисления порогов, результат суммируется в сумматоре 5.3.5. Тем самым вычислитель порога осуществляет расчет значения U_пор, соответствующий критической величине длины сообщения, которое может принять на обслуживание буферы памяти устройств гибридной коммутации собственной (локальной) сети-отправителя и региональной сети-получателя сообщения без отказа в обслуживании. Если при этом окажется, что по загрузке буферов памяти локальная сеть функционирует нормально, а региональная сеть близка к блокировке или заблокирована, то с выхода вычислителя порога 5.3 (см. фиг.8) на вход идентификатора 5.4 поступит сигнал на принятие решения по включению в коммутаторе 5.5 режима коммутации каналов (см. описание способа). Поскольку режим коммутации пакетов дейтограммной рассылкой пакетов еще больше загрузит сеть, увеличит временную задержку сообщений, повысит вероятность отказов и заблокирует сеть (см. приложение 2).

В режиме вычисления порога для обеспечения централизованной адаптивной маршрутизации IP-адрес передаваемого сообщения относится к адресу сети класса А (очень большие сети глобального масштаба). При этом маска подсети сетей класса А по умолчанию идентифицируется как 255.0.0.0. Первый октет адреса изменяется в диапазоне от 0 до 126. В результате анализа блоком управления узлом коммутации 4 (см. фиг.1, 2, 4, 8, 9) адресной части передаваемого на коммутацию сообщения по управляющему входу-выходу «Занятый объем памяти С» выясняется объем свободного буфера памяти 5.6, а через управляющий вход «Занятый объем памяти B» (см. фиг.1, 3, 4, 8, 9) от блока адаптивной маршрутизации 3 поступает информация о состоянии буферов выходных каналов с корреспондирующими узлами коммутации сети регионального уровня, являющейся транзитной (через которую(ые) будут проходить виртуальные пути и каналы доставки сообщения) при отправке сообщения в глобальную сеть. Также из распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы 1 через группу управляющих входов «Общесетевые каналы сигнализации» (см. фиг.1) и управляющий вход «Занятый объем памяти А» (см. фиг.1, 4, 8, 9) поступает информация о загрузке узлов коммутации сети-адресата глобального уровня иерархии. Данная информация в виде двоичного кода поступает через выходы «Локальный уровень», «Региональный уровень», … и «Глобальный уровень» группы управляющих входов «Занятый объем памяти С, В, А» на входы соответственно первого 5.3.4₁, второго 5.3.4₂, …, k-го 5.3.4_k электронных ключей (см. фиг.9) вычислителя порога 5.3 блока коммутации. Также по управляющим входам «Локальный уровень», «Региональный уровень», … и «Глобальный уровень» через группу управляющих входов «Сеть адресата С, В, А» от блока управления узлом коммутации поступает сигнал на открытие первого 5.3.4₁, второго 5.3.4₂, …, k-го 5.3.1_k электронных ключей вычислителя порога 5.3 для подключения к цепочкам вычисления порога длины сообщения, предназначенного для абонентов локальной, транзитных и глобальной сетей, к выходному сумматору вычислителя 5.3.5. Тем самым вычислитель порога осуществляет расчет значения U_пор, соответствующий критической величине длины сообщения, которое может принять на обслуживание буфер памяти устройства собственной (локальной) сети-отправителя, транзитных сетей и сети-получателя сообщения без отказа в обслуживании.

Во всех цепях расчета значений порога переключения режимов коммутации каждого из уровней сетевой иерархии от локальной до глобальной происходят аналогичные процедуры. На вход цифроаналоговых преобразователей 5.3.1 в двоичном коде поступает информация о состоянии буферов памяти на локальном, региональном, … и глобальном уровнях распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы, которая преобразуется в уровень напряжения U_пор. Далее, с первого выхода цифроаналоговых преобразователей напрямую, а со второго - через дифференцирующие элементы 5.3.2 эти уровни напряжения поступают на первые и вторые входы суммирующих усилителей. При этом в дифференцирующих элементах происходит вычисление производной от входящей величины ∂U_пор/∂t, а в суммирующем усилителе - суммирование поступивших на его входы величин. Причем знак производной от величины уровня порога повышает или снижает порог U_пор в зависимости от того, увеличивается или уменьшается число занятых буферов памяти в данный момент в узлах коммутации соответствующего уровня сетевой иерархии, изменяя тем самым соотношение порога между обоими режимами коммутации. Поскольку сообщение между источником и получателем информации проходит по нескольким сетям распределенной телекоммуникационной системы, то необходим учет состояния каждой из корреспондирующих сетей, что осуществляется применением сумматора на выходе вычислителя порога.

Использование вычислителя порога важно особенно на начальных этапах эксплуатации системы и на этапах ее обучения. Когда необходимая статистика по используемым пороговым величинам при переключении режимов коммутации в различных сетях и условиях нагрузки будет набрана и сохранена в массиве памяти 5.2 (см. фиг.8) блока коммутации, то данная информация может использоваться для применения установленных и сохраненных для различных условий функционирования сетей и изменений трафика без включения вычислителя порога. Применение массива памяти 5.2 блока коммутации и статистических данных при установлении порога переключения режима коммутации вместо его вычисления значительно снижает временную задержку в обработке сообщений, что важно при передаче трафика реального времени (on-line). Для этого управляющий выход «Уровень порога» массива памяти 5.2 блока коммутации подключен через одноименный управляющий вход вычислителя порога 5.3 к сумматору 5.3.5.

Функциональная схема идентификатора 5.4 может быть реализована различным способом, например, как показано на фиг.10. При этом он включает в свой состав:

цифроаналоговый преобразователь 5.4.1, предназначенный для преобразования двоичного кода в напряжение;

элемент сравнения 5.4.2, предназначенный для сравнения значений напряжений сигналов, подаваемых на его входы и представляющий собой компаратор;

управляющий элемент 5.4.3, предназначенный для формирования управляющего сигнала на включение режима коммутации каналов или режима коммутации пакетов и представляющий собой RS-триггер.

При этом управляющий вход «Длина сообщения» идентификатора и блока коммутации подключен на вход цифроаналогового преобразователя, выход которого соединен с первым входом элемента сравнения, к второму входу которого подключен управляющий вход «Величина порога», а выход соединен с первым входом управляющего элемента, второй вход которого соединен с управляющим входом «Установка 0» идентификатора и блока коммутации, а прямой и инверсный выходы являются управляющими выходами «Коммутация каналов» и «Коммутация пакетов» идентификатора и объединены в управляющий выход «Режим коммутации» идентификатора.

Принципиальная схема коммутатора 5.5 может быть реализована различным образом, например, как показано на фиг.11. При этом она включает в свой состав два логических элемента И - И1 и И2 на два входа. Причем первые входы логических элементов И1 и И2 соответственно подключены к управляющим входам «Коммутация каналов» и «Коммутация пакетов» коммутатора, вторые входы соединены с информационным входом «Сообщение» коммутатора и блока коммутации, а выходы являются соответственно информационными выходами «Коммутация каналов» и «Коммутация пакетов» коммутатора.

Заявленный блок коммутации работает в двух режимах:

режим коммутации каналов;

режим коммутации пакетов.

При реализации режима коммутации пакетов, в фазе установления соединения абонентов с устройством между ними происходит диалог, в ходе которого выясняют длину сообщения L и адрес вызываемого абонента. В конце этой фазы выбирается метод коммутации посредством анализа длины сообщения и занятости объема буфера памяти 5.6 (см. фиг.8). Если длина сообщения не превышает критическую величину, т.е. L<L_кр, а все буферы канала, установленного для передачи сообщения адресату, свободны, то элемент сравнения 5.4.2 идентификатора (см. фиг.10), на входы которого поступают потенциалы, соответствующие длине обслуживаемого сообщения и установленного порога, выдаст сигнал о переводе управляющего элемента (триггера) 5.4.3 во второе устойчивое состояние. В результате с инверсного выхода управляющего элемента идентификатора 5.4 (см. фиг.8, 10) через управляющий выход «Коммутация пакетов» поступит сигнал на второй вход коммутатора 5.5, открывающий доступ сообщения абонента через информационный вход «Сообщение» блока коммутации 5 на вход второго логического элемента И2 5.5.2 (см. фиг.11) коммутатора 5.5 и далее в буфер памяти 5.6 (см. фиг.8), где сообщение будет разбито на пакеты для последующей передачи через информационный выход «Коммутация пакетов» блока коммутации 5 в блок адаптивной маршрутизации 3 (см. фиг.1) и трансляции в дейтограммном режиме абоненту-получателю. При этом блок управления узлом коммутации 4 через группу управляющих выходов «Сеть адресата А, В, С» обеспечивает буфер памяти 5.6 (см. фиг.8) адресом абонента получателя сообщения, необходимого для формирования заголовков пакетов, размещает пакеты в выделенной части буфера памяти, пересылает адрес буфера в адресный регистр блока адаптивной маршрутизации 3 (см. фиг.1), обрабатывающего выходящие линии. В аналогичных устройствах гибридной коммутации транзитных узлов и узла назначения распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы также выделяется необходимый объем буферной памяти для каждого виртуального соединения под пересылку или сборку сообщения соответственно.

Реализация режима коммутации каналов заключается в следующем. Если длина сообщения превышает пороговую величину, т.е. L>L_кр, то независимо от состояния буферной памяти и величины трафика принимается решение об установлении физического соединения и передаче сообщения в режиме коммутации каналов. В этом случае сообщение может быть передано непосредственно в блок адаптивной маршрутизации 3 (см. фиг.1) путем подачи соответствующего уровня потенциала на второй вход элемента сравнения 5.4.2 идентификатора (см. фиг.10). Функции блока управления узлом коммутации 4 (см. фиг.1, 4) в этом случае сводятся к анализу адресной части сообщения и установлению физического соединения. Если часть буфера памяти занята и(или) недостаточна для размещения всего сообщения, то принятие решения об использовании метода коммутации каналов принимается в идентификаторе 5.4 путем подачи соответствующих потенциалов на первый и второй входы элемента сравнения 5.4.2 идентификатора (см. фиг.10) в соответствии с выражением

где d - коэффициент пропорциональности, учитывающий степень занятости объема памяти, b - величина, отражающая динамику изменения трафика.

При этом по команде с выхода элемента сравнения управляющий элемент (триггер) 5.4.3 перейдет в первое устойчивое состояние и с прямого его выхода через управляющий выход «Коммутация каналов» идентификатора поступит сигнал на первый вход первого логического элемента И1 5.5.1 коммутатора 5.5 (см. фиг.8, 11), открывающий доступ сообщению абонента через информационный вход «Сообщение» блока коммутации 5 (см. фиг.8,11) на вход первого логического элемента И1 5.5.1 (см. фиг.11) и далее, через информационный выход «Коммутация каналов» коммутатора 5.5 и блока коммутации 5 (см. фиг.8) в блок адаптивной маршрутизации 3 (см. фиг.1) для передачи по физическому соединению абоненту-получателю.

Особенности режимов коммутации каналов и коммутации пакетов заключаются в следующем. Если информация о длине сообщения (L) и пороговое значение (L_пор) задаются в двоичном коде, то в примере реализации идентификатора 5.4 на фиг.10 цифроаналоговый преобразователь 5.4.1 непосредственно преобразует код в напряжение, которое сравниваются в элементе сравнения 5.4.2 с напряжением, поступающим из вычислителя порога 5.3 блока коммутации 5. Если же значения L и L_пор задаются каким-либо иным кодом, то перед цифроаналоговым преобразователем 5.4.1 необходимо поставить дешифратор, преобразующие этот код в двоичный. Код, соответствующий длине передаваемого сообщения, поступает на вход цифроаналогового преобразователя 5.4.1 по окончании диалога абонента с устройством, в то время как на вход цифроаналоговых преобразователей 5-3.1₁-5.3.1_k вычислителя порога 5.3 (см. фиг.8) поступают текущие значения критических длин сообщений L_кр вычисляемые блоком управления узлом коммутации 4 (см. фиг.1, 4-7) в течение всего времени функционирования устройства с учетом состояния системы и загрузки буферов памяти 5.2 (см. фиг.8). В примере реализации функциональной схемы идентификатора 5.4, представленном на фиг.10, пороговое значение длины сообщения L_пор может быть рассчитано в соответствие с примером, изложенным в приложении 1. Если истинная длина сообщения, преобразованная в напряжение цифроаналоговым преобразователем 5.4.1 идентификатора 5.4, превысит порог

где α - коэффициент передачи цифроаналогового преобразователя, то на выходе элемента сравнения 5.4.2 появится высокий потенциал, при котором управляющий элемент 5.4.3 (триггер) перейдет во второе устойчивое состояние и на его прямом выходе появится высокий потенциал. Первый элемент И1 коммутатора 5.5 (см. фиг.11) закроется, а второй элемент И2 коммутатора 5.5 откроется. Идентификатор 5.4 готов к передаче сообщения из блока обработки запросов 2 в блок адаптивной маршрутизации 3. После установления сквозного канала до адресата устройство гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы инициирует передачу сообщения. В противном случае, если соединение не установлено, абонент получает отказ.

Заявленный генератор искусственного трафика 5.1, функциональная схема которого приведена на фиг.12, предназначен для формирования искусственного сетевого трафика в режиме обучения. При этом он включает в свой состав (см. фиг.12):

первый и второй генераторы шума (5.1.1 и 5.1.2), предназначенные для формирования (генерации) случайных сигналов с основными законами распределения;

первый и второй элементы выборки и хранения (5.1.3. и 5.1.4), предназначенные для получения мгновенных значений напряжения из случайных сигналов (формируемых генераторами шума) в заданные моменты времени, и состоят из смесителя и экстраполятора нулевого порядка;

первый и второй элементы сравнения (5.1.5 и 5.1.6), предназначенные для сравнения значений напряжений сигналов, подаваемых на их входы и представляющие собой компараторы;

перестраиваемый генератор тактовых импульсов 5.1.7, предназначенный для генерирования тактовых импульсов с различным периодом следования;

генератор линейно-изменяющегося напряжения 5.1.8, предназначенный для формирования пилообразного напряжения;

регулируемую линию задержки 5.1.9, предназначенную для формирования заднего фронта импульса, задержанного по времени на необходимую величину;

электронный ключ 5.1.10, предназначенный для переключения видов формируемых импульсных последовательностей, и содержащий три информационных входа, управляющий вход и информационный выход;

управляющий элемент 5.1.11, предназначенный для формирования выходного искусственного трафика для обучения системы и представляющий собой RS-триггер.

При этом выходы первого и второго генераторов шума подключены соответственно к первым входам первого и второго элементов выборки и хранения, выходы которых подключены к первым входам первого и второго элементов сравнения, к вторым входам которых подключен выход генератора линейно-изменяющегося напряжения, а выход первого элемента сравнения подключен к первому входу управляющего элемента и к входу регулируемой линии задержки, управляющий вход которой является управляющим входом «Величина задержки», а выход соединен с первым входом электронного ключа, второй вход которого подключен к вторым входам первого и второго элементов выборки и хранения, к входу генератора линейно-изменяющегося напряжения и к выходу перестраиваемого генератора тактовых импульсов, управляющий вход которого является управляющим входом «Скорость трафика», выход второго элемента сравнения подключен к третьему входу электронного ключа, управляющий вход которого наряду с управляющими входами первого и второго генераторов шума, перестраиваемого генератора тактовых импульсов и генератора линейно-изменяющегося напряжения является управляющим входом «Включение», а выход соединен с входом установки в нуль управляющего элемента, прямой выход которого является информационным выходом «Обучение» генератора искусственного трафика.

В режиме обучения заявленный генератор искусственного трафика работает следующим образом. При подаче из блока управления узлом коммутации 4 устройства (см. фиг.1) на генератор искусственного трафика 5.1 (см. фиг.8, 12) через управляющий вход «Включение» группы управляющих входов «Режим обучения» управляющего сигнала в двоичном коде «11» происходит включение первого и второго генераторов шума, перестраиваемого генератора тактовых импульсов и генератора линейно-изменяющегося напряжения. При подаче управляющего сигнала «01» происходит включение режима генерации последовательности импульсов, длительность которых изменяется по случайному закону. На выходе генератора искусственного трафика формируются импульсы с фиксированным по положению тактового импульса задним фронтом.

Временные диаграммы работы устройства представлены на фиг.13. Здесь обозначено:

U₁ - напряжения на выходе первого генератора шума;

U₇ - напряжение на выходе перестраиваемого генератора тактовых импульсов;

U₈ - напряжение на выходе генератора линейно изменяющегося напряжения;

U₃ - напряжение на выходе первого элемента выборки и хранения;

U₅ - напряжение на выходе первого элемента сравнения;

$$U_{11}^{вх.1}$$ - напряжение на первом входе управляющего элемента;

$$U_{10}^{вх.1}$$ - напряжение на первом входе электронного ключа;

$$U_{10}^{вх.2}$$ - напряжение на втором входе электронного ключа;

$$U_{11}^{вых}{}^{\text{'}}$$ - напряжение на выходе управляющего элемента с фиксированным по положению тактового импульса задним фронтом;

$$U_{11}^{вых}{}^{\text{'}\text{'}}$$ - напряжение на выходе управляющего элемента с фиксированной на величину задержки задним фронтом импульса;

U₂ - напряжения на выходе второго генератора шума;

U₄ - напряжение на выходе второго элемента выборки и хранения;

$$U_{10}^{вх.3}$$ - напряжение на третьем входе электронного ключа;

$$U_{11}^{вых}{}^{\text{'}\text{'}\text{'}}$$ - напряжение на выходе управляющего элемента с случайным временем фиксации фронта и спада импульса;

U₀ - уровень компарации элементов сравнения, совпадающий с амплитудой линейно изменяющегося напряжения;

U_cp - среднее значение случайного процесса;

U_i - мгновенное значение случайного процесса;

τ_Т - период следования тактовых импульсов;

τ_з - величина задержки, создаваемая регулируемой линией задержки.

Случайный сигнал, с заданным законом распределения (см. U₁ на фиг.13) с выхода первого генератора шума 5.1.1 (см. фиг.12) поступает на вход первого элемента выборки и хранения 5.1.3, который содержит смеситель и экстраполятор нулевого порядка. Тактовые импульсы (см. U₇ на фиг.13), получаемые в перестраиваемом генераторе тактовых импульсов 5.1.7, поступают на управляющий вход первого элемента выборки и хранения 5.1.3, где «вырезаются» мгновенные значения U_i из случайного сигнала (см. U₁ на фиг.13), которые затем экстраполируются (см. U₃ на фиг.13) и поступают на первый вход первого элемента сравнения (компаратор) 5.1.5, на второй вход которого подаются пилообразные импульсы с выхода генератора линейно изменяющегося напряжения 5.1.8 (см. U₄ на фиг.13). Как только линейно изменяющееся напряжение превысит уровень компарации (экстраполированное напряжение), на выходе первого элемента сравнения выделяется импульс (см. U₃ на фиг.13), который передним фронтом переведет управляющий элемент (RS-триггер) 5.1.11 во второе устойчивое состояние, при этом на его выходе появится высокий потенциал (см. $$U_{11}^{вх.1}$$ на фиг.13). Этим самым будет зафиксирован передний фронт импульса, момент появления которого случаен и определяется законом распределения исходного процесса U_i, которые легко пересчитываются во временные интервалы, отсчитываемые от начала координат. Положение импульсов на временной оси можно определить по следующей формуле:

Следующий тактовый импульс, поступающий с выхода перестраиваемого генератора тактовых импульсов 5.1.7 через электронный ключ 5.1.10, открытый по управляющему сигналу «01» для его второго входа (см. $$U_{10}^{вх.2}$$ на фиг.13), поступает на вход установки в нуль управляющего элемента (RS-триггера) 5.1.11, который возвращает его в первое (нулевое) устойчивое состояние, при этом на его выходе появится низкий потенциал (см. $$U_{11}^{вых}{}^{\text{'}}$$ на фиг.12). Этим самым будет зафиксирован задний фронт импульса, момент появления которого фиксирован по положению тактового импульса.

Если на управляющий вход «Включение» генератора искусственного трафика поступает управляющий сигнал в двоичном коде «10», то задний фронт выходного импульса оказывается задержанным на величину τ_з (см. $$U_{10}^{вх.1}$$ на фиг.13), а сформированные импульсы будут иметь постоянную длительность. Так при τ_з=53 байта/V(бит/с), где 53 байта - длина ячейки ATM, a V - скорость передачи ячейки, можно имитировать технологию асинхронного режима передачи - сеть ATM (см. диаграмму $$U_{11}^{вых}{}^{\text{'}\text{'}}$$ на фиг.13).

При этом по управляющему сигналу в двоичном коде «10», поступающему на управляющий вход электронного ключа 5.1.10 будет закрыт его второй вход и открыт первый, подключая вход установки нуля управляющего элемента (RS-триггера) к выходу регулируемой линии задержки 5.1.9, на вход которой поступает с выхода первого элемента сравнения сигнал, идентифицирующий передний фронт импульса (см. U₅ на фиг.13). И управляющий элемент будет переходить в первое (нулевое) устойчивое состояние с задержкой τ_з, а на его выходе появится низкий потенциал, чем будет зафиксирован задний фронт импульса (см. $$U_{11}^{вых}{}^{\text{'}\text{'}}$$ на фиг.13), момент появления которого фиксируется регулируемой линией задержки 5.1.9. Тем самым на выходе генератора искусственного трафика 5.1 будет формироваться последовательность одинаковых по длительности импульсов, но моменты появления которых, случайны и определяются законом распределения исходного процесса, который формируется первым генератором шума 5.1.1.

Если на управляющий вход «Включение» генератора искусственного трафика поступает управляющий сигнал в двоичном коде «00», то задний фронт выходного импульса оказывается задержанным случайным образов на величину, генерируемую с помощью второй цепочки генератора искусственного трафика, состоящего из второго генератора шума (5.1.2), второго элемента выборки и хранения (5.1.4) и второго элемента сравнения (5.1.6), путем подключения ее к третьему входу электронного ключа 5.1.1, а генерированные импульсы будут иметь и фронт и спад сформированные случайным образом.

При этом по управляющему сигналу в двоичном коде «00», поступающему на управляющий вход электронного ключа 5.1.10 будет закрыт его первый и второй вход и открыт третий, подключая вход установки нуля управляющего элемента (RS-триггера) к выходу второго элемента сравнения (5.1.6), на входы которого поступают сигналы с генератора линейно-изменяющегося напряжения 5.1.8 и с второго элемента выборки и хранения (5.1.4). В результате реализации процесса, аналогичного описанному выше в первой цепи генерации искусственного трафика (элементы 5.1.1, 5.1.3, 5.1.5 фиг.12) во второй цепи происходит формирование спада импульса по случайному закону распределения второго генератора шума (5.1.2). Так, случайный сигнал, с заданным для второго генератора шума законом распределения (см. U₂ на фиг.13) с выхода второго генератора шума (5.1.2 см. фиг.12) поступает на вход второго элемента выборки и хранения 5.1.4, на второй вход которого поступают тактовые импульсы из перестраиваемого генератора тактовых импульсов 5.1.7 (см. U₇ на фиг.13), где «вырезаются» мгновенные значения U_i из случайного сигнала и экстраполируются (см. U₄ на фиг.13), после чего поступают на первый вход второго элемента сравнения (компаратор) 5.1.6, на второй вход которого подаются пилообразные импульсы с выхода генератора линейно изменяющегося напряжения 5.1.8 (см. U₈ на фиг.13). Как только линейно изменяющееся напряжение превысит уровень компарации (экстраполированное напряжение), на выходе второго элемента сравнения выделяется импульс (см. $$U_{10}^{вх.3}$$ на фиг.13), который своим фронтом переведет управляющий элемент (RS-триггер) 5.1.11 во второе устойчивое состояние, при этом на его выходе появится последовательность импульсов, (см. $$U_{11}^{вых}{}^{\text{'}\text{'}\text{'}}$$ на фиг.13) со случайными по времени фронтом и спадом.

Поскольку перестраиваемый генератор тактовых импульсов 5.1.7 и регулируемая линия задержки 5.1.9 имеют возможность настройки, а первым и вторым генераторами шума можно задавать случайные сигналы, с различными законами распределения, то можно добиться любой длительности генерируемых сообщений, передаваемых с различной частотой следования, подчиняющихся необходимому закону распределения для основных сетевых технологий и видов сетевого трафика.

Таким образом, система может быть настроена на моделирование основных типов трафика современных сетей, что позволяет достичь поставленную цель и может использоваться при проектировании, испытании телекоммуникационных систем, а также в ходе обучения (настройки) узлов и устройств системы и для прогнозирования нагрузки на них без привлечения пользователей (абонентов).

Таким образом, согласно фиг.16, при длинных сообщениях и увеличивающемся трафике будет преобладать метод коммутации каналов и, наоборот, если в устройство будут поступать короткие сообщения при сильно пульсирующем трафике, передачу сообщений целесообразно осуществлять с использованием метода коммутации пакетов. Использование того или иного режима определяется выбором величины L_кр. Если число занятых буферов памяти (ν_з) и величина b могут контролироваться в пределах данного устройства гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы или во всей системе в зависимости от принятого метода маршрутизации, то критическая длина сообщения (L_кр) является проектным параметром и устанавливается на стадии проектирования конкретного устройства (узла коммутации), или методом статистических испытаний в режиме обучения с использованием заявленного генератора искусственного трафика.

Исходя из примеров, представленных в приложениях 1, 2, 3 и 4, заявленный способ гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы, реализованный на устройстве гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы, блоке коммутации и генераторе искусственного трафика позволяет при заданной стоимости передачи единицы информации осуществить выбор числа элементов буферной памяти и оптимального значения сетевого трафика, обеспечивающего минимальную среднюю задержку передачи сообщений и допустимую вероятность отказа в обслуживании поступающих от абонентов заявок, а также подтверждает целесообразность передачи длинных сообщений методом коммутации каналов, а коротких - методом коммутации пакетов, так как это не только обеспечивает сохранение масштаба времени, но и служит достижению указанных целей изобретения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Мизин И.А., Богатырев В.А., Кулешов А.П. Сети коммутации пакетов / Под ред. В.С. Семенихина. - М.: Радио и связь, 1986. - 408 с.

2. Вентцель Е.С. Исследование операций. - М.: Наука, 1989. - 552 с.

3. Будко П.А. Управление ресурсами информационно-телекоммуникационных систем. Методы оптимизации. - Спб.: ВАС, 2012. - 512 с.

4. Будко Н.П., Шлаев Д.В. Математическая модель маршрутизации на сети. / Обозрение прикладной и промышленной математики. - 2008. - т.15, вып.1. - С.186-187.

Приложение 1

Порядок расчета критической длины сообщения

Выбор режима коммутации происходит путем сравнения величины длины сообщения L^mn с пороговым значением L_пор, которое может быть рассчитано по формуле

где ν - общий объем памяти, занятый сообщением; ν_з(t) - текущее значение занятого объема памяти; ∂ν_з(t)/∂t - производная по времени от занятого объема памяти; β - коэффициент пропорциональности. Данное значение L_пор преобразуют в значение уровня напряжения $$U_{пор}^{mn}$$ и сравнивают его с соответствующим ему предварительно вычисленным пороговым значением $$U_{пор}^{mn}$$ . При этом общее число пакетов фиксированной длины (L_пак), которые могут быть сформированы из сообщения длиной L, определяется соотношением

т.е. не должно превышать объем буферной памяти, так как, в противном случае, сообщение получает отказ, или должно разбиваться на блоки.

Таким образом, критическую длину сообщения можно определить из соотношения (П.1.2):

Для одноканального устройства, как системы массового обслуживания с ожиданием, вероятность получения сообщением отказа в обслуживании в соответствие с [2] равна

где ρ=λ/µ - коэффициент загрузки устройства; λ - интенсивность поступления сообщений; µ - интенсивность обслуживания; $$P_{отк}^{доп}$$ - допустимое значение вероятности отказа в обслуживании.

Решая уравнение (П.1.4) относительно ν для предельного значения Р_отк, получим

Критическая длина сообщения с учетом загрузки устройства и допустимого значения вероятности отказа равна:

Условие выбора критической длины сообщения (П.1.6) не учитывает структуру сети, к которому принадлежит устройство гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы и такие ее показатели, как время задержки сообщения в сети, общий трафик сети, стоимость сети и другие показатели, являющиеся исходными данными при проектировании сети.

Приложение 2

Пример осуществления способа гибридной коммутации распределительной многоуровневой телекоммуникационной системы

В примере реализации схемы вычислителя порога 5.3 (см. фиг.9) он представляет собой блок, в котором пороговое значение L_пор может быть рассчитано по формуле (П.1.1). В этом случае используется только информация о состоянии данного узла (занятый объем буфера памяти 5.6). Производная по времени от занятого объема буферной памяти учитывает тенденцию изменения буферной памяти и зависит от изменения трафика поступающих от абонентов заявок на коммутацию сообщений.

Если истинная длина сообщения выражена в единицах напряжения U, то она подается на один из входов схемы сравнения (компаратора) идентификатора 5.4 (фиг.8, 10), на другой вход которого подается величина

где α - коэффициент, преобразующий пороговую длину сообщения в напряжение. Если длина сообщения L выражена в битах, то а по размерности представляет собой величину [вольт/бит].

Элемент сравнения 5.4.2 идентификатора 5.4 (см. фиг.10) переходит во второе устойчивое состояние, если U>U_пор. Высокий потенциал, появившийся на выходе элемента сравнения, переведет управляющий элемент 5.4.3 (триггер) во второе длительное устойчивое состояние, при этом на его прямом выходе потенциал станет высоким, что приведет к открыванию первого логического элемента 5.5.1 И1 коммутатора 5.5 (см. фиг.11). В результате этого будет осуществлен режим коммутации каналов.

Управляющий элемент 5.4.3 (триггер) идентификатора возвращается в исходное состояние по команде блока управления узлом коммутации 4 (см. фиг.8, 10) путем подачи единичного импульса на вход «Установка нуля» управляющего элемента идентификатора 5.4. В дальнейшем будет осуществляться режим коммутации пакетов до тех пор, пока напряжение U на выходе элемента сравнения идентификатора не превысит порогового значения U_пор, формируемого на выходе вычислительного устройства 5.3.

В устройстве реализована адаптивная маршрутизация. Информация, необходимая для принятия решения о направлении передачи, представляет собой: таблицы маршрутизации; сведения о текущем состоянии выходных трактов; данные очередей пакетов, ожидающих передачи по каждому из каналов; данные о состоянии буферов памяти других узлов коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы. Также при реализации централизованной адаптивной маршрутизации блок адаптивной маршрутизации через группу управляющих входов-выходов «Общесетевые каналы сигнализации» (см. фиг.1) (ОКС) может пользоваться маршрутными таблицами центрального маршрутизатора распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы.

При этом блок адаптивной маршрутизации 3 вычисляет текущий вес ветви

а затем определяет вероятность P_i с которой должен отправлять пакеты в i-м направлении

где r - количество ветвей, в которые может быть направлено сообщение; V_i - назначенный априорно вес ветви, например, в единицах пропускной способности; ν_i - объем свободной памяти буфера (измеряется в количестве пакетов, которые еще могут быть сохранены в буфере).

Целесообразно направлять пакеты в i-ю ветвь, для которой

Для исключения скачков управляющего элемента (триггера) 5.4.3 идентификатора блок адаптивной маршрутизации 3 может распределять пакеты по ветвям в соответствии с вычисленными значениями вероятности. В первом случае реализуется передача пакетов по виртуальному каналу, во втором - используется дейтаграммный метод.

Применение информации о состоянии блока коммутации заявленного устройства и узлов коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы оправдано тем, что результат оптимизации на сетевом уровне позволяет определить значения потоков информации F_ij пропускных способностей каналов V_ij, общее число каналов r_i и объем буфера для каждого узла ν_i. При этом достаточно решить одно из уравнений, см. [4]:

где χ - комплексный коэффициент загрузки каналов, вид функции которого определяется соотношением

Оптимизация по χ_ij позволяет варьировать величинами V_ij и r_ij в зависимости от класса графика (F_ij), выбирая любую совокупность каналов с переменной шириной битовых скоростей передачи (ШПБСП), формируя каждый раз виртуальный канал с переменной пропускной способностью и поддерживая значения вероятностно-временных характеристик (минимальное среднее время задержки сообщения и вероятность отказа в обслуживании по причине отсутствия свободных мест в буфере) на заданном уровне (см. фиг.15).

Приложение 3

Оценка эффективности заявленного способа

Исследования, проведенные в [3 (с.259-264)], позволяют осуществить более обоснованный выбор L_кр и расчет основных вероятностно-временных характеристик и показателей сети. Минимальное среднее время задержки сообщения может быть вычислено из соотношения [3]

где γ - общий трафик; С_зад - заданная стоимость передачи единицы количества информации; k - коэффициент пропорциональности; для полностью загруженной системы, когда ρ=1 соотношение в скобках равно

при этом учтено, что числитель $$1+2+\dots +\left(\nu +1\right)=\frac{\left(\nu +1\right)\left(\nu +2\right)}{2}$$ - есть сумма арифметической прогрессии. Тогда оптимальное значение равно

Данное условие определяет оптимальное значение коэффициента загрузки устройства гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы ρ_опт=С_зад/kr, обеспечивающее минимальное значение среднего времени задержки сообщений в виде выражения (П.3.1). Здесь r - общее число узлов сети, влияющее на количество выходных линий, k - коэффициент пропорциональности. При этом 0<ρ_опт<1. А условие (П.3.2) соответствует максимальному значению задержки сообщения при ρ=1, и не зависит от стоимости устройства и сети

Кривые зависимостей $$T_{ср}^{\min }=\sout{\int }\left({\rho }_{опт}\right)$$ и $$P_{отк}=\varphi \left({\rho }_{опт}\right)$$ , построенные в соответствии с выражениями (П.3.1) и (П.1.4), приведены на совмещенном графике фиг.14 и подтверждают предположение о том, что использование в системе бесконечного числа буферов позволяет получить верхнюю границу для задержки, которую можно достичь при конечном числе элементов буферной памяти, при этом задержка в системе без буферов дает нижнюю границу для задержки большого разнообразия систем множественного доступа с буферизацией и управляемым потоком.

Анализ полученных результатов показывает, что минимальная средняя задержка $$\left(T_{cp}^{\min }=1,8с\right)$$ , соответствующая $${\rho }_{опт}^{\text{'}}=0,6$$ и $$\nu =\infty$$ , (точка А на фиг.14) может быть достигнута при более высоком трафике поступающих на обслуживание заявок ( $${\rho }_{опт}^{\text{'}\text{'}}=0,78$$ и $$\nu =3$$ ) при ограниченном числе буферов памяти устройства гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы (точка В). При этом вероятность отказа Р*=0,12, что приблизительно соответствует значению ~10% и является вполне приемлемым [3].

Аналитические расчеты подтверждают, что при ужесточении требования к вероятности отказа значение $$P_{отк}^{доп}=0,01$$ может быть достигнуто при количестве буферов ν=20 и коэффициенте загрузки ρ_опт=0,9. При этом для сложной сети, например, содержащей r=40 коммутационных узлов, и напряженном трафике γ=36 пакетов/с, среднее время задержки сообщений будет равно $$T_{cp}^{\min }=7с$$ . В соответствии с выражением (П.1.6) критическая длина сообщения для заявленного устройства гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы будет равна L_кр=20480 бит при длине пакета L_пак=1024 бит.

Приложение 4

Оценка эффективности устройства гибридной коммутации Распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы

Преимущества предлагаемого изобретения по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями можно определить из номограмм, изображенных на фиг.15. Здесь изображены совмещенные графики зависимостей

которые представляют собой номограммы для графического решения сетевых задач и могут быть использованы для количественной оценки преимуществ предлагаемого способа гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы.

Анализ показывает, что основные качественные показатели сети в оптимальном случае зависят от числа каналов r в выбранном направлении передачи и числа буферов ν на входе в каждый канал, причем для осуществления оптимальности значения r, ν должны быть строго дозированы и выдаваться программно. Например, при числе каналов r=4 и ν=15 (см. 3-й квадрант) оптимальное значение коэффициента загрузки канала χ=0,55.

Это означает, что передаваемый по сети поток достигает значения F₁₂=20 Мбит при пропускной способности V=36 Мбит. Если необходимо передать сообщение длиной L=795 байт, то объем буфера ν=15 оказывается достаточным, чтобы разбить сообщение на 15 частей и поместить их в буферную память (к примеру, на сетях ATM, поскольку одна ячейка ATM равна 53 байта), не нарушив оптимальности.

Если передаваемое сообщение окажется большей длины, например L=1166 байт, то потребуется 22 буфера для их записи, что приведет к уменьшению коэффициента загрузки канала χ=0,43, и, следовательно, эффективность использования ресурсов уменьшится на 22%.

Попытка сохранить коэффициент загрузки канала на прежнем уровне приведет к увеличению среднего времени задержки (кривая А в первом квадранте). В точке минимума время задержки T=10 мс, в то время как при смещении по кривой вверх дает время задержки T=13 мс, что приводит к увеличению времени задержки на 30%.

Таким образом, сформулированная цель изобретения - повышение эффективности использования выходных трактов и улучшение вероятностно-временных характеристик информационного обмена - достигнута применением заявляемого способа.

Предлагаемое изобретение по сравнению с прототипом и другими известными техническими решениями имеет следующие преимущества:

повышение эффективности использования каналов на сети;

повышение эффективности использования буферов памяти в узлах коммутации сети;

снижение временной задержки пакетов на сети;

определение оптимального режима коммутации на сети;

варьирование пропускной способностью, каналами и числом буферов в зависимости от класса трафика, выбирая любую совокупность каналов с переменной шириной битовых скоростей передачи, формируя каждый раз виртуальный канал с переменной пропускной способностью и поддерживая значения вероятностно-временных характеристик на заданном уровне.

1. Способ гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы, заключающийся в том, что предварительно устанавливают пороговое значение длины L_пор сообщения, принимают сообщение, запоминают его, сравнивают длину L принятого сообщения с L_пор, и по результатам сравнения принимают решение о выборе режима коммутации, отличающийся тем, что для предварительной установки значения L_пор генерируют сетевые трафики с отличающимися длинами сообщений L и интенсивностью λ их поступления для N типов сетей связи и М видов трафика, по данным L и λ и заданной интенсивности обслуживания сообщений µ вычисляют коэффициент загрузки $${\rho }_m^n$$ для каждого m-го вида трафика и n-го типа сети связи, где m=1, 2, …, М; n=1, 2, …, N, удовлетворяющий требованию выполнения допустимой вероятности отказа $$P_{отк}^{доп}$$ в обслуживании, по полученным результатам вычислений $${\rho }_m^n$$ рассчитывают соответствующие ему критические длины $$L_{кр}^{mn}$$ сообщения, преобразуют их в критические уровни пороговых напряжений $$U_{пор}^{mn}$$ переключения режима коммутации, причем массив сформированных значений $$U_{пор}^{mn}$$ запоминают, принимают от абонентов сообщения на обслуживание, запоминают их, по маске сети адресной части сообщений определяют адрес сети назначения и тип сети n, а по интенсивности поступления сообщений λ классифицируют вид поступающего трафика, измеряют длину поступивших на обслуживание сообщений L^mn, преобразуют измеренную длину L^mn в соответствующее ей значение уровня напряжения U^mn, сравнивают его с пороговым значением $$U_{пор}^{mn}$$ , при $$U^{mn}>U_{пор}^{mn}$$ выбирают режим «коммутации каналов» и устанавливают физическое соединение для передачи сообщения получателю, в противном случае сообщение L^mn разбивают на пакеты, выбирают режим «коммутации пакетов» и передают получателю сообщение в режиме дейтограмм, причем для установления физического соединения и дейтограммного режима, путем опроса соседних узлов и получения их таблиц маршрутизации определяют состав, топологическую структуру и связность распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы, и по результатам опроса назначают исходную таблицу маршрутизации доставки сообщений к ее узлам, проверяют их текущую доступность, для чего отправляют и принимают эхо-запросы типа «ping» по протоколу ICMP, набирают статистические данные о занятых объемах буферов памяти на входе в каждый канал по протоколу SNMP, на основании адреса сети назначения формируют локальный адаптивный маршрут, для чего используют информацию исходной таблицы маршрутизации, определяющую все доступные направления передачи пакетов, корректируют ее на основании данных о доступности выходных каналов связи и длинах очередей пакетов, ожидающих передачи в каналы связи, формируют децентрализованный адаптивный маршрут, для чего принимают по общесетевым каналам сигнализации от соседних узлов коммутации таблицы маршрутов ко всем узлам назначения, с указанием маршрутов с минимальным временем задержки пакетов и длинами очередей пакетов в этих узлах, на основании чего корректируют исходную таблицу маршрутизации по данным из полученных таблиц маршрутов и информации о доступности выходных каналов связи, а также о длинах очередей пакетов, ожидающих передачи в каналы связи, формируют централизованный адаптивный маршрут, для чего вычисляют текущие весовые коэффициенты доступных к получателю сообщения ветвей с входящими в них каналами связи, сравнивают полученные значения весовых коэффициентов по всем доступным ветвям, ранжируют их в порядке убывания, выбирают маршруты с максимальными значениями весовых коэффициентов, лежащих на них ветвей, запрашивают информацию о маршруте доставки пакетов до сети-адресата из распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы и на основании полученной информации, данных о доступности выходных каналов связи, и значениям весовых коэффициентов ветвей корректируют исходную таблицу маршрутизации, с которой сравнивают адресную часть передаваемого сообщения, выбирают маршрут передачи сообщения, при этом для обеспечения физического соединения используют маршрут с максимальным значением весового коэффициента, а для обеспечения дейтограммного режима рассылки пакетов назначают маршруты, по которым проходят ветви с весовыми коэффициентами из построенного ранжированного ряда, измененные маршруты запоминают.

2. Устройство гибридной коммутации распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы, содержащее распределенную многоуровневую телекоммуникационную систему, включающую на каждом уровне совокупность узлов коммутации, каждый из узлов коммутации включает блок обработки запросов, w≥2 информационных входов которого являются входами «Абоненты», при этом блок обработки запросов снабжен информационным выходом «Сообщение», блок адаптивной маршрутизации, группа информационных входов/выходов «В(из) каналы(ов) связи» которого подключена к узлам коммутации соответствующих уровней распределенной многоуровневой телекоммуникационной системы и который снабжен информационными входами «Коммутация каналов» и «Коммутация пакетов», блок управления узлом коммутации, отличающееся тем, что дополнительно включен блок коммутации, управляющий вход «Уровень напряжения» и информационный выход «Обучение» которого подключены к одноименным управляющему выходу и информационному входу блока обработки запросов, управляющие выходы «Адрес», «Длина сообщения», «Трафик» и управляющий вход «Приоритет» блока обработки запросов подключены к одноименным управляющим входам и управляющему выходу блока управления узлом коммутации, управляющий выход «Таблица маршрутов» и управляющий вход «Занятый объем памяти B» которого подключены к одноименным управляющему входу и управляющему выходу блока адаптивной маршрутизации, группа управляющих выходов «Сеть адресата A, B, C», управляющий выход «Коэффициент загрузки», управляющий выход «Уровень порога», группа управляющих входов/выходов «Занятый объем памяти A, B, C», управляющий выход «Установка нуля» и управляющие выходы «Режим обучения» блока управления узлом коммутации подключены к одноименным управляющим входам блока коммутации, информационный вход «Сообщение» которого соединен с одноименным информационным выходом блока обработки запросов, а группа управляющих выходов «Сеть адресата A, B, C» и информационные выходы «Коммутация каналов» и «Коммутация пакетов» подключены к одноименным группе управляющих входов и информационным входам блока адаптивной маршрутизации, группа управляющих входов/выходов «Общесетевые каналы сигнализации» блока управления узлом коммутации подключены к соответствующим узлам коммутации распределенной k-уровневой телекоммуникационной системы, где k=1, 2,…K, K - общее число уровней, имеющую на первом уровне информационные вход и выход в глобальную сеть.

3. Блок коммутации, содержащий буфер памяти, вычислитель порога, идентификатор и коммутатор, причем первый и второй управляющие входы идентификатора являются управляющими входами «Уровень напряжения» и «Установка нуля» блока коммутации, а третий подключен к управляющему выходу «Величина порога» вычислителя порога, управляющие выходы идентификатора «Коммутация каналов» и «Коммутация пакетов» подключены к первому и второму управляющими входами коммутатора соответственно, информационный вход коммутатора является информационным входом «Сообщение» блока коммутации, первый информационные выход «Коммутация каналов» является одноименным информационным выходом блока коммутации, а второй информационный выход «Коммутация пакетов» присоединен к информационному входу буфера памяти, информационный выход которого является информационным выходом «Коммутация пакетов» блока коммутации, отличающийся тем, что дополнительно введены массив памяти, первый и второй управляющие входы которого являются управляющими входами «Коэффициент загрузки» и «Уровень порога» блока коммутации, третий управляющий вход массива памяти подключен к управляющим выходам «Коммутация каналов» и «Коммутация пакетов» идентификатора, а выход массива памяти подключен к первому управляющему входу вычислителя порога, генератор искусственного трафика, информационный выход которого является информационным выходом «Обучение» блока коммутации, а управляющие входы «Скорость трафика», «Величина задержки» и «Включение» являются группой управляющих входов «Режим обучения» блока коммутации, группа управляющих входов/выходов «Занятый объем памяти» блока коммутации, состоящая из управляющих входов «A», «B» и управляющего выхода «C», подключена к группе управляющих входов «Занятый объем памяти A, B, C» вычислителя порога, при этом управляющий вход «C» вычислителя порога соединен с управляющим выходом «Занятый объем буферной памяти C» буфера памяти, группа управляющих входов «Сеть адресата» блока коммутации, состоящая из управляющих входов «A», «B» и «C», подключена к одноименным группам управляющих входов «Сеть адресата» вычислителя порога и буфера памяти и является группой управляющий выходов «Сеть адресата» блока коммутации.

4. Генератор искусственного трафика, содержащий первый генератор шума, первый элемент выборки и хранения, первый элемент сравнения, перестраиваемый генератор тактовых импульсов, генератор линейно-изменяющегося напряжения, управляющий элемент и регулируемую линию задержки, выход первого генератора шума подключен к первому входу первого элемента выборки и хранения, выход которого подключен к первому входу первого элемента сравнения, ко второму входу которого подключен выход генератора линейно-изменяющегося напряжения, а выход первого элемента сравнения подключен к первому входу управляющего элемента, выход перестраиваемого генератора тактовых импульсов подключен к первому входу генератора линейно-изменяющегося напряжения, отличающийся тем, что дополнительно введены второй генератор шума, второй элемент выборки и хранения, второй элемент сравнения и электронный ключ, первый вход которого подключен к выходу регулируемой линии задержки, второй вход подключен к вторым входам элементов выборки и хранения и к выходу перестраиваемого генератора тактовых импульсов, управляющий вход которого является управляющим входом «Скорость трафика» генератора искусственного трафика, вход регулируемой линии задержки подключен к первому входу управляющего элемента, а управляющий вход является управляющим входом «Величина задержки» генератора искусственного трафика, выход второго генератора шума подключен к первому входу второго элемента выборки и хранения, выход которого соединен с первым входом второго элемента сравнения, второй вход которого подключен к выходу генератора линейно-изменяющегося напряжения, а выход подключен к третьему входу электронного ключа, управляющий вход которого объединен с управляющими входами генераторов шума, генератором линейно-изменяющегося напряжения и перестраиваемым генератором тактовых импульсов и является управляющим входом «Включение» генератора искусственного трафика, который наряду с управляющими входами «Скорость трафика» и «Величина задержки» образуют группу управляющих входов «Режим обучения» генератора искусственного трафика, выход электронного ключа подключен ко второму входу управляющего элемента, выход которого является информационным выходом «Обучение» генератора искусственного трафика.