Способ сравнительной оценки структур сетей связи

Изобретение относится к области сетевых информационных технологий. Технический результат заключается в повышении точности оценки устойчивости структуры сети, учитывая параметры топологической связности и надежности элементов, маршрутной мощности. Такой результат достигается тем, что формируют квадратную матрицу смежности узлов связи и строят граф с заданными множествами вершин. Далее методом перебора простых цепей рассчитывают количество ребер и вершин, в его составе. Методом перебора простых цепей совершают обход графа для вычисления общего количества маршрутов. После чего вычисляют количество маршрутов в группе, формируют полную маршрутную карту структуры сети и сводную таблицу характеристик направлений связи для каждой структуры. 7 з.п. ф-лы, 9 ил.

 

Заявленный способ относится к области сетевых информационных технологий и может быть использован при сравнительной оценке структур сетей связи на предмет их устойчивости при воздействии дестабилизирующих факторов.

Известен способ сравнительной оценки структур информационно-вычислительной сети по Патенту РФ №2408928, опубл. 10.01.2011 г. бюл. №1.

Способ-аналог заключается в том, что предварительно задают параметры информационно-вычислительной сети и формируют ее топологическую схему, вычисляют комплексный показатель безопасности П_K для каждого узла информационно-вычислительной сети, подключают к информационно-вычислительной сети абонентов, у которых формируют сообщения, включающие адреса абонентов и их идентификаторы, передают сформированные сообщения, принимают их, из принятых сообщений выделяют и запоминают идентификаторы и адреса абонентов, а также информацию о наличии связи между абонентами и узлами информационно-вычислительной сети, по которым осуществляют информационный обмен, в качестве параметров информационно-вычислительной сети предварительно задают минимальное допустимое значение комплексного показателя безопасности П_min для узлов информационно-вычислительной сети, задают альтернативные варианты подключения абонентов к информационно-вычислительной сети и выделяют массивы памяти для хранения их идентификаторов и альтернативных маршрутов пакетов сообщений, из сформированной топологической схемы информационно-вычислительной сети выделяют альтернативные маршруты пакетов сообщений для каждой пары альтернативных подключений к информационно-вычислительной сети абонентов и запоминают альтернативные маршруты пакетов сообщений для каждого j-го варианта подключения абонентов, где j = 1, 2, …, сравнивают значение комплексного показателя безопасности П_Ki i-го узла информационно-вычислительной сети, где i=1, 2, 3, …, с предварительно заданным минимальным допустимым значением П_min, и при П_Ki i<П_min запоминают i-й узел как «опасный», в противном случае, при П_Ki≥П_min запоминают узел как «безопасный», после чего вычисляют критическое соотношение «опасных» и «безопасных» узлов для каждого j-го варианта подключения абонентов, при котором смежные «опасные» узлы образуют цепочки, исключающие обмен между абонентами, для чего выбирают случайным образом из каждого ранее запомненного варианта подключения абонентов p^j-ю часть узлов из общего их количества и запоминают их как «опасные», из смежных «опасных» узлов формируют связанные цепочки и запоминают их, затем последовательно увеличивают долю «опасных» узлов на величину Δp, повторяют формирование связанной цепочки до выполнения условий , ранжируют альтернативные варианты подключения абонентов информационно-вычислительной сети по значению величины и выбирают из их вариант с максимальным значением .

Недостатком аналога является относительно низкая достоверность результатов сравнительной оценки структур СС, связанная с отсутствием учета динамики воздействия на каналы связи и узлы СС случайных и преднамеренных помех. Низкая достоверность обусловлена также тем, что в способе-аналоге не учитывают время достижения критического соотношения «опасных» и «безопасных» узлов для каждого j-го варианта подключения абонентов.

Кроме того, известен способ сравнительной оценки структур информационно-вычислительной сети по Патенту РФ №2626099, опубл. 21.07.2017 г. бюл. №21.

Способ заключается в том, что предварительно задают параметры сети связи и альтернативные варианты подключения абонентов к сети связи, выделяют массивы памяти для хранения идентификаторов абонентов и альтернативных маршрутов пакетов сообщений, формируют топологическую схему сети связи, из сформированной топологической схемы выделяют альтернативные маршруты пакетов сообщений для каждой пары альтернативных вариантов подключений к сети связи абонентов, запоминают альтернативные маршруты пакетов сообщений для каждого j-го варианта подключения абонентов, где j = 1, 2, …, подключают к сети связи абонентов, у которых формируют сообщения, включающие адреса абонентов и их идентификаторы, передают сформированные сообщения, принимают их, из принятых сообщений выделяют и запоминают идентификаторы и адреса абонентов, а также информацию о наличии линий связи между абонентами и узлами сети связи, по которым осуществляют информационный обмен, отличающийся тем, что в качестве параметров сети связи предварительно задают минимальное допустимое значение комплексного показателя безопасности для линий связи сети связи, общее количество D_max случайных испытаний, обеспечивающее достоверность результатов экспериментов, где D = 1, 2, …, двумерный массив памяти для хранения значений критического соотношения «опасных» и «безопасных» линий связи каждого из D случайных испытаний по каждому j-му варианту подключения абонентов, где j = 1, 2, …, задают значение текущего количества случайных испытаний D_ТЕК равным нулю, и после запоминания альтернативных маршрутов пакетов сообщений для каждого j-го варианта подключения абонентов, где j = 1, 2, …, вычисляют комплексный показатель безопасности для каждой i-й линии связи сети связи, где i = 1, 2, 3, …, сравнивают значение комплексного показателя безопасности i-й линии связи сети связи с предварительно заданным минимальным допустимым значением , и при запоминают i-ю линию связи как «опасную», в противном случае, при , запоминают линию связи как «безопасную», и при D_ТЕК<D_max вычисляют критическое соотношение «опасных» и «безопасных» линий связи для каждого j-го варианта подключения абонентов, при котором исключен информационный обмен между абонентами, для чего выбирают случайным образом из каждого ранее запомненного варианта подключения абонентов часть линий связи из общего их количества и запоминают их как «опасные», из смежных «опасных» линий связи формируют связанные цепочки и запоминают их, затем последовательно увеличивают долю «опасных» линий связи на величинуи повторяют формирование связанной цепочки до выполнения условий, запоминают критическое соотношение «опасных» и «безопасных» линий связи в двумерном массиве памяти, после чего увеличивают значение счетчика количества случайных испытаний D_ТЕК на единицу, сравнивают значение счетчика количества случайных испытаний D_ТЕК с предварительно заданным значением D_max, и при D_ТЕК≥D_max вычисляют значение показателя центра распределения выборки по всей совокупности D_max случайных испытаний для каждого j-го варианта подключения абонентов, ранжируют альтернативные варианты подключения абонентов сети связи по значению величины показателя центра распределения выборки и выбирают из них вариант с максимальной величиной значения показателя центра распределения выборки.

Недостатком, рассмотренного, аналога является относительно низкая достоверность сравнительной оценки структур ИВС, обусловленная отсутствием включения в структуру ИВС узлов управления сервисами, приводящее при воздействии случайных и преднамеренных помех к появлению альтернативных маршрутов с одинаковыми значениями показателями безопасности от одного абонента к нескольким узлам управления сервисами и соответственно к увеличению временных и ресурсных затрат при определении безопасного маршрута.

Наиболее близким аналогом (прототипом) по своей технической сущности к заявленному способу является известным способ достоверной оценки устойчивости к катастрофам автоматизированных информационных систем по Патенту РФ №2741273, опубл. 22.01.2021 г. бюл. №3.

Способ-прототип заключается в том, что формируют топологическую структуру сети связи, выделяют альтернативные маршруты пакетов сообщений для каждой пары альтернативных подключений к сети связи абонентов и запоминают альтернативные маршруты пакетов сообщений для каждого j-го варианта подключения абонентов, где j = 1, 2, …, вычисляют комплексный показатель безопасности , под которым понимается нормированное численное значение свертки параметров безопасности, характеризующее способность узла ИВС противостоять угрозам безопасности, порядок его вычисления известен и описан, например, в патенте РФ №2331158, для каждой i-й линии связи путем суммирования, или перемножения, или как среднее арифметическое значение ее параметров безопасности, сравнивают значение комплексного показателя безопасности i-го узла связи, где i = 1, 2, 3, …, с предварительно заданным минимальным допустимым значением П_Kmin, при , запоминают i-й узел как «опасный», а в противном случае, при , запоминают узел как «безопасный», затем вычисляют критическое соотношение «опасных» и «безопасных» узлов для каждого j-го варианта подключения абонентов, при котором смежные «опасные» узлы образуют цепочки, исключающие обмен между абонентами, для этого выбирают случайным образом из каждого ранее запомненного варианта подключения абонентов p_j-ю часть узлов из общего их количества и запоминают их как «опасные», из смежных «опасных» узлов формируют связанные цепочки и запоминают их, затем последовательно увеличивают долю «опасных» узлов на величину Δp и повторяют формирование связанной цепочки до выполнения условий или , ранжируют по показателям П_K альтернативные варианты подключения абонентов сети связи и выбирают из них вариант с максимальным значением, после этого используя процедуру блочного укрупнения, формируют топологическую нормализованную структуру сети, используемую для связи абонентов АИС с помощью масштабирования, (ренормализации) реформируют ее топологическую схему в упрощенную квадратную решетку из четырех узлов (2×2), это позволяет с достоверностью оценить наличие устойчивой связи абонентов автоматизированной информационной системы при воздействии случайных или преднамеренных помех.

Недостатком способа-прототипа является то, что телекоммуникационные сети на этапе формирования топологии структуры телекоммуникационной сети не учитывают структурную устойчивость вариантов формирования.

Целью заявленного изобретения является повышение точности сравнительной оценки устойчивости структуры информационно-телекоммуникационной сети за счет учета топологической связности, надежности элементов, напряженности направлений связи, коэффициентов надежности маршрутов, коэффициентов надежности группы маршрутов, коэффициентов надежности направлений связи, коэффициентов надежности структур связи, показателя маршрутной мощности сети

1. Сформированный технический результат достигается тем, что в известном способе сравнительной оценки перед формированием топологической схемы вводят квадратную матрицу смежности узлов связи М||А, L||, формируют исходный вариант топологической структуры с указанием значений коэффициентов надежности узлов Р_А и линий связи Р_L, вычисляют общее количество маршрутов в каждом направлении связи N методом перебора простых цепей, объединяют маршруты, проходящие через одинаковые вершины, в группу маршрутов М_Х, вычисляют количество маршрутов в группе М_Х, Формируют полную маршрутную карту топологической структуры, формируют сводную таблицу характеристик направлений связи для каждой топологической структуры, рассчитывают коэффициенты напряженностей направлений связи , коэффициенты надежностей маршрутов , коэффициенты надежностей групп маршрутов , коэффициенты надежностей направлений связи , коэффициенты маршрутных мощностей направлений связи и коэффициент маршрутной мощности топологической структуры сети связи W_STR, сравнивают рассчитанные показатели маршрутных мощностей топологических структур W_STR и выбирают для реализации топологическую структуру с наибольшим показателем коэффициента маршрутной мощности топологической структуры W_STR.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в заявленном способе, при сравнении возможных вариантов структур учитывают параметры топологической связности, надежности элементов, напряженности направлений связи, коэффициентов надежности маршрутов, коэффициентов надежности группы маршрутов, коэффициентов надежности направлений связи, коэффициентов надежности структур связи, маршрутной мощности сети чем достигается повышение точности сравнительной оценки устойчивости структур информационно-телекоммуникационных сетей.

Заявленный способ поясняется чертежами, на которых представлены:

Фиг. 1 - Рассматриваемый вариант структуры сети (Фиг. 1).

Фиг. 2 - Рассматриваемый вариант структуры сети (Фиг. 2).

Фиг. 3 - Рассматриваемые варианты структуры сети (Фиг. 3).

Фиг. 4 - Полная маршрутная карта структуры сети (Табл. 1).

Фиг. 5 - Сводная таблица характеристик направлений связи для каждой структуры (Табл. 2).

Фиг. 6 - Диаграмма изменения общего количества маршрутов в различных структурах (Фиг. 4).

Фиг. 7 - Таблица расчета напряженностей направления связи (Табл. 3).

Фиг. 8 - Таблица показателей надежности элементов сети связи (Табл. 4).

Фиг. 9 - Таблица расчета маршрутной мощности каждой структуры (Табл. 5, 6, 7).

Предлагаемый способ реализуют следующим образом.

В целях формирования исходной топологической схемы (Рисунок 1 на Фигуре 1) вводят квадратную матрицу смежности узлов связи М||А, L||. На основе матрицы смежности строят граф G={X, А} с заданными множеством вершин X и множеством ребер А. Для каждого элемента графа G={X, А} задают показатели надежности.

Вершины графа {x_i}, представляющие собой узлы исследуемой сети, связаны между собой маршрутами М. Маршрут - последовательность элементов графа G={X, А} организованными непосредственно между собой, либо через транзитные узлы этой же сети.

Направление связи NS - совокупность всех маршрутов М соединяющих вершины X сети, представленной графом графа G={X, А}.

Для оценки устойчивости структур вводятся следующие показатели: количество ребер маршрута N_A, количество вершин маршрута N_X, количество маршрутов в направлении связи , общее количество маршрутов в структуре , количество маршрутов в группе маршрутов проходящих через одинаковые вершины , напряженность направления связи U_NS, коэффициент надежности маршрута KU_M, коэффициент надежности группы маршрутов , коэффициент надежности направления связи , коэффициент надежности структуры KU_str, маршрутная мощность структуры сети .

Далее методом перебора простых цепей, описанным в ГОСТ Р 53111-2008, для каждого доступного маршрута М рассчитывают количество ребер N_A и вершин N_X, в его составе.

После чего, вычисляют - общее количества маршрутов М в каждом направлении связи NS, для этого методом полного перебора простых цепей совершают обход графа. В Таблице 1 Фигуры 4 приведен пример для расчета общего количества маршрутов направлений связи 5-10, 15-29, где в графе «Ребра» указаны все возможные последовательности ребер, обеспечивающие достижение вершины 10 из вершины 5 и вершины 29 из вершины 15.

Далее вычисляют показатель - количество маршрутов в группе, для этого маршруты объединяют в группы по принципу прохождения одинаковых вершин, наименование которых вносится в графу «Вершины». В графах «Итого ребер» и «Итого вершин» подсчитывают общее количество вершин и ребер маршрутов в группе. Таким образом, определяют показатель -количество маршрутов в группе , которое фиксируют в графе «маршрутов в группе» Таблицы 1 Фигуры 4. В графе «итого» подсчитывают общее количество маршрутов между парами вершин 5-10, 15-29.

Шаг №3. Формирование полной маршрутной карты структуры.

Таблица 1 Фигуры 4 заполняют по принципу «каждый с каждым», таким образом, формируют полную маршрутную карту структуры.

Шаг №4. Формирование сводной таблицы характеристик направлений связи для каждой структуры.

На основе сформированных полных маршрутных карт каждой структуры, формируют сводную таблицу характеристик направлений связи для каждой структуры, в которой, для каждого направления связи N_i, вносят рассчитанное в графе «итого» Таблицы 1 Фиг. 4 количество маршрутов. Далее для каждой структуры путем сложения количества маршрутов в каждом направлении , вычисляют общее число маршрутов в структуре и вносим в графу «Общее количество маршрутов» Таблицы 2 Фиг. 5.

Первый вывод при сравнительной оценке структур можно сделать, проанализировав изменение общего количества маршрутов в структуре и количество маршрутов в каждом направлении при неизменном составе элементов. В Таблице 2 Фиг. 5 и на Рисунке 4 Фиг. 6 представлены результаты анализа трех структур с точки зрения изменения количества маршрутов в каждом направлении, и общего числа маршрутов в структуре

Шаг №5. Расчет напряженности направления связи NS_i

Напряженность направления связи прогнозируют и рассчитывают опытным путем, как отношение объема трафика¹ переданного в направлении связи за время к общему объему переданного трафика во всей сети за время t - V_траф(t).

В Таблице 3 Фиг. 7 представлен пример расчета напряженностей направлений связи. Сам параметр не зависит от структуры сети, и применим при дальнейших расчетов для каждой структуры.

Шаг №6. Задание параметров надежности элементов структуры (вершин. ребер).

Для каждого элемента рассматриваемых структур задается его надежность. Как и показатель напряженности направления связи показатель надежности не зависит от структуры сети, и применим для дальнейших расчетов для каждой структуры. Применяемая методика не рассматривает

¹ Объем информации, передаваемой через компьютерную сеть за определенный период времени.

сложные расчеты общей надежности, т.к. это не является основной ее задачей и является задачей отдельного исследования в целях совершенствования предлагаемой методики. Поэтому для упрощения надежности каждого элемента являются константами при расчетах. В качестве примера для проведения реального расчета введены следующие показатели надежности, приведенные в Таблице 4 Фиг. 8.

Шаг №7. Расчет коэффициента надежности группы маршрутов в направлении связи NS_i, проходящих через одинаковые вершины.

2. В общем случае коэффициент надежность маршрутов KU_M рассчитывают по формуле последовательного соединения элементов, входящих в маршрут: . А коэффициенты надежностей групп маршрутов рассчитывают по формуле: , где - надежность i-го маршрута, - количество маршрутов в группе.

Шаг №8. Расчет структурной надежности направления связи

В направлении связи NS_i на шаге 7 отдельно подсчитаны надежности группы маршрутов, проходящих через одинаковые вершины. Каждая такая группа маршрутов является частично зависимой, но в целом содержит в составе разные вершины. Поэтому можно считать такие группы резервирующими и для расчета надежности направления связи применить формулу расчета надежности параллельного соединения элементов.

Коэффициент структурной надежности направления связи есть величина, объединяющая в себе расчетное количество групп маршрутов, проходящих через независимые вершины и вычисляется по формуле:

,

где - коэффициент надежности группы маршрутов, - количество групп маршрутов в направлении связи.

Шаг №9. Расчет маршрутной мощности направления

Маршрутная мощность направления является показателем, объединяющим в себе коэффициента напряженности i-го направления связи и коэффициент надежности i-го направления связи , и вычисляется по формуле:

Шаг №10. Расчет маршрутной мощности структуры W_STR

Маршрутная мощность топологической структуры W_STR рассчитывают как сумму коэффициентов маршрутных мощностей всех направлений связи , входящих в структуру и вычисляют по формуле:

Данный показатель позволяет проводить комплексную сравнительную оценку структур при развертывании сетей связи подвижных объектов модульного типа.

Далее в Таблице 5, 6, 7 Фиг. 9 приведены расчеты указанных выше коэффициентов с выводом показателя маршрутной мощности структуры в целом.

Полученные результаты подтверждают заявленную цель изобретения обеспечение более рационального использования пропускной способности доступных маршрутов и уменьшение вероятности потерь пакетов.

1. Способ сравнительной оценки структур сетей связи, заключающийся в том, что формируют топологическую структуру сети связи, выделяют альтернативные маршруты пакетов сообщений для каждой пары альтернативных подключений к сети связи абонентов, запоминают альтернативные маршруты пакетов сообщений для каждого j-го варианта подключения абонентов, где j = 1, 2, …, вычисляют комплексный показатель безопасности П_к для каждой i-й линии связи путем суммирования, или перемножения, или как среднее арифметическое значение ее параметров безопасности, под которым понимается нормированное численное значение свертки параметров безопасности, характеризующее способность узла ИВС противостоять угрозам безопасности, сравнивают значение комплексного показателя безопасности i-го узла сети связи, где i = 1, 2, 3, …, с предварительно заданным минимальным допустимым значением П_{K min}, при , запоминают i-й узел как «опасный», а в противном случае, при , запоминают узел как «безопасный», затем вычисляют критическое соотношение «опасных» и «безопасных» узлов для каждого j-го варианта подключения абонентов, при котором смежные «опасные» узлы образуют цепочки, исключающие обмен между абонентами, для этого выбирают случайным образом из каждого ранее запомненного варианта подключения абонентов p_j-ю часть узлов из общего их количества и запоминают их как «опасные», из смежных «опасных» узлов формируют связанные цепочки и запоминают их, затем последовательно увеличивают долю «опасных» узлов на величину Δp и повторяют формирование связанной цепочки до выполнения условий или , ранжируют по показателям П_K альтернативные варианты подключения абонентов сети связи и выбирают из них вариант с максимальным значением, после этого, используя процедуру блочного укрупнения, формируют топологическую нормализованную структуру сети, отличающийся тем, что перед формированием топологической структуры сети вводят квадратную матрицу смежности узлов связи М||А, L||, формируют исходный вариант топологической структуры с указанием значений коэффициентов надежности узлов Р_А и линий связи P_L, вычисляют общее количество маршрутов в каждом направлении связи N методом перебора простых цепей, объединяют маршруты, проходящие через одинаковые вершины, в группу маршрутов M_X, вычисляют количество маршрутов в группе M_X, формируют полную маршрутную карту топологической структуры, формируют сводную таблицу характеристик направлений связи для каждой топологической структуры, рассчитывают коэффициенты напряженностей направлений связи , коэффициенты надежностей маршрутов , коэффициенты надежностей групп маршрутов , коэффициенты надежностей направлений связи , коэффициенты маршрутных мощностей направлений связи и коэффициент маршрутной мощности топологической структуры сети связи W_STR, сравнивают рассчитанные показатели маршрутных мощностей топологических структур W_STR и выбирают для реализации топологическую структуру с наибольшим показателем коэффициента маршрутной мощности топологической структуры W_STR.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что квадратную матрицу смежности М||А, L||, где А - узлы сети, L - линии прямой связи между двумя узлами сети, формируют при наличии линий прямой связи между двумя узлами, причем если связь присутствует в квадратной матрице М||А, L|| в позиции пересечения данных узлов, вводят значение «1», при отсутствии связи вводят значение «0».

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициенты напряженностей направлений связи рассчитывают по формуле

где - объем трафика переданного в направлении связи за время t, V_traf(t) - общий объем переданного трафика во всей сети за время t.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициенты надежностей маршрутов рассчитывают по формуле последовательного соединения элементов, входящих в маршрут , где - коэффициент надежности i-го узла, - коэффициент надежности i-й линии связи.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициенты надежностей групп маршрутов рассчитывают по формуле , где - надежность i-го маршрута, - количество маршрутов в группе.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициенты надежностей направлений связи рассчитывают по формуле , где - коэффициент надежности группы маршрутов, - количество групп маршрутов в направлении связи.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициенты маршрутных мощностей направлений связи рассчитывают по формуле , где - коэффициент напряженности i-го направления связи, - коэффициент надежности i-го направления связи.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что коэффициент маршрутной мощности топологической структуры W_STR рассчитывают по формуле , где - коэффициент маршрутной мощности направления связи.