СПОСОБ МОДЕЛИРОВАНИЯ ВИРТУАЛЬНОЙ СЕТИ СВЯЗИ НА ОСТАТОЧНЫХ РЕСУРСАХ ФИЗИЧЕСКОЙ СЕТИ Российский патент 2021 года по МПК G06F1/00 

Изобретение относится к области моделирования сетей связи и может быть использовано при проектировании систем и сетей связи на физическом и логическом (виртуальном) уровне и их подсистем управления; для обоснования структуры виртуальной сети, создаваемой на основе физической сети, обеспечивающей функционирование других, действующих, виртуальных сетей.

Развитие цифровых и информационных технологий привело к появлению в физических сетях связи (информационно-телекоммуникационных системах) множества наложенных виртуальных (логических) сетей связи. Достоинством технологии виртуальных сетей является то, что она позволяет создавать полностью изолированные сегменты сети путем логического конфигурирования устройств, не прибегая к изменению физической структуры [Олифер В., Олифер Н. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 5-е изд. — СПб.: Питер, 2016. — 992 с.: ил., стр. 387]. Однако виртуальные сети можно считать полноценным видом транспорта для передачи трафика, только если есть гарантии на пропускную способность и другие параметры производительности [Пугин В.В., Татаринова Н.М. Проектирование корпоративной сети предприятия на основе технологии VPN. Методические указания для выполнения курсового и дипломного проектирования специальностей 210406, 210403 и 090106. – Самара: ПГУТиИ, 2011г. – 90 с., стр. 6].

Использование множеством виртуальных сетей связи ресурсов одной физической сети способствует возникновению конфликтной ситуации, при которой суммарные потребности виртуальных сетей превышают ресурсы физической. Поэтому при формировании каждой новой виртуальной сети необходимо учитывать распределение нагрузки на ресурсы физической сети во времени. В этом случае, при превышении суммарной пиковой нагрузки виртуальных сетей ресурсов физической сети возможно распределение их нагрузки во времени, что позволит исключить возникновение конфликтных ситуаций при использовании общего телекоммуникационного ресурса.

Известные способы моделирования сетей связи не позволяют находить варианты структуры вновь создаваемых виртуальных сетей связи с учетом распределения во времени суммарной нагрузки действующих виртуальных сетей на элементы физической сети.

Перечисленные выше факторы указывают на необходимость разработки способов моделирования виртуальных сетей связи на остаточных ресурсах физической сети, с учетом распределения во времени нагрузки действующих виртуальных сетей на элементы физической сети и интенсивности нагрузки корреспондентов формируемой виртуальной сети.

Термины и определения, используемые в заявке.

Сеть связи – технологическая система, включающая в себя средства и линии связи и предназначенная для электросвязи [Федеральный закон от 7 июля 2003 г. N 126-ФЗ «О связи»].

Виртуальная сеть связи – логическая сеть связи, создаваемая поверх другой сети – физической сети. Физическая сеть – это совокупность технических средств и сред (каналов связи), с помощью которых осуществляется передача данных.

Узел связи – совокупность технических средств связи, обеспечивающих маршрутизацию трафика (данных), оказание услуг связи и присоединение пользователей к сети общего пользования. В графе – вершины.

Корреспондирующий узел связи – узел связи к которому присоединен пользователь (отправитель/получатель) информационного направления.

Линия связи – линии передачи, физические цепи и линейно-кабельные сооружения связи. В графе – ребра.

Блок данных – битовая последовательность, передаваемая как единое целое между элементами информационно-телекоммуникационной системы. Для различных технологий – это пакет, контейнер и др.

Пропускная способность – предельная скорость передачи данных линии связи (информационного направления).

Память – среда для хранения данных в течение определённого времени. Имеет показатели объема, скорости чтения/записи и др.

Вычислительная мощность (производительность) оборудования – объем данных, обрабатываемый в единицу времени.

Информационное направление – совокупность технических средств связи, обеспечивающая перенос данных между корреспондентами (пользователями).

Маршрутизация – процесс определения маршрута передачи данных в сетях связи.

В настоящее время известны способы моделирования сетей связи. Так, известен способ моделирования, реализованный в [Способ моделирования сетей связи. Агеев Д.А., Баленко О.А., Бухарин В.В., Жилков Е.А., Кирьянов А.В., Сагдеев А.К., Стародубцев Ю.И. Патент на изобретение RU 2488165 C1, 20.07.2013. Заявка № 2012130787/08 от 18.07.2012.]. Способ заключается в том, что формируют исходный граф исследуемой сети с заданными значениями N вершин графа сети и М ветвей, соединяющих их, задают число статических экспериментов, задают совокупности из W возможных видов угроз безопасности, Z адекватных им средств защиты и присваивают им определенные численные индексы, формируют последовательности псевдослучайных чисел и законы их распределения, которые соответствуют непреднамеренным отказам вершин и ветвей сети, формируют законы распределения случайных чисел, соответствующие появлению определенного вида угрозы безопасности, возникшим при их реализации отказам.

Недостатком данного способа является отсутствие учета вычислительной способности и возможностей памяти оборудования узлов связи, что не позволяет полноценно оценить создаваемую на элементы физической сети нагрузку информационных направлений виртуальных сетей и их независимость друг от друга.

Известен способ моделирования, реализованный в [Способ моделирования разнородных сетей связи. Алисевич Е.А., Гусев А.П., Евграфов В.А., Панкова Н.В., Семенов С.С., Стародубцев Г.Ю., Стародубцев Ю.И. Патент на изобретение RU 2481629 C1, 10.05.2013. Заявка № 2012100119/08 от 10.01.2012.], заключающийся в том, что задают исходные данные, формируют в каждом из статистических экспериментов граф, в котором существует или отсутствует маршрут в заданных информационных направлениях, имитируют перемещение абонентов, генерируют начальную топологию и структуру разнородных сетей, при этом элементы разнородных сетей связи не связаны между собою, формируют матрицу информационных направлений между узлами разнородных сетей связи, имитируют соединение узла сети с другим узлом сети, фиксируют пути успешного функционирования для каждого информационного направления, генерируют значения пропускной способности и показателя живучести для сформированной линии привязки между узлами, рассчитывают вероятность наличия маршрута между абонентами.

Недостатком данного способа является то, что при маршрутизации в нем учитывается только пропускная способность и живучесть, а свойства памяти и вычислительной способности оборудования узлов связи не учтены, что не позволяет полноценно оценить создаваемую нагрузку информационных направлений виртуальных сетей на элементы физической сети.

Известен способ моделирования, реализованный в [Способ моделирования сети связи с памятью. Стародубцев Ю.И. Иванов С.А., Иванов Н.А., Вершенник Е.В., Закалкин П.В., Стародубцев П.Ю., Белов К.Г., Вершенник А.В. Патент на изобретение RU 2734503 C1, 19.10.2020. Заявка № 2020116157 от 16.05.2020]. Технический результат изобретения заключается в расширении арсенала средств в области моделирования сетей связи за счет установления зависимости между вероятностью передачи блоков данных за заданное время и объемом памяти на узлах коммутации с учетом параметров, характеризующих состояние сети в условиях потока отказов ее элементов и заданных параметрах подсистемы ее восстановления.

Недостатком данного способа является то, что при моделировании физической сети связи в нем не учитываются особенности размещения множества наложенных виртуальных сетей, что не позволяет полноценно оценить во времени создаваемую нагрузку на ресурсы элементов физической сети.

Наиболее близким по технической сущности аналогом к заявленному способу и принятому за прототип является способ моделирования виртуальных сетей в условиях деструктивных воздействий [Cпособ моделирования виртуальных сетей в условиях деструктивных программных воздействий. Алисевич Е.А., Бречко А.А., Львова Н.В., Сорокин М.А., Стародубцев Ю.И. Патент на изобретение RU 2701994 C1, 02.10.2019. Заявка № 2018136271 от 15.10.2018.], заключающийся в том, что формируют исходный граф исследуемой физической сети с заданным количеством вершин графа и ветвей, соединяющих их, задают информационные направления между вершинами графа, число статистических экспериментов и длительность шага модельного времени, дополнительно задают ряд индивидуальных разнородных требований к виртуальной сети, обеспечивающей каждое информационное направление, вариант маршрутизации, интервал изменения и закон распределения случайных величин, характеризующих времена восстановления неработоспособных элементов физической сети связи в зависимости от элементов и реализуемого типа деструктивных программных воздействий, нумеруют все вершины графа физической сети связи, формируют матрицу смежности графа, элементами которой являются весовые коэффициенты, учитывающие пропускную способность каждой ветви физической сети.

Недостатком способа-прототипа является отсутствие, при моделировании виртуальной сети связи, определения остаточного ресурса во времени элементов физической сети, на основе которого будет формироваться виртуальная сеть.

Технической проблемой, на решение которой направлено предлагаемое решение, является множественные взаимовлияния между виртуальными сетями связи, функционирующими на основе ресурсов одной физической сети, возникающими вследствие превышения суммарной нагрузки виртуальных сетей над ресурсами физической сети, обеспечивающей их функционирование. Данное обстоятельство не позволяет исследовать виртуальные сети по отдельности и в дальнейшем обеспечивать качество обслуживания корреспондентов одной виртуальной сети без учета множества корреспондентов других виртуальных сетей.

Техническая проблема решается за счет последовательного и обоснованного динамического определения остаточного ресурса физической сети связи, на основе которой функционируют множество виртуальных сетей, а также исключения из структуры физической сети элементов с недостаточным ресурсом при моделировании очередной виртуальной сети.

Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей средств и способов моделирования виртуальных сетей связи с требуемым качеством обслуживания и сокращения времени моделирования очередной виртуальной сети.

Технический результат достигается тем, что в способе моделирования виртуальной сети связи на остаточных ресурсах физической сети, формируют исходный граф исследуемой физической сети с заданным количеством вершин графа – узлов и ветвей – линий связи, задают параметры пропускной способности каждой линии связи, K действующих виртуальных сетей связи и требования к ним, длительность шага модельного времени Δt моделируют процесс передачи данных в виртуальных сетях; что дополнительно задают параметры памяти и вычислительной способности оборудования на каждом узле связи; места размещения корреспондентов K действующих виртуальных сетей связи и интенсивность генерируемой корреспондентами нагрузки, алгоритмы маршрутизации, общее время одного статистического эксперимента T, состав и структуру вновь подключаемой к физической сети связи корпоративной системы управления (КСУ), для которой необходимо обеспечить информационный обмен, требования корреспондентов КСУ к информационному обмену, определяют остаточный ресурс элементов физической сети связи как разницу заданного ресурса и нагрузки, оказываемой на него потоками данных, циркулирующих во всех функционирующих виртуальных сетях, последовательно проводят K статистических экспериментов по моделированию действующих виртуальных сетей связи с последовательным добавлением в каждом эксперименте одной действующей виртуальной сети связи, в каждом из которых подключают корреспондентов k-ой виртуальной сети к узлам физической сети, выбирают в R_k информационных направлениях алгоритмы маршрутизации и определяют маршруты передачи данных с учетом остаточного ресурса элементов физической сети связи, отмечают k-ю виртуальную сеть как функционирующую, при моделировании процесса передачи данных во всех виртуальных сетях в каждом информационном направлении с шагом моделирования Дt корреспонденты информационных направлений генерируют и передают поток данных с заданной интенсивностью по установленному маршруту, измеряют показатели нагрузки на пропускную способность, память и вычислительную способность на всех элементах физической сети связи и запоминают их значения, после окончания каждого статистического эксперимента выводят характеристики нагрузки на все элементы физической сети связи во времени по показателям пропускной способности, памяти и вычислительной способности, корректируют по ним характеристики остаточного ресурса всех элементов физической сети связи во времени по показателям пропускной способности, памяти и вычислительной способности; исключают из структуры физической сети элементы, максимальные значения характеристик остаточного ресурса которых меньше заданных минимальных требований в информационных направлениях k-ой виртуальной сети, после проведения всех статистических экспериментов по моделированию К действующих виртуальных сетей связи моделируют подключение виртуальной сети связи КСУ, для чего исключают из структуры физической сети элементы, максимальные значения характеристик остаточного ресурса которых меньше минимальных заданных требований в информационных направлениях КСУ, подключают корреспондентов КСУ к элементам физической сети связи с учетом их физического размещения и требований к информационному обмену, последовательно для каждого информационного направления выбирают в информационных направлениях КСУ алгоритм маршрутизации и определяют маршруты передачи данных, при этом сопоставляют заданную характеристику интенсивности нагрузки в информационных направлениях с характеристикой во времени остаточных ресурсов элементов физической сети, входящих в маршруты информационного направления, проверяют наличие маршрутов с учетом необходимого для функционирования информационных направлений КСУ остаточного ресурса элементов физической сети связи, если такие маршруты существуют, то выбирают маршрут передачи данных по основному критерию маршрутизации, если маршруты отсутствуют, то выбирают другие, удовлетворяющие требованиям информационных направлений, алгоритмы маршрутизации и повторяют действия по определению и проверке маршрутов передачи данных с учетом необходимого для функционирования информационных направлений КСУ остаточного ресурса элементов физической сети связи, если такие маршруты существуют, то выбирают маршрут передачи данных по основному критерию маршрутизации, если в каких-либо информационных направлениях маршруты отсутствуют, при условии проверки всех удовлетворяющих требованиям информационных направлений алгоритмов маршрутизации, то проверяют наличие непроверенных вариантов подключения корреспондентов информационного направления из места их заданного расположения, если непроверенные варианты подключения корреспондентов информационного направления из места их заданного расположения есть, выбирают другие доступные варианты подключения корреспондентов КСУ в месте их размещения и повторяют действия по определению и проверке маршрутов передачи данных с учетом необходимого для функционирования информационных направлений КСУ остаточного ресурса элементов физической сети связи, если в каких-либо информационных направлениях нет маршрутов, при условии проверки всех удовлетворяющих требованиям информационных направлений алгоритмов маршрутизации при всех доступных вариантах подключения корреспондентов КСУ в месте их размещения, то в каждом информационном направлении для каждого корреспондента определяют узлы физической сети, от которых существуют маршруты, удовлетворяющие требованиям к информационному обмену корреспондентов информационного направления, для каждого корреспондента строят вариационный ряд узлов физической сети, от меньшего к большему, по необходимым ресурсам для его перемещения к узлу связи, перемещают и подключают корреспондентов к узлам физической сети связи, соответствующих старшему члену их вариационного ряда, в информационном направлении заново выбирают алгоритм маршрутизации и определяют маршрут передачи данных, после определения маршрутов передачи данных во всех информационных направлениях КСУ отмечают полученную виртуальную сеть связи как функционирующую.

Из уровня техники не выявлено решений, касающихся способов моделирования сетей связи, характеризующихся заявленной совокупностью признаков, что, следовательно, указывает на соответствие заявленного способа условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием элементной базы, на основе которой могут быть выполнены устройства, реализующие способ.

Заявленный способ поясняется фиг. 1 – блок-схема способа моделирования виртуальной сети связи на остаточных ресурсах физической сети.

Заявленный способ реализован в виде блок-схемы моделирования, представленной на фиг. 1.

В блоке 1 формируют исходный граф исследуемой физической сети с заданным количеством вершин графа – узлов и ветвей – линий связи.

Исходный граф исследуемой физической сети отражает топологию сети. Вершины графа соответствуют узлам сети связи, на которых размещено оборудование каналообразования, агрегации, коммутации, маршрутизации и др., ветви – линиям связи, соединяющим узлы сети. Выбор топологии физической сети связи существенно влияет на различные ее характеристики, например, на связность сети. Наличие резервных связей между корреспондентами сети связи дает возможность построить большее число независимых маршрутов для информационного обмена, с большей эффективностью балансировать нагрузкой в сети. [Проектирование и моделирование сетей связи. Лабораторный практикум / В.Н. Тарасов, Н.Ф. Бахарева, С.В. Малахов, Ю.А. Ушаков. СПб.: Лань, 2019 –240 с.; Применение теории графов для моделирования архитектуры региональной сети передачи данных научные ведомости / С.Н. Девицына. Научные ведомости. Серия Экономика. Информатика. 2015. №19 (216). Выпуск 36/1. С. 170-176; Программное обеспечение. Bentley Fiber. Режим доступа: www.bentley.com/ru/products/product-line/utilities-and-communications-networks-software/bentley-fiber]. Данное действие может быть выполнено путем выполнения операций по разработанным и указанным в перечисленных источниках алгоритмам при помощи электронно-вычислительной машины (ЭВМ).

В блоке 2 задают:

1. Ресурсы элементов физической сети:

пропускную способность линий связи. Пропускная способность является одной из основных характеристик каналов связи и информационных направлений и представляет собой максимально возможный объем передачи данных за нормированное время – скорость передачи данных. Она отражает не только параметры физической среды, но и особенности выбранного способа передачи дискретной информации в этой среде. Время прохождения блоков данных по маршруту существенно зависит, наряду с пропускной способностью, от показателей вычислительной способности (производительности) и памяти оборудования элементов сети. Данные о времени прохождения блоков данных в линиях связи физической сети, например, возможно получить на основе команды «ping_». [Олифер В., Олифер Н. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 5-е изд. – СПб.: Питер, 2016. - 992 с.: ил. – (Серия «Учебник для вузов»), стр. 52-104; Э. Таненбаум, Д. Уэзеролл. Компьютерные сети. 5-е изд.. – СПб.: Питер, 2017. - 960 с.: ил. – (Серия «Классика computer Science»), с. 392-420; М.В. Кульгин. Коммутация и маршрутизация IP/IPX-трафика. – М.: КомпьютерПресс, 1998. – 320 с, ил., с. 106-214];

параметры памяти (оперативной и постоянной) узлов связи, определяемые характеристиками оборудования узлов связи;

параметры вычислительной способности (производительности) узлов связи, определяемые характеристиками оборудования узлов связи;

2. K действующих виртуальных сетей связи.

К задаваемым показателям виртуальных сетей относятся:

места размещения корреспондентов относительно элементов физической сети связи, определяющие узел их подключения к физической сети связи;

категории корреспондентов, определяемые перечнем услуг связи корреспондента и приоритетом его функционального назначения, и назначением органа корпоративной системы управления, к которому он относится (Приоритет – преимущественное право корреспондента перед другими, определяющее его относительную важность на доступ к ресурсам коллективного пользования для передачи информации или прерывания. (ГОСТ Р 50304-92. Системы для сопряжения радиоэлектронных средств интерфейсные. Термины и определения). Приоритет – классификационная группировка абонентов (корреспондентов, должностных лиц) или содержания сообщений в целях определения очередности предоставления абонентам каналов связи или передачи сообщений (Системы связи и оповещения: курс лекций для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Техносферная безопасность» / Сост.: Белявская А.С. Тирасполь, 2015 г. 75 с., стр. 12).

R_k информационных направлений для каждой виртуальной сети, определяемых потребностями ее корреспондентов;

интенсивность генерируемой корреспондентами нагрузки, отображающая распределение общего потока формируемого корреспондентами потока данных во времени;

требования к виртуальным сетям. Суммарные требования корреспондентов к услугам связи виртуальной сети и категории передаваемых в информационных направлениях данных определяют общие требования к сети в целом. Перечень услуг связи задают для каждого корреспондента в зависимости от его функционального назначения. Состав услуг связи каждого корреспондента определяет критерии выбора варианта маршрутизации в необходимых информационных направлениях;

3. Длительность шага модельного времени Дt, определяемая минимальным временем передачи блока данных между двумя смежными элементами сети;

4. Общее время одного статистического эксперимента T, определяемое временем (максимальным циклом) функционирования корреспондентов всех действующих виртуальных сетей сети. Период T может, например, определяться этапами функционирования корреспондентов, циклами работы информационных направлений, требуемыми временными рамками и т.д.;

5. Алгоритмы маршрутизации. Вариант и критерии работы алгоритмов могут зависеть от категории передаваемых данных, времени их актуальности для корреспондентов, категории защиты передаваемой информации, требований к устойчивости информационного направления и т.д. Алгоритмы маршрутизации могут быть уникальными – разрабатываться заново под конкретную задачу, либо возможно использование известных алгоритмов и их модификаций [Основы сетевых технологий на базе коммутаторов и маршрутизаторов / Н.Н. Васин. Бином. Лаборатория знаний, 2017 –270 с.]. Например: Алгоритм Дейкстры (находит кратчайший путь от одной из вершин графа до всех остальных во взвешенном графе. Вес ребер должен быть положительным); Алгоритм Беллмана – Форда (находит кратчайшие пути от одной вершины графа до всех остальных во взвешенном графе. Вес ребер может быть отрицательным); Алгоритм поиска A* (находит маршрут с наименьшей стоимостью от одной вершины (начальной) к другой (целевой, конечной), используя алгоритм поиска по первому наилучшему совпадению на графе); Алгоритм Флойда – Уоршелла (находит кратчайшие пути между всеми вершинами взвешенного ориентированного графа); Алгоритм Джонсона (находит кратчайшие пути между всеми парами вершин взвешенного ориентированного графа); Алгоритм Ли (волновой алгоритм, находит путь между вершинами планарного графа, содержащий минимальное количество промежуточных вершин (ребер); Алгоритм Килдала;

6. Состав и структуру вновь подключаемой к физической сети связи корпоративной системы управления (КСУ), для которой необходимо обеспечить информационный обмен:

состав органов управления КСУ и их количество для формирования ее виртуальной сети связи определяется корреспондентами органов оправления, участвующими в информационном обмене КСУ;

R _КСУ информационных направлений для виртуальной сети КСУ, определяемых потребностями ее корреспондентов (структура КСУ для формирования ее виртуальной сети определяется структурой информационных направлений КСУ, определяемой потребностями ее информационно взаимосвязанных корреспондентов. Структура информационных направлений может задаваться в виде матрицы, исходя из заданных количества органов и структуры корпоративной системы управления. Матрица из R_КСУ информационных направлений является квадратной матрицей размером n×n, где n – количество корреспондентов системы управления. Если r_КСУ-ое информационное направление между абонентами существует (), то в ячейки памяти, хранящие значения матрицы информационных направлений записывают «1», в противном случае, в ячейки памяти записывают «0». Пример матрицы информационных направлений представлен в (Патент РФ 2481629, МПК G06F 17/50, опубл 10.05.2012.) Сформированную матрицу записывают в ПЗУ ЭВМ);

места размещения корреспондентов относительно элементов физической сети связи, определяющие узел их подключения (корреспондирующий узел) к физической сети связи;

категории корреспондентов, определяемые перечнем услуг связи корреспондента и приоритетом его функционального назначения в, и назначением органа корпоративной системы управления, к которому он относится. (Приоритет – преимущественное право корреспондента перед другими, определяющее его относительную важность на доступ к ресурсам коллективного пользования для передачи информации или прерывания. (ГОСТ Р 50304-92. Системы для сопряжения радиоэлектронных средств интерфейсные. Термины и определения). Приоритет – классификационная группировка абонентов (корреспондентов, должностных лиц) или содержания сообщений в целях определения очередности предоставления абонентам каналов связи или передачи сообщений (Системы связи и оповещения: курс лекций для студентов, обучающихся по направлению подготовки «Техносферная безопасность» / Сост.: Белявская А.С. Тирасполь, 2015 г. 75 с., стр. 12);

интенсивность генерируемой корреспондентами нагрузки – отображает распределение общего потока формируемого корреспондентами потока данных во времени;

требования корреспондентов КСУ к информационному обмену. Суммарные требования корреспондентов к услугам связи виртуальной сети и категории, передаваемых в информационных направлениях, данных определяют общие требования к информационному обмену виртуальной сети в целом. Перечень услуг связи задают для каждого корреспондента в зависимости от его функционального назначения. Состав услуг связи каждого корреспондента определяет критерии выбора варианта маршрутизации в необходимых информационных направлениях.

Заданные величины записывают в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) ЭВМ.

В блоке 3 определяют остаточный ресурс элементов физической сети связи как разницу заданного ресурса элемента и нагрузки, оказываемой на него потоками данных, циркулирующих во всех функционирующих виртуальных сетях.

В блоке 4 проводят K статистических экспериментов по моделированию действующих виртуальных сетей связи с последовательным добавлением в каждом эксперименте одной действующей виртуальной сети связи, для чего:

В блоке 5 принимают k =1.

В блоке 6 подключают корреспондентов очередной k-й виртуальной сети к узлам связи физической сети, являющихся корреспондирующими узлами для данных корреспондентов. Узлы физической сети выбираются в соответствии с заданным расположением корреспондентов и исходя из удобства подключения. Запоминают пары корреспондент-узел связи в ПЗУ ЭВМ.

В блоке 7 выбирают из заданного в блоке 2 множества алгоритмы маршрутизации в информационных направлениях. Условия выбора алгоритма маршрутизации определяют характеристики потока данных (вид передаваемых данных, предельное время доставки, категория (приоритет) корреспондентов и др.). Маршрутизация, как правило, является многокритериальной задачей, поэтому условия выбора алгоритма должны ранжировать эти критерии – определять последовательность применения критериев выбора.

В блоке 8 на основе выбранного алгоритма маршрутизации, определяют маршруты передачи данных в R_k с учетом остаточного ресурса элементов физической сети связи. Определение маршрутов может быть осуществлено при помощи ЭВМ по известным алгоритмам [Стародубцев П.Ю., Сухорукова Е.В., Закалкин П.В. Способ управления потоками данных распределенных информационных систем // Проблемы экономики и управления в торговле и промышленности. 2015. № 3 (11). С. 73-78; Основы сетевых технологий на базе коммутаторов и маршрутизаторов / Н.Н. Васин. Бином. Лаборатория знаний, 2017 –270 с.; Способ моделирования оптимального варианта топологического размещения множества информационно взаимосвязанных абонентов на заданном фрагменте сети связи общего пользования. Вершенник А.В., Вершенник Е.В., Латушко Н.А., Стародубцев Ю.И. Патент на изобретение RU 2690213 C1, 31.05.2019. Заявка № 2018118104 от 16.05.2018.].

В блоке 9 отмечают k-ю виртуальную сеть связи как функционирующую с записью данных о ней в ПЗУ ЭВМ.

В блоке 10 моделируют в течении T процесс передачи данных в первой виртуальной сети с шагом модельного времени Дt, для чего:

В блоке 11 принимают t=0.

В блоке 12 корреспонденты информационных направлений всех функционирующих виртуальных сетей связи генерируют и передают поток данных по установленному маршруту. Генерация потока данных осуществляется в соответствии с заданной в блоке 2 интенсивностью. При генерировании блоков данных определяются их параметры: тип, срочность, время отправки, предельная длительность времени передачи, корреспонденты-получатели, форма выдачи и др. [Теория информации: учебник для вузов / Кудряшов Б.Д. – СПб.: Питер, 2009. – 320 с.: ил.].

В блоке 13 измеряют показатели нагрузки на пропускную способность, память и вычислительную способность элементов физической сети связи. Для измерения параметров могут использоваться как отдельные средства измерения, так и измерительные комплексы. Так, например, для волоконно-оптической системы передачи используются: анализаторы транспортных сетей для тестирования канального оборудования [режим доступа: https://skomplekt.com/tovar/1/3/31/. Дата обращения: 07.11.2020 г.].

В блоке 14 запоминают значения показателей нагрузки на пропускную способность, память и вычислительную способность элементов физической сети связи в ПЗУ ЭВМ.

В блоке 15 переходят к следующему шагу моделирования через время ∆t, для чего принимают t = t+∆t.

В блоке 16 проверяют, истекло ли модельное время T. Если модельное время истекло, т.е. t > T, то переходят к блоку 17; если модельное время не истекло, т.е. t ≤ T, то переходят блоку 12.

В блоке 17 выводят характеристики нагрузки на все элементы физической сети связи во времени по показателям пропускной способности, памяти и вычислительной способности.

В блоке 18 корректируют по ним характеристики остаточного ресурса всех элементов физической сети связи во времени по показателям пропускной способности, памяти и вычислительной способности. Результат записывают в ПЗУ ЭВМ.

В блоке 19 переходят к моделированию следующей виртуальной сети связи, для чего принимают k = k+1.

В блоке 20 проверяют, все ли K виртуальных сетей связи смоделированы. Если смоделированы все виртуальные сети, т. е. k > K, то переходят к блоку 22; в противном случае, т. е. если k ≤ K, переходят блоку 21.

В блоке 21 исключают из структуры физической сети элементы, при моделировании k-ой виртуальной сети, максимальные значения характеристик остаточного ресурса которых меньше заданных требований в информационных направлениях k-ой виртуальной сети. Данное действие можно реализовать путем установления в качестве критериев исключения элементов физической сети минимальные требования информационных направлений по заданным показателям. Реализация этого действия позволяет сократить время моделирования очередной виртуальной сети.

В блоке 22 после проведения всех статистических экспериментов моделируют подключение и функционирование виртуальной сети связи КСУ, для чего:

В блоке 23 исключают из структуры физической сети элементы, при моделировании виртуальной сети КСУ, максимальные значения характеристик остаточного ресурса которых меньше минимального требования в информационных направлениях виртуальной сети КСУ. Данное действие можно реализовать путем установления в качестве критериев исключения элементов физической сети минимальные требования информационных направлений по заданным показателям. Реализация этого действия позволяет сократить время моделирования виртуальной сети КСУ.

В блоке 24 подключают корреспондентов очередной виртуальной сети КСУ к узлам связи физической сети, являющихся корреспондирующими узлами для данных корреспондентов. Узлы физической сети выбираются в соответствии с заданным расположением корреспондентов и исходя из удобства подключения. Запоминают пары корреспондент-узел связи в ПЗУ ЭВМ.

Поочередно определяют маршруты для всех R_КСУ информационных направлений, для чего:

В блоке 25 принимают r_КСУ=1.

В блоке 26 выбирают в информационном направлении r_КСУ, из заданного в блоке 2 множества, алгоритм маршрутизации. Условия выбора алгоритма маршрутизации определяют характеристики потока данных (вид передаваемых данных, предельное время доставки, категория (приоритет) корреспондентов и др.). Маршрутизация, как правило, является многокритериальной задачей, поэтому условия выбора алгоритма должны ранжировать эти критерии – определять последовательность применения критериев выбора.

В блоке 27 на основе выбранного алгоритма маршрутизации, определяют маршруты передачи данных в r_КСУ с учетом остаточного ресурса элементов физической сети связи, при этом сопоставляют заданную характеристику интенсивности нагрузки в информационных направлениях с характеристикой во времени остаточных ресурсов элементов физической сети, входящих в маршруты информационного направления. Определение маршрутов может быть осуществлено при помощи ЭВМ по известным алгоритмам [Стародубцев П.Ю., Сухорукова Е.В., Закалкин П.В. Способ управления потоками данных распределенных информационных систем // Проблемы экономики и управления в торговле и промышленности. 2015. № 3 (11). С. 73-78; Основы сетевых технологий на базе коммутаторов и маршрутизаторов / Н.Н. Васин. Бином. Лаборатория знаний, 2017 –270 с.; Способ моделирования оптимального варианта топологического размещения множества информационно взаимосвязанных абонентов на заданном фрагменте сети связи общего пользования. Вершенник А.В., Вершенник Е.В., Латушко Н.А., Стародубцев Ю.И. Патент на изобретение RU 2690213 C1, 31.05.2019. Заявка № 2018118104 от 16.05.2018.].

В блоке 28 проверяют наличие маршрутов с учетом необходимого для функционирования информационных направлений КСУ остаточного ресурса элементов физической сети связи, определяемых в боке 18. Выполнение данного условия позволяет исключить взаимовлияния виртуальных сетей друг на друга.

Если такие маршруты есть, то блоке 29 выбирают маршрут передачи данных по основному критерию маршрутизации и переходят к блоку 40.

Если маршрутов с учетом остаточного ресурса элементов физической сети связи нет, то в блоке 30 проверяют наличие непроверенных алгоритмов маршрутизации, удовлетворяющих требованиям r_КСУ.

Если такие алгоритмы маршрутизации есть, то в блоке 31 выбирают, из перечня непроверенных, удовлетворяющих требованиям r_КСУ, алгоритм маршрутизации и переходят к блоку 27. Условия выбора алгоритма маршрутизации определяют характеристики потока данных (вид передаваемых данных, предельное время доставки, категория (приоритет) корреспондентов и др.). Маршрутизация, как правило, является многокритериальной задачей, поэтому условия выбора алгоритма должны ранжировать эти критерии – определять последовательность применения критериев выбора.

Если непроверенных алгоритмов маршрутизации, удовлетворяющих требованиям r_КСУ нет, то в блоке 32 проверяют наличие непроверенных вариантов подключения корреспондентов информационного направления r_КСУ из места их заданного расположения. Варианты подключения определяются положением корреспондентов относительно узлов связи физической сети и характеристиками линии привязки (типы, приоритетность и условия применения средств связи, применяемых для развертывания линий привязки) этих корреспондентов к узлам связи. К основным типам средств связи относятся: волоконно-оптические, электропроводные, радиорелейные, спутниковые, тропосферные. К основным показателям линий связи относятся: максимальная длина, пропускная способность, используемый диапазон частот, удельное затухание, время развертывания и т.д., их характеристики определяются характеристиками среды передачи, состоянием средств связи, погодными условиями, состоянием атмосферы, физико-географическими условиями и т.д. Зависимость показателей средств связи от внешних условий определяет устойчивость развертываемых на их основе линий связи и, соответственно, условия применения средств связи.

Если непроверенные варианты подключения корреспондентов r_КСУ к узлам связи физической сети есть, то в блоке 33 выбирают, в соответствии с приоритетностью, непроверенный вариант подключения и переходят к блоку 24. Приоритетность применения средств связи определяется совокупностью их условий применения, показателей качества и количества услуг связи, предоставляемых посредством развернутых на их основе линий связи. Так, волоконно-оптические линии связи имеют лучшие показатели по пропускной способности, коэффициенту ошибки, устойчивости к внешним воздействиям по сравнению с радиорелейными линиями, однако уступают им по времени развертывания и условиям размещения среды передачи (например, прокладка кабеля через болото с практической стороны нецелесообразна, а построение радиорелейного интервала через него не представляет практической сложности; или, построение радиорелейного интервала через горное ущелье возможно только при прямой видимости, что на практике является редкостью, а оптический кабель прокладывается любым маршрутом).

Если непроверенных вариантов подключения корреспондентов КСУ из места их заданного расположения нет, то в блоке 34 определяют узлы физической сети, от которых существуют маршруты, удовлетворяющие требованиям к информационному обмену корреспондентов информационного направления r_КСУ. Определение маршрута, удовлетворяющего требованиям к информационному обмену корреспондентов, и его оконечных (корреспондирующих для корреспондентов информационного направления) узлов связи физической сети может быть осуществлено при помощи ЭВМ по известным алгоритмам маршрутизации [Стародубцев П.Ю., Сухорукова Е.В., Закалкин П.В. Способ управления потоками данных распределенных информационных систем // Проблемы экономики и управления в торговле и промышленности. 2015. № 3 (11). С. 73-78; Основы сетевых технологий на базе коммутаторов и маршрутизаторов / Н.Н. Васин. Бином. Лаборатория знаний, 2017 –270 с.; Способ моделирования оптимального варианта топологического размещения множества информационно взаимосвязанных абонентов на заданном фрагменте сети связи общего пользования. Вершенник А.В., Вершенник Е.В., Латушко Н.А., Стародубцев Ю.И. Патент на изобретение RU 2690213 C1, 31.05.2019. Заявка № 2018118104 от 16.05.2018.].

В блоке 35 для каждого корреспондента информационного направления r_КСУ строят вариационный ряд узлов физической сети от меньшего к большему по необходимым ресурсам для перемещения корреспондента [Вариационные ряды и их характеристики / И.Г. Венецкий. М.: Статистика, 1970 – 160 с.].

В блоке 36 перемещают корреспондентов информационного направления r_КСУ к узлам физической сети связи, соответствующих старшему члену вариационного ряда.

В блоке 37 подключают корреспондентов информационного направления r_КСУ к узлам связи физической сети, соответствующих старшему члену вариационного ряда. Запоминают пары корреспондент-узел связи в ПЗУ ЭВМ.

В блоке 38 выбирают в информационном направлении r_КСУ, из заданного в блоке 2 множества, алгоритм маршрутизации. Условия выбора алгоритма маршрутизации определяют характеристики потока данных (вид передаваемых данных, предельное время доставки, категория (приоритет) корреспондентов и др.). Маршрутизация, как правило, является многокритериальной задачей, поэтому условия выбора алгоритма должны ранжировать эти критерии – определять последовательность применения критериев выбора.

В блоке 39 определяют варианты маршрутов передачи данных в информационном направлении r_КСУ с учетом остаточного ресурса элементов физической сети связи. Определение маршрута может быть осуществлено при помощи ЭВМ по известным алгоритмам [Стародубцев П.Ю., Сухорукова Е.В., Закалкин П.В. Способ управления потоками данных распределенных информационных систем // Проблемы экономики и управления в торговле и промышленности. 2015. № 3 (11). С. 73-78; Основы сетевых технологий на базе коммутаторов и маршрутизаторов / Н.Н. Васин. Бином. Лаборатория знаний, 2017 –270 с.; Способ моделирования оптимального варианта топологического размещения множества информационно взаимосвязанных абонентов на заданном фрагменте сети связи общего пользования. Вершенник А.В., Вершенник Е.В., Латушко Н.А., Стародубцев Ю.И. Патент на изобретение RU 2690213 C1, 31.05.2019. Заявка № 2018118104 от 16.05.2018.].

В блоке 40 переходят к определению маршрута следующего информационного направления, для чего принимают r_КСУ=r_КСУ+1

В блоке 41 проверяют, во всех ли информационных направлениях R_КСУ виртуальной сети связи определены маршруты. Если маршруты определены не во всех информационных направлениях, т.е. r_КСУ ≤ R_КСУ, то переходят блоку 26. Если маршруты определены во всех информационных направлениях, т.е. r_КСУ > R_КСУ, то переходят к блоку 42 и отмечают виртуальную сеть связи КСУ как функционирующую с записью данных о ней в ПЗУ ЭВМ.

Таким образом, за счет последовательного и обоснованного динамического определения остаточного ресурса физической сети связи, на основе которой функционируют множество виртуальных сетей, а также исключения из структуры физической сети элементов с недостаточным ресурсом при моделировании очередной виртуальной сети, расширяются функциональные возможности существующих средств и способов моделирования виртуальных сетей связи с требуемым качеством обслуживания и сокращения времени моделирования очередной виртуальной сети.

Изобретение относится к области моделирования сетей связи и может быть использовано при проектировании систем и сетей связи на физическом и логическом уровне. Техническим результатом изобретения является расширение функциональных возможностей средств и способов моделирования виртуальных сетей связи с требуемым качеством обслуживания и сокращение времени моделирования очередной виртуальной сети. Технический результат достигается тем, что в заявленном решении формируют исходный граф исследуемой физической сети с заданным количеством вершин графа и ветвей, задают параметры пропускной способности каждой линии связи, моделируют процесс передачи данных в виртуальных сетях, задают параметры памяти и вычислительной способности оборудования на каждом узле связи; места размещения корреспондентов действующих виртуальных сетей связи и интенсивность генерируемой корреспондентами нагрузки, алгоритмы маршрутизации, общее время одного статистического эксперимента, состав и структуру вновь подключаемой к физической сети связи корпоративной системы управления, определяют остаточный ресурс элементов физической сети. 1 ил.

Способ моделирования виртуальной сети связи на остаточных ресурсах физической сети, заключающийся в том, что формируют исходный граф исследуемой физической сети с заданным количеством вершин графа – узлов и ветвей – линий связи, задают параметры пропускной способности каждой линии связи, K действующих виртуальных сетей связи и требования к ним, длительность шага модельного времени Δt, моделируют процесс передачи данных в виртуальных сетях, отличающийся тем, что дополнительно задают параметры памяти и вычислительной способности оборудования на каждом узле связи; места размещения корреспондентов K действующих виртуальных сетей связи и интенсивность генерируемой корреспондентами нагрузки, алгоритмы маршрутизации, общее время одного статистического эксперимента T, состав и структуру вновь подключаемой к физической сети связи корпоративной системы управления (КСУ), для которой необходимо обеспечить информационный обмен, требования корреспондентов КСУ к информационному обмену, определяют остаточный ресурс элементов физической сети связи как разницу заданного ресурса и нагрузки, оказываемой на него потоками данных, циркулирующих во всех функционирующих виртуальных сетях, последовательно проводят K статистических экспериментов по моделированию действующих виртуальных сетей связи с последовательным добавлением в каждом эксперименте одной действующей виртуальной сети связи, в каждом из которых подключают корреспондентов k-ой виртуальной сети к узлам физической сети, выбирают в R_k информационных направлениях алгоритмы маршрутизации и определяют маршруты передачи данных с учетом остаточного ресурса элементов физической сети связи, отмечают k-ю виртуальную сеть как функционирующую, при моделировании процесса передачи данных во всех виртуальных сетях в каждом информационном направлении с шагом моделирования Δt корреспонденты информационных направлений генерируют и передают поток данных с заданной интенсивностью по установленному маршруту, измеряют показатели нагрузки на пропускную способность, память и вычислительную способность на всех элементах физической сети связи и запоминают их значения, после окончания каждого статистического эксперимента выводят характеристики нагрузки на все элементы физической сети связи во времени по показателям пропускной способности, памяти и вычислительной способности, корректируют по ним характеристики остаточного ресурса всех элементов физической сети связи во времени по показателям пропускной способности, памяти и вычислительной способности; исключают из структуры физической сети элементы, максимальные значения характеристик остаточного ресурса которых меньше заданных минимальных требований в информационных направлениях k-ой виртуальной сети, после проведения всех статистических экспериментов по моделированию К действующих виртуальных сетей связи моделируют подключение виртуальной сети связи КСУ, для чего исключают из структуры физической сети элементы, максимальные значения характеристик остаточного ресурса которых меньше минимальных заданных требований в информационных направлениях КСУ, подключают корреспондентов КСУ к элементам физической сети связи с учетом их физического размещения и требований к информационному обмену, последовательно для каждого информационного направления выбирают в информационных направлениях КСУ алгоритм маршрутизации и определяют маршруты передачи данных, при этом сопоставляют заданную характеристику интенсивности нагрузки в информационных направлениях с характеристикой во времени остаточных ресурсов элементов физической сети, входящих в маршруты информационного направления, проверяют наличие маршрутов с учетом необходимого для функционирования информационных направлений КСУ остаточного ресурса элементов физической сети связи, если такие маршруты существуют, то выбирают маршрут передачи данных по основному критерию маршрутизации, если маршруты отсутствуют, то выбирают другие, удовлетворяющие требованиям информационных направлений, алгоритмы маршрутизации и повторяют действия по определению и проверке маршрутов передачи данных с учетом необходимого для функционирования информационных направлений КСУ остаточного ресурса элементов физической сети связи, если такие маршруты существуют, то выбирают маршрут передачи данных по основному критерию маршрутизации, если в каких-либо информационных направлениях маршруты отсутствуют, при условии проверки всех удовлетворяющих требованиям информационных направлений алгоритмов маршрутизации, то проверяют наличие непроверенных вариантов подключения корреспондентов информационного направления из места их заданного расположения, если непроверенные варианты подключения корреспондентов информационного направления из места их заданного расположения есть, выбирают другие доступные варианты подключения корреспондентов КСУ в месте их размещения и повторяют действия по определению и проверке маршрутов передачи данных с учетом необходимого для функционирования информационных направлений КСУ остаточного ресурса элементов физической сети связи, если в каких-либо информационных направлениях нет маршрутов, при условии проверки всех удовлетворяющих требованиям информационных направлений алгоритмов маршрутизации при всех доступных вариантах подключения корреспондентов КСУ в месте их размещения, то в каждом информационном направлении для каждого корреспондента определяют узлы физической сети, от которых существуют маршруты, удовлетворяющие требованиям к информационному обмену корреспондентов информационного направления, для каждого корреспондента строят вариационный ряд узлов физической сети, от меньшего к большему, по необходимым ресурсам для его перемещения к узлу связи, перемещают и подключают корреспондентов к узлам физической сети связи, соответствующих старшему члену их вариационного ряда, в информационном направлении заново выбирают алгоритм маршрутизации и определяют маршрут передачи данных, после определения маршрутов передачи данных во всех информационных направлениях КСУ отмечают полученную виртуальную сеть связи как функционирующую.