СПОСОБ ДОСТАВКИ СООБЩЕНИЙ В СЕТИ СВЯЗИ С КОММУТАЦИЕЙ ПАКЕТОВ Российский патент 2023 года по МПК H04L51/00 

Изобретение относится к системам связи и может быть использовано для повышения качества связи в условиях высокой вероятности отказов элементов сети связи.

Сеть связи с коммутацией пакетов – сложный территориально-распределенный объект, состоящий из множества элементов. Его эксплуатация характеризуется наличием отказов.

Отказ – полная или частичная утрата работоспособности элементом, устройством или рассматриваемой технической системой [Андреев А.В. Теоретические основы надежности технических систем /учебное пособие/ А,В. Андреев, В. В. Яковлев, Т.Ю. Короткая. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2018. — 164 с.].

Основными причинами отказов технических систем являются ухудшение характеристик элементов (старение, износ), а также скрытые производственные дефекты, характерные для начального периода эксплуатации, или нарушения условий эксплуатации [Андреев А.В. Теоретические основы надежности технических систем /учебное пособие/ А,В. Андреев, В. В. Яковлев, Т.Ю. Короткая. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2018. — 164 с.].

Отказы в сетях связи с коммутацией пакетов характеризуются стохастичностью и высокой интенсивностью появления за счет того, что:

- сеть спроектирована под среднюю нагрузку пользователей с позиции экономической эффективности;

- использование ресурсов сети осуществляется различными, в том числе антагонистическими, пользователями с различными целями и с различной интенсивностью;

- наличие иерархии уровней функционирования сети, где состояние вышележащих уровней зависит от состояния нижележащих.

Известен способ доставки сообщений в системе связи [пат. РФ № 2431944 C2 от 20.10.2011 Бюл. № 29], заключающийся в том, что сервер связи получает в сообщении информацию пользователя с информацией о получателе. Информация пользователя содержит информацию о состоянии объекта пользователя и о протоколе объекта пользователя. На основании упомянутой информации о протоколе объекта пользователя первый протокол определяют как предпочтительный протокол. Попытка доставки упомянутого сообщения выполняется механизмом доставки предпочтительного протокола. Второй протокол определяют как предпочтительный протокол с помощью информации о протоколе объекта пользователя после неудачи доставки упомянутого сообщения с помощью первого протокола. Попытку доставки сообщения повторяют с использованием механизма доставки предпочтительного протокола.

Известен способ пакетной передачи сообщений в сетях связи с многомерной маршрутизацией [пат. РФ № 2313187 C1 от 20.12.2007 Бюл. № 35], заключающийся в том, что на передающей стороне сообщение разделяют на блоки, длина которых равна числу пакетов в сообщении, каждый блок кодируют помехоустойчивым кодом, выполняют блоковое перемежение символов помехоустойчивого кода с глубиной перемежения, равной длине пакета, и затем символы помехоустойчивого кода разделяют на пакеты таким образом, чтобы каждый символ кода был расположен в своем пакете, причем в каждом пакете формируют контрольную группу для обнаружения ошибок, и далее пакеты по многомерному маршруту передают на приемную сторону. На приемной стороне для каждого пакета проверяют контрольную группу, и пакеты, в которых обнаруживают ошибки, стирают, выполняют деперемежение символов принятых пакетов, формируют помехоустойчивый код, который затем декодируют с исправлением стираний, и получают принятое сообщение.

Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям к заявленному (прототипом) является способ доставки сообщений в системах связи с высокой вероятностью отказа, заключающийся в том, что создают одноранговую оверлейную сеть (), состоящую из логически связанных терминальных устройств () абонентов системы связи, для отправки сообщения () на стороне терминального устройства отправителя () задают максимальное время доставки сообщения (), количество поколений терминальных устройств () и количество терминальных устройств в одном поколении (), после чего случайно выбирают любые терминальных устройств, за исключением терминальных устройств отправителя и получателя, отправляют сообщение терминальному устройству получателя (), отправляют копию сообщения выбранным терминальным устройствам, при этом к каждой копии сообщения добавляют специальный заголовок (), при получении терминальным устройством сообщения со специальным заголовком (), сохраняют в памяти этого терминального устройства сообщение (), данные из специального заголовка () и адрес терминального устройства, от которого сообщение получено, запускают таймер () и уменьшают значение поля количество поколений терминальных устройств () на единицу, при срабатывании на терминальном устройстве таймера, связанного с хранящейся копией сообщения, отправляют эту копию сообщения указанному терминальному устройству получателя () и, если значение поля количество поколений () больше нуля, то дополнительно случайно выбирают указанное в специальном заголовке количество терминальных устройств (), отправляют копию сообщения выбранным терминальным устройствам, при этом к каждой копии сообщения добавляют специальный заголовок (), при получении терминальным устройством адресованного ему сообщения отправляют отчет о доставке терминальному устройству, от которого было получено это сообщение, при получении терминальным устройством отчета о доставке сообщения отправляют отчет о доставке терминальному устройству, от которого он получил это сообщение и терминальным устройствам, которым он переслал копию этого сообщения, после чего удаляют всю информацию, связанную с передачей доставленного сообщения и отключают связанный таймер [пат. РФ № 2784013 С1 от 32.11.2022 Бюл. № 33].

Недостаток аналогов и прототипа заключается в относительно низкой вероятности доставки сообщений в сетях связи с коммутацией пакетов, их низкая эффективность вследствие отсутствия учета полного перечня сведений о состоянии сети, включающего, помимо сведений о состоянии каналов связи, особенностей ее структуры.

Технической проблемой является относительно низкая вероятность доставки сообщений в сетях связи с коммутацией пакетов.

Техническим результатом является повышение вероятности доставки сообщений в сетях связи с коммутацией пакетов.

Техническая проблема решается за счет учета состояния и структуры сети связи с коммутацией пакетов при выборе узлов оверлейной сети (терминальных устройств) для временного хранения копии отправляемого сообщения и последующей его передаче получателю в случае пропадания связи между отправителем и получателем.

Техническая проблема решается тем, что в способе доставки сообщений в сетях связи с коммутацией пакетов предварительно создают оверлейную одноранговую сеть, узлами которой являются логически связанные терминальные устройства абонентов сети связи с коммутацией пакетов, случайно выбирают заданное количество узлов оверлейной одноранговой сети для хранения копии сообщения, за исключением терминальных устройств отправителя и получателя, отправляют сообщение терминальному устройству получателя, отправляют копию сообщения выбранным узлам оверлейной одноранговой сети, при получении узлом оверлейной одноранговой сети сообщения сохраняют его в память и запускают таймер, при срабатывании на узле оверлейной одноранговой сети таймера отправляют копию сообщения терминальному устройству получателя. Согласно изобретению дополнительно оценивают состояние и структуру сети связи с коммутацией пакетов, для чего измеряют качество каналов связи между всеми узлами сети связи с коммутацией пакетов, выявляют кластеры узлов сети связи с коммутацией пакетов, вычисляют меру центральности по посредничеству для всех узлов сети связи с коммутацией пакетов, на основе оценки состояния и структуры сети связи с коммутацией пакетов вычисляют вес каждого узла оверлейной одноранговой сети, ранжируют узлы оверлейной одноранговой сети по возрастанию веса, последовательно выбирают заданное количество узлов оверлейной одноранговой сети для хранения копии сообщения начиная от первого.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленного способа, отсутствуют. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «новизна».

Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает решение технической проблемы – относительно низкой вероятности доставки сообщений в сетях связи с коммутацией пакетов за счет учета состояния сети связи с коммутацией пакетов при выборе узлов оверлейной сети (терминальных устройств) для временного хранения копии отправляемого сообщения и последующей его передаче получателю в случае пропадания связи между отправителем и получателем.

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 данный способ с достижением указанного в изобретении результата.

1. Способ доставки сообщений в сети связи с коммутацией пакетов.

Способ поясняется чертежами:

фиг. 1 – схема сети связи с коммутацией пакетов с развернутой оверлейной одноранговой сетью;

фиг. 2 – схема сети связи с коммутацией пакетов с развернутой оверлейной одноранговой сетью с указанием результатов измерений качества каналов связи;

фиг. 3 – схема сети связи с коммутацией пакетов с развернутой оверлейной одноранговой сетью с указанием результатов кластеризации;

фиг. 4 – схема сети связи с коммутацией пакетов с развернутой оверлейной одноранговой сетью с указанием результатов вычисления мер центральности по посредничеству;

фиг. 5 – таблица результатов вычисления мер центральности по посредничеству;

фиг. 6 – таблица результатов вычисления веса узлов оверлейной одноранговой сети;

фиг. 7 – оценка эффективности заявленного способа.

1.1 Предварительно создают оверлейную одноранговую сеть (далее –оверлейная сеть), узлами которой являются логически связанные терминальные устройства (далее – узлы оверлейной сети) абонентов сети связи с коммутацией пакетов (далее – сеть связи). При этом каждый узел оверлейной сети может являться как отправителем, так и получателем (далее узел-отправитель и узел-получатель).

Оверлейная сеть – децентрализованная логическая сеть, функционирующая поверх другой сети, узлы которой находятся на едином иерархическом уровне [Schomburg, J. Anonymity techniques – usability tests of major anonymity networks [Text] / J. Schomburg // Extended abstracts of the Fourth Privacy Enhancing Technologies Convention (PET-CON 2009.1). – Dresden: TU, Fak. Informatik, 2009. – P. 49–58. – (Technische Berichte)]. Примером существующих оверлейных сетей могут служить сети Tor, Torrent или др.

Терминальное устройство – оборудование, преобразующее пользовательскую информацию в данные для передачи по линии связи и осуществляющее обратное преобразование. Терминальное устройство может являться источником информации, её получателем или тем и другим одновременно. Терминальное устройство передаёт и/или принимает данные посредством использования оконечного оборудования линии связи и канала связи.

В заявляемом способе терминальным устройством может служить ПЭВМ, маршрутизатор, сервер, устройство сбора данных, кассовый аппарат, приёмник сигналов глобальной навигационной системы или любое другое оборудование, способное передавать и принимать данные по протоколам, используемым в сети связи, а также обладающее свободной памятью и вычислительным ресурсом.

Создание оверлейной сети заключается в логическом объединении терминальных устройств абонентов сети связи. При этом между всеми терминальными устройствами осуществляется распространение:

- информации о других терминальных устройствах, в том числе уникального идентификатора в адресном пространстве сети связи, например IP-адреса;

- протокола (алгоритма) взаимодействия узлов оверлейной сети, в частности определяемого настоящим способом.

Взаимосвязь узлов оверлейной сети осуществляется посредством сети связи.

Сеть связи – технологическая система, включающая в себя узлы и линии связи, в основе которой лежит технология коммутации пакетов.

Коммутация пакетов – технология электросвязи, основанная на доставке сообщений электросвязи, разбитых на отдельные пакеты информации, которые могут пересылаться из исходного пункта (отправитель) в пункт назначения (получатель) независимо друг от друга в соответствии с содержащимся в них адресным признаком [ГОСТ Р 53801-2010 Связь федеральная. Термины и определения].

Абонент – пользователь услуг связи, с которым заключен договор об оказании услуг связи при выделении для этих целей уникального кода идентификации [ГОСТ Р 53801-2010 Связь федеральная. Термины и определения].

Для примера работы способа рассмотрена на случайно сгенерированной сети связи, граф которой представлен на фиг. 1, где вершины графа 2.1-2.33 – узлы сети связи, а ребра между ними – линии связи. Также на фиг. 1 отображены случайно расположенные терминальные устройства абонентов сети связи (1.1-1.11), являющиеся узлами оверлейной сети.

В качестве отправителя выбран узел 1.1 (фиг. 1) оверлейной сети, а получателя – 1.7 (фиг. 1).

1.2 Оценивают состояние и структуру сети связи.

Текущее состояние сети связи определяется совокупностью показателей, характеризующих ее свойства в текущий момент времени.

Свойства сети связи характеризуют ее способность выполнять задачи по предназначению, которая зависит, помимо прочего, от ее структуры и состава ее элементов. Это определяет две группы показателей.

Одна группа показателей характеризует взаимное расположение и связность узлов сети связи:

- глобальный коэффициент кластеризации;

- количество кластеров;

- коэффициент связанности в кластерах;

- и др.

Другая группа показателей характеризуют функционирование узлов связи в условиях различных стохастических дестабилизирующих воздействий:

- средняя скорость передачи информации;

- коэффициент потерь пакетов;

- среднее время задержки передачи пакета;

- объем свободной памяти на узле связи;

- производительность (вычислительная мощность) оборудования УС;

- и др.

В способе-прототипе для повышения вероятности доставки сообщения его копия рассылалась заданному количеству случайно выбранных узлов оверлейной сети. Однако, случайный выбор узлов не гарантирует их наилучшего расположения относительно получателя, что является причиной сравнительно низкой эффективности способа-прототипа.

Выбор узлов оверлейной сети для хранения копии сообщения с учетом состояния сети связи позволит повысить вероятность доставки сообщений. В тоже время, состояние сети связи практически не зависит от действий отправителя, является для него случайным и неопределенным.

Для снятия этой неопределенности в настоящем способе осуществляется оценка состояния сети связи. На основе данных о состоянии сети связи возможен не случайный выбор узлов оверлейной сети для хранения копии сообщения, а наилучший, с позиции их расположения в топологии сети.

Наилучшее расположение узла оверлейной сети определяется его степенью близости к узлу-получателю, с учетом состояния каналов связи и структурных неоднородностей сети связи.

1.3 Измеряют качество каналов связи между всеми узлами сети связи.

Принцип измерения качества каналов в сетях связи заключается в отправке потока пакетов (тестовой последовательности) и оценке изменения параметров потока пакетов (тестовой последовательности) на приемной стороне.

Известны методики измерения качества сетей связи, например: «Методология тестирования устройств для соединения сетей» [RFC-2544], «Протокол активных двусторонних измерений» [RFC-5357], «Методология тестирования Ethernet» [Y.1564] и другие [RU 2108669, RU 2174742, RU 2562772].

Далее, для примера, оценка качества каналов связи осуществляется по одному показателю – средней скорости передачи информации, поскольку он, непосредственно характеризуя способность сети связи выполнять задачи по предназначению, является наиболее важным и показательным.

Так расчет средней скорости передачи информации может быть осуществлен следующим образом [Программа и методики проведения контроля параметров качества услуги связи по передаче данных, за исключением услуг связи по передаче данных для целей передачи голосовой информации (в части предоставления частной виртуальной сети (VPN) - https://rkn.gov.ru/communication/p714/]:

- инициируется передача тестового файла объемом , превышающим заявленную пропускную способность канала связи;

- фиксируется время передачи файла ();

- рассчитывается скорость передачи по формуле:

- в течение времени измерений (наблюдения) фиксируется минимальная и максимальная скорость передачи данных;

- средняя скорость рассчитывается по формуле:

где – количество измерений.

В качестве средств измерения могут использоваться измерительные комплексы, например: МАКС-ЕМК [Официальный сайт производителя [Электронный ресурс]. – Режим доступа: kometeh.ru/], M716-10G [Официальный сайт производителя [Электронный ресурс]. – Режим доступа: stc.metrotek.ru/], ShinewayTech SWT-DTA-100D-ETH-SDH [Официальный сайт производителя [Электронный ресурс]. – Режим доступа: shinewaytech.com/] и другие.

Результатом проведенных измерений являются данные, характеризующие качество канала связи между каждой парой смежных узлов сети связи.

Для примера на фиг. 2 над ребрами графа указаны случайно сгенерированные результаты измерений качества каналов связи, так, например, средняя скорость передачи между узлами 2.1 и 2.2 сети связи [в условных единицах] . Для лучшей наглядности толщина ребер графа пропорциональна указанным над ними значениям.

Понятие структуры сети раскрывает схему связей и взаимодействия ее элементов. При рассмотрении структуры сети выделяют следующие аспекты её описания: физический, определяющий состав и связи элементов и логический, отображающий взаимодействие элементов в процессе функционирования сети.

Физическая структура сети - это схема связей физических элементов сети: узлов коммутации, оконечных пунктов - станций и линий передачи в их взаимном расположении с характеристиками передачи и распределения сообщений.

Логическая структура сети определяет принципы установления связей между корреспондентами [Статические и динамические модели сетей различной топологии: методические указания по подготовке и проведению практического занятия / Юго-Зап. гос. ун-т; сост.: А.А. Гуламов, Е.С. Маклаков. - Курск, 2017 – 18 с.: ил. 8, табл. 2 – Библиогр.: с. 18, стр. 11].

В настоящее время известны средства, позволяющие определить физическую и логическую структуру сети.

Так, например, в состав DWDM-оборудования «Волга» компании «Т8», применяемого для построения транспортной сети, входит блок OTDR, позволяющий контролировать оптическую инфраструктуру в режиме реального времени [Электронный ресурс:// https://t8.ru/?page_id=3600. Дата обращения 07.01.2023 г.].

Система управления сетью «Титан» этого же производителя предоставляет сведения о физической структуре сети, общем состоянии каналов связи между ними на разных, уровнях организации сети. При этом предусмотрены следующие варианты просмотра топологии:

• по типу каналов связи (физические/OTS/OMS);

• домены/узлы (Domains/Nodes);

• уровни организации сети («Основной» и т. п.). [Электронный ресурс:// https://t8.ru/?page_id=3600. Дата обращения 07.01.2023 г.].

Система управления «Фрактал» этого же производителя осуществляет сбор информации об элементах сети, предоставляет графическое представление секций (bay face layout), установленных плат и устройств, их техническое состояние, индикацию аварийного состояния соединений, как оптических уровней OTN (каналов, мультиплексных секций и т. д.), так и электрических уровней OTN (OTU1-4, ODU0-4), осуществляет мониторинг оборудования других вендоров. [Электронный ресурс:// https://t8.ru/?page_id=3600. Дата обращения 07.01.2023 г.].

Система контроля ВОЛС производства JDSU обеспечивает мониторинг оптических сетей с помощью удалённых тестовых модулей контроля ВОЛС OTU8000, отображает статус сети и производительность в реальном времени, осуществляет дежурное измерительное сканирование всех волокон по расписанию и точный измерительный режим при срабатывании аварии, обеспечивает инвентаризацию ВОЛС с построением топологических схем с привязкой к географической карте. [Электронный ресурс:// https://fibertop.ru/files/pages/1934/omns_ofm500_katalog_rus2.pdf . Дата обращения 07.01.2023 г. ]

Определение структуры сети возможно также при помощи глобальной системы мониторинга Atlas. В настоящее время данная система насчитывает более 12 тысяч датчиков, которые в совокупности производят более 25 тысяч измерений и получают более 10 тысяч результатов в секунду. Основными компонентами системы являются взаимосвязанные: база данных (Database), кластер серверов очередей сообщений (Message Queuing), серверы регистрации (Registration Server), контроллеры (Controller), серверы потоковой передачи данных (Data Streaming), хранилище результатов (Result Store) управляющий сервер (Brain) и множество датчиков (Probe). [Бречко А.А. Анализ глобальной системы мониторинга киберпространства Радиотехника, электроника и связь [Электронный ресурс]: тезисы докладов VI Международной научно-технической конференции (Омск, 6–8 октября 2021 года). – Электрон. текст. дан. – Омск : ОНИИП, 2021. – стр. 160 – 163.]

Логическая структура сети может быть определена при помощи известных систем мониторинга (Nagios, Zabbix, PRTG, SCOM и др. [Официальный сайт Nagios. URL: https://www.nagios.com (дата обращения: 02.01.2023). Официальный сайт Zabbix. URL: https://www.zabbix.com/ru/ (дата обращения: 02.01.2023). PRTG Network Monitor // Официальный сайт PRTG. URL: https://www.paessler.com/prtg (дата обращения: 02.01.2023).]

1.4 Выявляют кластеры узлов сети связи.

Кластер – объединение нескольких однородных элементов, которое может рассматриваться как самостоятельная единица, обладающая определенными свойствами.

Принцип кластеризации узлов в сетях связи основан на том, что у узлов одного кластера будет больше связей внутри него, чем с внешними узлами.

Кластерам в графе соответствуют, например, такие элементы сети связи, как локальные вычислительные сети или автономные системы (AS). Кластеризация узлов сети связи обусловлена жизнедеятельностью человека – его объединением в относительно изолированные группы.

Для выявления кластеров могут быть использованы различные алгоритмы, например: подсчета треугольников и коэффициента кластеризации, сильно связанных компонентов, распространения меток, жадный алгоритм максимизации модулярности и др. [Марк Нидхем, Эми Ходлер Графовые алгоритмы. Практическая реализация на платформах Apache Spark и Neo4j. / пер. с англ. В. С. Яценкова – М.: ДМК Пресс, 2020. – 258 с.: ил. С. 128-163].

Алгоритм распространения меток работает следующим образом: каждому узлу назначается уникальная метка (идентификатор); назначенные метки отправляются соседним узлам; узлы обновляют свою метку в том случае, если полученная метка имеет вес больше своей, при этом вес передаваемой метки зависит качества связей между узлами.

Жадный алгоритм максимизации модулярности (greedy modularity communities) использует максимизацию по Клаузету-Ньюману-Муру [Clauset, A., Newman, M. E., & Moore, C. “Finding community structure in very large networks.” Physical Review E 70(6), 2004.].

Для примера на фиг. 3 представлены результаты кластеризации по жадному алгоритму максимизации модулярности. Кластер 3.1 включает узлы 2.1-2.10 сети связи, кластер 3.2 – узлы 2.11-2.18, кластер 3.3 – узлы 2.19-2.25, кластер 3.4 – узлы 2.26-2.33. Графически границы кластеров отмечены сплошными непересекающимися областями.

1.5 Вычисляют меру центральности по посредничеству для всех узлов сети связи.

Определение меры центральности по посредничеству (степени посредничества) вершин в графе является подзадачей выявления центральности. Мера центральности показывает влияние вершины на потоки информации или ресурсов в графе. Обычно эта метрика используется для поиска вершин, которые служат мостом от одной части графа к другой [Марк Нидхем, Эми Ходлер Графовые алгоритмы. Практическая реализация на платформах Apache Spark и Neo4j. / пер. с англ. В. С. Яценкова – М.: ДМК Пресс, 2020. – 258 с.: ил. С. 112].

Мостам в графе соответствуют, например, точки обмена трафиком или пограничные маршрутизаторы в сети связи. Выход из строя которых может повлечь отключение фрагмента сети от остальной части.

Центральность по посредничеству вычисляется следующим образом [Марк Нидхем, Эми Ходлер Графовые алгоритмы. Практическая реализация на платформах Apache Spark и Neo4j. / пер. с англ. В. С. Яценкова – М.: ДМК Пресс, 2020. – 258 с.: ил. С. 112; Borgatti, S.P. and Halgin, D. In press. “Analyzing Affiliation Networks”. In Carrington, P. and Scott, J. (eds) The Sage Handbook of Social Network Analysis. Sage Publications.].

Для -го узла сети связи мера центральности по посредничеству () вычисляется как отношение количества кратчайших путей между всеми парами узлов сети связи, проходящих через -й узел () к общему числу кратчайших путей между всеми парами узлов сети связи ():

Для нахождения кратчайших путей возможно использовать один из существующих алгоритмов, например: Дейкстры, поиска A*, Беллмана-Форда, Флойда-Уоршелла, Джонсона, Ли, Килдала) [Марк Нидхем, Эми Ходлер Графовые алгоритмы. Практическая реализация на платформах Apache Spark и Neo4j. / пер. с англ. В. С. Яценкова – М.: ДМК Пресс, 2020. – 258 с.: ил., Карпов Д.В. Теория графов. – М.: МЦНМО, 2022. – 555 с.:ил.].

Мера центральности по посредничеству, учитывающая веса ребер графа (качество каналов связи), вычисляется как отношение суммы весов всех кратчайших путей между всеми парами узлов сети, проходящих через заданный узел к сумме весов всех кратчайших путей между всеми парами узлов сети связи, где вес пути рассчитывается как сумма весов ребер, его составляющих.

Для примера на фиг. 4 представлены результаты работы алгоритма вычисления меры центральности по посредничеству. Так на графе сети связи узлы 2.5, 2.6, 2.11, 2.15, 2.19, 2.22, 2.23, 2.28, 2.30 входят в третий квартиль по вычисленному весу, иными словами, являются узлами центральными по посредничеству (на фиг 4. отмечены серой заливкой и увеличенной толщиной линии).

Вычисленные меры центральности по посредничеству для всех узлов сети связи представлены в таблице (фиг. 5), где первый столбец содержит номера узлов сети связи, а второй – меру их центральности.

Вычисления в п. 1.3-1.5 могут производиться в ручном режиме, например, с помощью счетов [Кирюшин Е.Д. Вычисления на счетах. – 6-е изд. – М.: Центр. т-во «Кооперативное издательство», 1925] или автоматизировано, например, с помощью вычислительных машин.

Вычислительная машина – устройство или комплекс устройств, предназначенных для механизации или автоматизации процесса обработки информации (вычислений). По способу представления обрабатываемой информации вычислительные машины делят на машины непрерывного действия (аналоговые) и машины дискретного действия (цифровые, в том числе электронно-вычислительные машины) [Большая Российская энциклопедия [Электронный ресурс]. – Режим доступа: bigenc.ru].

1.6 На основе оценки состояния и структуры сети связи вычисляют вес каждого узла оверлейной сети.

Вес -го узла оверлейной сети () вычисляется сложением мер центральности по посредничеству всех узлов сети связи, составляющих кратчайший маршрут между этим (-м) узлом оверлейной сети и узлом-получателем:

где – количество узлов сети связи в кратчайшем маршруте, – мера центральности по посредничеству -го узла сети связи.

В случае наличия нескольких кратчайших маршрутов – вес вычисляется как среднее значение весов всех кратчайших маршрутов.

Для примера в таблице (фиг. 6) представлены результаты расчета весов узлов оверлейной сети, где первый столбец содержит перечень кратчайших маршрутов, второй столбец – веса маршрутов, а третий – веса узлов оверлейной сети.

1.7 Ранжируют узлы оверлейной сети по возрастанию веса.

Для ранжирования узлов оверлейной сети формируют список идентификаторов узлов оверлейной сети, расположенных по возрастанию весов соответствующих узлов (за исключением узла-отправители и узла-получателя).

При совпадении значений весов в первую очередь в список заносятся идентификаторы узлов, находящихся в одном кластере с узлом-получателем. В случае, если существуют узлы оверлейной сети с одинаковым весом, находящиеся в одном кластере, то их идентификаторы записываются в список в случайном порядке относительно друг друга.

Результатом ранжирования является список идентификаторов узлов оверлейной сети.

Для рассматриваемой в примере ситуации, ранжированный список узлов оверлейной сети примет вид:

1.8 Последовательно выбирают заданное количество узлов оверлейной сети для хранения копии сообщения начиная от первого.

Количество узлов оверлейной сети для хранения копии сообщения, а также размер отправляемого сообщения зависят от важности отправляемого сообщения, количества узлов в составе оверлейной сети, технических характеристик узлов оверлейной сети – их незадействованных памяти и вычислительных ресурсов, характеристик сети связи, на основе которой создана оверлейная сеть.

Пусть, для рассматриваемой в примере ситуации количество узлов для хранения копии сообщения равно , тогда список узлов примет вид:

1.9 Отправляют сообщение узлу-получателю, а его копию – выбранным узлам оверлейной сети.

Сообщение – информация, передаваемая посредством электросвязи [ГОСТ Р 53801-2010 Связь федеральная. Термины и определения].

В качестве сообщения может быть выбрана любая, преобразованная в цифровой вид, информация, необходимая для передачи. Например, текстовый документ, цифровое изображение, кадр Ethernet и т.д. или их фрагмент.

Для рассматриваемой в примере ситуации сообщение отправляют получателю – узлу оверлейной сети 1.7 (фиг. 4), а также узлам оверлейной сети 1.5, 1.6 и 1.11 (фиг. 4).

1.10 При получении узлом оверлейной сети сообщения сохраняют его в память и запускают таймер.

Помимо принятого сообщения в память записывается сопутствующая служебная информация, в том числе адреса отправители и получателя.

Память терминального устройства (устройство хранения информации, запоминающее устройство) – составная часть терминального устройства, которой является физическое устройство или среда для хранения данных, используемых в вычислениях, в течение определённого времени [Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. – СПб.: Питер, 2013. – 816 с.].

В качестве памяти терминального устройства могут выступать его оперативные запоминающие устройства, например, на SDRAM микросхемах или постоянные запоминающие устройства, например, накопители на жестких магнитных дисках или твердотельные накопители [Таненбаум Э., Остин Т. Архитектура компьютера. – СПб.: Питер, 2013. – 816 с.].

Запускают таймер, ассоциированный с хранящимся в памяти сообщением, на заданный отрезок времени.

1.11 При срабатывании на узле оверлейной сети таймера отправляют копию сообщения узлу-получателю по хранящемуся в памяти адресу.

Оценка эффективности предлагаемого способа осуществлена методами имитационного моделирования на основе исходных данных, использованных при оценке эффективности способа-прототипа.

количество узлов системы связи: ;

структура сети связи: сгенерирована по алгоритму Барабаши-Альберта;

вероятность отказа элемента системы связи за время моделирования: ;

количество терминальных устройств: ;

размещение терминальных устройств на системе связи: случайно;

измеренная скорость передачи в каналах связи (Мбит/с): случайно в диапазоне ;

выбор отправителя и получателя сообщения: случайно;

количество узлов оверлейной сети для хранения копии сообщения: .

количество циклов моделирования: .

Работа способа с одним узлом оверлейной сети для хранения копии сообщения представляет собой показательный случай с наименьшей эффективностью.

Оценка эффективности способа осуществлена относительно результатов способа-прототипа (фиг. 7). На графике ось абсцисс – вероятность отказа, а ось ординат – эффективность относительно способа-прототипа в процентах. Как видно из графика, наибольшая эффективность достигается при высоких значениях вероятности отказа, достигая своего максимального значения в 47% при P_отк=0.95.

2. В варианте способа по п. 1 значение таймера выбирают исходя из времени квазистационарного состояния сети связи.

Сеть связи динамична, ее состояние изменяется под воздействием различных факторов, в числе которых нагрузка пользователей, компьютерные атаки, природные факторы и т.д. [Закалкин П.В. Эволюция систем управления киберпространством // Вопросы кибербезопасности. 2022. № 1 (47). С. 76-86.; Суммарный трафик участников, передаваемый через MSK-IX [Электронный ресурс]. – Режим доступа: msk-ix.ru/traffic; Интерактивная карта киберугроз [Электронный ресурс]. – Режим доступа: cybermap.kaspersky.com].

Согласно способу по п. 1 выбор узлов оверлейной сети для хранения копии сообщения осуществляется на основе оценки состояния сети в момент времени .

За счет динамичности сети оценка ее состояния в момент времени может не быть адекватной ее состоянию в момент времени .

Однако существует интервал времени, в течение которого сеть связи не изменяется – время квазистационарного состояния сети () [Бречко А.А. // Способ определения времени квазистационарного состояния процесса в целях повышения интеллектуализации принимаемых управленческих решений // В книге: Нейрокомпьютеры и их применение. Тезисы докладов. 2018. С. 109-А.].

Следовательно, оценка состояния сети в момент времени будет адекватна в течение . По этой причине значение таймера выбирают не больше, чем .

3. В другом варианте способа по п. 1 количество узлов оверлейной сети для хранения копии сообщения выбирают исходя из заданной минимальной суммы значений, обратных весам выбранных узлов оверлейной сети.

Узлы оверлейной сети, которые могут быть выбраны для хранения копии сообщения отличаются друг от друга по близости к получателю сообщения, что выражается их весом, вычисляемом в п. 1.6, и, соответственно, эффективностью их использования для достижения технического результата.

Одинаковая эффективность (вероятность доставки сообщения) может достигаться выбором различного набора узлов оверлейной сети. Например, выбор одного узла, обладающего наибольшим весом (находящегося ближе других к узлу-получателю), можно заменить выбором нескольких узлов с меньшим весом (находящихся от узла-получателя дальше).

Тогда возможно задавать не количество узлов оверлейной сети для хранения копии сообщения, а минимальную сумму их весов, взятых в обратном отношении.

Это позволит при сохранении эффективности способа оптимально выбирать узлы оверлейной сети для хранения копии сообщения по другим критериям, например, использование их свободной памяти и вычислительного ресурса (выбор узлов с наибольшим объемом свободной памяти).

4. В другом варианте способа по п. 1 вес каждого узла оверлейной сети вычисляют на основе прогноза состояния сети связи сна период, соответствующий заданному значению таймера.

Состояние сети связи зависит от множества факторов.

Поскольку изменение интенсивности потоков способствует изменению логической структуры сети связи за счет ее адаптации путем перестройки маршрутов, то наиболее влияющий фактор – нагрузка пользователей.

Нагрузка пользователей зависит от жизнедеятельности общества и, несмотря на стохастичность, обладает периодичностью [Суммарный трафик участников, передаваемый через MSK-IX [Электронный ресурс]. – Режим доступа: msk-ix.ru/traffic]. Следовательно, с некоторой точностью ее можно прогнозировать.

Задача прогнозирования может быть решена методами машинного обучения [Жерон О. Прикладное машинное обучение с помощью Scikit-Learn и TensorFlow: концепции, инструменты и техники для создания интеллектуальных систем.: Пер. с англ. – СПб.: ООО «Альфа-книга», 2018. – 688 с.: ил.].

На основании результатов произведенной оценки эффективности следует, что перечисленная совокупность взаимосвязанных действий, составляющих способ доставки сообщений в сети связи с коммутацией пакетов, позволяет повысить вероятность доставки сообщений и таким образом прийти к техническому результату.

Изобретение относится к способу доставки сообщений в сети связи с коммутацией пакетов. Технический результат – повышение вероятности доставки сообщений в сетях связи с коммутацией пакетов. Техническая результат достигается за счет учета состояния и структуры сети связи с коммутацией пакетов при выборе узлов оверлейной сети (терминальных устройств) для временного хранения копии отправляемого сообщения и последующей его передаче получателю в случае пропадания связи между отправителем и получателем. 3 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Способ доставки сообщений в сетях связи с коммутацией пакетов, заключающийся в том, что предварительно создают оверлейную одноранговую сеть, узлами которой являются логически связанные терминальные устройства абонентов сети связи с коммутацией пакетов, случайно выбирают заданное количество узлов оверлейной одноранговой сети для хранения копии сообщения, за исключением терминальных устройств отправителя и получателя, отправляют сообщение терминальному устройству получателя, отправляют копию сообщения выбранным узлам оверлейной одноранговой сети, при получении узлом оверлейной одноранговой сети сообщения сохраняют его в память и запускают таймер, при срабатывании на узле оверлейной одноранговой сети таймера отправляют копию сообщения терминальному устройству получателя, отличающееся тем, что дополнительно оценивают состояние и структуру сети связи с коммутацией пакетов, для чего измеряют качество каналов связи между всеми узлами сети связи с коммутацией пакетов, выявляют кластеры узлов сети связи с коммутацией пакетов, вычисляют меру центральности по посредничеству для всех узлов сети связи с коммутацией пакетов, на основе оценки состояния и структуры сети связи с коммутацией пакетов вычисляют вес каждого узла оверлейной одноранговой сети, ранжируют узлы оверлейной одноранговой сети по возрастанию веса, последовательно выбирают заданное количество узлов оверлейной одноранговой сети для хранения копии сообщения начиная от первого.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что значение таймера выбирают исходя из времени квазистационарного состояния сети связи с коммутацией пакетов.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что количество узлов оверлейной одноранговой сети для хранения копии сообщения выбирают исходя из заданной минимальной суммы значений, обратных весам выбранных узлов оверлейной одноранговой сети.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вес каждого узла оверлейной одноранговой сети вычисляют на основе прогноза состояния сети связи с коммутацией пакетов на период, соответствующий заданному значению таймера.