Упрочнение сетей телекоммуникаций

  В данной работе рассмотрены такие методы упрочнения сетей, как упрочнение структурой, упрочнение путем повышения пропускной способности, упрочнение избыточной дугой и выбором места ее прокладки, упрочнение разгрузкой центра и упрочнение резервированием. 

  

3. Упрочнение  структурой

  При проектировании сетей и систем связи необходимо учитывать многочисленные факторы, которые могут нарушать работу или  выводить из строя элементы системы  в различных условиях эксплуатации. Основными элементами сетей сообщений являются узлы и дуги. Сети могут отличаться друг от друга количеством узлов - размером сети, количеством дуг и различными вариантами соединения узлов в сети.

  Развитие  сетей сообщений, таких как транспорт  и связь, характеризуется положительным приращением составных элементов сети: увеличением числа узловых предприятий без удлинения линий сообщений; прокладкой новых линий (как правило, избыточных) без изменения числа узлов; одновременным прибавлением к сети новых узлов и линий. Создание избыточных линий в процессе развития сети может привести к возникновению нескольких направлений движения и длин путей от истока к стоку, к изменению общей нагрузки на линии и общего объема передаваемых сообщений. Первичное состояние сети - звено п=2, следующее состояние сети возникает при условии прибавления либо второй дуги, либо третьего узла. При этом длина сети может либо остаться той же самой, либо возрасти на длину дуги.

  В результате прибавления к одному или обоим  концам звена новых узлов строится линейная сеть.

  При любом  числе n>3 за счет прокладки новой линии можно организовать смыкание концов линии. Так строится кольцевая сеть.

  При любом  n>3 новые узлы можно соединить с центром, тогда получается звездообразная сеть.

  Для представления  каждого из этих трех вариантов сети достаточно знать только один ее параметр - размер, поэтому эти сети можно назвать однопараметрическими. Если речь идет о капитальных затратах на сооружение, развитие сети, об эксплуатационных затратах на перемещение сообщений, то необходимо знать также длину линий связи. Сети могут подвергаться самым различным воздействиям. Во-первых, создаются новые сети или их части, например, сети информатизации. Во- вторых, из существующей сети по целому ряду причин могут выпадать значительные части в самых неожиданных местах. Если речь идет о создании новых сетей, то на этапе изысканий, проектирования надо сравнить ряд вариантов построения и выбрать из них самый лучший, причем не по одному показателю, например, только по минимуму длины сети или только по средней длине пути сообщения, а по ряду, комплексу показателей.

  Изменения в политических и экономических  отношениях последних лет заставляют по-иному отнестись к идее концентрации обработки сообщений. Усиление прямых связей, минуя центр, выдвигает новые концепции построения сетей. Здесь важно не разрушить построенное ранее, а использовать его, придав новые свойства.

  Если при  звездообразном, радиально-узловом  построении особая роль отводится центру, то при радиально-кольцевом появляется возможность разгрузить центр, направить часть потоков по более коротким участкам кольцевых маршрутов.

  Но прежде чем перейти к исследованию радиально-узловых, радиально-кольцевых сетей, необходимо знать, как меняются эксплуатационные показатели простейших сетей вида линия, кольцо, звезда, т.к. они являются составными частями первых. 

  

4. Упрочнение  путем повышения  пропускной способности

 

  Увеличение  пропускной способности дуг относится  к созданию структурной и функциональной избыточности. Структурная и функциональная избыточность сети связи достигается путем увеличения числа сетевых узлов и магистралей. Другими словами, организация на одной дуге или маршруте большего объема передачи информации способствует упрочнению сети в целом.

  В случае, когда сеть представляет собой, например, линию, увеличение пропускной способности существенно не повлияет на прочность системы, т.к. при поражении узла или дуги, работа сети нарушится или прекратится вовсе.

  Поражение одного узла или одной дуги превратит  линию в отдельные, не связные друг с другом части. Таким образом, увеличение пропускной способности дуг в линейной системе приведет только к удовлетворению возрастающих потребностей населения в передаче информации, но существенно не повлияет на прочность системы в целом. Однако необходимо учитывать, что дуги линейной сети имеют разную нагрузку, максимальная - в середине сети, минимальная - по концам.

  Актуальность  данного вида упрочнения значительно  повышается при переходе от линейной структуры к кольцевой. Увеличивая пропускную способность за счет использования новых типов кабелей в кольцевой структуре, можно существенно увеличить прочность системы, т.к. при разрыве одной дуги кольцо превращается в линию.

  В образовавшейся системе связь между пятым  и шестым узлом значительно затрудняется из-за увеличения длины пути, технических  параметров кабеля, возможностей используемой аппаратуры. Но если пропускная способность  дуг превышает максимальную нагрузку на каждом отдельно взятом перегоне, то качество и скорость передачи информации из узла 5 в узел 6 при разрыве соединяющей их дуги существенно не изменится.

  Увеличение  пропускной способности дуг значительно  повышает возможность обхода участка  сети, пораженного каким-либо вредным  воздействием. Функциональная избыточность требует большого вложения средств, имеет большой срок окупаемости, но на примере развитых стран видно, что ежегодно в телекоммуникации инвестируются миллиарды долларов. Вес крупных телекоммуникационных торговых марок ежегодно растет.

  Увеличение  пропускной способности дуг способствует увеличению скорости прохождения сообщений  по сети, упрощению в использовании  и удешевлению предоставляемых  услуг связи, повышению конкурентоспособности сетей связи, развитию предоставляемого сервиса и сети Интернет, то есть привлекает новых потребителей и рекламодателей, что немаловажно в условиях рынка и сложившейся экономической ситуации. Увеличение пропускной способности дуг будет способствовать привлечению средств инвесторов в развитие отечественной системы сетей связи.

  Значительное  увеличение пропускной способности  возможно при внедрении новых  типов кабеля (например, оптоволокно) и аппаратуры многоканального уплотнения, которые обеспечат организацию  нескольких десятков или даже сотен каналов по одной линии. 

  

5. Упрочнение  избыточной дугой  и выбором места  ее прокладки

 

  Прокладка избыточных дуг является одним из наиболее недорогих вариантов упрочнения сетей связи (хотя при увеличении количества избыточных дуг стоимость данного варианта существенно увеличивается). Создание дополнительного соединения между узлами в сети способствует разгрузке узлов, уменьшению средней длины пути сообщений по сети.

  Пропускная  способность радиальных дуг, смежных  с центром, в двухкаскадной звезде 1x4x5 должна быть увеличена почти в пять раз по сравнению со звездой того же размера, что требует дополнительных капитальных затрат. Кроме того, возникают эксплуатационные расходы, т.к. средняя длина пути в звезде значительно меньше, чем в двухкаскадной сети. Чтобы уменьшить названные недостатки, требуется прокладка дополнительных дуг.

  Если в  структуре, изображенной на рис. 21,а, пойти  на дополнительные капитальные затраты (порядка 10%), необходимые для прокладки одной дуги между парой узлов первого уровня, то при гибели центра выжившая часть будет иметь размер, равный 12 узлам, и она обеспечит 132 соединения. Причем в этой сети существенно снижаются потоки в дугах, смежных с центром. Если в структуре а) нагрузка дуг, смежных с центром, равна 42 соединения в каждом из направлений, то есть по 84, то в структуре б) нагрузка дуги, смежной с центром, составляет 12 соединений. Гибель центра эквивалентна гибели периферийного узла. Преимущество структуры б) заключается еще в том, что связь окраин друг с другом становится короче на одну дугу - сеть упакована прочнее.

  

  Рисунок 21. Вариант упрочнения в структуре 1x2x5 

  В структуре  1x3x5 (рис. 22) для упрочнения сети и разгрузки центра целесообразно пойти на затраты по прокладке трех дуг между узлами первого уровня. Затраты на сооружение линейной части сети 1x3x5 возрастут на 16,6%, но выигрыш будет значительно больше. Затраты на перемещение сообщений из одного региона в другой были пропорциональны четырем дугам, а стали - трем. Выигрыш - 25%. Затраты на перемещение сообщений между региональными центрами составляли две дуги, а стали составлять - одну. Выигрыш - 50%. Средняя длина пути между всеми парами узлов 2,31 дуги. На перемещение сообщений из края одного региона в центр другого требовалось три дуги, теперь - две. Выигрыш - 33%. Это возможно при условии, что длины дуг в общих вариантах построения сети одинаковы. Нагрузка дуг от центра по радиальным линиям - 12 соединений. Нагрузка дуг от кольца - по 36 соединений в каждом из направлений. Гибель центра в данной структуре приведет к минимальным потерям - 36 соединений. Вся выжившая часть останется связной, способной полностью выполнять свои функции.

  

  Рисунок 22. Вариант упрочнения в структуре 1x3x5 

  В структуре  1x4x4 (рис. 23) с целью увеличения прочности целесообразна прокладка четырех дуг по узлам первого порядка. Длина сети увеличивается на 20%. Длина пути между узлами смежных регионов сокращается на одну дугу. Причем средняя длина пути по сети становится 2,43 дуги. Гибель центра будет эквивалентна гибели любого из окраинных узлов и оставит сеть связной и работоспособной. Более ощутимой становится гибель регионального центра, которая приводит к разрыву 180 соединений и выживанию 240, хотя таких узлов уже четыре. Сокращается нагрузка радиальных дуг, смежных с центром. Она несколько больше нагрузки периферийных дуг.

  

  Рисунок 23. Вариант упрочнения структуры 1x4x4

  В общем  случае выбор места прокладки  дополнительной дуги осуществляется исходя из местных условий, таких как:

  - загруженность узла;

  - географическая специфика;

  - наибольшее количество транзитной информации.

  Загруженность узлов транзитной информацией, особенно крупных

  промышленных  центров, заставляет думать о разгрузке  центров. Загруженность узла определяется количеством сообщений, проходящих через узел за сутки, или объемом информации за тот же период времени. Рассчитывается применительно к количеству населения.

  Географическая  специфика заключатся в расположении периферийных узлов относительно друг друга, если узлы расположены близко друг к другу, и существует такая потребность, между узлами также целесообразно проложить дугу.

  Проведение  мероприятий по прокладке дополнительных дуг, в обход загруженных узлов, значительно разгружает, удешевляет и упрощает работу сети связи. Помимо этого повышается прочность системы за счет создания резервной дуги. В случае разрыва одной из дуг (рис. 24) сеть продолжает нормально работать, связь между узлами не прерывается.

  Как видно  из рис. 24, даже при поражении дуги сохраняется соединение между всеми узлами сети. Данное мероприятие значительно повышает конкурентоспособность сетей связи по сравнению с другими средствами передачи информации. Прокладка избыточных дуг значительно упрочняет сеть, сокращает среднюю длину пути сообщений, разгружает узлы от транзитной информации. Этот метод привлекателен еще и тем, что не требует больших капитальных вложений.

  

  Рисунок 24. Поражение дуги в структуре 1x4x4 

  Таким образом, обеспечивая бесперебойное сообщение  между узлами, сеть связи может привлечь дополнительных клиентов. Ведь в условиях конкуренции между фирмами, предоставляющими услуги связи, предприятие, обеспечивающее большую устойчивость предоставляемых услуг, может привлечь не только новых клиентов, но и дополнительные инвестиции фирм, заинтересованных в аренде каналов, развитии сетей и расширении возможностей предоставления услуг. 

  

6. Упрочнение  разгрузкой центра

 

  Сети связи  как любая управляемая система  имеет центр, важные узлы, периферийные узлы и соединительные дуги. Соответственно, большая часть информации проходит через центр. Это особенно важно, если центральный узел совпадает  с большим промышленным центром, в котором проживает более  миллиона человек. В таком центре огромное количество информации ежедневно  поступает в центральный узел. Кроме информации, предназначенной  для центра непосредственно, есть еще  и транзитная информация, для обработки  которой также необходимо затратить время. Нагрузка тем выше, чем больше периферийных узлов, т.к. они связаны друг с другом через центр. На рис. 25 показано, как обычно осуществляется связь между периферийными узлами. Например, узлы территориально расположены недалеко друг от друга, но сообщение идет через центр.