CC BY
56
УДК 004.9
Г.В. Попков
О ЗАДАЧЕ ПОИСКА МЕСТ РАСПОЛОЖЕНИЯ МЕЖСЕТЕВЫХ УЗЛОВ ДЛЯ СЕТЕЙ СВЯЗИ ПРИ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЯХ
Рассмотрена возможность размещения межсетевых шлюзов на сетях абонентского доступа, предназначенных для организации обмена и рассылки коротких сообщений в случае возникновения чрезвычайных ситуаций (ЧС). Приведен алгоритм поиска мест, расположения специализированных шлюзов, дана оценка времени работы алгоритма.
Ключевые слова: сети абонентского доступа, разрушающие воздействия, моделирование сетей связи, гиперсети, S-гиперсети, МЧС.
G.V. Popkov
ABOUT THE PROBLEM OF SEARCH INTER-NETWORK LOCATIONS UNITS FOR NETWORK COMMUNICATION IN EMERGENCY SITUATIONS
Ро881ЫШу of placing of gateway sluices on networks of user's access intended for the organization of an exchange and mailing of short messages in case of occurrence of emergency situations are considered. The algorithm of search of places, arrangements of specialized sluices is resulted, the estimation of an operating time of algorithm is given.
Keywords: networks of user's access Destroying influences, modeling of communication networks, hypernetworks, S-hypernetworks, the Ministry of Emergency Measures
Введение
В статье рассматриваются вопросы, связанные с взаимодействием сетей связи при возникновении чрезвычайных ситуаций с целью поддержания систем управления для специальных служб. Одна из возможных и важных задач — оповещение граждан о возникновении ЧС и передача им соответствующих инструкций.
Рассмотрим варианты РВ на ограниченной территории для определения сетей абонентского доступа (САД). Предположим, на данной территории имеются сети САД различного типа. Необходимо рассмотреть возможность установки межсетевых шлюзов для решения задачи передачи коротких сообщений абонентам, находящимся в различных сетях САД, в случае возникновения РВ.
Множество потенциальных угроз можно распределить на два класса: естественные и искусственные.
Естественные угрозы - угрозы, вызванные воздействиями на САД, и элементы естественных физических процессов или стихийных природных явлений, не зависящие от человека.
Искусственные угрозы - угрозы, вызванные деятельностью человека. По принципу мотивации действий такие угрозы могут быть как преднамеренными, так и непреднамеренными (неумышленными, случайными), вызванными ошибками в проектировании САД и ее элементов, ошибками в программном обеспечении, в действиях персонала и т. д.
В данной работе рассматриваются РВ, возникшие как вследствие природных стихийных бедствий, не зависящих от человека, так и непреднамеренные (искусственные), в частности техногенные катастрофы.
Одной из задач, связанных с межсетевым взаимодействием, является задача интеграции различных сетей связи, используемых для организации широковещательной рассылки коротких сообщений на территории населенного пункта в случае возникновения РВ. Под интеграцией подразумевается использование межсетевых шлюзов, имеющих буферную память и базу данных с контактной информацией абонентов, обслуживаемых операторами связи на данной территории. Контактная информация абонента может содержать номер домашнего и мобильного телефона, электронный адрес, UIN в системе ICQ и т. д. Причем межсетевые шлюзы должны иметь возможность осуществлять широковещательную рассылку информации как в виде голосовых сообщений для абонентов классической телефонной сети, так и в виде коротких текстовых сообщений (sms, письма на электронную почту) для абонентов сотовой связи и сети Интернет (местной сети передачи данных).
В случае возникновения РВ абонент телефонной сети должен иметь возможность позвонить на горячую линию (по типу 119 или другой номер МЧС), а абонент сотовой сети — получить сообщение в любой точке сети, как только он становится доступным для обслуживания. Абонент сети Интернет,
используя интернет-пейджер, может получить электронное сообщение на адрес электронной почты, указанный в базе данных ближайшего к нему межсетевого шлюза.
Сети абонентского доступа как основа сети циркулярной связи
Сети САД могут быть организованы с помощью проводных систем связи либо беспроводных сотовых систем связи класса GSM, бурный рост которых наблюдается в последние десять лет.
Классификация систем САД
Аналоговые проводные системы связи: телефонные сети (ТФОП), воздушные линии связи (ВЛС), аналоговые системы передачи (АСП), сети PDH (местные, зоновые, федеральные), системы абонентского уплотнения для сети ТФОП.
Цифровые проводные системы связи: цифровые телефонные сети (Ц-ТФОП), сети ISDN, B-ISDN, IN, SDH, ATM, Frame-Relay, FDDI, x.25, TOKEN-RING, сети Ethernet, Gigabit - Ethernet, Metro-Ethernet, сети PON, DWDM [1].
Эфирные (беспроводные) системы связи: абонентские телефонные радио-удлинители; радиосвязь УКВ-, КВ-, СВ-, ДВ-диапазонов; радиорелейные системы связи; специальные системы радиосвязи; транковые системы связи; системы связи типа DECT; сотовые системы связи NMT-450, UMTS, GSM.
Предположим, на территории воздействия существуют три невзаимосвязанные сети: телефонная сеть связи, сеть передачи данных на основе оптоволоконных кабелей класса Gigabit - Ethernet и сотовая сеть связи класса GSM 900/1800. В случае внезапного воздействия РВ возникает острая необходимость массовой рассылки коротких сообщений для людей, оказавшихся в очаге РВ. В такой ситуации возможен выход из строя активных узлов связи, таких как телефонные станции, маршрутизаторы, коммутаторы сети передачи данных, базовые станции сотовой сети связи. Возможно нарушение работы пассивного оборудования: муфт, кроссов, кабельных вводов, фидеров базовых станций. В этой ситуации в большей степени страдают направляющие системы в виде кабелей связи, причем это в равной степени относится и к подземным кабелям, и к воздушным линиям связи. В случае сотовых систем связи возможны нарушения передачи радиосигналов в условиях высокой влажности, грозовых разрядов, смога, сильного шквального ветра.
В данной ситуации возникает необходимость организации межсетевых узлов, которые могут в оперативном порядке перехватывать и перемаршрутизировать тревожный трафик из одной сети в другую. Такие межсетевые шлюзы целесообразно закладывать на стадии проектирования сетей связи на конкретной территории с учетом особенностей климата, рельефа местности, городской застройки.
Возможные сценарии передачи коротких сообщений подразумевают наличие систем с достаточно большой буферной памятью, готовых в любой момент передать адресату необходимую информацию, обладающих системой автономного питания для обеспечения выживания подобных узлов в ситуациях РВ в течение длительного времени.
На территории абонентского доступа возможно наличие трех видов сетей и двух межсетевых шлюзов. Такая структура, обеспечивающая связь между абонентами различных сетей, организуется операторами связи. Необходимое количество МС на сетях САД, имеющих конечное число узлов, рассчитывается приближенными методами на основе генетических алгоритмов.
Моделирование сетей абонентского доступа как единой системы связи
Для построения математической модели и решения частных задач целесообразно применить теорию S-гиперсетей.
Дадим формальное определение S-гиперсети. Пусть задано множество графов (гиперграфов) G0 = (X0,V),G1 = (X 1,U1),...,G0 = (Xk,Uk) и корневое дерево T0 = (Z,R), где Z = z0, z1,..., zk,R = r1,...,rk — определяющее вложение графов Gj в Gt (i < j), аналогичное вложениям, определяемым в гиперсетях,
за тем исключением, что вершины x’k и xj графов Gt и Gj не тождественны, а инцидентны. Очевидно,
что одной вершине x’k несколько вершин могут быть инцидентны Xj = {xk1, xj2,..., xj} из l графов
{Gj },s = 1,...,l. На множестве вершин Xj определяется Lj = (Xj,E). Вершины xj и xj смежны в L ,
если соответствующие графы G j и Gj в вершине xki имеют некоторую системообразующую связь
l(x}i,х}). В противном случае эти вершины не связаны. Как и в гиперсетях, ребру и} е Gj в графе Gi сопоставляется цепь или некоторая связная часть между соответствующими вершинами из Gi.
Пусть сети передачи данных соответствует граф Gпд(X2,R2), описывающий структуру этой сети для последней мили в сети САД. Телефонная сеть представляется как граф GT(X3,R3).
Предположим, что базовая сеть мобильной связи представляет собой граф ЖХ^Х1^), в котором вершинам соответствуют базовые станции сети, а ребрам - линии связи. Пусть также существует пара абонентов, которые могут связываться с любой базовой станцией по соответствующему радиоканалу. Иными словами, сеть мобильной связи можно представить в виде нестационарной гиперсети [2], в которой первичная сеть состоит из графа базовой сети и гиперребер, добавляемых ко всем вершинам графа. Вершине г инцидентно п(г) различных гиперребер, если и только если соответствующая базовая станция может работать на п(г) радиоканалах. Таким образом, первичная сеть РБМ(Х,У) гиперсети 8(Х,УД) задается гиперграфом. Будем исходить из предположения, что станции, работающие с абонентами, не «мешают» друг другу. Очевидно, что вершины х и у будут инцидентны всем добавляемым гиперребрам. Таким образом, абонент потенциально может работать с любой станцией и по любому каналу. Если это не так, то в модели легко предусмотреть иную конфигурацию. Вторичная сеть Ж^Х1^) гиперсети задается мультиграфом, в котором из каждой вершин х и у выходят п(г) ребер в вершину г, проходящих по соответствующим гиперребрам гиперсети.
Аналогично можно получить представление сети ТФОП и сети передачи данных в виде графов вторичных сетей. Таким образом, на множестве графов вторичных сетей, вложенных в одну первичную сеть Р8 (в данном случае имеется в виду сеть ситуационных трасс для всех сетей абонентского доступа), необходимо найти минимальное число вершин первичной сети PS, таких чтобы организация в них полносвязных графов сделала бы S-гиперсеть ю-связой. Поставленная задача является ^Р-полной как частный случай определения связности гиперсети [3]. Ниже приведен эвристический алгоритм решения этой задачи.
Структурно надежная сеть с групповыми каналами
Для своевременного предупреждений и управления работами по ликвидации последствий ЧС необходима сеть передачи коротких сообщений в экстремальных условиях.
Предварительное описание ситуации и формулировка цели
На Земле ежегодно возникают сотни чрезвычайных ситуаций, многие из которых становятся катастрофическими для людей. Поэтому существует необходимость создания эффективной системы оповещения жителей о надвигающейся чрезвычайной ситуации и передачи инструкций о поведении в этой ситуации. Ценность и оперативность доставки такого рода информации настолько высоки, что ее потеря или задержка могут вызвать новые чрезвычайные ситуации на обширных территориях, в том числе и для расположенных там предприятий. Линии связи различных сетей зачастую ненадежны, поэтому существует возможность разрушения их как случайным образом, так и организованно. Важно учитывать также, что разные сети принадлежат разным операторам.
Содержательная постановка задачи
Требуется создать сеть специализированных программно управляемых межсетевых шлюзов, способных преобразовывать формат коротких сообщений при передаче из одной сети в другую. Данная система сетей связи (объединенная сеть - О-сеть), с одной стороны, должна обладать высокой живучестью, а с другой - обеспечивать возможность каждому абоненту одной сети получать короткие сообщения от абонентов других сетей, в том числе от системы оповещения при ЧС. При организации диспетчерской службы системы оповещения все сети рассматриваются как одна благодаря наличию межсетевых шлюзов. Следующим шагом необходимо организовывать виртуальные групповые каналы на О-сети, решающие задачи:
1) обеспечения циркулярной связи от диспетчера до всех оконечных пунктов (абонентов сети);
2) осуществления циркулярной связи по групповым каналам (одна и та же информация поступает во все ОП практически одновременно);
3) сохранения связности диспетчерского узла со всеми ОП при выходе из строя любых (ю-1) элементов (узлов или линии связи);
4) ограничить число групповых каналов сверху переменной ю.
Территория размещения О-сети должна, по крайней мере, перекрывать территорию населенного пункта или соответствующего района оповещения при ЧС. Пусть О-сеть реализована на кабельных линиях, уложенных в телефонную канализацию, оптических и радиоканалах. Могут потребоваться дополнительные мероприятия для повышения живучести данной сети вследствие ее уязвимости.
Информационная и концептуальная модели сети циркулярной связи
Так как О-сеть реализована в виде кабельных линий (пучков каналов тональной частоты, симметричных кабелей, ВОЛС и др.), а также оптических (лазерных) и радиоканалов, то в качестве модели необходимо использовать параллельную двухуровневую S-гиперсеть. Имеется в виду создание различных вторичных сетей абонентского доступа на базе первичной сети. Будем считать, что любые элементы этих сетей могут быть разрушены при чрезвычайной ситуации.
Решение поставленной в предыдущем пункте задачи осуществляется в два этапа:
1. Построение необходимой и достаточной системы виртуальных групповых каналов в О-сети до каждого абонента выделенной территории.
2. Поиск минимального числа межсетевых шлюзов и распределение их по узлам первичной сети.
Математическая модель
Данной концептуальной модели можно сопоставить два математических объекта: параллельную двухуровневую S-гиперсеть H=(PS^;WS1,WS2,...,WSk) и ориентированный мультиграф О =(Х,и), соответствующий О-сети.
Упорядочим вторичные сети WSi по убыванию числа обслуживаемых абонентов. Далее объединим между собой все вторичные сети в узлах первичной сети, при этом каждая сеть WSi должна быть окрашена в цвет Сг-,. Затем в полученном объединенном графе G=(X,U) удвоим все ребра, кроме ребер, инцидентных корневой вершине, и ориентируем их навстречу друг другу в каждом мультиребре; ребра, инцидентные корню, ориентируем от него. Таким образом, получен ориентированный мультиграф G
=(х,и).
В данном случае вторичная сеть тривиальна, т.е. состоит из ю гиперребер, инцидентных всем вершинам гиперграфа WS. Каждой реализации гиперребра в PS соответствует остовное дерево в PS, поэтому в качестве математического объекта удобнее выбрать ориентированный мультиграф 2-го рода.
Таким образом, математической моделью искомой сети является ориентированный мультиграф 2-го рода, в котором каждому групповому каналу сопоставлено ориентированное корневое дерево.
Математическая постановка задачи
Пусть задан граф ситуационных трасс PS=(X,V) и корневая вершина х0еХ, соответствующая диспетчерскому узлу центра оповещения МЧС. Пусть ю (х0,хг-) > ю попарно связны для х,еХ.
Требуется найти ю корневых в х0 остовных деревьев Ti 0'=1-ю), таких что при удалении любых (ю-1) вершин, кроме х0, для любой пары (х0, х}) существует дерево Т1, содержащее цепь (х0, х}).
Таким образом, при разрушении любых (ю-1) оконечных пунктов, а следовательно, и линий связи (см. неравенство Уитни S(G)< Л^)< ю^)), существует связь между диспетчером и любым нарушенным ОП.
Выбор метода решения
Решение задачи в данной постановке оптимально, если каждый групповой канал будет реализован в виде корневого остовного дерева [4]. Поэтому достаточно организовать построение такого множества корневых остовных деревьев, чтобы соблюдалось условие ю-связности корневой вершины со всеми другими вершинами.
Для точного алгоритма можно предложить метод последовательного приращения остовного дерева при условии соблюдения соответствующей связности S-гиперсети H=(PS,WS). Подобный метод для графов описан в [2].
Алгоритм АТ определения мест расположения межсетевых узлов
Шаг 1. Исходный граф PS преобразовать в ориентированный 2-мультиграф G’=(X,U’), т.е. каждое ребро из PS (кроме ребер |(х0,хг)}) заменить на пару противоположно ориентированных дуг, а ребра {(х0,хг)} ориентировать от х0 к XI для всех вершин, смежных с х0..
Для каждой вершины xe X (x ф x0) вычислить локальную связность ю (x0 ,x ) и ю (x0):=min ю (x0 ,x) в S-гиперсети H=(PS,WS), i:=1; xeX-x0
A(PS):={T1, T2, ...,Tffl(x0)}; X,-:=x0; U:=0; П=(Х,Щ.
Шаг 2. В графе G’ выбираем дугу u = (x,x) из Xi в X-Xi, инцидентную вершине x, такую что дерево T.={X.yjX,U.yjU) не нарушает Г-покрытия A(PS), и є Q(u). где Q (tt) - множество дуг,
принадлежащих той же вторичной сети, что и дуга u. Причем количество независимых цепей из х0 в x в графе G’’ = (X, U’-Ui) уменьшается по сравнению с графом G' на единицу. Известно [2], что число независимых s,t-цепей является верхней оценкой для локальной связности между вершинами s и t в S-гиперсети H=(PS,WS). Если такая дуга не найдена, то выбрать дугу u, соответствующую другому графу; если все дуги, инцидентные вершине x, соответствующие этому графу, просмотрены, то выбираем аналогичные дуги, соответствующие следующим графам из множества {WSi}; если все вторичные сети просмотрены и такая дуга не найдена, то шаг 4, иначе - шаг 3.
Шаг 3. U'(G'):=U'(G')-u;Ti:=(Xi и x,Ui и u); на шаг 2.
Шаг 4. Проверяем последовательно все существующие и вновь получаемые висячие вершины хі дерева Ті на выполнение неравенства
ю (x0,xj)^ (x0,xj)-i. (1)
L'=(G'-{Ti}) G'
Если это неравенство для некоторой висячей в Ті вершины х выполняется, то U’(G’):=U’(G’)u(yx)eTi); Т. := (Xi -x,U*(У,x)) , иначе переходим к следующей висячей вершине.
Процесс заканчивается, если в Ті не останется висячих вершин, удовлетворяющих неравенству (1).
Шаг 5. Vxe Ti , i:=i+1, если І > ю(x0) , то на шаг б, иначе на шаг 2.
Шаг б. Полное Т-покрытие найдено.
Шаг 7. В тех вершина, в которых произошел переход от ребер одного графа к ребрам другого, устанавливается соответствующее ребро в S-гиперсети H=(PS,WS).
Для оценки времени работы алгоритма достаточно посчитать число итераций, необходимых для проверки подключения очередного ребра в дерево, соответствующее групповому каналу. Пусть число ребер объединенного графа вторичной сети равно m, число вершин равно n, тогда необходимо юm раз проверить наличие ю независимых s,t-цепей. Для построения ю-независимых s,t- цепей необходимо проделать юm операций.
Таким образом, для полного выполнения алгоритма потребуется выполнить O^m2 ) операций.
Заключение
Таким образом, приведенный выше алгоритм поиска мест расположения межсетевых узлов позволяет на этапе проектирования и эксплуатации сетей абонентского доступа предусмотреть межсетевые узлы с целью передачи коротких сообщений от центра оповещения МЧС ко всем абонентам этой сети в формате соответствующей абонентской сети.
Литература
1. Гольдштейн Б.С., Соколов Н.А., Яновский Г.Н. Сети связи. СПб: БХВ-Петербург, 2010. 400 с.
2. Попков В. К. Математические модели связности. Новосибирск: ИВМиМГ СО РАН, 200б. 490 с.
3. Препринт ИВМ и МГ СО РАН № 1162. 2005.
4. Дистель Р. Теория графов. Новосибирск: ИМ СО РАН, 2002. 325 с.
Попков Глеб Владимирович, кандидат технических наук, научный сотрудник Ин-та вычислительной математики и математической геофизики СО РАН; 630090, Новосибирск-90, пр-т. акад. Лаврентьева, д. 6; тел. (383) 330-96-43.
Popkov Gleb Vladimirovich, cand. tech. sci., the research assistant Institute of Computational Mathematics and Mathematical Geophysics SB RAS.
