Павловский, Евгений Алексеевич. Интегрированная среда мониторинга технического состояния цифровых сетей связи на основе имитационного моделирования

brief description

Павловский, Евгений Алексеевич. Интегрированная среда мониторинга технического состояния цифровых сетей связи на основе имитационного моделирования : диссертация ... кандидата технических наук : 05.13.18 / Павловский Евгений Алексеевич; [Место защиты: Нац. исслед. ун-т информ. технологий, механики и оптики].- Санкт-Петербург, 2013.- 112 с.: ил. РГБ ОД, 61 13-5/733

Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
«Санкт-Петербургский национальный исследовательский университет
информационных технологий, механики и оптики»
Павловский Евгений Алексеевич
ИНТЕГРИРОВАННАЯ СРЕДА МОНИТОРИНГА
ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЦИФРОВЫХ СЕТЕЙ СВЯЗИ
НА ОСНОВЕ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Специальность 05.13.18 - Математическое моделирование, численные
методы и комплексы программ
Диссертация на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Научный руководитель д.т.н. Лисицына Л.С.
Санкт-Петербург
2013
Работа выполнена в Санкт-Петербургском национальном исследовательском университете информационных технологий, механики и оптики (НИУ ИТМО) на кафедре компьютерных образовательных технологий.
Научный руководитель:
д.т.н. Лисицына Любовь Сергеевна,
заведующая кафедрой «Компьютерные образовательные технологии» НИУ ИТМО
Официальные оппоненты:
д.т.н., профессор Демин Анатолий Владимирович,
заведующий кафедрой «Оптико-цифровые системы, комплексы и технологии» НИУ ИТМО, г. Санкт-Петербург к.т.н. Роенков Дмитрий Николаевич,
доцент кафедры «Радиотехника» Петербургского государственного университета путей сообщения, г. Санкт-Петербург
Ведущая организация:
Общество с ограниченной ответственностью «ВАСТ-АРП», г. Санкт- Петербург.
з
СОДЕРЖАНИЕ
Список используемых сокращений 6
Введение 8
Глава 1. Проблемы мониторинга сигнализации на цифровых сетях связи.... 16
1.1. Уровни мониторинга сигнализации 16
1.1.1. Структура межстанционной сигнализации 16
1.1.2. Контроль передачи физических сигналов 17
1.1.3. Контроль блочной передачи информации 18
1.1.4. Контроль процедур управления вызовами 22
1.2. Существующие решения в системах мониторинга сигнализации 26
1.2.1. Основные принципы построения систем мониторинга 26
1.2.2. Функции системы мониторинга 28
1.2.3. Сервисные приложения 30
1.3. Коммерческие системы мониторинга сигнализации 32
1.4. Вычислительные задачи в системе мониторинга сигнализации 36
1.5. Вывод 37
Глава 2. Моделирование процессов в системе мониторинга трафика сигнализации 38
2.1. Постановка задачи 38
2.2. Основные понятия моделирования системы мониторинга 40
2.2.1. Элементы математической модели 40
2.2.2. Аналитический подход 41
2.2.3. Приближенный подход 43
2.2.4. Имитационное моделирование 44
2.3. Характеристика входных данных 47
2.3.1. Виды сообщений сигнализации 47
2.3.2. Распределение сообщений по фазам соединения 48
2.3.3. Количество и объем сообщений 52
2.3.4. Длина сообщений 57
2.4. Параметры входных потоков сообщений 62
2.5. Модель обработки информации в системе мониторинга сигнализации 65
2.6. Разработка программы имитационного моделирования 69
2.6.1. Язык GPSS и среда GPSS World 69
2.6.2. Структура программы 69
2.6.3. Задание входных параметров 70
2.6.4. Генерация сообщений 74
2.6.5. Моделирование устройств ввода 76
2.6.6. Моделирование устройств высокоуровневой обработки и хранения 76
2.6.7. Вывод результатов 78
2.7. Результаты моделирования 78
2.8. Выводы 80
Глава 3. Программно-аппаратный комплекс мониторинга сигнализации 83
3.1. Структура программно-аппаратного комплекса 83
3.2. Устройство ввода информации 84
3.3. Серверная часть программного обеспечения 88
3.4. Клиентская часть программного обеспечения 93
3.5. Выводы 99
Глава 4. Внедрение среды мониторинга сигнализации 100
4.1. Использование программно-аппаратного комплекса мониторинга на
сетях связи 100
4.2. Организация учебных классов для обучения основам сигнализации на
цифровых сетях 102
4.3. Выводы 104
Заключение 105
Список использованной литературы 107
б
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ
АОН автоматический определитель номера
АТС автоматическая телефонная станция
БД база данных
век выделенный сигнальный канал
кпв контроль посылки вызова
меэ-т Сектор стандартизации телекоммуникаций Международного союза электросвязи (ранее - МККТТ)
оке общий канал сигнализации
ОКС №7 общеканальная система сигнализации №7
ПК персональный компьютер
ПО программное обеспечение
смо система массового обслуживания
тмо теория массового обслуживания
УВ устройство ввода информации
чнн час наибольшей нагрузки
эмвос эталонная модель взаимодействия открытых систем
CDR Call Detail Record, детализированный отчет по вызову
DSS1 Digital Subscriber Signaling No. 1, цифровая абонентская сигнализация № 1
DSP Digital Signal Processor, цифровой сигнальный процессор
GPSS General Purpose System Simulation, язык моделирования систем общего назначения
ISDN Integrated Services Digital Network, цифровая телефонная сеть с
ISUP интеграцией услуг
ISDN User Part, подсистема пользователя ISDN в составе ОКС №7

подсистема пользователя ISDN, российская спецификация см. МСЭ-Т
Link Access Protocol for D-Channels, протокол доступа звена для D-каналов
Message Transfer Part, подсистема передачи сообщений в составе ОКС №7
Specification and Description Language, язык описания спецификаций
Session Initiation Protocol, протокол установления соединений SIP Telecommunications Management Network, система управления сетями операторов электросвязи
ВВЕДЕНИЕ
Имитационное моделирование позволяет решать широкий круг задач в тех областях, где применение других методов затруднительно или невозможно. Одной из таких областей является мониторинг трафика на телефонных сетях.
В настоящее время количество абонентских линий на телефонных сетях Российской Федерации составляет более 30 млн., из них к цифровой сети подключены более 80%, а общий объем телефонного трафика составляет более 25 млрд, минут в год. При эксплуатации цифровых телефонных сетей чрезвычайно важным является систематический контроль их технического состояния, позволяющий быстро установить причину ухудшения качества обслуживания абонентов, поскольку в условиях конкуренции даже незначительное повышение отказов в сети может привести к оттоку клиентов и значительному уменьшению прибыли.
Как показано в работах Б. С. Гольдштейна, И. М. Ехриеля и др. [16,17,19,32], для обнаружения неполадок в сетях, где применяется разнородное оборудование, требуется комплексная система мониторинга, способная отслеживать взаимодействие оборудования по соединительным линиям.
В течение жизненного цикла системы мониторинга требуется решение двух задач, касающихся определения количества требуемых для ее построения ресурсов. Задача синтеза заключается в определении требуемых ресурсов для составления исходного технического задания на систему или для его коррекции в соответствии с изменившимися условиями. Результатом решения этой задачи будут требования к количеству и производительности устройств обработки в системе мониторинга, а также к объему памяти, необходимой для буферизации и хранения информации. Задача анализа нужна для определения качества работы существующей системы в случае изменения условий, таких как нагрузка на каналы сигнализации. Решение
этой задачи позволяет прогнозировать качество работы системы и определить момент, когда качество работы системы перестанет удовлетворять требованиям и потребуется выполнить ее модернизацию.
Для проведения расчетов, описывающих поведение систем мониторинга сигнализации, требуется составление математической модели, описывающей процессы, происходящие в таких системах. Автоматизация расчетов с использованием имитационного моделирования позволит создать интегрированную среду мониторинга, способную гибко изменяться в соответствии с внешними условиями и обеспечивать решение практических задач по контролю и диагностике неполадок в сети. Функционирование такой среды приведено на следующей схеме:
С технической стороны существует несколько подходов к контролю сигнализации на соединительных линиях с использованием ОКС [1,7]. Условно их можно разделить на несколько классов:
Первый класс - контроль на уровне сигналов, передаваемых по физическим цепям. Этот класс включает в себя контроль соответствия формы электрических сигналов стандартным шаблонам, измерение уровня передаваемого сигнала, искажений и других физических параметров. Контроль физических цепей применяется, как правило, только при начальном монтаже соединительных линий и устранении аппаратных
неисправностей оборудования и линий; непрерывный контроль физических параметров во время нормальной работы системы связи не требуется.
Второй класс - контроль битовой структуры потока. Сюда относится контроль сигналов цикловой синхронизации, а также битстаффинга в каналах сигнализации. Создание отдельной аппаратуры для этой цели редко оправдано, поэтому такие функции включаются либо в само телекоммуникационное оборудование в качестве дополнительной функции, либо в приборы, реализующие методы первого и третьего классов.
Третий класс - мониторинг сигнализации ОКС. Этот класс предполагает расшифровку и проверку правильности информации сигнализации, передаваемой между двумя телефонными станциями по одному из стандартных протоколов (ОКС №7, DSS1, QSIG и др.). Перехват и расшифровка сообщений сигнализации позволяет не только диагностировать отказы в обслуживании до того, как возникнут претензии клиентов, но и получить большее количество информации о функционировании сети связи в целом.
При наличии системы мониторинга, охватывающей большое количество узлов сети, сбор и обработка статистических данных по вызовам может служить для оценки динамики роста услуг связи, предоставляемых пользователям, прогнозировать дальнейшее развитие телефонной сети [18,19,32]. Кроме того, при использовании оборудования разных производителей, что актуально в современных условиях конкуренции, требуется независимое устройство контроля для разрешения конфликтных ситуаций и систематизации статистических данных.
Наконец, четвертый класс - это активные методы проверки, предполагающие включение диагностического прибора в тракт в роли «эталонной» станции и имитацию взаимодействия. Приборы, реализующие такой контроль, функционально просты, но из-за огромного объема сценариев функционирования телефонной станции, особенно с учетом всех
нестандартных ситуаций, чрезвычайно трудоемки в разработке. Методы этого класса широко применяются при сертификации
телекоммуникационного оборудования [22], но практически никогда - при его эксплуатации.
Современные цифровые телефонные сети подвержены частым изменениям вследствие увеличения количества абонентов и узлов, внедрения новых услуг, организации новых видов взаимодействий с сетями других операторов связи и других факторов. В этой связи и система мониторинга телефонной сети также будет претерпевать изменения в течение своего жизненного цикла [18]. Поэтому тема, посвященная разработке сред мониторинга, интегрирующих программные и аппаратные средства моделирования процессов ввода и обработки информации трафика сигнализации и своевременного контроля и диагностики технического состояния цифровой телефонной сети, для обслуживания сети персоналом, не имеющим высокой квалификации, является весьма актуальной и своевременной.
Цель диссертационной работы - разработка и исследование интегрированной среды мониторинга технического состояния цифровых сетей связи на основе имитационного моделирования.
Для достижения данной цели были поставлены и решены следующие основные задачи:
• Обзор и анализ современного состояния и тенденций развития систем, осуществляющих контроль технического состояния цифровых сетей связи на основе мониторинга трафика сигнализации.
• Анализ данных, передаваемых по каналам сигнализации цифровых телефонных сетей, разработка и оценка вероятностной модели передачи сообщений сигнализации.
• Разработка имитационной модели и методов ее применения, позволяющих оценить требуемые ресурсы по обработке, хранению и передаче информации между компонентами моделируемой системы мониторинга сигнализации.
• Разработка критериев анализа информации в системе мониторинга сигнализации с целью установления конкретных причин отказа телефонной сети и прогнозирования нештатных ситуаций в ее работе.
• Реализация разработанных моделей и методов в виде программно-аппаратного комплекса с использованием цифровых сигнальных процессоров (DSP) и процессоров общего назначения, обеспечивающего мониторинг технического состояния цифровой телефонной сети персоналом, не имеющим высокой квалификации.
• Внедрение результатов работы на практике при создании систем мониторинга сигнализации цифровых телефонных сетей, а также в учебный процесс по подготовке и переподготовке инженеров связи.
В работе использован математический аппарат теории систем массового обслуживания, теории алгоритмов, теории вероятностей и математической статистики, методы и технологии имитационного моделирования, методы инженерии программного обеспечения.
По итогам диссертационной работы были получены следующие новые научные результаты:
• Метод имитационного моделирования, позволяющий впервые оценить требуемые аппаратные ресурсы в системе мониторинга трафжка сигнализации телефонной сети независимо от вида сигнализации по оценкам ее вероятностной модели.
• Критерии анализа информации в системе мониторинга сигнализации, обеспечивающие своевременный контроль и диагностику технического состояния сетей в новом диапазоне контролируемых параметров.
• Новый подход к построению интегрированных сред для имитационного моделирования и мониторинга трафика сигнализации в цифровых телефонных сетях для обслуживания персоналом, не имеющим высокой квалификации.
Предложенный подход внедрен на практике при создании систем мониторинга трафика сигнализации. Результаты работы использованы для создания программно-аппаратного комплекса «ТМС», внедренного в работу Нижегородского филиала «Ростелеком-Волга» ОАО «Ростелеком» (ранее - ОАО «Волгателеком»), что позволило упростить диагностирование неполадок на телефонной сети, ускорит поиск неисправностей и повысить качество обслуживания абонентов телефонной связи, обслуживаемых филиалом. Кроме того, программно-аппаратный комплекс внедрен в работу Московского регионального центра связи центральной станции связи ОАО «РЖД», что позволило повысить качество обслуживания абонентов общетехнологической и оперативно-технологической связи.
Программно-аппаратный комплекс мониторинга трафика сигнализации на телефонной сети также внедрен в учебный процесс кафедры «Электрическая связь» Петербургского государственного университета путей сообщения при подготовке специалистов связи, а также кафедры «Системы связи телемеханики и информационно-сетевых технологий» Петербургского энергетического института повышения квалификации для переподготовки инженеров связи, обслуживающих системы связи нефтяной и газовой отрасли.
Отдельные положения предложенного подхода использованы при разработке нового стандарта сигнализации для системы оперативно-технологической связи железных дорог России «Протокол информационно¬логического взаимодействия коммутационных станций цифровой сети ОТС».
Положения, выносимые на защиту:
• Подход к построению систем мониторинга трафика сигнализации цифровых телефонных сетей с использованием имитационного моделирования.
• Модель для оценки требуемых ресурсов в системе мониторинга сигнализации телефонной сети и реализующий ее вычислительный алгоритм.
• Критерии анализа информации в системе мониторинга сигнализации, обеспечивающие своевременный контроль и диагностику технического состояния сетей.
• Результаты использования разработанных методов и технологий для создания и использования на практике систем мониторинга трафика сигнализации цифровых телефонных сетей.
Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:
• научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Шаг в будущее-2003» в Петербургском государственном университете путей сообщения в 2003 г.;
• научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Шаг в будущее-2005» в Петербургском государственном университете путей сообщения в 2005 г.;
• научно-технических конференциях Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ», посвященных Дню радио в 2005 и 2006 гг.;
• XLI научной и учебно-методической конференции НИУ ИТМО в 2012 г.;
• 7-й международной научной конференции «Информационные технологии в бизнесе» в Санкт-Петербургском государственном университете экономики и финансов в 2011 г.;
• IV научно-практической конференции молодых ученых «Вычислительные системы и сети (Майоровские чтения)» в НИУ ИТМО в 2012 г

bibliography

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В результате проведенного диссертационного исследования были получены следующие результаты, имеющие научную и практическую значимость:
• Проведенный анализ современного состояния и тенденций развития
систем, осуществляющих моделирование и контроль технического состояния цифровых сетей связи на основе мониторинга трафика сигнализации, позволил разработать новый подход к построению интегрированных сред для имитационного моделирования и мониторинга трафика сигнализации в цифровых телефонных сетях для обслуживания персоналом, не обладающим высокой
квалификацией.
• Разработан метод имитационного моделирования, позволяющий впервые оценить требуемые аппаратные ресурсы в системе мониторинга трафика сигнализации телефонной сети независимо от вида сигнализации по оценкам ее вероятностной модели. Имитационная модель, созданная в данной работе, может быть применена для моделирования в средах мониторинга на сетях с любыми способами коммутации и предоставляемыми услугами, управление которыми осуществляется с помощью протоколов сигнализации.
• Разработаны критерии анализа информации в системе мониторинга сигнализации, обеспечивающие своевременный контроль и диагностику технического состояния сетей в новом диапазоне контролируемых параметров.
• Разработана интегрированная среда мониторинга технического состояния цифровых сетей связи в виде программно-аппаратного
комплекса, который внедрен на узлах ряда реальных цифровых телефонных сетей.
• Создана учебная установка и методическое обеспечение для проведения практических занятий по системам межстанционной сигнализации в учебном процессе для подготовки и переподготовки инженеров связи.