Топологические структуры сетей связи и их характеристики

С позиции топологии различают следующие виды сетей [1]:

· Линейные

· Кольцевые

· Радиально- узловые

· Иерархические

· Решетчатые

· Полносвязные

Рассмотрим основные из них.

 

Рис.1. «Линейная цепь».

 

Топология «линейная цепь» (рис.1) применяется при строительстве магистралей, в которых имеется необходимость выделения потоков в промежуточных узлах. Такие варианты сетей с «линейной» топологией встречаются при соответствующем линейном географическом расположении узлов (вдоль железнодорожных магистралей, нефте- и газопроводов и т.д.). Низкая надежность «линейной цепи» – основной недостаток рассмотренной топологии сети. Также недостатком является то, что данная структура ограничивается дальностью передачи и мало напряженным трафиком. Простота построения и низкая стоимость в реализации – достоинства «линейной» структуры.

 

 

Рис.2. «Кольцо», «двойное кольцо».

 

 

Топологии «кольцо» и «двойное кольцо» (рис.2) широко используются в локальных сетях (построенных с применением технологий FDDI и TokenRing), в сетях синхронной цифровой иерархии (SDH), в пакетных сетях (базирующихся на технологии RPR). В сетях с «кольцевой» конфигурацией данные передаются по кольцу от одного узла к другому, как правило, в одном направлении. Главное достоинство «кольца» в том, что оно по своей природе обладает свойством резервирования связей. Действительно, любая пара узлов соединена здесь двумя путями – по часовой стрелке и против. В сети с «кольцевой» топологией узлы соединены в единую замкнутую петлю каналами связи. Выход одного узла сети соединяется со входом другого. Информация по кольцу передается от узла к узлу, и каждый узел ретранслирует посланное сообщение. В каждом узле для этого имеется своя интерфейсная и приемо-передающая аппаратура, позволяющая управлять прохождением данных в сети. «Кольцо» представляет собой удобную конфигурацию для организации обратной связи: переданные данные, сделав оборот, возвращаются к источнику. Ввиду своей гибкости и надежности работы сети с «кольцевой» топологией получили широкое распространение на практике. Широкое применение данной структуры реализовано при построении сетей SDH из-за легкости организации защиты типа «1+1», благодаря наличию в мультиплексорах двух пар оптических каналов приема/передачи, дающих возможность формирования двойного кольца со встречными потоками. «Двойное кольцо» образуется линиями между парами пунктов, в которых информационный поток направляется в двух противоположных направлениях (восточном и западном), причем одно направление используется как основное, второе – как резервное. При возникновении неисправности на участке сети происходит автоматическая реконфигурация сети (путей передачи информации) с образованием ―нового кольца (в системах SDH время переключения не более 50 мс). Поэтому структуры типа «двойное кольцо» характеризуются высокой надежностью и отказоустойчивостью [1].

 

«Радиально-узловые» топологические структуры (рис.3), в которых периферийные узлы подключаются к центральному узлу с помощью отдельных линий, находят применений в сетях спутниковой связи, в сетях беспроводного

 

 

Рис.3. «Радиально-узловая» топологическая структура.

 

доступа, беспроводной телефонии, а также в локальных и абонентских сетях, построенных на основе коммутатора на центральном узле. Надежность такой сети определяется надежностью оборудования центрального узла, который в сетях специального назначения часто делают защищенным. Основу сети с «радиально-узловой» топологией составляет центральный узел, который ретранслирует, переключает и маршрутизирует информационные потоки в сети. Центральный узел напрямую соединяется с каждым из узлов сети. В зависимости от типа центрального устройства принимаемый с одного входа сигнал может транслироваться на все выходы, либо на конкретный выход, к которому подключено устройство- получатель информации. В такой сети актуальна проблема надежности: при выходе из строя центрального узла вместе с ним выйдет из строя и вся сеть. Для предотвращения таких ситуаций, на ряду с его защищенностью, нужно создать в центральном узле высокий уровень избыточности с помощью нескольких процессоров, переключателей, других устройств, чтобы обеспечить необходимое дублирование любой отказавшей части системы. Повышение надежности сказывается на стоимости системы. В качестве недостатков «радиально-узловой» сети можно отметить:

· Большую загруженность центрального узла;

· Полную потерю работоспособности сети при отказе центрального узла;

· Большую протяженность линий связи;

· Отсутствие гибкости в выборе пути передачи информации.

Сети с «радиально-узловой» структурой преимущественно используются в системах с явно выраженным централизованным управлением, что важно для военной связи [9].

 

Рис.4

На базе элементарных структур строятся более сложные. При использовании только радиальных элементарных структур могут быть созданы, например, «древовидные» (рис.4). Для сетей связи «древовидной» структуры сохраняется то же соотношение основных параметров, что и для «радиальной» элементарной структуры. Между каждой парой узлов такой структуры существует только

 

 

Р   Рис.4. «Древовидные» топологические структуры.

 

один путь для установления связи. Другими словами, «древовидная» сеть — сеть односвязная. Частными случаями ее являются узловая сеть с иерархическим построением и соподчинением узлов, «звездообразная» с одним узлом и «линейная» сеть. В узловой сети с иерархическим построением и соподчинением ее узлов имеется узел высшего класса, называемый корневым, с которым соединяются узлы первого класса (уровня). К узлам первого класса подсоединяются узлы второго, третьего (и т. д.) класса. К достоинствам данной топологии можно отнести то, что сеть с данной топологией легко увеличить и легко ее контролировать (поиск обрывов и неисправностей). Недостатками является то, что при выходе из строя корневого узла, выйдут из строя все дочерние (выход из строя всей сети), и также ограничена пропускная способность (доступ к сети может быть затруднен). Последний недостаток, связанный с пропускной способностью, устраняется топологией «толстого» дерева.

Сеть «толстого» дерева является дешевой и эффективной для суперкомпьютеров. В отличии от классической топологии «дерево», в которой все связи между узлами одинаковы, связи в «утолщенном» дереве становятся более широкими (толстыми, производительными по пропускной способности) с каждым уровнем по мере приближения к корню дерева. Часто используют удвоение пропускной способности на каждом уровне. Сети с такой топологией являются предпочтительными для построения кластерных меж-соединений на основе технологии Infiniband.

«Кольцевая» элементарная структура является базой для построения сложных структур, которые в общем случае можно разделить на полносвязные структуры и неполносвязные структуры.

Сеть полносвязной структуры (рис.5, а) — сеть, соединение узлов в которой производится по принципу «каждый с каждым» и которая характеризуется следующим соотношением основных параметров:

Рис.5

где М — количество ветвей, N — количество коммутационных центров.

Особенностью полносвязной сети является то, что между каждой парой узлов этой сети существует (N — 1) независимых путей для установления связи.

Для неполносвязных структур соотношение основных параметров задается двойным неравенством:

 

 

 

Рис.5. «Смежно-кольцевые» структуры.

 

Частым случаем сетей неполносвязной структуры, получивших широкое распространение, являются сети «смежно-кольцевой» структуры. Для таких сетей справедливо следующее соотношение параметров:

где Е — число кольцевых элементарных структур. Варианты сетей связи «смежно-кольцевой» структуры представлены на рис. 1.5, б — е.

Различают «смежно-кольцевые» структуры, образованные одинаковыми (рис. 1.5, б, в, г, е) и разными (рис. 1.5, д) «кольцевыми» элементарными структурами. Иногда структуры получают специальные названия: «Алмаз» или «Кристалл», «Соты», Решетка», «Двойная решетка» (рис. 1.5, б, в, г, е соответственно).

Структуры сетей связи, представленные на рис. 1.5, в, г, е, относят к разряду регулярных структур, у которых наблюдается равномерное распределение узлов по территории и однотипное соединение соседних узлов. У этих структур каждый узел (кроме расположенных по краям сети) имеет ранг (степень), который определяется количеством ветвей, соединяющих его с другими узлами. Для структур, показанных на рис. 1.5, в, г, е, узлы имеют ранги r = {3, 4, 6} соответственно. При большом числе узлов в сетях с регулярными структурами число ветвей определяется формулой [1].

На сети с узлами разного ранга число ветвей определяется следующим выражением:

где N_i — число узлов ранга r_j.

Постановка задачи

Как сказано выше, сети военной связи, в том числе и объектовые, строятся преимущественно на основе типовых структур. Это позволяет учесть особенности той или иной структуры эффективнее использовать телекоммуникационные технологии, и, что самое важное, минимизировать расходы оптического кабеля на их проектирование и строительство. В дипломной работе выполнен расчет и анализ одно- двух- и трех кольцевой топологической структуры. Кроме того, важной задачей явилось разработка и оценка математического аппарата, обеспечивающего её решение.

В общем виде задачу выбора структуры сети и расчета ее оптимальных параметров можно сформулировать в следующем виде, требуется выбрать структуру развертываемой сети и рассчитать ее параметры, если заданы:

· Количество и места расположения узлов коммутации (абонентских центров);

· Измерены расстояния между этими объектами и составлена матрица расстояний |R|;

· Учтены варианты размещения объектов, между которыми не могут быть проложены линии связи (водные преграды, сооружения и др.). Если такие линии существуют, то в матрице расстояний значения их длин должны быть выбраны много больше максимального значения расстояния, среди множества всех линий.

Критерий оптимальности, который задается как:  (минимальное суммарное расстояние линий связи, которое определено для каждой из заданных структур).

Поскольку выбор осуществляется среди одно- двух- и трех кольцевых структур, развертываемых на одной и той же узловой основе, то в дальнейшем для каждой из них требуется разработать алгоритм расчета их оптимального построения. Кроме того, важно получить сведения о расходе кабеля для их построения и выполнить сравнения по наращиванию живучести сетей. 

Для заданного типа структуры задача формулируется следующим образом:

· Выбрать (разработать) соответствующий алгоритм и программу расчета оптимальных суммарных длин кабеля, обеспечивающих построение сети;

· Используя матрицу измеренных расстояний, выполнить расчет и определить , где L_i – длины отдельных линий, j – номер структуры сети, разрешенной к развертыванию.

· Произвести сравнительный анализ полученных результатов и оценить величину дополнительных расходов кабеля при построении каждой из сетей, и полученный выигрыш в структурной живучести.

 

Вывод по главе

    В первой главе рассмотрена архитектура ТКС, базовые топологические структуры, их характеристики и технологии, которые применяются при построении сетей связи специального назначения. Отмечены достоинства и недостатки каждой структуры.

    Сформулирована задача выпускной квалификационной работы. Определен критерий оптимальности, по которому будет производится расчет структур сетей. Оптимизационная задача будет решаться на следующих топологических структурах: одно-, двух- и трех кольцевых.

        

Глава 2. Алгоритмы и программы расчета параметров одно-, двух- и трех кольцевых структур сетей связи, их анализ и возможности применения. Оценка эффективности разработанного программного обеспечения.

Общие понятия

Важным специфическим структурным свойством сетей связи является возможность представления одной и той же сети связи различными изоморфными графами без петель. Две структуры принято называть изоморфными, если между множествами узлов (вершин) существует взаимно-однозначное соответствие, сохраняющее смежность.

Граф сети связи G = (V, U) представляет собой набор точек, называемых вершинами V= {v₁,v₂,…,v_n}, которые соединены между собой линиями, называемыми ветвями U = {и_ij}. Это позволяет изображать любую структуру в виде, удобном для дальнейшей работы с ней (рис. 6, а, б).

Рис.6. Изоморфные графы.

Рис.6. Изоморфные графы.

В теории графов различают ориентированные и неориентированные, взвешенные и помеченные графы.

В ориентированных графах сообщения в ветвях (линиях и каналах связи) передаются только в одном направлении (рис. 7, а). В неориентированных графах сообщения могут передаваться в обоих направлениях (рис. 7, б).

Взвешенным называется граф, в котором вершинам и ветвям соответствуют некоторые числа, называемые весами (рис. 7, в). Весом может быть пропускная способность (С), надежность, живучесть и т. д.

 

Рис.7. Графы: а) ориентированный; б) неориентированный; в) взвешенный .

 

               

 

На рис. 1.7, в представлен взвешенный граф, где в качестве веса выбрана пропускная способность направления связи, выраженная в количестве каналов.

Граф, в котором вершины пронумерованы, называется помеченным или размеченным. Иногда при работе на вычислительных машинах возникает необходимость проанализировать сеть связи, не прибегая к изображению ее в виде графа. Одной из форм математического представления сети связи (графа) является алгебраическое задание ее с помощью ряда структурных матриц.

Пусть задан граф G = (V, U), вершины которого пронумерованы в произвольном порядке. Структурной матрицей смежности (соседства) [А] = [а_ij] помеченного графа G =(V,U) с n вершинами называется матрица размера пхп, в которой а_ij. = 1, если вершина v₁ связана с вершиной v_j и а_ij =0 в противном случае. Таким образом, существует взаимно однозначное соответствие между помеченными графами с и вершинами и матрицами размера пхп с нулями по диагонали. Для помеченного графа G, показанного на рис. 8, матрица смежности имеет следующий вид:

Легко заметить, что суммы элементов матрицы [А] по строкам (столбцам) равны степеням (рангам) вершин графа G.

Степенью вершины графа G, называется количество входящих и/или исходящих из него ветвей.

Другой матрицей, связанной с графом G, в котором пронумерованы (помечены) вершины и ребра, является матрица инциденций ([B]=b_ij]). Такая матрица характеризует взаимосвязь вершин и ребер, что важно при рассмотрении вопросов связности моделируемой сети связи. Матрицей инциденций помеченного графа G= (V, 0) с и вершинами и т ребрами называется матрица размера mxn, в которой b_ij. = 1, если вершина v_i,.инцидентна ребру и, и b_i = 0 в противном случае.

Рис.8. Граф с матрицей инциденций.

Для помеченного графа G (рис. 8) матрица инциденций В имеет следующий вид:

 

Для ориентированного графа G матрица инциденций [В] определяется следующим образом:

Поскольку каждая дуга инцидентна двум различным вершинам (за исключением того случая, когда дуга образует петлю), то каждый столбец матрицы инциденций содержит один элемент, равный 1, и один, равный — 1, либо все элементы столбца равны нулю.

Матрица мощности ветвей [М] (рис. 9), элементами которой являются веса а_ij принимающие значения, численно равные количеству стандартных каналов между ЦК, имеет вид:

 

 

 

Рис.9. Матрица мощности ветвей.

 

В дипломной работе рассмотрены некоторые особенности, на которые следует обратить внимание при синтезе и анализе сетей связи.

Путь из узла а_s в узел а_t — это упорядоченная последовательность ребер, начинающаяся в а,, заканчивающаяся в а, и не проходящая дважды через один и тот же узел, причем конец каждого предыдущего ребра совпадает в промежуточном (для данного пути) узле с началом последующего ребра. Путь, намеченный (выбранный) для доставки тех или иных сообщений между заданной парой пунктов (узлов), будем называть маршрутом, а процесс установления таких маршрутов (путей) — маршрутизацией.

При возведении структурной матрицы в g-ю степень получается матрица, каждый элемент которой характеризует путь от узла а_i к узлу а, который включает ребра, число которых не превышает ранг данной матрицы:

Очевидно, что имеется некоторое конечное число, превышение которого не приведет к изменению матрицы, которая в таком случае становится характеристической:

Матрица [М]называется характеристической, или матрицей, описывающей все возможные в сети пути между узлами. Особенностью математического описания сетей является то, что максимальный ранг не может превышать (N- 1), и, следовательно, справедливо неравенство

g<N — 1

Под рангом пути r(т_st) (иногда этот показатель называют длиной пути) понимается число ребер, образующих этот путь. Минимальный ранг пути равен 1, максимальный (N — 1), когда путь проходит через все узлы.

Сеть связи можно описать также с помощью ее топологии. Топология сети связи дает представление о взаимном расположении и соединениях КЦ этой сети, группировке каналов по ветвям и направлениям связи, а также о маршрутах и особенностях прохождения трасс линий связи на местности. Топология отображает КЦ, выполняющие все виды оперативной и долговременной коммутации. В зависимости от полноты данных о сети связи и формах представления этой сети различают общую, полную и частную топологии.

Общая топология дает представление о взаимном расположении всех типов КЦ, способах их соединения линиями связи, а также о характере распределения образуемых на этих линиях каналов и трактов по ветвям и направлениям связи.

Кроме КЦ, выполняющих оперативную коммутацию, на схеме общей топологии показаны КЦ, обеспечивающие долговременное соединение каналов. Здесь же можно видеть, как группируются каналы. Совокупность каналов различных направлений связи образует пучки ветви между смежными узлами (например, исходящие из первого КЦ каналы образуют пучок т,,). При этом, конкретизируются трассы каналов направлений связи.

Общая топология выявляет детали построения первичных и вторичных сетей, позволяет решать задачи распределения каналов между КЦ, а в случае необходимости принимать решение на маневрирование этими каналами.

Схема полной топологии выполняется, как правило, на карте и обеспечивает привязку элементов сети связи (КЦ, линий связи) к местности. На ней указываются особенности прохождения трасс линий связи, места расположения станций, ретрансляционных пунктов (усилительных пунктов) и т. д. Кроме того, на схеме полной топологии могут указываться объекты, не являющиеся элементами сети связи, но имеющие значение при ее эксплуатации: пункты снабжения, резерв средств связи, ремонтные органы и др.

Для решения отдельных задач по строительству и эксплуатации сети связи могут использоваться полные топологии отдельных участков данной сети, называемые частными топологиями этих участков. Частная топология составляется по тем же правилам, что и полная. При этом возникает дополнительная возможность детализации отдельных сведений, необходимых конкретному исполнителю при решении поставленной перед ним задачи. К частным топологиям, например, относятся топологии абонентских сетей, развертываемых от оконечных КЦ на территории размещения пунктов управления или в населенных пунктах.

В ряде случаев часть элементов сети связи может размещаться на летно-подъемных средствах. Объемное расположение и взаимосвязь элементов сети связи, а при необходимости и характер их перемещения можно описать с помощью стереологии этой сети. Формами представления стереологии могут служить изометрическая схема, схемы проекций сети на горизонтальную и вертикальную плоскости или описание координат размещения элементов сети и их взаимосвязи. Таким образом, стереология дает представление о пространственном расположении и перемещении элементов сетей связи.

Рассмотренные характеристики дают общее представление осети связи, которая имеет ряд отличительных свойств.

Свойство сети связи — существенная черта данной сети, обусловливающая ее отличие от других сетей связи или сходство с ними и проявляющаяся при ее функционировании. Основными свойствами сети связи являются ее связность, структурная живучесть, пропускная способность, надежность и др.

Сеть связи называется связной,если в ней может быть найден хотя бы один прямой или транзитный путь для установления связи между каждой парой узлов связи. Сеть называется h-связной, если любые два узла связаны независимыми путями, число которых не менее h. Например, сеть, представленная на рис. 10, является двусвязной (h = 2), так как имеет два независимых пути от первого узла к третьему: а — b, с — d.

 

 

Рис.10. Связная сеть связи.

 

Понятие связности чаще относится не ко всей сети связи, а к заданным узлам 1, и 3, (h- связность), а также к множеству путей, обладающих заданным свойством. При этом можно вводить ограничение по рангу.

От связности зависит такая характеристика сети связи, как структурная живучесть. Под структурной живучестьюпонимается свойство сети сохранять связность при массовых разрушениях элементов или отдельных частей. Количественным показателем структурной живучести является вероятность наличия хотя бы одного пути установления соединения для передачи по нему сообщений после воздействия на сеть поражающих факторов.

Таким образом, из определения следует, что связность является одним из важнейших свойств сетей связи и может быть использована как показатель структурной живучести [3].