Проектирование и отладка функционирования систем передачи данных с помощью цифрового двойника

"Научный аспект №6-2024" - Информ. технологии

УДК 004

Полков Андрей Андреевич – старший преподаватель МИРЭА – Российского технологического университета; главный специалист отдела Инновационных проектов на шельфе Общества с ограниченной ответственностью «Арктический научно-проектный центр шельфовых разработок».

Давидчук Ирина Валерьевна – магистр института Информационных технологий МИРЭА – Российского технологического университета; ведущий инженер отдела Разработки технических средств и комплексов Акционерного общества «Научно-исследовательский институт автоматической аппаратуры имени В. С. Семенихина».

Аннотация: В статье рассмотрен пример использования цифрового двойника, предоставляющего возможности проведения оценок функционирования телекоммуникационной сети на этапах проектирования и модернизации, а также используемого в качестве инструмента для принятия архитектурных решений построения системы, отладки функций сетевых устройств и комплексов, эксплуатируемых в ней.

Ключевые слова: виртуальный прототип, имитация, телекоммуникационная сеть, надежность сети, вероятностно-временные характеристики.

Введение

Стремительное развитие телекоммуникационных технологий способствует развитию методологии проектирования систем и средств связи, основанных на применении автоматизированных систем проектирования [1].

Современные подходы к проектированию систем передачи данных (СПД) основаны на применении цифровых двойников (виртуальных прототипов, далее ‒ ВП), с помощью которых отрабатываются механизмы взаимодействия различных подсистем и программно-технических комплексов, которые будут эксплуатироваться в будущей СПД. Кроме того, применение ВП влияет на сокращение временных затрат на разработку, так как отладка сетевых взаимодействий и функций будущего изделия или системы, может вестись параллельно с разработкой элементной базы.

Основными методами, применяемыми в разработке ВП, являются аналитическое, имитационное и комбинированное моделирование. Все указанные методы позволяют не только упростить процесс конструирования облика (концептуальной модели) будущей системы, но и отработать основные архитектурные вопросы на начальной стадии реализации изделия.

Применение данного подхода к построению СПД на этапах эскизного и технического проектирования, также позволяет:

• проводить анализ поведения проектируемой СПД при возникновении редких событий (отказы оборудования, возникающие перегрузки, физическое воздействие на элементы сети и другие показатели, влияющие на тактико-технические характеристики проектируемой СПД), которые в реальных условиях эксплуатации сети зачастую сложно или невозможно воспроизвести;
• проводить оценки вероятностно-временных характеристик доведения информации абонентского трафика по трактам СПД;
• определять и устранять «узкие места», тем самым находя варианты достижения сбалансированности СПД по нагрузкам [2];
• проводить отладку сетевых взаимодействий различных подсистем и комплексов технических средств (КТС).

Проводимые в АО «НИИАА», доказали практическую значимость применения ВП [3] и методов математического моделирования [4], что породило идею создания и внедрения «Системы виртуального прототипирования и моделирования сетей передачи данных и средств телекоммуникаций» (далее ‒ СВПМ-ТКС), которая обеспечила принятие проектных решений при создании новых перспективных систем, а также открыла новые возможности для отладки и модернизации эксплуатируемых комплексов.

1. Общие сведения о системе

1.1. Постановка задачи

В ходе анализа доступной информации о системах проектирования и отладки телекоммуникационных сетей, были определены и сформулированы следующие требования к СВПМ-ТКС:

• система должна обеспечивать возможность построения сложных конфигураций сетей, учитывая при этом разнородность используемых в ТКС сетевых устройств, протоколов передачи данных и каналов связи;
• система должна обеспечивать проведение оценок вероятностно-временных характеристик доведения различных типов абонентского трафика по сети с учетом взаимодействующих фрагментов телекоммуникационных систем;
• система должна отвечать на вопросы надежности ТКС и трактов передачи данных входящих в нее;
• система должна иметь возможность расширения библиотеки виртуальных элементов сети и модификации их функций;
• система должна содержать интуитивно-понятный интерфейс, для ввода и корректировки исходных данных моделирования;
• система должна обеспечивать мониторинг статистических показателей функционирования сети, для просмотра, анализа и принятия проектных решений в реальном времени;
• система должна иметь базу данных для хранения проведенных сценариев моделирования;
• система должна предоставлять пользователю возможность создания отчетной документации в автоматическом режиме после выполнения поставленных сценариев моделирования.

Исходя из изложенных требований были проработаны основные идеи по реализации СВПМ-ТКС, которые представлены в следующих подпунктах данного раздела.

1.2. Назначение СВПМ-ТКС

Основное назначение СВПМ-ТКС – предоставление возможности проведения оценок функционирования ТКС на этапах проектирования и модернизации системы, используемого в качестве инструмента для принятия архитектурных решений построения системы, а также отладки функций сетевых устройств и комплексов, эксплуатируемых в ТКС.

СВПМ-ТКС должен выполнять следующие функции:

• имитацию сетевой информационной нагрузки на ТКС от взаимодействующих подсистем;
• имитацию трафика «ложных» абонентов, для обеспечения отладки функций межсетевого экранирования;
• имитацию функционирования сетевых устройств и комплексов, входящих в состав ТКС;
• имитацию отказов сетевых устройств и каналов передачи данных, для оценки показателей надежности трактов и сети в целом.

1.3. Состав СВПМ-ТКС

1.3.1. Структура СВПМ-ТКС

В ходе проектирования СВПМ-ТКС была разработана следующая ее структура, состоящая из двух основных составных компонент:

• программно-аппаратного комплекса имитатора фрагмента телекоммуникационной сети (ИФТКС);
• виртуального прототипа телекоммуникационной сети (ВП-ТКС), представляющего собой специальное программное обеспечение (СПО).

ИФТКС должен обеспечивать выполнение следующих основных функций:

• имитацию фрагмента телекоммуникационной сети, предназначенной для отработки информационного обмена между взаимодействующими подсистемами обмена данными с ТКС;
• имитацию протокольного взаимодействия между взаимодействующими подсистемами обмена данными с ТКС.

ВП-ТКС должен обеспечивать выполнение следующих основных функций:

• имитацию трактов ТКС, состоящих из различного рода сетевых устройств и каналов передачи данных;
• имитацию фоновых нагрузок на тракты ТКС;
• имитацию отказов сетевых устройств и каналов передачи данных.

Для отладки межсетевого взаимодействия различных подсистем с ТКС и принятия архитектурных решений в части ее построения, предлагалось использовать ВП-ТКС в комплексе с программными имитаторами фрагментов данных подсистем, разработанными с учетом их специфики и протоколов передачи данных. Пример взаимодействия различных ИФТКС с ВП-ТКС, представлен на рисунке 1.

Используя ВП-ТКС в качестве инструмента для отладки межсетевого взаимодействия подсистем на этапе проектирования ТКС, можно определить следующее:

• возможные варианты сопряжения взаимодействующих подсистем с ТКС при оптимальном распределении нагрузки на аппаратно-программные комплексы доступа;
• создавая различные нагрузки имитаторами абонентов взаимодействующих подсистем, выявить и проанализировать возможное возникновение «узких мест» в ТКС;
• оценить вероятностно-временные характеристики доведения информации между виртуальными абонентами ТКС и взаимодействующими подсистемами;
• оценить показатели устойчивости ТКС при динамически меняющихся характеристиках сети.

Рисунок 1. Архитектура СВПМ-ТКС.

1.3.2. Имитатор фрагмента телекоммуникационной системы

1.3.2.1. Назначение ИФ-ТКС

ИФ-ТКС обеспечивает выполнение проверок функционирования комплексов технических средств (КТС) взаимодействующих подсистем с СПД.

Функциональное программное обеспечение ИФ-ТКС обеспечивает взаимодействие с проектируемыми сетевыми комплексами, имитируя сетевую информационную нагрузку отсутствующей абонентской периферии и отсутствующего фрагмента сети.

ИФ-ТКС обеспечивает выполнение следующих основных функций:

• взаимодействие с реальными КТС по передаче и приему пакетов в соответствии с протоколами обмена данными, принятыми в трактах сопряжения абонентских и магистральных средств фрагмента сети;
• имитацию информационной нагрузки в испытуемом фрагменте сети со стороны абонентских трактов передачи данных;
• имитацию функционирования отсутствующего фрагмента сети;
• имитацию протокольного взаимодействия КТС фрагмента сети по приему (передаче) различных видов пакетов.

1.3.2.2. Структура ИФ-ТКС

Главной задачей ИФ-ТКС является формирование потоков различных типов трафика, имитирующих информационную нагрузку абонентской периферии и отсутствующего фрагмента сети. ИФ-ТКС представляет собой распределенную вычислительную систему, функционирующую на нескольких взаимосвязанных технических средствах (ТС), работающих независимо при выполнении выполняющих общего задания и стоящей из следующих составных частей:

• компоненты виртуального фрагмента сети; ­­
• компоненты виртуальных абонентов сети (генератора трафика);
• компоненты формирования задания на генерацию трафика;
• компоненты телекоммуникационного взаимодействия;
• компоненты протоколирования событий сетевого обмена;
• компоненты генератора отчетов;
• компоненты отображения процессов функционирования ИФ-ТКС;
• компоненты контроля состояния связи ТС ИФ-ТКС.

Компонента имитации виртуального фрагмента сети выполняет следующие функции:

• создание таблицы связности сети, содержащей описание связности элементов сети;
• имитацию служебных сообщений (маршрутной информации), циркулирующих в виртуальном фрагменте сети;
• имитацию абонентских информационных потоков, циркулирующих между виртуальными абонентами по трактам виртуального фрагмента;
• маршрутизацию пакетов, циркулирующих по виртуальному фрагменту сети, в соответствии с протоколами имитируемого фрагмента сети;
• взаимодействие виртуального и реального фрагментов сети по обмену данными.

Компонента генератора абонентского трафика выполняет следующие функции:

• инициализацию процессов генерации пакетов по сформированным заявкам на генерацию трафика;
• генерацию IP-пакетов, структура которых соответствует протоколам стандартного стека TCP/IP. Сформированные IP-пакеты передается программному модулю телекоммуникационного взаимодействия.

Компонента формирования задания на генерацию трафика выполняет следующие функции:

• создание или выбор сценария для генерации трафика (IP-данные, IP-речь, IP-видео) и соответствующего ему набора параметров: адресов отправителя и получателя, длины пакета, темпа выдачи (количества пакетов в секунду) и объема трафика;
• формирование заявок на генерацию трафика;
• взаимодействия с компонентой генератора трафиков, для обеспечения выдачи сформированных заявок на генерацию трафика;
• сохранение сформированных заявок в библиотеке, для обеспечения возможности использования сформированных ранее заявок повторно в прежнем виде или внесения в них редакционных изменений. При сохранении заявок предоставляется возможность присвоение имен, что позволяет в дальнейшем быстрее выбирать из библиотеки необходимый вариант заявки.

Компонента телекоммуникационного взаимодействия обеспечивает взаимодействие виртуальных абонентов ИФ-ТКС с реальным испытуемым фрагментом сети в соответствии с заданными протокольными требованиями.

Компонента протоколирования событий сетевого обмена обеспечивает пользователю просмотр результатов выполнения измерений поставленных сценариев, для дальнейшего их анализа. Протоколирование событий сетевого обмена осуществляет по видам сообщений в таких журналах как:

• журнал заявок на генерацию трафика;
• журнал обмена сетевой (маршрутной) информацией;
• журнал переданных и принятых пакетов IP-трафиков.

Каждый из журналов представляет собой табличную структуру, которая в виде файла хранится на НЖМД.

Состав журналов может дополняться при необходимости.

Компонента генератора отчетов состоит из клиентской и серверной частей. Клиентская часть программного модуля генератора отчетов обеспечивает формирование задания на статистическую обработку и отображение результатов статистической обработки.

Формирование задания на статистическую обработку событий обеспечивается в режиме интерактивного диалога взаимодействия с оператором по выбору из списка отработанных сценариев конкретного трафика и задания параметров статистической обработки событий сетевого обмена по этому трафику. Например, для анализа результатов проводимых проверок, могут предоставляются следующие параметры: число выданных и принятых пакетов; число потерянных пакетов; процент потерянных (искаженных) пакетов; минимальное время доведения пакета; максимальное время доведения пакета; среднее время доведения пакета; дисперсия времени доведения пакетов; средняя длина обработанных пакетов; дисперсия длины обработанных пакетов; вероятностно-временные характеристики доведения информации между виртуальными абонентами сети и др.

После ввода задания, формируется запрос на статистическую обработку трафика с указанием идентификатора трафика и передаваться компоненте генератора отчетов.

Результаты статистической обработки событий отображаются на экранной форме.

Серверная часть программного модуля генератора отчетов обеспечивает выборку пакетов с заданным идентификатором трафика, статистическую обработку параметров пакетов в соответствии с заданием и формирование отчета с результатами обработки.

Выборка пакетов с заданным идентификатором трафика выполняется по соответствующему типу и идентификатору трафика, при этом определяются пары сообщений, соответствующих передаче и приему одного и того же пакета. Результаты выборки могут записываться во временный файл результатов отработки сценария или базу данных.

Статистическая обработка выбранных пакетов, в соответствии с заданием предоставляет возможность анализа результатов отработки сценария и определения вероятностно-временных характеристик доведения информации.

Сформированный отчет с результатами обработки представлен в виде формализованной структуры, которая передается клиентской части генератора отчетов.

Компонента отображения процесса функционирования ИФ-ТКС обеспечивает выполнение следующих функций:

• формализацию описания информационной модели отображения, которая определяет вид отображаемой информации: сетевой информации для описания состояния связности сети и сообщений о состояния связи ТС ИФ-ТКС;
• отображение активной экранной формы с состоянием связи ТС ИФ-ТКС.

1.3.3. Виртуальный прототип телекоммуникационной сети

1.3.3.1. Назначение ВП-ТКС

ВП-ТКС представляет собой имитационную модель для оценки показателей надежности и вероятностно-временных характеристик (ВВХ) доведения информации по трактам сети обмена данными.

В зависимости от заданных параметров ВП-ТКС позволяет:

• проводить оценки надежности трактов передачи данных (ТПД) при различных структурных изменениях сети;
• проводить оценки ВВХ доведения различных видов трафика (IP-данные, потоковое видео и речь), при изменяемых нагрузках СПД;
• проводить оценки производительности ТПД при различных конфигурациях сети;
• определять «узкие места» в сети и находить варианты для их устранения;
• определять оптимальные структуры сети для обеспечения максимального уровня надежности доведения информации.

1.3.3.2. Структура ВП-ТКС

ВП-ТКС разделен на следующие четыре уровня разукрупнения:

• Уровень 1 – Карта географических центров связи ТКС (высший уровень);
• Уровень 2 – Центры связи;
• Уровень 3 – Локальные сети;
• Уровень 4 – Сетевые устройства.

Иерархия уровней разукрупнения ВП-ТКС, представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Иерархия уровней разукрупнения ВП-ТКС.

Имитация может проводиться на каждом из рассмотренных уровней разукрупнения как в отдельности, так и включать другие более низшие уровни, уточняющие состав и функции высшего. Таким образом, при сложной конфигурации сети, упрощается процесс ввода исходных данных и конструирования ее в целом.

Уровень географических центров связи (территориальных зон) ТКС позволяет проводить моделирование территориально распределенных центров связи ТКС привязанных к конкретным географическим зонам РФ. Вариант карты географических центров связи представлен на рисунке 3.

Рисунок 3. Пример условного расположения центров связи (территориальных зон) ТКС на карте РФ.

Уровень центра связи (ЦС) обозначает территориальную зону ТКС. В рамках зоны возможно объединение следующих виртуальных объектов: фрагментов ТКС взаимодействующих систем (ВС), комплексов средств автоматизации объектов (мобильных – «КСА-М» и стационарных – «КСА-С») и аппаратно-программных комплексов доступа (АПК-Д).

На уровне разукрупнения АПК-Д в ВП-ТКС также организуется связь вышеперечисленных виртуальных объектов центра связи с сетевыми устройствами различных уровней доступа ТКС.

Пример структуры центра связи представлен на рисунке 4.

Рисунок 4. Пример структуры центра связи ТКС.

На уровне подсетей организуются локальные сети объектов управления КСА, фрагментов ВС и АПК-Д.

При формировании подсетей виртуальных объектов КСА-С, КСА-М, ВС и АПК-Д используются объекты 4-го уровня разукрупнения ВП-ТКС – «Сетевые устройства». Пример структуры подсети АПК-Д, представлен на рисунке 5.

Рисунок 5. Пример структуры виртуального объекта АПК-Д, входящего в зону ЦС.

На рисунке 5 представлены виртуальные объекты сетевых устройств, объединённых между собой виртуальными каналами связи, формируемые подсеть виртуального объекта АПК-Д. Красным пунктиром обозначены «ярлыки» виртуальных объектов подсетей, взаимодействующих с данным АПК-Д.

Рассмотрим уровень сетевых устройств. К сетевым устройствам относятся следующие виртуальные объекты ВП-ТКС: маршрутизаторы и коммутаторы различных уровней доступа, шлюзы, межсетевые экраны, комплексы доступа абонентов сети и др.

Примеры виртуальных объектов уровня сетевых устройств приведены на рисунке 6.

         

Рисунок 6. Примеры виртуальных объектов уровня сетевых устройств.

Каждый из представленных виртуальных объектов четвертого уровня разукрупнения ВП-ТКС, имитирует функции сетевых устройств на основе метода дискретно-событийного моделирования, либо содержать в себе математику реальных сетевых устройств, эксплуатируемых в ТКС.

ВП-ТКС состоит из следующих составных частей:

• компоненты управления параметрами моделирования, предназначенной для ввода и корректировки параметров виртуальных объектов разных уровней разукрупнения ВП-ТКС;
• компоненты телекоммуникационного взаимодействия, предназначенной для взаимодействия виртуальных объектов ВП-ТКС с реальным испытуемым фрагментом сети в соответствии с заданными протокольными требованиями.
• компоненты управления процессом выполнения моделирования, предназначенной для управления запуском, остановкой, перезапуском, загрузкой ранее выполняемых сценариев моделирования и сохранением выполненных сценариев моделирования для повторного использования;
• компоненты протоколирования результатов имитации сетевого обмена ТКС, предназначенной для отображения результатов вычислительных экспериментов во время выполнения моделирования, а также сохранения результатов моделирования в базу данных (БД) после завершения моделирования, для более детального их анализа;
• компоненты генератора отчетов, предназначенной для формирования документации по результатам выполняемых сценариев моделирования. После выполнения поставленных сценариев моделирования, все результаты должны сохраняться в БД. Структура БД организована таким образом, чтобы обеспечить пользователю удобство анализа хранимой информации, а также возможность автоматического формирования отчетов в PDF, DOCX, HTML и/или др. общепринятых форматах. Пользователю предоставляются варианты формирования отчетов такие как: формирование отчета по объектам модели или формирование отчета по результатам моделирования выбранного сценария.

При выборе режима «Формирование отчета по объектам модели», вся информация о режимах моделирования, виртуальных объектах, используемых на разных уровнях моделирования, их связей и параметрах, сохраняются в табличном виде в одном из вариантов вышеперечисленных форматов.

При выборе режима «Формирование отчета по результатам моделирования выбранного сценария» вся информации о показателях моделирования выбранного пользователем сценария сохраняется в табличном виде в одном из вариантов вышеперечисленных форматов.

1.3.3.3. Режимы настройки сценариев моделирования ВП-ТКС

В ВПТКС предусмотрены два режима создания сценариев измерений:

• создание нового сценария;
• загрузка готового сценария из файла.

Режим создания нового сценария, подразумевает полное выполнение цикла создания настройки ВП-ТКС включающего: создание объектов, формирование структур и ввода исходных данных на всех уровнях разукрупнения исследуемой системы.

Режим загрузки ранее созданного сценария из внешнего файла, предназначен для повторного выполнения измерений исследуемой системы по ранее созданным сценариям.

1.3.3.4. Действия оператора при создании сценария моделирования и оценка показателей моделирования

Для демонстрации создания нового сценария моделирования, выбран режим «Оценка показателей ВВХ доведения информации» и уровни моделирования: «Географическая карта центров связи».

Структура модели представлена в виде двух центров связи, передающих друг другу информацию по ТПД, состоящим из двух каналов передачи данных с пропускной способностью 9600 бит/с. Структура ТПД представлена на рисунке 7.

Рисунок 7. Структура ТПД магистральной сети.

Считаем, что в сеть генерируется четыре типа информационного трафика: сообщения 1-4 категорий срочности. Размеры кадров, передаваемых по ТПД, представлены в таблице 1.

Таблица 1. Исходные данные размеров кадров, передаваемых по ТПД.

Требуется определить предельные потоки сообщений 3-4, при которых ВВХ доведения сообщений 1-2 кс будут выполняться. Требования к ВВХ доведения: сообщений 1 кс и 2 кс – 16 секунд с вероятностью 0,999.

Примечание: Под временем доведения информации по ТПД, понимается время, за которое будет выполнена передача сообщения передача без учета обработки в оконечных узлах маршрута.

В результате проведенного моделирования ТПД были получены показатели, представленные в таблице 2 и рисунках 8, 9.

Таблица 2. Показатели ВВХ доведения различных типов информационного трафика по ТПД.

Рисунок 8. График изменения времени доведения сообщений 1 кс в зависимости от варианта моделирования.

Рисунок 9. График изменения времени доведения сообщений 2 кс в зависимости от варианта моделирования.

По результатам оценки показателей моделирования определилось, что:

• ВВХ доведения сообщений 1 кс выполнялись только в варианте 1 – ниже требуемых значений на 0,136 секунды. Во всех остальных вариантах, ВВХ для данного типа трафика были значительно выше требуемых значений;
• для сообщений 2 кс, ВВХ выполнялись в вариантах 1,2 и были ниже требуемых значений на 5,554 секунд и 3,205 секунд соответственно.
• поскольку требования к ВВХ доведения сообщений 1-2 кс выполнялись только в варианте 1 и 2, то второй вариант расчетов будет предельным для информационных потоков сообщений 3-4 кс при данной конфигурации ТПД. Следовательно, интенсивность сообщений 3-4 кс, согласно оценкам ВП, не должна превышать 0,0177 и 0,13 кадров/секунду. При данных значениях поток 3-4 кс не будет нарушать выполнение требований по доведению сообщений 1 и 2 категорий срочности.

Заключение

Таким образом, использование СВПМ-ТКС в качестве инструмента для поддержки принятия проектных решений позволило:

• обеспечить качественную поддержку при оценке выполнения основных требований проектируемой или модернизируемой ТКС;
• обосновывать решения по внедрению современных технологий и процессов коммуникации;
• проводить проверки и обосновать основные проектные решения ТКС в условиях неполной информации о системе;
• сокращать временные затраты на отладку ТКС и введения ее в эксплуатацию.

В дальнейшем, структура СВПМ-ТКС и состав программного обеспечения системы будет дополняться, что позволит расширить области ее применения.

Список литературы

1. Лукьянов В. С., Слесарев Г. В. Проектирование компьютерных сетей методами имитационного моделирования. // Волгоград, 2001. – С. 65
2. Полков А.А. Обеспечение требуемого времени ответа информационно-вычислительной системы путем достижения баланса нагрузок. ‒ М.: Сборник статей Молодежной научно-технической конференции, Ульяновск 19-20 марта 2014 г. / под общ. ред. Э.Д. Павлыгина. – Ульяновск: ФНПЦ ОАО «НПО «Марс», 2014. – 234 с.
3. Литвин Ю.В., Ноздрин К.С., Полков А.А. Система виртуального прототипирования и моделирования информационно-управляющих систем реального времени. Информационные технологии №5 Том 23. 2017 – с. 370-375.
4. Полков А.А., Прусова Е.А., Веселова Е.И. Алгоритмы выбора канала связи для передачи данных в телекоммуникационных сетях. ‒ М.: сборник научных трудов Молодежной научно-технической конференции, Ульяновск, 15–16 мая 2018 г.: В 2 ч. / отв. за вып. А.Л. Савкин. – Ульяновск: ФНПЦ АО «НПО «Марс», 2018. – Ч. 2. – 154 с.