ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАНЯТИЯ ПО КУРСУ «УПРАВЛЕНИЕ СЕТЯМИ И ОБЪЕКТАМИ ИНФОКОММУНИКАЦИЙ»
Занятие 1: Методы оптимизации управленческих решений на сетях и объектах инфокоммуникаций
Методические указания
На практике широкое распространение получила концепция TMN. Концепция TMN (Telecommunication Management Network) разработана и утверждена Международным союзом электросвязи с целью реализации единой системы управления инфокоммуникационными сетями разных уровней и масштабов.
TMN включает следующие функции управления:
1. Управление процессом устранения отказов
2. Управление конфигурацией сети
3. Управление расчетами с пользователями и поставщиками услуг
4. Контроль производительности сети
5. Обеспечение безопасности сети.
Все эти функции управления в совокупности обеспечивают процесс прохождения информации в инфокоммуникационных сетях без искажения с обеспечением условий такого прохождения. Отдельные коммуникационные блоки в сети (радиостанции, ретрансляторы, серверы) расположены в разных местах и объединяются между собой радиоканалами связи. Если радиоканал связи выходит в эфир, то такая сложная система является открытой и ее защита от внешних воздействий является достаточно сложной задачей.
Внешние воздействия на процесс радиосвязи являются управляющими, которые обеспечивают необходимый процесс передачи информации. На этот процесс накладываются случайные (хакерские) непреднамеренные воздействия.
Совокупность управляющих сигналов образуют систему управления, а целенаправленное воздействие системы управления является процессом управления. Наилучший выбор управляющих воздействий из множества возможных с учетом возможных ограничений и состояния, как объекта управления, так и окружающей среды, представляет собой оптимальное управление.
Основными этапами оптимизации управляющих решений являются:
1. Постановка задачи.
2. Выбор критерия эффективности, отражающий меру соответствия результату решения поставленной цели.
3. Анализ и измерение физических величин, обеспечивающих наилучшую эффективность прохождения информации в сети.
4. Построение математической модели.
5. Математическое решение модели.
6. Логическая и экспериментальная проверка модели и полученных в разных условиях результатов.
7. Разработка рекомендаций по практическому использованию полученных результатов.
Когда задача передачи информации, а также ее обработка, полностью или частично не может быть решена математическими методами, то применяют метод экспертных оценок, а также метод «мозгового штурма».
 |
Конкретно рассмотрим пример, когда передается какой-то объем информации из пункта А в пункт В посредством радиосигнала связи с использованием сложной сети радиостанций, серверов и ретрансляторов. Такая схема приведена на рис. 1.
Оптимальный выбор канала связи осуществляет концепция ТМН по пяти управляющим функциям. По существу реализуется пятимерный вектор управления.
Рассмотрим структуру и показатели эффективности инфокоммуникационной сети при передаче информации по радиоканалу связи. В систему поступает предварительная информация о состоянии инфокоммуникационной сети. Используя эту информацию, управляющее звено ТМН решает задачу распределения имеющихся в его распоряжении радиостанций, серверов, ретрансляторов активных и пассивных по районам их расположения и решаемым задачам. Исполнительные звенья системы доставляют информацию о техническом состоянии каждого элемента сети.
Главной задачей создания оптимального канала передачи информации является сбор информации о количестве разных элементов сети, их технического состояния и координатах объектов инфокоммуникационной сети с целью наиболее эффективного решения задачи передачи информации без существенного искажения. После получения необходимых сведений о возможном канале передачи информации без возможного ее искажения формируется образ реальной обстановки принимается решение на передачу информации по сформированному каналу радиосвязи. Кроме этого решаются также задачи выявления природного изменения ландшафта местности и погодных условий на беспрепятственное прохождение радиоволн.
Общие принципы определения эффективности работы инфокоммуникационной сети
В качестве количественной оценки эффективности работы инфокоммуникационной сети при передаче информации без искажений предлагается использовать отношение вероятностей правильной передаче информации с предварительным анализом технического состояния каждого элемента сети поставленной задачи с применением воздушной разведки и без ее предварительного анализа. Такое определение эффективности достаточно неопределенное, т.к. в случае принятия неправильного решения на передачу информации без искажения ее эффективность является неопределенной. Поэтому в каждом конкретном случае следует использовать не само определение эффективности, а ее критерий, который определяется вероятностью выполнения поставленной задачи. В качестве критерия эффективности проведения воздушной разведки предлагается использовать:
- вероятность выполнения поставленной задачи передачи информации по сформированному каналу радиосвязи заданной инфокоммуникационной сетью;
-минимальное время включения канала радиосвязи;
- стоимость выполнения поставленной задачи.
При сформированном канале радиосвязи стоимость передачи информации является весьма важным параметром и, как правило, тщательно анализируется. Реально рассматриваются также технические возможности, которые и определяют вероятность выполнения поставленной задачи используемой инфокоммуникационной сетью, т.е. способна используемая техника данной сети выполнить поставленную задачу или не способна. Если способна, то с какой вероятностью будет выполнена передача информации без искажения в реальном масштабе времени. В этом случае полученную вероятность следует рассматривать как критерий эффективности. Изменение ландшафта местности и погодных условий на прохождение радиоволн тщательно анализируются и поэтому параметру функция принадлежности стремится к единице и не должна использоваться в определении критерия эффективности работы радиоканала связи.
Критерий эффективности работы радиоканала связи в заданной инфокоммуникационной сети зависит от способа анализа полученных данных о состоянии сети в автоматическом или в автоматизированном варианте. Если анализ технического состояния инфокоммуникационной сети проводится независимо для каждого элемента сети, то в автоматическом режиме следует применить совместную обработку. В этом случае автомат обрабатывает последовательно каждый блок и каждый элемент в блоке отдельно, но совместно. Тогда критерий эффективности выполняемой передачи данных в сформированном канале связи представляется в виде:
.
Здесь Р1 – вероятность отказов по всем элементам в сети; Р2 – вероятность отсутствия канала связи передачи заданной информации в сети; Р3 – вероятность того, что сеть по своей производительности не в состоянии обеспечить передачу заданного объема информации по каналу радиосвязи в сети; Р4 – вероятность применения исправной аппаратуры при передаче и приеме информации; Р5 – вероятность преодоления хакерских атак и внешних атмосферных воздействий и Р6 – вероятность передачи информации в полной мере без существенных искажений. Соответственно (1 - Р1), (1 - Р2) и (1 - Р3) – вероятность правильного прохождения информации по всему каналу радиосвязи.
В автоматизированном режиме полученные данные обрабатывает оператор независимо и принимает решение по каждому из элементов сети самостоятельно. При такой обработке критерий эффективности определяется вероятностью выявления анализируемого объекта каким-то одним измерительным прибором, а вероятность выявление объекта другими приборами равна нулю. Так как решение о наличии интересующего объекта принимается независимо по каждому из приборов, то в общем виде вероятность выявления неисправного объекта в анализируемом канале связи можно записать так:
(1)
При этом общими вероятностями являются Р4, Р5 и Р6. Если принимается решение по первому прибору, то совместная вероятность при таком способе обработки изображения Р1Р2 = 0 и Р1Р3 = 0, а Р1 заведомо отлична от нуля. Тогда Р2 = Р3 = 0 и т.д.
Вероятность применения исправных блоков во всем канале связи проверяется перед его открытием с доведением функции принадлежности до единицы. Вероятность преодоления хакерских атак и внешних атмосферных воздействий определяется экспоненциальной зависимостью вида:
. (2)
Здесь 
- интенсивность воздействия i -го хакера или погодного условия, ti – время нахождения объектов А и В в открытом канале связи; аk – атмосферный фактор воздействия.
Атмосферный фактор воздействия системой автоматического управления может быть скомпенсирован и поэтому вероятность такого воздействия стремится к единице. Воздействие хакерских атак также следует максимально свести к минимуму путем введения эффективных мер защиты и обеспечить условие 
. Вероятность достоверности передачи информации без ее искажения также следует обеспечить близкой к единице. В противном случае применять выбранный канал радиосвязи не целесообразно.
При обеспечении условия 
критерий эффективности выбранного канала связи определяется только ТТХ используемых блоков в инфокоммуникационной сети и воздействия на нее внешних факторов. Если ТТХ выбранных блоков в сети позволяют предварительно выявить пригодность их использования для передачи информации заданного объема с соответствующей производительностью и в реальном масштабе времени, то такой канал передачи информации применяется по назначению. Как правило, и особенно при мощных хакерских атаках, канал связи маскируется, и тогда возникает задача распознавания каналов связи, которые по разным причинам не способны выполнить задачу передачи информации без существенного ее изменения и тогда возникает задача отнесения всех возможных каналов связи к определенному типу, классу и подклассу.
Распознавание и отнесение выявленных каналов связи к определенному типу, классу и подклассу осуществляется по наиболее характерным признакам данного вида канала связи. Это могут быть:
- наличие или отсутствие объектов сети, где происходит заметное затухание радиосигнала;
- наличие или отсутствие блокировочных устройств;
- происходит или не происходит изменение конфигурации сети под влиянием прохождения радиосигнала;
- изменяется или не изменяется производительность выбранных объектов сети;
- какая надежность защиты выбранного канала радиосвязи от внешних воздействий разных по их значимости;
- какая надежность правильности выполняемых финансовых расчетов;
- какая вероятность вмешательства вышестоящих контролирующих органов пользования радиосвязью;
- какие коэффициенты корреляции по отношению ко внешним и внутренним воздействиям на канал радиосвязи;
- какие коэффициенты взаимной корреляции внутри каждого объекта сети по отношению к предварительно полученным данным и др.
Используемый набор признаков по данному каналу связи получают путем предварительного исследования этого канала. Полученный набор признаков х1, х2, х3,…, хN формирует универсальное множество:
. (3)
Следует различать простые и сложные признаки установления надежности передачи информации по разным каналам радиосвязи в сети. Простые признаки выявляются только с помощью какой-то одной измерительной операции или путем определенного набора измерительных операций, выполняемых известным простым способом. Сложные признаки создаются целой совокупностью выполнения технологических, аппаратурных, методических и измерительных операций. Для описания простых признаков используется четкая логика, и поэтому совокупность таких признаков описываются четким множеством вида:
, ( 4 )
где 
- функция принадлежности.
В процессе использования четкого множества тот или иной признак может существенно видоизменяться, а, следовательно, функция принадлежности может отличаться от единицы. В таких случаях деформированный признак, формируемый в определенном объекте сети, просто исключается из канала радиосвязи или заменяется другим по значимости.
Для сложных признаков разные технологические операции и их приборная реализация могут влиять друг на друга, и, когда это влияние не детерминированное, то функция принадлежности может отличаться от единицы. В этом случае выявленные признаки нечеткие и должны описываться нечетким множеством:
. (5)
Если каждому признаку не присвоена своя функция принадлежности, то распознавание цифрового отображения сети теряет смысл. Необходимо предварительно проводить соответствующий анализ всех выявленных признаков и присвоить каждому свою функцию принадлежности. Часто для этих целей используется метод экспертных оценок. После проведения классификации нечеткого множества, производится распознавание канала связи по следующему алгоритму (рис. 2):
Выявление надежного радиоканала связи в сложной инфокоммуникационной сети может осуществляться как непосредственно операторами объектов связи в автоматизированном режиме, или централизованно оператором рабочей станции в автоматизированном варианте или специально разработанным автоматом.
Алгоритм, изображенный на рис. 2, производит следующие операции. Фиксирует выбранный канал связи в сети и анализирует признаки распознавания. Выявленные признаки сравниваются с эталонами на каждом уровне. Первоначально опрос осуществляется по признакам, которые составляют четкое множество с 
³ 0,95 и в блоке принятия решения по порогу или другому критерию выдается выходной сигнал на передачу информации, а в случае отклонения от заданного порога выдается сигнал на включение уровней нечеткого множества. При выполнении совместного ранее определенного критерия осуществляется передача информации. В случае незначительного отклонения от заданного критерия информация об объекте передается оператору на рабочую станцию, где в автоматизированном режиме производится анализ по расширенному множеству признаков оператором более высокого уровня и принимается окончательное решение насколько возможно использовать выбранный канал связи для передачи информации.
Алгоритм распознавания возможного применения радиоканала связи в инфокоммуникационной сети предварительно осуществляют путем разбиение признаков на ряд классов, а в каждом классе используются подклассы признаков. На выходе выдается информация по всем опрошенным признакам. Реализуется многоуровневая система анализа каждого возможного радиоканала связи для передачи информации, и устанавливаются критерии ранжировки признаков по нечеткому множеству.
Для повышения достоверности в ряде случаях необходимо расширять число признаков на каждом уровне при параллельном или последовательном их анализе. Такой подход с использованием многоуровневого анализа позволяет, во-первых, принимать оптимальное решение на передачу информации близкое к реальному времени, и, во-вторых, вероятность принятия правильного решения возрастает, т.к. результирующая вероятность принятия правильного решения равна сумме вероятностей, полученных по всем четким и нечетким множествам. При таком многоуровневом подходе реализуется следующая ситуация: на первом основном уровне производят анализ четкого множества, и принимается необходимое решение, а более скрытые изменения выявляются на следующих уровнях со все меньшим значением α-среза. Анализ изображений с использованием четких и нечетких множеств основан на применении вероятностно-возможностных методов.
Вероятностно-возможностный метод принятия решения по четкому и нечеткому множеству
Принятие решения осуществляется путем сравнения полученного значения измеряемого признака с эталоном. Применения разных методов скрытности на канал радиосвязи преобразует каждый измеряемый параметр по заданному объекту в случайную величину.
Для случайной величины критерий согласованности определяется χ2-распределением Фишера. Чтобы χ2-распределение переходило к нормальному закону распределения необходимо произвести более 30-ти независимых измерений. При таком числе измерений вероятность правильного принятия решения составит более 0,95. Важно только выявить такие признаки в канале связи, которые бы в процессе проведения скрытного воздействия однозначно реагировало на различные изменения. При проведении тщательной скрытности воздействия на канал связи метод распознавания может дать положительный результат при анализе сложных признаков. Однако в этом случае исследуются каналы связи с использованием нечеткого множества, где вероятностный метод заменяется на возможностный.
Использование искусственных нейронных сетей с применением вероятностных методов обработки результатов измерений является более качественным способом анализа исследуемых каналов связи. Создание таких методов при распознавании каналов связи позволяет осуществить параллельную обработку нескольких признаков, обеспечивает свехвысокое быстродействие и возможность обучения, может работать в условиях больших помех и неполных исходных данных. В этом случае наличие больших помех и неполных исходных данных исследованый канал радиосвязи осуществляется с применением нечеткой логики.
В условиях, когда имеет место тщательная скрытность воздействия на канал радиосвязи, используется общая технология обработки исследуемых каналов связи в сети путем применения корреляционного и спектрального методов. В этих методах для полученной функциональной зависимости определяются Фурье-портрет (спектральный состав), автокорреляционная функция и коэффициент корреляции. На основании полученного портрета определяется критерий принятия решения относительно эталона по каждой Фурье-гармонике и, соответственно, по коэффициенту корреляции.
Если выбираются два независимых канала связи в сложной сети, то производится анализ взаимной корреляционной функции. Сравнение ведется по отношению среднего значения размаха взаимных корреляционных функций исследуемого изображения по отношению к эталону. Количество получаемой информации удваивается, а при использовании сложных признаков распознавания вероятность правильного принятия решения стремится к единице.
При наличии взаимного влияния отдельных элементов в канале связи друг на друга и изменения этого влияния вследствие воздействия не контролируемых внешних воздействий, возникают неопределенности в правильном принятии решения по тому или иному признаку. Совокупность таких неопределенных параметров составляет нечеткое множество (3). Возникает сложная ситуация.
В этом случае функция принадлежности помимо интервала [0,1] может принимать свои значения в интервале [-1,1]. При μ (х) > 0 реализуется возможность принятия правильного решения. Если -1 
μ (х) < 0, то принимается неверное решение. При μ (х) < -1 вообще не возможно принять какое-либо решение. Правильное принятие решения по нечетким множествам определяется α-срезом, т.е.
. (4)
Чтобы иметь полную картину о возможностях правильного принятия решения по нечетким отношениям необходимо определить доверительный интервал по каждому признаку. Доверительный интервал находится по известной функции распределения, которая заранее известна. В случае нечетких множеств такой функцией распределения является функция распределения возможностей.
Для построения функции распределения возможностей используется теория интервальных средних. В теории интервальных средних различают верхнее значение вероятности события 
, называемую возможностью правильного принятия решения (R = ) и нижнее значение вероятности события Р, называемую необходимостью правильного принятия решения (N = Р). Возможность выявления дефекта характеризуется значением Qi = αi*. Обеспеченность принятия правильного решения по каждому из признаков определяется интервалом [ Ri,Ni ] при R = 1 и N = 1 - α*.
Критерий принятия правильного решения по каждому из признаков определяется относительно нормального значения в виде:
, (5)
где 
- критерий, устанавливаемый опытным путем.
Рассмотрим конкретный пример. Пусть анализируется радиоканал связи по следующим признакам: вероятность возникновения отказов х 1, вероятность не изменения конфигурации сети х 2, вероятность правильного выполнения финансовых расчетов х 3, вероятность прохождения информации заданного объема в соответствии с известной производительностью сети х 4 и вероятность не допуска хакерских атак на канал радиосвязи х 5. Экспертные оценки указанных признаков по функции правдоподобия 
приведены в табл. 1. По предъявленным трем каналам радиосвязи статистическим Таблица. 1 Функции правдоподобия относительно нормального значения для трех предъявленных каналов связи по 5-ти признакам идентификации.
| Пара-метры | Признаки | Пара-метр kрез. | Решение о канале связи | ||||
| х1 | х2 | х3 | х4 | х5 | |||
|
| 0,72 | 0,80 | 0,65 | 0,90 | 0,95 | 0,050 | - |
| Канал1 | 0,70 | 0,82 | 0,60 | 0,82 | 0,90 | 0,065 | отсутствует |
| Канал2 | 0,75 | 0,80 | 0,60 | 0,92 | 0,90 | 0,056 | отсутствует |
| Канал3 | 0,70 | 0,82 | 0,67 | 0,90 | 0,89 | 0,049 | присутствует |
методом получены функции правдоподобия, которые также приведены в табл. 1. По измеренным данным множества нечетких отношений состоящих из 5-ти признаков, принято решение, что первый и второй канал связи являются отличными от эталона, а третий канал является идентичным эталонному. Выполненный расчет коэффициента корреляции дает, что все предъявленные каналы связи являются идентичными эталонному, тогда как первые два канала связи являются отличными от эталонного и обладают незначительным отклонением, а третий канал связи совпадает с эталонным в пределах выбранного критерия ( 0,05).
Таким образом, используя нечеткие отношения относительно нормированных значений функций правдоподобия, и получая экспериментальные значения функций правдоподобия для предъявляемых каналов связи, по критерию относительно нормированных значений функций правдоподобия, реализуется возможность выявить канал радиосвязи, который с вероятностью более 0,95 с использованием значительно меньшего количества признаков распознавания практически обеспечил бы передачу всей информации в реальном масштабе времени. Такой подход позволяет реализовать многоуровневый метод распознавания выбранного канала связи с использованием сравнительно малого набора признаков с нечетким отношением относительно нормированных значений функций правдоподобия.
При наличии хорошо отработанной скрытности воздействия на каналы связи даже с использованием нечеткой логики не возможно выявить наличие или отсутствие канала связи в заданной сети для передачи информации известного объема данных. В этом случае для эталона и исследуемого канала связи следует для распознавания применить автокорреляционную и взаимно корреляционную функции, которые существенно отличаются при даже очень тщательной скрытности. Это свойство используется в теории распознавания образов. В качестве критерия принятия решения берется отношение среднего размаха этих функций для эталона по отношению к исследуемому изображению, т.е.
. (6)
Это отношение для взаимно корреляционных функций может составлять порядок и более, а для автокорреляционных функций – не более трех. Следовательно, отношение размаха в качестве критерия принятия правильного решения можно использовать только для взаимно корреляционных функций, получаемых внутри эталонного канала связи и исследуемого канала радиосвязи.
Таким образом, применение стандарта TMN для управления инфокоммуникационной сетью возможно при выполнении следующих условий:
- все информационные блоки и каждый элемент блока, задействованные в канале связи, стандартизованы и для них определены технические условия правильного функционирования, а также определены соответствующие вероятности передачи информации без искажения;
- разработаны детерминированные и вероятностные признаки идентификации правильной работы используемых всех элементов в сети связи;
- определены критерии правильной работы каждого элемента сети в качестве эталона;
- разработаны методы идентификации правильной работы выбранного канала связи по всем функциональным каналам работы стандарта TMN.