Программные продукты и системы

Участившиеся случаи возникновения клима- тических, тектонических, техногенных и других катастроф обусловили актуальность организации сети связи общего пользования, позволяющей осуществлять обмен короткими сообщениями абонентов различных сетей связи в случае разрушающего воздействия (РВ) как на сеть, так и на среду обитания граждан. Для публичных сетей связи, например ТФОП, Интернет и сотовая, це- лесообразно использовать унифицированную систему передачи тревожных сообщений, которая могла бы функционировать на различных абонентских терминалах пользователей, таких как обычный городской и сотовый телефон, переносной или стационарный компьютер, подключенный к сети Интернет.

В случае угрозы чрезвычайной ситуации (ЧС) жизни людей их спасение является самой приоритетной задачей. При ее решении наиболее актуально своевременное информирование всех заинтересованных лиц, которое осуществляется посредством всех доступных видов связи. Кратко рассмотрим действующую в России систему оповещения.

ЧС можно условно разделить на прогнозируемые и возникающие вне прогноза, природные и техногенные. В любом случае требуется скоординированная и оперативная работа на всех уровнях единой государственной системы ликвидации и предупреждения ЧС России. Действующими системами оповещения решается следующий комплекс основных задач: оповещение ответственных должностных лиц оперативных единых дежурно-диспетчерских служб (ЕДДС) МЧС РФ, управлений, ведомств, департаментов, служб, а также населения, которое находится в районе ЧС. В мероприятиях по гражданской обороне, которые проводятся федеральными органами исполнительной власти, органами исполнительной власти субъектов Российской Федерации и органами местного самоуправления на соответствующих территориях и в организациях, основным пунктом является создание, совершенствование (восстановление), поддержание в готовности к использованию систем оповещения гражданской обороны, охватывающих абсолютно все население страны, 90 % из которого должны оповещаться автоматизированной системой централизованного оповещения РФ, 4 % – всеми имеющимися средствами связи.

Функционирование систем оповещения имеет высокую экономическую целесообразность, что уже не раз подтверждалось на практике. Большие материальные, а главное, человеческие потери возможны даже при минутном промедлении в случае возникновения ЧС, что доказывает базовый анализ убытков, которые понес бюджет РФ от последних техногенных ЧС. В систему оповещения ГО России входят системы оповещения организаций (объектовые), локальные, местные, территориальные, региональные, федеральные системы.

Уже более десяти лет в РФ активно внедряются телекоммуникационные технологии, отвечающие мировым стандартам:

–      системы связи стандарта GSM;

–      цифровые учрежденческо-производствен­ные АТС с радиодоступом стандарта DECT;

–      системы сотовой радиосвязи;

–      цифровые сети интегрального обслуживания (ISDN);

–      технология АТМ (B-ISDN);

–      спутниковые системы персональной связи;

–      персональные мобильные средства радиосвязи;

–      пейджинговые системы;

–      системы сотовой подвижной радиосвязи.

Кроме того, внедряются новейшие транспортные технологии, что знаменуется переходом с плезиохронной (PDH) на синхронную цифровую иерархию (SDH) скоростей передачи повсеместно на территории субъектов РФ.

В России действуют 88 территориальных систем оповещения, которые в автоматическом режиме оповещают население РФ и органы управления городов, городских и сельских районов. Главная задача этих систем – передача сигналов и информации от управляющих органов

–      органам управления ГО на территории города и прилегающих к нему районов;

–      руководителям организаций и служб, обеспечивающих ГО, в республиках, краях, областях, автономных областях и округах, а также в Москве и Санкт-Петербурге;

–      диспетчерам оперативных дежурных служб потенциально опасных объектов и других крупных объектов экономики;

–      населению, проживающему на территории субъектов РФ.

Работа региональных систем связана с работой федеральной системы. Они обеспечивают передачу информации и сигналов оповещения в семи регионах от пунктов управления региональных центров до органов управления по делам ГО и ЧС, находящихся в их подчинении, а также сил, частей и соединений войск ГО.

Федеральная система центрального оповещения работает в автоматическом режиме. Сигналы и информация от пунктов управления МЧС РФ поступают в федеральные органы исполнительной власти, в региональные центры, войска и соединения ГО, органы управления по делам ГО и ЧС, находящиеся в подчинении федерального центра. Надо заметить, что вся имеющаяся аппаратура, хотя и является работоспособной, морально устарела, особенно в части информационного обмена, основывающегося на принципах и протоколах, использующихся в оборудовании. В рамках модернизации системы связи МЧС РФ необходимо проводить модернизацию этого оборудования и принципов оповещения населения, а также внедрять новые методы на сетях связи общего пользования.

Таким образом, необходимо обеспечить совместное эффективное использование всех упомянутых систем связи для обеспечения оперативного оповещения населения, попавшего в очаг РВ, а также обеспечить обмен информацией между пользователями этих сетей связи. Возможным сценарием использования сетей связи для передачи тревожных сообщений может быть установка дополнительного телекоммуникационного оборудования, играющего роль межсетевых шлюзов. В этом случае абонент, используя терминал, сможет передать голосовое сообщение, электронное сообщение, СМС другому абоненту либо в режиме реального времени, либо в режиме получения сообщения «до востребования».

В данном случае целесообразно использовать оборудование, позволяющее хранить сообщения абонентов этих сетей до момента получения их другим абонентом. Одно из основных требований к таким системам – удобство и доступность пользования сервисом любым абонентом в кратчайшие сроки с гарантированным временем доставки сообщения.

Для подобной системы возможно применение существующих подходов сотовых систем связи, использующих домашний и гостевой HLR/VLR-регистры абонентов сотовой сети.

Некоторые операторы фиксированной и сотовой связи предлагают такую услугу, как использование так называемых голосовых серверов, реализующих функцию голосовой почты. В этом случае целесообразно использовать существующие системы и по возможности адаптировать их к работе в ЧС. Для этого потребуется увеличение количества узлов, организующих функцию голосовой почты, на существующих вторичных сетях ЕАСС России [1].

Но это не единственная проблема повсеместного внедрения таких систем. Как показала практика последних чрезвычайных ситуаций, в част- ности землетрясений в Сибирском регионе, на Алтае, Дальнем Востоке, в случае возникновения подобной ситуации население начинает хаотично использовать подручные средства связи, такие как фиксированная телефонная и сотовая связь. В большинстве случаев ресурсов сетей не хватало для обеспечения приемлемого качества обслуживания населения.

Эта проблема связана с техническими характеристиками сетей абонентского доступа операторов фиксированной и сотовых сетей связи, а так как в состоянии паники количество повторных наборов резко возрастало, нагрузка увеличивалась в десятки, а то и сотни раз. Все это зачастую приводило к выходу из строя коммутационного оборудования операторов связи.

На практике зачастую сервис коротких сообщений сотовых операторов связи позволял абонентам передать информацию о своем местонахождении и состоянии здоровья родным и близким. Эти ситуации создают прецеденты, нежелательные для систем массового обслуживания. В случае выхода из строя коммутационного и линейного оборудования необходима система, позволяющая с любого терминала отправить короткое голосовое либо электронное сообщение, а адресат должен его гарантированно получить, используя средства фиксированной телефонной, мобильной связи либо через сеть Интернет по выделенным каналам сети доступа местных интернет-провайдеров.

Существуют системы, преобразующие голосовые сообщения в электронный вид и наоборот. Большое развитие получили системы, организующие сервис голосовой почты, позволяющий хранить значительное количество информации в виде голосовых либо электронных сообщений. Причем абонент должен иметь возможность получать эти сообщения в любое время, в любом месте, используя подручные средства связи, функционирующие в пределах расположения подобного голосового сервера.

Необходимо построить такую сеть связи, которая свяжет n узлов, содержащих подобные серверы, обслуживающие определенную территорию сети абонентского доступа, района города, к тому же доступ на подобный сервер должны получить все сети связи, работающие на выделенной территории, в первую очередь телефонная сеть города (ГТС), сети сотовых сетей связи, сети интернет-провайдеров, ведомственные сети наиболее крупных экономических субъектов города, области, правительственные сети связи.

Еще одна проблема внедрения данного сервиса касается маркетинга и общей популяризации среди населения: необходим комплекс средств по его продвижению среди населения (пример – сервис 911 в США), люди должны четко знать и понимать, как нужно использовать такую систему в случае ГО и ЧС.

Представляется интересным подход к организации узлов, где прописываются единые данные пользователя перечисленных выше сетей связи. Как минимум они должны содержать Ф.И.О., место фактического проживания абонента, его фиксированный телефонный номер (домашний, рабочий), мобильный номер, e-mail, UIN интернет-пейджера, аккаунт в популярных системах интернет-телефонии, например системы класса Skype.

Возможные сценарии передачи коротких сообщений должны учитывать системы, способные иметь для этого большую буферную память, готовые в любой момент передать адресату необходимую информацию, а также систему автономного питания, обеспечивающую достаточно длительное время выживания подобных узлов в ситуациях РВ.

Особенно важным представляется использование устойчивых систем управления (операционных систем), СУБД с большими возможностями масштабирования, поскольку в реальных условиях количество записей пользователей на шлюзе может быть очень большим и в случае возникновения РВ требования к ПО шлюза очень высоки, в штатном режиме работы шлюза возможны хакерские атаки с использованием программ-червей и других, разрушающих ПО.

Можно использовать условно открытые операционные системы, такие как Unix, Linux, и ОС, построенные на их базе, в этом случае обеспечивается эффективная работа с широко известными БД (Oracle, MySQL и др.).

На территории абонентского доступа возможно наличие трех или более видов сетей и двух или более межсетевых шлюзов. Эти сети организованы операторами связи для связи между собой абонентов различных сетей. Необходимое количество МС на сетях САД, имеющих конечное число узлов, рассчитывается приближенными алгоритмами на основе генетических алгоритмов. Как показывает практика, на любой территории абонентского доступа существует хотя бы одна сеть связи, представленная классической телефонной сетью (ТФОП), сетью передачи данных (ПД), сотовой сетью связи (GSM), либо существуют все три сети параллельно [2].

Концептуальная модель сети оповещения и экстренных сообщений (СОиЭС) на базе теории нестационарных S-гиперсетей

Рассмотрим концептуальную модель СОиЭС с привлечением аппарата теории нестационарных S-гиперсетей [3]. Будем считать, что в общем случае речь идет о большом потоке информации величины N, протекающей по СОиЭС. При этом часть информации запоминается в СОиЭС и пересылается (возможно, с изменением формата) на сеть другого оператора.

Каждому ребру S-гиперсети SH сопоставляется тройка чисел: cij – стоимость единицы потока в uij ребре в WHi вторичной сети; tij – время прохождения потока в uij ребре в WHi вторичной сети; b (Vi) – ограничение на суммарный поток в vi ребре; xij – поток в uij ребре.

Таким образом, при данном условии можно сформулировать две задачи прохождения информации через СОиЭС – минимизация ресурсов и минимизация времени.

Задачи СОиЭС. При создании сети общего пользования для обмена сообщениями при ЧС возникает необходимость передавать короткие сообщения, входной формат которых может отличаться от выходного (например, абонент интернет-сети передает короткое сообщение телефонному абоненту). В качестве целевых функций здесь возникают задачи минимизации ресурсов для построения шлюзов между разнотипными сетями различных операторов и минимизации времени прохождения этих сообщений. Рассмотрим обе постановки.

Постановка 1.

Найти заданный поток s,h величины N за минимальную стоимость (соответствует задаче минимизации используемых ресурсов (памяти, вычислительных, канальных) при передаче m сообщений за заданное время Dt (ресурсоэффективность)).

Минимизировать j=åсijxij                                                  (1)

при условиях

                               (2)

                                  (3)

                                                         (4)

Ограничения (2) стандартны для задач поиска потоков. Ограничение (3) гарантирует, что суммарная величина потока через вершину или ветвь Vz не превосходит заданное значение b(Vz). Здесь под суммарной величиной потока понимается либо одновременный объем информации, обрабатываемый и/или хранимый в узле Vz, либо передаваемый по ветви Vz (где {Vz} – множество элементов первичной сети). Ограничение (4) показывает, что в полученном графе потоков W* расстояние по времени между вершинами s, t не превосходит заданную величину Dt.

Постановка 2.

Найти заданный поток s,h, проходящий сеть SH за минимальное время. Подобная постановка соответствует минимизации времени прохождения коротких сообщений (оперативность системы). Разумеется, что в данном случае речь идет о средней величине передачи сообщения из заданной совокупности M-сообщений. Чем меньше заданный поток V, тем более точное для заданных M-сообщений решение.

Формально задача ставится следующим образом.

Минимизировать     ψ=ρtW*(s,h)                         (5)

при условиях: в найденном графе потока W* максимальный поток        m(s,h)≥V,                           (6)

где V – заданная величина потока; m(s,h) – максимальный поток; ρtW*(s,h) – длина кратчайшей по времени s,h-цепи в найденном потоковом гра- фе W*.

Условия (2) и (3) остаются верными и для этой задачи. На стоимость имеется ограничение

åсijxij£C,                                                                (7)

то есть суммарная стоимость всего потока из s в h в графе W* не превосходит величину С.

Поскольку в задачах присутствуют время и объем пропуска обрабатываемой информации, значит, это нестационарная S-гиперсеть.

Оптимальное решение задач позволит найти места и способы соединения межсетевых шлюзов для организации передачи коротких сообщений между различными по типу сетями. При этом решаются задачи минимизации стоимости дополнительного оборудования и минимизации среднего времени прохождения короткого сообщения через разнотипные сети между любой парой абонентов объединенной сети.

Чтобы решения были адекватными поставленным задачам, необходимо четко и грамотно построить нестационарную гиперсеть, которая соответствовала бы предложенным постановкам.

Структура сети СОиЭС. Все подсистемы СОиЭС с сетевой составляющей имеют свой аналог в нестационарной S-гиперсети [4].

1.     Каждой сети связи определенного типа сопоставляется вторичная сеть WПi=(xi,ui).

2.     Поток коротких сообщений, состоящий из различных по типу подпотоков PDj, направляется на подходящие данному типу сети и шлюзу соответствующей обработки данных WODj.

3.     Сети {WПi} и {WODj} объединяются в одну структуру WO для передачи и обработки входных сообщений.

4.     Так как в нестационарной гиперсети очередность срабатываний, показатели, атрибуты и прочее зависят от времени, то есть определяются расписанием, составление расписания и его модификация устанавливаются системой управления СУ(SH). В данном случае найденные оптимальные потоки, проходящие через определенные шлюзы, задают в конечном итоге расписание работы этих шлюзов и всей сети в целом.

5.     Отсюда следует, что нестационарная S-ги­персеть HS имеет структуру HS=(PS, {WПi}, {WODj}).

Описание алгоритма и программы решения данных задач

Для данной постановки существует классический случай задачи размещения пунктов обслуживания в нестационарной S-гиперсети [5].

Действительно, каждый оператор связи имеет в своем распоряжении от одной до нескольких разнотипных сетей абонентского доступа. Внутри одной компании оператор может организовать межсетевые шлюзы для преобразования одного типа данных в другой тип, тем самым увеличивая число услуг за счет передачи коротких сообщений в разных форматах от одного абонента другому. Кроме того, как правило, имеются шлюзы между однотипными сетями различных операторов, что позволяет организовать связь для их абонентов. Остается открытым вопрос сопряжения разнотипных сетей абонентского доступа, принадлежащих различным операторам. В этом случае шлюзовое оборудование должно принадлежать государству (федеральным или местным властям) и, конечно, его стоимость не должна быть слишком высокой. В качестве целевой функции здесь выступает либо минимизация приведенных затрат на это оборудование, либо среднее время передачи сообщения от одного абонента другому. Таким образом, можно воспользоваться методом решения задач размещения пунктов обслуживания в потоковых сетях [5] . Так как в основе подобных сетей лежат, как правило, разнотипные сети, к тому же принадлежащие различным собственникам, в качестве математических моделей в общем случае должны выступать нестационарные S-гиперсети.

Вполне очевидно, что эффективность размещения межсетевых шлюзов будет определяться характеристиками основной функции сети – потоками.

На рисунке приведена блок-схема основного метода решения поставленных задач.

Предложенный в работе метод оптимального размещения межсетевых шлюзов позволит решать не только эти, но и много других задач, связанных с размещением пунктов связи на телекоммуникационных сетях. Понятно, что эффективность работы межсетевых узлов зависит от множества факторов. При организации такого рода узлов необходимо применять отказоустойчивое оборудование, использовать резервирование вычислительного, коммутационного оборудования, систем электропитания. Работа таких узлов должна поддерживаться реальными операторами связи, действующими в регионах.

Литература

1.     Портнов Э.Л. Принципы построения первичных сетей и оптические кабельные линии связи. М.: Горячая линия–Телеком, 2009. 543 с.

2.     Соколов Н.А. Задачи планирования сетей электросвязи. СПб: Техника связи, 2012. 432 с.

3.     Попков В.К. Математические модели связности. Новосибирск: ИВМиМГ СО РАН, 2006. 490 с.

4.     Попков В.К. Применение теории S-гиперсетей для моделирования систем сетевой структуры // Проблемы информатики. 2010. № 4. С. 17–23.

5.     Попков Г.В., Попков В.К. Об одном подходе размещения пунктов обслуживания в транспортных сетях // Проблемы информатики. 2012. № 3. С. 20–28.