МОДЕЛИРОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СЕТЕЙ ПРИ РАБОТЕ В УСЛОВИЯХ ЧРЕЗВЫЧАЙНЫХ СИТУАЦИЙ[1]
В.М. Антонова1,2, Куликов К.Л1.
1 Московский государственный технический университет им. Н.Э. Баумана, 105005, Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1
2 Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, 125009, Москва, Моховая 11-7
Аннотация. Целью данной работы является исследование различных методов реагирования на чрезвычайные ситуации сетей передачи данных, а также изучение увеличения трафика в таких ситуациях с помощью среды имитационного моделирования AnyLogic. Предлагаемая в статье модель является упрощенной, в ней используется ограниченное количество абонентов, которые совершают звонки с определенной интенсивностью и вероятностью в течение дня. Модель имеет случайное нормальное распределение для количества контактов у каждого абонента, а также предусматривает прекращение звонков в случае, когда были совершены звонки всем абонентам в модели. После создания чрезвычайной ситуации, интенсивность звонков увеличивается многократно, тем самым симулируя возможные проблемы на сети передачи.
Ключевые слова. сети передачи данных, трафик, чрезвычайные ситуации, моделирование, Anylogic.
Abstract. The aim of the article is to study the various methods for responding to emergency situations of data transmission networks, as well as to study increasing traffic using the AnyLogic simulation environment. This model is using a reduced number of subscribers who make calls with a certain intensity and probability during a day. The model has a random normal distribution for numbers of contacts for each subscriber, and also implies the termination of calls in the event that calls were made to all known contacts. After creating an emergency in the model, calls intensity greatly, thereby it is simulating possible problems with connecting.
Keywords. data transmission networks, traffic, emergency situations, modeling, Anylogic.
Теоретические сведения /никаких сведений не дано, одна вода до раздела "Практическая часть"/
Сети передачи данных в нынешнее время являются крайне важной частью повседневной жизни любого человека. В данный момент можно без преувеличения сказать, что доступ к cети является базовой необходимостью человека в информационном обществе. Сети передачи данных позволяют нам общаться, передавать важные сообщения, а также узнавать новую информацию в режиме реального времени. Именно поэтому крайне важно, чтобы во время чрезвычайных ситуаций они оставалась работоспособными и не затрудняли реагирование экстренных служб, так как нарушение работы сетей может привести к непредотвратимым гибелям и разрушениями, которые происходят в результате задержек или ошибок реагирования. Стоит отметить, что работоспособность сети должна быть обеспечена не только вовремя и после чрезвычайных ситуаций, но и до них, ведь в случае естественных катастроф своевременное предупреждение может также спасти немало жизней. Также необходимо различать, какие существуют чрезвычайные ситуации, и как именно они влияют на сети передачи данных.
Существует три причины, по которым возможно нарушение работоспособности средств связи [1]:
● Физическое разрушение компонента сети
● Помехи в работе поддерживающей инфраструктуры
● Повышенная нагрузка на сеть
Эти причины часто могут происходить как по отдельности, так и все одновременно, как например при землетрясении или ураганах. Наиболее интересной для нас является третья проблема, так как она случается чаще всего и противостоять ей можно не только физически, но и на программном уровне, правильно управляя трафиком данных. Рассмотрим их все по отдельности.
Нарушение работоспособности сетей передачи данных
Самой распространенной и хорошо документированной причиной сбоев в передаче при стихийных бедствиях стало физическое разрушение сетевой инфраструктуры. Из-за времени и средств, необходимых для ремонта или замены систем, сбои в обслуживании, вызванные физическим разрушением, также имеют тенденцию быть более серьезными и продолжаться дольше, чем вызванные отключением или перегрузкой.
Хрупкость телекоммуникационных сетей обусловлена тем, что исторически эти системы не имели высокой степени избыточности. Например, в телефонной сети используется разветвленная структура, в которой уничтожение одного сегмента сети может мгновенно отключить целые районы. Сильный ветер в ураганах и торнадо, обледенение в метели и движение от сейсмических событий - все это наносит ущерб хрупким воздушным телефонным линиям.
Помехи в работе поддерживающей инфраструктуры
Несмотря на то, что сбои, вызванные физическим ущербом, встречаются реже, они имеют тенденцию быть гораздо более распространенными и наносят ущерб усилиям по реагированию и восстановлению. Телекоммуникационные сети полагаются на многие другие локальные и региональные технические системы для обеспечения их правильной работы. Эти вспомогательные инфраструктуры часто датируются более ранней эпохой и не обладают устойчивостью к физическим повреждениям.
Системы распределения электроэнергии - безусловно, самая важная поддерживающая инфраструктура для телекоммуникационных сетей. Тем не менее, в системах распределения электроэнергии отсутствуют возможности «самовосстановления» как у телекоммуникационных сетей, хотя ожидается, что будущие улучшения позволят электрическим сетям расширить возможности в этой области.
Повышенная нагрузка на сеть
Исторически, крупные бедствия являются наиболее интенсивными генераторами телекоммуникационного трафика, и резкий рост спроса может засорить даже самые хорошо управляемые сети. В этом случае звонки блокируются, а сообщения теряются.
В дополнение к широкому использованию непроверенных технологий заторы будут оставаться обычным явлением из-за разнообразия взаимосвязанных причин. Например, во все более сложных сетях, таких как Интернет, часто обнаруживаются узкие места, которые становятся очевидными только в условиях кризиса. Кроме того, по экономическим причинам большинство сетей связи спроектированы для пиковой нагрузки на уровнях, которые значительно ниже требований, предъявляемых к ним во время бедствий. Наконец, сети все чаще подвергаются атакам на основе перегрузки. Такие нападения типа «отказ в обслуживании» в сочетании с физическим ударом широко подозреваются в качестве будущей тактики террористических организаций.
Средства борьбы с перегрузкой
Большинство сетей создаются под усредненную нагрузку, однако, очевидно, что во время чрезвычайной ситуации нагрузка будет гораздо выше рассчитанной. Поэтому множество операторов сотовой связи стараются разделить нагрузку на сети при помощи использования разных каналов передачи. Голосовой канал в первые часы должен выделяться сугубо под работу экстренных служб для улучшения их координации. Но даже этого часто может быть недостаточно, поэтому выделяются отдельные спектры частот связи только для экстренных служб.
В данный момент из-за ситуации с коронавирусом и самоизоляцией множества людей по всему миру нагрузка на Интернет стала рекордной за многие годы. Поэтому основные сервисы видео-стриминга, такие как YouTube и Netflix, снизили стандартное качество видео, которое показывается пользователям. На YouTube пользователи получают видео сначала в 480p вместо обычного HD или FHD качества. На Netflix вместо 4K пользователям предлагается видео в FHD [4].
Общепринятые меры по борьбе с перегрузкой
- Усовершенствованный приоритетный режим. Для передачи трафика по сети в чрезвычайных ситуациях требуются гарантированные возможности вне зависимости от сетей, по которым он передается. Главным компонентом гарантированных возможностей является усовершенствованный приоритетный режим. Один из методов обеспечения приоритетности заключается в том, чтобы, во-первых, "идентифицировать" (например, классифицировать и/или обозначить меткой) трафик на сети в чрезвычайных ситуациях и затем применить к нему сетевую политику с целью достичь желаемого гарантированного обслуживания [5].
- Предпочтительный доступ к средствам связи. Существует множество способов доступа к ресурсам передачи данных для использования их возможностей в чрезвычайных ситуациях. Для участника аварийно-спасательных работ существенным преимуществом была бы возможность доступа к услугам этих различных сетей передачи данных на приоритетной или предпочтительной основе.
- Завершение трафика при чрезвычайной ситуации в условиях перегрузки. При перегрузке сети на трафик в чрезвычайной ситуации должно оказываться минимальное воздействие. В традиционных сетях с коммутацией каналов для уменьшения перегрузки применяются методы управления трафиком, такие как блокирование вызовов. Трафик в чрезвычайной ситуации выделяется сведением блокирования к минимуму и обеспечением высокой степенью вероятности завершения.
- Освобождение от средств сетевого управления. Средства управления перегрузками (например, средства управления машинными перегрузками), средства управления чрезмерной загруженностью и балансирование нагрузки не должны отрицательно сказываться при чрезвычайных ситуациях.
- Предпочтительная маршрутизация трафика в чрезвычайных ситуациях. В некоторых ситуациях трафик на сети в чрезвычайных ситуациях может направляться по альтернативным маршрутам, если маршрут по умолчанию использовать невозможно или он перегружен. В сетях с коммутацией пакетов, для управления буферами и избежание высокой степени задержки экстренного трафика требуются постоянные контроль и средства управления.
- Допустимое ухудшение качества обслуживания по трафику при недоступности ресурсов инфраструктуры. Когда ресурсы сети работают в стрессовой ситуации, допустимое ухудшение качества обслуживания QoS может быть приемлемо. Для операций в чрезвычайных ситуациях необходимо продолжать передачу критически важной информации, пусть даже и с ограничениями, чтобы полностью не потерять способность поддерживать связь.
- Защищенные сети. Обеспечение безопасности необходимо для предотвращения возможности использования несанкционированными пользователями дефицитных ресурсов связи, требуемых для поддержки операций при чрезвычайных ситуациях.
- Ускоренная аутентификация санкционированных пользователей в чрезвычайных ситуациях. Сети передачи данных в чрезвычайных ситуациях предназначены только для санкционированных пользователей, участвующих в аварийно-спасательных операциях. Аутентификационная информация может быть ассоциирована с метками, которые затем должны передаваться в течение всего времени от инициации вызова до его завершения.
- Обеспечение безопасности трафика в чрезвычайных ситуациях. Сети должны иметь защиту от (мошеннического) повреждения трафика и средств управления, а также от несанкционированного доступа к ним, включая расширенные методы кодирования и аутентификации пользователя.
- Конфиденциальность местоположения. Для предотвращения раскрытия местоположения определенных санкционированных пользователей сети в чрезвычайных ситуациях несанкционированными сторонами должны применяться специальные механизмы защиты данных.
- Восстанавливаемость. Восстановление должно осуществляться на предпочтительной основе, чтобы сделать возможным оперативное начало функционирования сети в чрезвычайных ситуациях для пользователей с предпочтительным доступом.
- Межсетевые соединения. Обеспечение предпочтительных соединений в контрольных точках, которые считаются образующими международные и/или регуляторные границы между национальными сетями, обеспечивающими связь в чрезвычайных ситуациях, может создать международную систему связи в чрезвычайных ситуациях.
- Функциональная совместимость. Для обеспечения возможности совместимости между различными операторами, предлагающими услуги связи в чрезвычайных ситуациях, наиболее удобной была бы общая конфигурация.
- Мобильность. Инфраструктура сети должна поддерживать подвижность пользователя и терминала, включая возможность быстрого развертывания.
- Повсеместное покрытие. В тех ситуациях, когда существующие сети не соответствуют требованиям, пользователи в чрезвычайных ситуациях будут по умолчанию использовать средства связи, доступные для населения в целом.
- Масштабируемая полоса пропускания. Одним из способов достижения этого является выделения на сети в чрезвычайных ситуациях масштабируемой полосы пропускания, что дает возможность уменьшить полосу пропускания, это может оказать неблагоприятное воздействие на установленную связь в отношении QoS.
Практическая часть
В ходе работы было произведено моделирование в программе имитационного моделирования Anylogic. В модели симулируется 5000 абонентов, которые каждый час пытаются позвонить своим знакомым с вероятностью 20%. Как только абонент смог позвонить всем своим знакомым (в данном случае количество знакомых равно 5), он перестает совершать действия до наступления новых суток (рисунок 1). В модель добавлена кнопка, которая симулирует чрезвычайную ситуацию. В случае нажатия на кнопку, все абоненты переходят в состояние «паники», количество ранее совершенных звонков обнуляется, а вероятность звонка в час становится 90%. Таким образом можно продемонстрировать, насколько увеличивается трафик в сети при чрезвычайных ситуациях (рисунок 2).
Рисунок 1. Схема модели
Рисунок 2. Работа модели в состоянии спокойствия
На графике серым цветом обозначены абоненты, которые не совершали звонков за сутки, зеленым - абоненты, начавшие обзванивать своих знакомых, синим - довольных абонентов, которые уверены в сохранности всех своих близких. Как можно наблюдать с заданной вероятностью звонка все пользователи не успевают прозвонить всех своих знакомых даже за сутки. В случае нажатия кнопки чрезвычайного положения ситуация меняется довольно быстро (рисунок 3). Желтым цветов обозначены абоненты, которые находятся в состоянии паники и звонят гораздо чаще.
Рисунок 3. Модель в состоянии чрезвычайной ситуации.
Как видно из графика, пользователи смогли обзвонить всех своих знакомых за примерно 12-13 часов, что в два раза быстрее, чем это бы случилось в состоянии покоя. Также стоит учесть, что в данной модели пользователи после чрезвычайного положения пытаются позвонить лишь раз в час, что в условиях реальной чрезвычайной ситуации скорее будет слишком долго. В реальном положении звонки будут поступать сразу по окончании предыдущего, то есть раз в 5-15 минут (рисунок 4 и 5).
Рисунок 4. Звонки при чрезвычайной ситуации каждые 5 минут.
Рисунок 5. Звонки при чрезвычайной ситуации каждые 15 минут.
Заключение
В ходе данной работы было проанализировано влияние чрезвычайных ситуаций на сети передачи данных и какие части инфраструктуры могут быть повреждены или ослаблены в ходе усиления нагрузки. Были рассмотрены как физические ситуации, когда сети выходят из строя в ходе уничтожения или повреждения каких-либо компонент сети: системы электроэнергии, вышки связи или линии передачи, так и проблемы сугубо увеличенной нагрузки. После анализа возможных угроз были рассмотрены меры предосторожности и устранения появившихся проблем. Так как необходимо обеспечивать множество функций сетей, включая работу служб быстрого реагирования и минимальную связь для остальных абонентов, то ответ, как это обычно бывает, является комплексным.
Также в работе было проведено моделирование в программном обеспечении AnyLogic, чтобы смоделировать поведение абонентов в обычном состоянии и в состоянии паники в условиях экстренной ситуации. В результате моделирования было продемонстрировано, насколько сильно изменяется поведение пользователей и насколько быстро может быть заполнен канал, если пользователи звонят гораздо чаще и с большой вероятностью. В случае «полной истерии» трафик, генерируемый за сутки, может быть создан за менее чем час. Это в очередной раз доказывает, что технические системы должны быть быстро адаптируемыми и иметь огромную избыточность для предоставления своих услуг в любых условиях.
. При всеобщей информатизации общества нагрузка на сети становится всё выше, а зависимость всех сфер жизнедеятельности от данных сетей становится всё больше. Таким образом, в данном исследовании поднимается актуальная проблема, которая стоит перед всеми поставщиками телекоммуникационных услуг и продвигается идея необходимости создания систем с достаточной избыточностью хотя бы для обеспечения необходимого качества услуг для служб экстренного реагирования, а в лучшем случае для всего затронутого населения, так как это может позволить избежать дополнительной паники и лишних жертв.
Литература
1. TELECOMMUNICATIONS INFRASTRUCTURE IN DISASTERS: Preparing Cities for Crisis Communications Anthony M. Townsend Mitchell L. Moss Center for Catastrophe Preparedness and Response & Robert F. Wagner Graduate School of Public Service New York University, 2005, c. 6-28
2. GSM Association. Dealing with Disasters: Technical Challenges for Mobile Operators, 2012, c. 15
3. Эластичные коммуникации. [электронный ресурс]. Сайт Правительства Великобритании https://www.gov.uk/guidance/resilient-communications#mobile-telecommunications-privileged-access-scheme-mtpas (дата обращения 15.05.2020)
4. Новости [электронный ресурс]. https://news.sky.com/story/coronavirus-youtube-and-netflix-to-reduce-streaming-quality-to-stop-internet-from-breaking-11960725 (дата обращения 15.05.2020)
5. Принципы в отношении требований к сетям и возможностей сетей для обеспечения электросвязи в чрезвычайных ситуациях по сетям связи, находящимся в стадии перехода от коммутации каналов к коммутации пакетов. Рекомендация МСЭ-Т Y.1271, 2014, c. 6-14