Process-Oriented Quality Control System for Infocommunication Services Based on TM Forum Frameworx

Full Text

Классический подход к проектированию телекоммуникационных сетей основан на использовании специализированных устройств (маршрутизаторов, коммутаторов, межсетевых экранов и др.). Разработка сетей, состоящих из подобных монолитных элементов, требует выполнения длительных циклов пуско-наладочных работ, что замедляет ввод системы связи в эксплуатацию. При этом модификация существующих и развертывание новых услуг предполагают выполнение работ отдельно на каждом сетевом элементе и требуют высочайшей профессиональной подготовки оператора. Использование подобной архитектуры приводит к неэффективному управлению сетью, затрудняет процесс создания новых услуг, увеличивает зависимость оператора от особенностей построения аппаратно-программного комплекса. При реализации будущих сетей связи необходимо применять подходы эффективного решения задач повышения качества поддержания новых сетевых услуг. Технология сетей нового поколения осуществляет переход к программно-конфигурируемым сущностям, реализацией которых может быть рассмотренная ниже процессно-ориентированная система управления. Принципы построения систем управления телекоммуникациями До 1970 г. многие виды деятельности на предприятии связи выполнялись вручную и впоследствии были компьютеризированы. Первые системы поддержки операций системы поддержки бизнеса (Operation Support System/Business Support System, OSS/BSS) представляли набор самостоятельно созданных решений, не были связаны друг с другом и часто требовали ручного вмешательства. Необходимость стандартизации решений привела в 1990-х годах к созданию системы управления сетями операторов электросвязи (Telecom-munications Management Network, TMN). В модели TMN определено четыре логических уровня управления: бизнесом, услугами, сетью и элементами. Развитие TMN произошло с учетом модели Международной организации по стандартизации FCAPS, определяющей технологии автоматизированных решений по функциям распределения, контроля, мониторинга, тестирования и диагностики сетевых ресурсов. Дальнейшая эволюция сетей и предлагаемых ими услуг связи потребовала совершенствования инструментов OSS/BSS, что привело к созданию отраслевой некоммерческой ассоциации Tele Management (TM) Forum [1; 7]. Направления работы TM Forum изначально были связаны с сетями следующего поколения (Next Generation Networks, NGN) [3; 6] и системами управления операционной деятельностью нового поколения (New Generation Operations Systems and Software, NGOSS) [10]. Цель NGOSS - стандартизация бизнес-процессов операторов связи, определение форматов данных и интерфейсов взаимодействия с системой интеграции решений. Будущие сети связи (Future Networks, FN) должны поддерживать предоставление широкого набора услуг на основе использования огромного количества разнообразного сетевого оборудования, в том числе нетрадиционного. Новые системы управления FN должны обеспечить функциональную гибкость для быстрого развертывания новых услуг, а также требуемые уровни конфиденциальности и безопасности. Современные центры обработки данных (ЦОД), используя технологии программно-конфигурируемых сетей, средства виртуализации серверной инфраструктуры FirstFit, RandomFit, Min-Min, Max-Min, CPULoad, Windows Azure и поддерживающие разнообразные приложения, предоставляют пользователям разные услуги и сетевые сервисы с учетом соглашений об уровнях обслуживания (SLA). Виртуализация серверной инфраструктуры, направленная на повышение эффективности управления ресурсами ЦОД и основанная на технологиях поддержки гипервизоров, обеспечивает распределение виртуальных машин (ВМ) между физическими серверами ЦОД, применяя при этом алгоритмы оптимизации их загрузки. В основу построения данных алгоритмов положены методы миграции виртуальных машин с перегруженных серверов, разделение их ресурсов для работы с множеством приложений, консолидации виртуальных машин и разделения процессорного времени физических серверов между виртуальными машинами. В руководящих документах TM Forum предложена открытая цифровая архитектура (Open Digital Architecture, ODA) [9], которая должна заменить традиционные системы управления OSS/BSS, радикально упростить и автоматизировать основные бизнеспроцессы (БП) оператора связи. Функционал ODA нацелен на обеспечение выполнения БП полностью без вмешательства человека с использованием новейших технологий, включая искусственный интеллект. Одной из ключевых концепций создания ODA является использование компонентного подхода с применением логики микросервисов (Microservices) и открытых программных интерфейсов (Open APIs). Реализация проекта ODA основывается на использовании концепции Frameworx TM Forum [8], которая пришла на смену NGOSS. Frameworx позволяет точно описать компоненты БП с точки зрения выполняемых ими функций, связанной с ними информацией и других характеристик. Основу концепции Frameworx образуют следующие среды: - Business Process Framework (eTOM) описывает структуру бизнес-процессов компании связи; - Information Framework (SID) описывает данные; - Application Framework (TAM) описывает структуру компонентов информационной среды; - Open APIs - представляет собой набор стандартных API, обеспечивающих быструю, повторяемую и гибкую интеграцию между операциями и системами управления; - Metrics - это стандартизированная модель показателей, объединяющая более 2900 стандартных измеримых показателей для оценки различных аспектов деятельности. В основу построения OSS/BSS будущих сетей может быть положен процессно-ориентированный подход, базирующейся на концепции Frameworx и представленный множеством связанных между собой процессорных модулей (ПМ), с распределенными на них программными компонентами (ПК), ориентироваными на выполнение БП оператора связи [10]. Процессорные модули могут реализовываться в виде физических устройств (один или несколько микропроцессоров на общей памяти) или виртуально в виде процессов операционной системы, представляющих виртуальные сетевые функции. Реализация любого БП осуществляется при этом путем выделения соответствующей совокупности ПК. Решение подобных задач включает в себя построение алгоритмов оптимального распределения ПК по ПМ, а также разработку эффективного расписания взаимодействия ПК, снижающего системные затраты при обмене данными. Основными параметрами, оказывающими определяющее влияние на показатели качества при этом являются распределения потоков обслуженных заявок, загрузка системы, связанная с периодом ее занятости, распределения времени обслуживания заявок, вероятность отказа в обслуживании и вариации соответствующих задержек. Формальная модель распределенной системы управления телекоммуникациями показана на рисунке 2. Реализация процесса выполнения услуги по соответствующему запросу системы управления взаимоотношениями с клиентами (CRM) основана на формировании гибких связей между соответствующими элементами БП и исполнением их ПК. Потоки заявок на реализацию услуг связи поступают в систему CRM. Каждый запрос на обслуживание, поступивший в OSS/ BSS, соответствует определенному БП, реализуемому множеством ПК, взаимодействующих через среду интеграции (Integration Layer). Показателями качества, оценивающими данную систему, являются [10]: - период занятости системы управления ( )Π t - длительность временного интервала от момента поступления запроса в незанятую систему до момента времени, когда система вновь будет незанятой; - число запросов в системе управления ( ); η t - время ожидания и время пребывания требования в системе , nW . nV Введем следующие обозначения: ( ) π q - преобразование Лапласа - Стилтьеса (ПЛС) случайной величины ( ), Π t ()= Bt {} ξ< Pt - функция распределения времени обслуживания , ξ ( ) β q - ее ПЛС, ( )= n Pt ( ) { }, η= Ptn 01, , , = n а также ( ) ( ) ( ) [ ) { } , , ; . = η = ξ ∈ +n P x t dx P t n t x x dx Считаем также, что время пребывания запросов на обслуживание распределено по экспоненциальному закону и отдельные состояния процесса могут быть поглощающими. Используя метод введения дополнительного события, можно получить также выражения для вычисления ПЛС данных случайных величин [3]. Известно, что если 1 1 ρ=αβ < при , →∞t ( ) ( ) , → nn P x t P x тогда () =Pz , ∑ n n n PZ ( ) ( ) ( ). π =β +α-απ q q q Отсюда получаем среднее значение и дисперсию периода занятости системы:(1) Очевидно, что для подобной системы массового обслуживания (СМО) имеем , = +ξ n n n VW где ξn - время обслуживания n-го требования. При этом ПЛС может быть получена при любых распределениях случайных величин ( ) ( ) ( ) ( ) 00 ,, ∞∞ --= = ∫∫ qt qt n n n n W q e dW t V q e dV t ( ) ( ) ( ). = β nn V q W q q где ( ) β q - ПЛС времени обслуживания . ξ Тогда средние значения стационарного времени ожидания и пребывания требований: (2); (3) Будем считать ( ) { }, = γ< L x P x = k q { }, γ= Pk 12 , ,...,=k 1 1, ∞ = =∑ k k q где γ - объем требования. Производящая функция числа знаков требования () =Qz 1 , ∞ = ∑ k k k qZ 1. ≤z Распределение времени обслуживания запроса произвольной длины задано произвольной функции распределения () Et, () ε q - ПЛС функции распределения ( ). Et Тогда производящая функция его случайной величины имеет вид (4). Используя данное выражение можно определить моменты случайной величины любого порядка. Длительности запросов на обслуживание будем считать распределенными по геометрическому закону: 11 1 2 0 { } ( ) , , ,..., . - γ = = -ρ = > k P k P k P 1 ( ) ( ) , -= γ< = - fx L x P x e при =fP средняя длина запроса равна 1 1/. ϕ= f Время обслуживания требования , ξ= γ c тогда (5), где /. µ=fc Тогда { } = η= =k P P k 1( ) , -ρρ k 01 , ,...,=k где /, ρ=α µ α - интенсивность входного потока. Функция распределения времени обслуживания запроса i-го типа зависит от загрузки каждого из ПМ системы запросами, поступившими при реализации других БП, а также от используемых алгоритмов очередности его обслуживания. Отсюда возникает задача формирования такой последовательности прохождения запроса через соответствующие ему ПМ, при которой время его обслуживания будет минимальным, т. е. задача выбора контура обслуживания минимальной длины, с учетом возможных блокировок процессов обработки запросов, связанных с занятостью ПК другими процессами. Если для ПК i f и j f известна частота их взаимных запросов ( , ), Pij тогда частота одновременных обращений на ПМ с номером k будет равна ( ) , ,.= ∑k ij C p i j Тогда суммарная частота взаимных запросов для всего множества ПК системы запишется как ( ) 11 , ,. = = Снижение числа возникающих конфликтов параллельно реализуемых БП, можно осуществить путем последовательной перестановки ПК по различным ПМ системы. Показателем рационального размещения ПК по ПМ при этом является параметр ( ) ( )( ) ( ) ( )( ) ,, , , . ∈ ∈ D = + - -+ ∑ ∑ t s ÏÌ ÏÌ i i C P i j P j i P i j P j i Перестановка завершается, когда любое перемещение ПК по допустимым ПМ не приводит к увеличению данного показателя. Считаем, что плотность распределения длительности обслуживания запросов на реализацию услуг связи зависит только от величины загрузки ПК. Число заказов в очереди обозначим 1( ), i Vt 2( ), i Vt 3( ). i Vt Среднее время, в течение которого ПК системы занят обслуживанием запросов, зависит от их числа в очереди и равно ( ) 0 () ( ) , ∞ =∫ i j i j i j i j V t S f s ds V t S (6) а среднее время, когда он свободен, равно 3 11 ( ) , = = -∑∑ k i j i j ij t V t S где S - объем заявки. Тогда при t →∞ (7). (8). С учетом экспоненциального распределения входных потоков заявок вероятность поступления заявки типа i в интервале времени ( ) , + h h dh равна , -l l h i e dh тогда (9). Отсюда следует (10). где ( ) 0 ∞ -l= ∫ T i j i j L f T e dT при выполнении технологического условия 10 ( ) . = = -≥ ∑∑ k i j i j ij V t S В основу алгоритма минимизации общего времени выполнения множества запросов на реализацию услуг связи может быть положен подход, устраняющий тупиковые ситуации, связанные с занятостью ПК параллельными процессами. В работе [10] предлагается использовать для этой цели метод принудительной блокировки процессов. Рисунок 1. Модель TMN Framework Рисунок 2. Формальная модель распределенной системы управления телекоммуникациями Заключение Рассмотрены основные подходы к построению и анализу процессно-ориентированных распределенных систем управления телекоммуникациями на основе открытой цифровой архитектуры (Open Digital Architecture) концепции TM Forum Frameworx, при которых функции системы управления реализуются совокупностью связанных между собой процессорных модулей с установленными на них программными компонентами, каждая из которых выполняет одну или несколько бизнес-задач, являющихся составными элементами бизнес-процесса, и может служить основой для разработки более гибких систем управления телекоммуникациями. Предложена аналитическая модель системы управления телекоммуникациями, позволяющая оптимизировать ее загрузку. Путем использования формального аппарата полумарковских процессов, преобразований Лапласа и производящих функций получены оценки показателей качества обработки запросов случайного объема.

About the authors

V. P Mochalov

North Caucasus Federal University

Email: ilya0693@yandex.com
Stavropol, Russian Federation

G. I Linets

North Caucasus Federal University

Email: ilya0693@yandex.com
Stavropol, Russian Federation

N. Yu Bratchenko

North Caucasus Federal University

Email: ilya0693@yandex.com
Stavropol, Russian Federation

I. S Palkanov

North Caucasus Federal University

Email: ilya0693@yandex.com
Stavropol, Russian Federation

References

Supplementary files