4.1 Состав и функции программного обеспечения средств связи.
Как уже отмечалось, программное обеспечение в средствах связи, включая системы коммутации, используется прежде всего для управления средством связи. Управление средством связи осуществляется с помощью системы управления. Под системой программной понимается набор компонентов, объединенных для выполнения определенной функции или набора функций средства связи. Термин «система» здесь охватывает отдельные программные приложения, программные системы в традиционном смысле, подсистемы, линейки программных продуктов, семейства готовых программных продуктов, имеющие отношение к управлению. Компонентом называется модульная часть системы, которая инкапсулирует (содержит) часть содержимого системы, необходимую для функционирования данного компонента в составе системы. По определенному признаку, например функциональному, компоненты могут объединяться в подсистемы. В рассматриваемом случае речь идет о программных т.е. логических компонентах.
Система управления современными средствами связи представляет собой интегрированный комплекс, состоящий из одного или более процессов, аппаратных устройств, программ, средств и людей, предоставляющий возможность удовлетворить определенную потребность или условие (согласно стандарта IEEE 12207). Применительно к средствам связи речь идет о потребностях, связанных с оказанием услуг связи, передачей трафика или переносом сигналов электросвязи. Условием является удовлетворение перечисленных потребностей с качеством, соответствующим действующим нормам и правилам, и в объеме, требуемом для обслуживания подключенных к системе максимально допустимого числа пользователей. Для современных средств связи характерно автоматическое управление основными функциями и оборудованием с помощью загружаемого и хранимого, в т.ч. замонтированного, программного обеспечения. Поэтому можно говорить о том, что современная система управления средствами связи представляет собой преимущественно-программную систему, т.е. систему, в которой программное обеспечение оказывает значительное влияние на проект, конструкцию, развертывание и развитие всей системы.
Под архитектурой программного обеспечения системы управления средствами связи понимается набор значимых решений по поводу организации системы программного обеспечения, набор структурных элементов и их интерфейсов, при помощи которых компонуется (комплексируется) система управления, вместе с их поведением, определяемым во взаимодействии между этими структурными элементами, компоновка элементов в постепенно укрупняющиеся подсистемы. Примером структурного элемента является отдельная подсистема, процесс, база данных, аппаратное обеспечение, готовый программный продукт.
Программное обеспечение современных средств связи представляет собой сложный программный комплекс. Современные средства связи большой емкости (от 20 тысяч портов и более) имеют квази-распределенную функциональную архитектуру управляющего комплекса. Соотношение программного обеспечения и управляющих устройств различного назначения показано на рис.1. В целом можно говорить о трех уровнях управления и, соответственно, о трех уровнях распределения программного обеспечения. Как видно на рис.1, существуют общие компоненты программной системы, присутствующие на всех трех уровнях. Рассмотрим эти компоненты более подробно.
Рис.1 – Управляющие устройства средства связи и их программное обеспечение
Основой, ядром программного обеспечения управления современным средством связи является операционная система. В средствах связи применяются операционные системы реального времени.
Операционная система – совокупность системных программ, предназначенная для обеспечения определенного уровня эффективности системы обработки информации за счет автоматизированного управления ее работой и предоставления пользователю определенного набора услуг. Операционная система, а также программы начальной загрузки МПр управляющих устройств, относятся к системному программному обеспечению. Системное программное обеспечение – программное обеспечение, определяющее функционирование средства связи как с прикладными программами та и без них. Системное программное обеспечение представляет собой множество подпрограмм, действующих как интерпретатор при преобразовании инструкций прикладных программ, загруженных в память МПр в виде машинных кодов, и требуемых устройствами аппаратного обеспечения.
Ядро операционной системы, kernel, представляет собой часть программного обеспечения операционной системы, которая хранится в ОЗУ все МПр управляющих устройств. Это не случайно, т.к. kernel обеспечивает выполнение самых элементарных функций операционной системы, таких как:
Оперативное управление и планирование процессов;
Управление основной памятью (регистры, кэш-память, ОЗУ);
Управление вводом/выводом запросов для внешних устройств и буферов;
Защита областей оперативной памяти в части запрета/разрешения операций записи/чтения;
Обслуживание прерываний с учетом приоритетов.
Управление базой данных предусматривает, что в современных средствах связи для станционных данных, статических данных, данных об абонентах, используются такая форма представления, организация, систематизация, чтобы эти данные могли быть найдены и обработаны с помощью управляющих устройств на основе МПр. Базы данных современных средств связи большой емкости, как правило, распределенные и реляционные. Распределенность означает, что УУ могут поддерживать свои базы данных, которые необходимо периодически синхронизировать с базами данных других УУ, прежде всего с базой данных ЦУУ. В реляционной базе все данные организованы в виде двумерных таблиц, причем каждый столбец в таблице включает данные одинакового типа (число, символ), столбец имеет уникальное имя, в таблице нет одинаковых данных. Между таблицами поддерживается система логических ссылок, что позволяет, обратившись к одной таблице далее получить доступ к другим таблицам.
Программы восстановления работоспособности средств связи распределены между всеми управляющими устройствами. Восстановление предусматривает реализацию перехода средства связи в штатный режим эксплуатации после запуска/перезапуска программного обеспечения управления, ввода в эксплуатацию вновь установленной, замененной или восстановленной после сбоя аппаратуры. Восстановление может потребоваться, например, при полном пропадании электропитания, после отказа физического элемента. Повторный запуск программных и аппаратных средств в штатном режиме после завершения процесса восстановления или ремонта называется инициализацией (initialization, INIT). Существует несколько уровней инициализации.
На первом уровне инициализации (INIT 1) осуществляется запуск в штатном режиме индивидуальных управляющих устройств ИУУ, модулей соединительных линий, модулей линий доступа, отдельного периферийного оборудования. Это так называемая локальная инициализация.
На втором уровне инициализации (INIT 2) осуществляется запуск в штатном режиме групповых управляющих устройств ГУУ, а также запуск блоков соединительных линий, блоков линий доступа, соответствующих управляющих устройств и периферийного оборудования, если INIT 1 не дал положительных результатов.
На третьем уровне инициализации (INIT 3) осуществляется запуск в штатном режиме центральных управляющих устройств, соответствующего им аппаратного и программного обеспечения. В результате может потребоваться перезапуск ГУУ (INIT 2), например, для синхронизации баз данных устройств с последующим переходом к INIT 1. уровень INIT3 следует рассматривать как критический, перезапуск на таком уровне может привести к потере работоспособности средства связи вплоть до завершения INIT 1, на что уйдет несколько часов.
В случае полно или частичного неуспеха инициализации INIT 3, INIT 2 или INIT 1 средство связи переходит в режим ручного восстановления. В этом случае инженер по техобслуживанию и эксплуатации проводит детальное тестирование отказавших элементов, перезапускает программное обеспечение управления с внешнего носителя, заменяет отказавшее или сбойное оборудование на стативе. После выполнения процедур ремонта, перезагрузки вновь запускаются уровни INIT 1 … INIT 3. При этом инженер имеет возможность определять направление и уровень процессов восстановления и инициализации.
Многие средства связи поддерживают концепцию построения программной системы управления как основной программы управления (generic program) или прикладной программной системы (application program system, APS). Основная программа управления включает все необходимые программные компоненты и структурные единицы для обеспечения функционирования средств связи. Можно выделить шесть базовых компонент прикладного программного обеспечения управления средством связи:
Коммутационные программы – управляют процессами установления соединений и разъединения каналов/трактов, процессами коммутации в цифровом коммутационном поле, процессами маршрутизации и передачи кадров/пакетов, включая транзитные и тестовые соединения и сообщения. Также включают программы оперативного управления периферийным оборудованием и сетевыми элементами в процессе коммутации и передачи.
Программы технической эксплуатации (ТЭ) предназначены для автоматизации процессов контроля, диагностики, тестирования, восстановления оборудования и ПО средства связи, включают программы установок обновлений ПО патчей (частных исправлений ПО без перекомпиляции всего программного кода ПО). Программы ТЭ также используется при запуске оборудования и программного обеспечения в эксплуатацию после устранения отказа.
Административные программы предназначены для авторизации и идентификации пользователей программного обеспечения, для разграничения доступа пользователей к функциям программного управления средством связи с помощью паролирования и присвоения соответствующих полномочий. Административные программы используются для запуска задач по сбору статистических данных о трафике, сбору и предоставлению данных о состоявшихся соединениях (CDR-записи), сведений о работе оборудования системы коммутации.
Программы функциональных возможностей средства связи предназначены для реализации различных функций средства связи, которые могут реализовываться как дополнительные возможности в процессе функционирования коммутационных программ. Это относится к созданию узлов коммутации услуг интеллектуальной сети SSP (Service Switching Point), поддержке агента протокола SNMP, услуги Centrex и т.п.
База станционных данных предназначена для хранения сведений о конфигурации и составе аппаратуры средства связи, составе программного обеспечения. В базе станционных данных может указываться как фактически установленное оборудование (модули соединительных линий, модули линий доступа, модули пространственно-временной коммутации, ИУУ, ГУУ, ЦУУ) так и максимально допустимое число аппаратуры, которая может быть установлена в данной конфигурации. В базе станционных данных также могут находиться таблицы со сведениями статистических счетчиков и регистров для записи и хранения данных по трафику, по количеству записей о состоявшихся разговорах, счетчики с указанием попыток вызовов/занятий в направлении связи, по данному тракту и т.п. База станционных данных позволяет формировать таблицы с описанием маршрутов пропуска нагрузки с привязкой к данным транспортной сети и сети доступа.
База абонентских данных предназначена для хранения информации об абонентах. При этом перечень информации об абонентах, список параметров и доступных характеристик, данные о назначаемых абоненту основных и дополнительных услугах связи предоставляет производитель средства связи. Оператор связи осуществляет информационное наполнение базы данных, осуществляет ввод актуальной информации по каждому абоненту, например номер абонента, тип номеронабирателя, IP-адрес порта, количество и порядок анализа цифр набора номера, код зоны семизначной нумерации, приоритет абонента или группы абонентов и т.п.
В заключении рассмотрим особенности функций программного обеспечения по всем трем уровням управления на рис.1.
На уровне 1 осуществляется управление отдельными модулями с помощью МПр малой мощности. Каждый МПр поддерживает функционирование либо собственной малой ОС/kernel, либо часть общестанционной многопроцессорной/распределенной ОС. Часть функций управления здесь реализуется специализированными МПр со схемной реализацией алгоритма обработки данных либо с помощью замонтированного ПО. Это объясняется тем, что на уровне 1 вся обработка сигналов электросвязи осуществляется в реальном масштабе времени. Управление уровнем 1 осуществляется с уровня 2. также на уровне 1, как описано выше, реализуются процессы восстановления и инициализации оборудования и программного обеспечения.
На уровне 2 осуществляется групповое управление отдельными блоками или группами блоков с помощью МПр средней мощности. Каждый МПр поддерживает функционирование либо собственной малой ОС/kernel, либо часть общестанционной многопроцессорной/распределенной ОС. Большинство функцийуправления здесь реализуется специализированными МПр с загружаемым ПО, например сетевыми процессорами. Допускается использование МПр общего назначения. На уровне 2 осуществляется обработка информационной частисигналов – заголовков пакетов/кадров, анализ цифр набора номера, сбор, обработка и анализ результатов тестирования и диагностики аппаратуры и программного обеспечения уровня 1 и уровня 2. На уровне 2 принимается решение о начале процедуры обслуживания пользователя, о завершении процедуры, формируется CDR, осуществляется фильтрация пакетов на основании анализа информационной части, обрабатываются сообщения поддерживаемых систем сигнализации. Управление уровнем 2 осуществляется с уровня 3. На уровне 2, как описано выше, реализуются процессы восстановления и инициализации оборудования и программного обеспечения этого уровня и управление процессами восстановления уровня 1. Используются компоненты программ управления и базы данных в части, касающейся работы данного ГУУ; не используются административные программы и программы функциональных возможностей.
На уровне 3 осуществляется единое управление всеми блоками или группами блоков, цифровым коммутационным полем, периферийным оборудованием с помощью МПр средней или большой мощности. Каждый МПр поддерживает функционирование либо собственной малой ОС/kernel, либо часть общестанционной многопроцессорной/распределенной ОС. Большинство функций управления здесь реализуется МПр общего назначения (универсальные МПр) с загружаемым ПО. На уровне 3 осуществляется маршрутизация вызовов или пакетов, общестанционный сбор, обработка и анализ данных тестирования и диагностики аппаратуры и программного обеспечения уровня 1, 2 и 3. На уровне 3 принимается решение о сценарии обслуживания пользователя, решаются проблемы маршрутизации трафика, осуществляется обновление и модернизация программного обеспечения управления, поддерживается система диалога «человек-машина», осуществляется управление уровнем 2. Используются все компоненты программ управления и базы данных в части, касающейся работы данного ЦУУ; могут не использоваться программы, уже функционирующие на уровне 2.
По способу хранения и обработки данных программное обеспечение управления средств связи можно условно разделить на внутреннее и внешнее. Внутреннее программное обеспечение постоянно (резидентно) находится в оперативной памяти средств связи или хранится в состоянии постоянной готовности к применению на накопителе на жестком диске. Внешнее программное обеспечение физически постоянно храниться на внешних запоминающих устройствах (накопители на магнитных лентах, оптические и магнитооптические накопители), а также на отдельных персональных ЭВМ, иных вычислительных устройствах, не входящих в состав управляющего комплекса средства связи.
Внутреннее ПО включает ядро (kernel), операционную систему, программы восстановления и инициализации, базы данных и программы управления. Как правило, состав, структура и способы организации внутреннего ПО неразрывно связаны со структурой и способами построения управляющего комплекса, типами используемых процессоров.
Внешнее ПО – это программное обеспечение, которое непосредственно не используется при штатной эксплуатации средства связи. Внешнее ПО включает в себя программы автоматизированного проектирования ПО средств связи, отладочные программы, испытательно-наладочные программы.
Программы автоматизированного проектирования применяются на этапе разработки и кодирования программного обеспечения для создания программ на языках программирования высшего уровня и в машинных кодах. Отладочные программы используются для контроля и тестирования целостности, корректности и устойчивости к сбоям оборудования разработанного ПО управления. Отладка может осуществляться на программных эмуляторах средств связи или на макетах оборудования. Как правило, в качестве макета оборудования используется серийный промышленный образец. Возможна автономная отладка отдельных модулей ПО с последующей комплексной проверкой ПО в целом. Испытательно-наладочные программы предназначены для обнаружения и локализации неисправностей в УК в процессе пуско-наладки и эксплуатации.
Внешнее ПО не работает в реальном времени, т.к. оно не решает непосредственно задачи поддержки функционирования средств связи. В этой связи рассмотрим далее функции операционных систем, которые обеспечивают функционирование средств связи в реальном времени.