Система определения причин отказа в обслуживании, вызванного эксплуатационными отказами и сбоями и (или) информационно-техническими воздействиями

Изобретение относится к области телекоммуникаций, а именно к области диагностирования и контроля технического состояния сетевого оборудования, компьютерных сетей функционирующих в условиях эксплуатационных отказов, сбоев, а так же компьютерных атак.

Термины и определения:

Прогнозирование – определение тенденций и перспектив развития тех или иных процессов на основе анализа данных об их прошлом и нынешнем состоянии. [Словари «Академик» [Электронный ресурс] URL: https://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_philosophy/7131/ПРОГНОЗИРОВАНИЕ]

Сбоем называется самоустраняющийся отказ, приводящий к кратковременной утрате работоспособности объекта. Таким образом, восстановление сбоя не требует ремонта или замены технических средств, работающих в системе. [Большая энциклопедия нефти и газа [Электронный ресурс] URL: http://www.ngpedia.ru/id229403p1.html]

Эксплуатационный отказ – отказ, возникший в результате нарушения установленных правил и (или) условий эксплуатации объекта. Эксплуатационные отказы являются следствием нарушений условий работы, на которые рассчитан данный период, несоблюдения оговоренных в технической документации правил эксплуатации, низкой квалификации обслуживающего персонала, естественного старения, изнашивания и других причин. Эксплуатационные отказы проявляются не только в начальный период эксплуатации, но и в последующее время. [Большая энциклопедия нефти и газа [Электронный ресурс] URL: http://www.ngpedia.ru/id229377p1.html]

Известно устройство измерения качества каналов связи передачи цифровой информации (патент РФ №2230437, H04B 17/00 опубл. 10.06.2004 г. Бюл. № 16.). Устройство содержит индикатор работоспособности, анализатор, элемент И, измеряемый приемник, первый блок переключения, оконечная аппаратура, второй блок переключения, блок измерения исправляющих способностей приемника, блок контроля оконечной аппаратуры, блок измерения коэффициента исправного действия.

Наиболее близким по технической сущности и выполняемым функциям аналогом (прототипом) к заявленному является устройство диагностирования каналов передачи цифровой информации (патент РФ №2473114, G06F 11/30, H04B 17/00 опубл. 20.01.2013 г. Бюл. № 2.) Устройство содержит измеряемые приемники, первый блок переключения, оконечную аппаратуру, второй блок переключения, блок измерения коэффициента исправного действия, индикатор работоспособности, анализатор, элемент И, блок измерения исправляющих способностей приемника, блок контроля оконечной аппаратуры, устройство управления, устройство вероятностного прогнозирования, блок расчета коэффициента оперативной готовности, система цифровой обработки сигналов.

Техническая проблема – большое время диагностирования причин возникновения отказов в обслуживании в связи с низкой достоверностью оценки причин отказа вызываемых эксплуатационными отказами и сбоями или информационно-техническими воздействиями.

Технический результат – снижение времени оценки причин отказа в обслуживании вызванных эксплуатационными отказами и сбоями и (или) информационно-техническими воздействиями.

Техническая проблема решается путем создания системы определения причин отказа в обслуживании вызванного эксплуатационными отказами и сбоями и (или) информационно-техническими воздействиями обеспечивающей повышение достоверности оценки причин отказа.

Техническая проблема решается тем, что в системе определения причин отказа в обслуживании вызванного эксплуатационными отказами и сбоями и (или) информационно-техническими воздействиями, включающей n-средств измерения физических параметров канала связи, m-комплектов оконечной аппаратуры, блок анализа физических параметров канала связи, блок прогнозирования технического состояния и способности предоставлять услуги связи, блок визуализации. Первый выход n-средств измерения физических параметров канала связи соединен со входом блока анализа физических параметров канала связи. Второй выход n-средств измерения физических параметров канала связи соединен с входом m-комплектов оконечной аппаратуры, первый выход которых соединен с входом блока анализа сетевого потока. Второй выход блока анализа физических параметров канала связи соединен с первым входом блока прогнозирования технического состояния и способности предоставлять услуги связи, согласно изобретению дополнительно введены g-пользовательских интерфейсов, блок анализа сетевого потока, блок оценки качества предоставляемых услуг связи, база данных. Блок прогнозирования технического состояния и способности предоставлять услуги связи дополнительно осуществляет расчет допустимого отклонения (), определение причины отказа и взаимодействие с базой данных. Второй выход m-комплектов оконечной аппаратуры соединен с входом g-пользовательских интерфейсов. Первый выход блока анализа физических параметров канала связи соединен с вторым входом блока визуализации, первый выход блока анализа сетевого потока соединен с вторым входом блока прогнозирования технического состояния и способности предоставлять услуги связи. Второй выход блока анализа сетевого потока соединен с первым входом блока визуализации, первый выход блока оценки качества предоставляемых услуг связи соединен с третьим входом блока прогнозирования технического состояния и способности предоставлять услуги связи. Второй выход блока оценки качества предоставляемых услуг связи соединен с четвертым входом блоком визуализации. Первый выход блока прогнозирования технического состояния и способности предоставлять услуги связи соединен с пятым входом блока визуализации. Первый выход блока базы данных соединен с четвертым входом блока прогнозирования технического состояния и способности предоставлять услуги связи, второй выход блока базы данных соединен с третьим входом блока визуализации.

Перечисленная новая совокупность существенных признаков обеспечивает снижение времени оценки причин отказа в обслуживании вызванных эксплуатационными отказами и сбоями и (или) информационно-техническими воздействиями.

Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленной системы, отсутствуют. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности "новизна".

«Промышленная применимость» способа обусловлена наличием элементной базы, на основе которой могут быть выполнены устройства, реализующие данную систему с достижением указанного в изобретении результата.

Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Заявленные объекты системы поясняются чертежами, на которых показаны:

Фиг.1 – блок-схема системы определения причин отказа в обслуживании при техническом и (или) информационно-техническом воздействии.

Фиг.2 – матрица состояний.

Фиг.3 – блок-схема блока прогнозирования технического состояния и способности предоставлять услуги связи.

Система определения причин отказа в обслуживании вызванного эксплуатационными отказами и сбоями и (или) информационно-техническими воздействиями (Фиг. 1) содержит n-средств измерения физических параметров канала связи (1), m-комплектов оконечной аппаратуры (2), g-пользовательских интерфейсов (3), блок анализа физических параметров канала связи (4), блок анализа сетевого потока (5), блок оценки качества предоставляемых услуг связи (6), блок прогнозирования технического состояния и способности предоставлять услуги связи (7), база данных (8), блок визуализации (9).

Заявленная система (Фиг. 1) работает следующим образом. На первоначальном этапе формируются значения, заносимые в базу данных (блок 8).

В базу данных заносятся:

Наборы значений, характеризующих корректное функционирование системы:

- – набор значений физических параметров канала связи;

- – набор значений параметров сетевого потока;

- – набор значений параметров качества предоставляемых услуг связи.

Допустимые значения отклонений параметров о нормы:

- – набор значений допустимого отклонения физических параметров канала связи;

- – набор значений допустимого отклонения параметров сетевого потока;

- – набор значений допустимого отклонения параметров качества предоставляемых услуг связи.

Задается матрица состояний, которая представляет собой набор матриц состояний параметров (фиг. 2).

После чего на n-входов n-комплектов средств измерения физических параметров канала связи (блок 1) поступают информационные сигналы (в качестве n-комплектов средств измерения физических параметров канала связи могут применяться: оптический рефлектомер [Exfo FTB-200v2 [Электронный ресурс] URL: http://servicepribor.ru/model.php?id=6034 ], анализатор параметров цифровых трактов [BERcut-SDH [Электронный ресурс] URL: http://servicepribor.ru/model.php?id=5509], тестер потоков E1 и передачи данных [EDT-135 [Электронный ресурс] URL: http://servicepribor.ru/model.php?id=5321]).

В качестве параметров могут применяться следующие:

- спектральная характеристика источника излучения;

- джиттер;

- задержка;

- мощность излучения передатчика;

- ширина спектральной линии;

- стабильность механических соединений (повторяемость результатов, вносимых потерь и коэффициент обратного отражения);

- однородность волокон по затуханию и дисперсии;

- значение вносимого затухания при соединении строительных длин;

- чувствительность приемника. Результаты параметров и характеристики элементов линейного тракта закладываются в принятые проектные решения и служат для определения длины участка регенерации или длины усилительного участка.

После n-комплектов средств измерения физических параметров канала связи информационный сигнал поступает на m-комплектов оконечной аппаратуры (блок 2), а измеренные значения физических параметров канала связи передаются на блок анализа физических параметров канала связи (блок 4). После m-комплектов оконечной аппаратуры информационный сигнал поступает на вход g-пользовательских интерфейсов (блок 3) и на вход блока анализа сетевого потока (блок 5).

Под пользовательским интерфейсом понимается интерфейс, обеспечивающий передачу информации между пользователем-человеком и программно-аппаратными компонентами компьютерной системы [Systems and software engineering – Vocabulary. INTERNATIONAL STANDARDISO/IEC/IEEE 24765:2017 [Электронный ресурс] URL: http:\\standards.iso.org/ittf/PubliclyAvailableStandards/c071952_ISO_IEC_IEEE_24765_2017.zip#en]. Под совокупностью средств и методов интерфейса пользователя подразумеваются: Средства вывода информации из устройства к пользователю – экраны (дисплеи, проекторы) и средства ввода информации/команд пользователем в устройство – клавиатура.

В блоке анализа физических параметров канала связи (блок 4) измеренные параметры упорядочиваются в набор значений физических параметров канала связи:

где – набор значений физических параметров канала связи;

k – количество физических параметров канала связи;

n – количество наборов значений физических параметров канала связи.

После чего набор значений физических параметров канала связи передается на вход блока визуализации (блок 9) (с целью визуализации изменения значений параметров) и на вход блока прогнозирования технического состояния и способности предоставлять услуги связи (блок 7).

С выхода m-комплектов оконечной аппаратуры (блок 2) в блок анализа сетевого потока (блок 5) поступает полученный сетевой поток. Анализ сетевого потока в блоке анализа сетевого потока (блок 5) возможно осуществлять с помощью Zabbix server. Zabbix – это решение распределенного мониторинга корпоративного класса с открытыми исходными кодами [Zabbix [Электронный ресурс] URL: https://www.zabbix.com/].

В качестве анализируемых параметров сетевого потока могут применяться:

1. Повтор определённых событий, действий. К примеру, обращение к портам (сканирование), подбор пароля, повтор запросов на установление соединения, приводящее к переполнению очереди или буфера;

2. Непредвиденные параметры в сетевых пакетах

- непредвиденные атрибуты адреса (немаршрутизируемые или зарезервированные IP-адреса, значение в поле порта источника или назначения равно нулю, запрос нестандартных серверов);

- непредвиденные параметры флагов сетевых пакетов (при установленном флаге ACK номер подтверждения равен нулю; в пакете два взаимоисключающих флага SYN+FIN; наличие только флага FIN; использование сочетания флагов SYN+RST и RST+FIN);

- непредвиденные атрибуты времени или даты;

3. Несоответствующие параметры сетевого трафика

- параметры входящего трафика (входящие извне в локальную сеть пакеты, имеющие адрес источника, соответствующий диапазону адресов внутренней сети);

- параметры исходящего трафика (исходящие из локальной сети пакеты, имеющие адрес источника, соответствующий диапазону адресов внешней сети);

- несоответствующие текущей ситуации команды (неправильные запросы или ответы);

- аномалии сетевого трафика (изменение коэффициента загрузки, размера пакета͵ среднего количества фрагментированных пакетов).

Измеренные значения параметров сетевого потока упорядочиваются в набор значений параметров сетевого потока:

где – набор значений параметров сетевого потока;

l – количество параметров сетевого потока;

m – количество наборов значений параметров сетевого потока.

После чего набор значений параметров сетевого потока передается на вход блока визуализации (блок 9) и вход блока прогнозирования технического состояния и способности предоставлять услуги связи (блок 7).

После g-пользовательских интерфейсов информационный сигнал поступает на блок оценки качества предоставляемых услуг связи (блок 6). Контроль качества предоставления услуг связи описан в [С.В. Ваняшин // Учебное пособие. Контроль качества предоставления услуг (SLA) в сетях IP/MPLS // Федерально агентство связи. ФГБОУВПО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики». Самара 2017 г.]. Помимо этого, оценку качества услуг связи возможно осуществлять с помощью универсального измерительного зонда Metrotek [НТЦ Метротек. Приборы и измерения [Электронный ресурс] URL: http://metrotek.spb.ru].

После чего измеренные значения параметров качества предоставляемых услуг связи упорядочиваются в набор значений параметров качества предоставляемых услуг связи:

где: – набор значений параметров качества предоставляемых услуг связи;

z – количество параметров качества предоставляемых услуг связи;

g – количество наборов значений параметров качества предоставляемых услуг связи.

После чего набор значений параметров качества предоставляемых услуг связи передается на вход блока визуализации (блок 9) и вход блока прогнозирования технического состояния и способности предоставлять услуги связи (блок 7).

На первую группу входов блока прогнозирования технического состояния (блок 7) поступает набор значений физических параметров канала связи , на вторую группу входов блока поступает набор значений параметров сетевого потока , на третью группу входов поступает набор значений параметров качества предоставляемых услуг связи . На четвертую группу входов из базы данных поступают заранее заданные значения , , . Помимо этого из базы данных поступает набор значений характеризующий допустимое отклонение каждого из параметров для заданных наборов:

где – набор значений допустимого отклонения физических параметров канала связи;

k – количество значений допустимого отклонения физических параметров канала связи;

n – количество наборов значений допустимого отклонения физических параметров канала связи.

где – набор значений допустимого отклонения параметров сетевого потока;

l – количество значений допустимого отклонения сетевого потока;

m – количество наборов значений допустимого отклонения параметров сетевого потока.

где – набор значений допустимого отклонения параметров качества предоставляемых услуг связи;

z – количество значений допустимого отклонения параметров качества предоставляемых услуг связи;

g – количество наборов значений допустимого отклонения параметров качества предоставляемых услуг связи.

В блоке расчета (блок 7.1) (Фиг. 3) осуществляется расчет отклонения (Δ) измеренных параметров от требуемых которые хранятся в базе данных. В случае если рассчитанное отклонение меньше или равно требуемому , то продолжается дальнейшее функционирование системы.

Если рассчитанное отклонение больше требуемого , В противном случае в блоке прогнозирования (блок 7.2) (Фиг. 3) осуществляется прогнозирование времени наступления отказа в обслуживании.

Прогнозирование осуществляется на основе трендов. Методы экстраполяции трендов основаны на статистическом наблюдении динамики определенного показателя, определении тенденции его развития и продолжении этой тенденции для будущего периода. [А.В. Бабкин Определение затрат на эксплуатацию техники и систем связи // СПб.: Издательство СПбГТУ, 2001.-108с.]

Спрогнозированные значения времени наступления отказа в обслуживании передаются в блок визуализации (блок 9). Помимо этого в блок определения причины отказа (Фиг. 3) передаются рассчитанное отклонение (Δ) измеренных параметров от требуемых , , :

где – набор рассчитанных значений допустимого отклонения физических параметров канала связи;

k – количество физических параметров канала связи.

где – набор рассчитанных значений допустимого отклонения параметров сетевого потока;

l – количество параметров сетевого потока.

где – набор рассчитанных значений допустимого отклонения параметров качества предоставляемых услуг связи;

z – количество параметров качества предоставляемых услуг связи.

В блок определения причины отказа (Фиг. 3) из блока прогнозирования (Фиг. 3) поступают рассчитанные значения , , , из базы данных поступает матрица состояний (фиг. 3). Используя метод матрицы состояний [В.А. Соловьев Полеты в космос. Оперативное управление космическими аппаратами. Контроль полета и парирование нештатных ситуаций [Электронный ресурс] URL: https://en.ppt-online.org/91169/] делается заключение о текущем состоянии как итог сравнения с матрицей заранее определенных состояний.

После чего полученные значения передаются на устройство визуализации. На устройстве визуализации выводится следующая информация:

1) измеренные наборы значений , , . Формат отображения: «название набора – название параметра – значение». При этом параметры, вышедшие за пределы требуемых значений отображаются красным цветом;

2) спрогнозированное время наступления отказа в обслуживании. Формат отображения: «спрогнозированное время наступления отказа в обслуживании – значение (в минутах)»;

3) причина отказа в обслуживании. Принимает два значения:

- информационно-техническое воздействие;

- эксплуатационный отказ или сбой.

Расчёт эффективности заявленной системы проводился согласно коэффициента несоответствия Тэйла. Осуществлялась оценка точности прогноза выполненного по построенной модели [Е.Ю. Пискунов «Модификация коэффициента Тэйла». Электронный журнал «Известия Иркутской государственной экономической академии» №5, 2012 г.].

;

где P_t и A_t – соответственно предсказанное и фактическое (реализованное) изменение переменной. Коэффициент , когда все P_t = A_t (случай совершенного прогнозирования); , когда процесс прогнозирования приводит к той же среднеквадратической ошибке, что и экстраполяция неизменности приростов; , когда прогноз дает худшие результаты, чем предположение о неизменности исследуемого явления.

Достоинством коэффициента Тэйла является возможность использования при сопоставлении качества прогнозов, получаемых на основе различных методов и моделей.

Устройство-прототип учитывает только техническое состояние канала связи, таким образом предсказанные значения будут соответствовать фактическим только в этом случае и значение коэффициента будет меньше единицы и стремиться к нулю. Рассмотрим матрицу состояний (Фиг. 4), устройство-прототип учитывает только техническое состояние канала связи и оценивает физические параметры канала связи ,, (Фиг. 4) в данном случае коэффициент Тэйла будет стремиться к нулю:

Предлагаемая система дополнительно оценивает параметры сетевого потока ,  , и параметры качества предоставляемых услуг связи , , в данном случае коэффициент Тэйла для устройства-прототипа будет рассчитываться как:

Коэффициент Тэйла для предлагаемой системы (даже в случае несовершенного прогнозирования например, 8 из 9 значений) будет рассчитываться как:

Далее производим сравнение рассчитанных коэффициентов Тэйла для прототипа () и заявленной системы ()

На основании произведенного сравнения рассчитанных коэффициентов Тэйла для прототипа () и заявленной системы (), следует вывод, что результаты прогнозирования заявленной системы достовернее отражают протекающие процессы.

На основании этого, следует вывод, что заявленная система определения причин отказа в обслуживании вызванного эксплуатационными отказами и сбоями и (или) информационно-техническими воздействиями снижает время диагностирования причин возникновения отказов в обслуживании в связи и повышает достоверность оценки причин отказа, вызываемых эксплуатационными отказами и сбоями и (или) информационно-техническими воздействиями.