автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Разработка и исследование систем мониторинга распределенных объектов телекоммуникаций

На правах рукописи /

Воробьёв Анатолий Евгеньевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

31 ИЮЛ 2014

005551388

Самара-2014

005551388

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном бюджетном учреждении высшего профессионального образования «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики» (ФГОБУ ВПО ПГУТИ)

Научный руководитель: Лихтцппдер Борис Яковлевич, доктор технических наук,

профессор ФГОБУ ВПО «Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики»

Официальные оппоненты: Косолапое Александр Михайлович, доктор технических

наук, профессор ФГБОУ ВПО «Самарский государственный университет путей сообщений», заведующий кафедрой «Информационные системы и телекоммуникации»

Орлов Сергей Павлович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет», заведующий кафедрой вычислительной техники

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет)», г. Самара

Защита состоится 12 сентября 2014 г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 219.003.02 при Поволжском государственном университете телекоммуникаций и информатики по адресу: 443010, г. Самара, ул. Льва Толстого, д. 23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПГУТИ и на сайте: http://www.psuti.ru/upload/science/19_6.pdf

Автореферат разослан «_»_2014 г.

(У^

Щ/{ Мишин Дмитрий Викторович

Ученый секретарь диссертационного совета Д 219.003.02 , д.т.н., профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Последние десятилетия стремительно развиваются телекоммуникационные сети. Следствием этого является постоянно повышающаяся сложность их эксплуатации и наладки. Новые цифровые системы связи демонстрируют пороговый эффект ухудшения своей работы, когда система выходит из строя одномоментно и пеожкданпо для оператора. Проблема построения эффективной системы эксплуатации неразрывно связана с задачей нормирования и контроля параметров качества сети оператором.

Данная задача может быть решена, помимо использования ручных измерительных инструментов, за счет автоматизированного сбора информации с территориально распределенных устройств измерений параметров объектов телекоммуникаций. Такие автоматизированные системы измерений получили название систем мониторинга, в функции которых входит сбор, архивирование и обработка информации с использованием методов экспертного анализа.

Обладание полной, актуальной и достоверной информацией о наблюдаемом объекте позволяет принять решение о каких-либо оперативных действиях в случае, если его состояние стремится перейти из нормального в аварийное. Также наличие истории измерений параметров и статистических данных об объекте мониторинга позволяет скорректировать алгоритм его работы для более эффективного и надежного функционирования.

Собранная информация о режиме работы объекта мониторинга направляется в диспетчерский центр, где ответственное лицо может оперативно принять решение для устранения возникшей аварийной ситуации. На основе детальных данных, удаленпо считанных с набора технических средств, установленных на объекте мониторинга, эксплуатационный и ремонтный персонал способен быстрее локализовать и устранить причину неисправности. Таким образом, применение систем мониторинга позволяет повысить надежность телекоммуникационных систем, количественно выражепную в виде коэффициента технического использования (КТИ), за счет уменьшения времени восстановления и простоя при профилактическом ремонте.

За счет использования систем мониторинга появляется положительный экономический эффект - многие операции, направленные на проверку технического состояния, поддержание работоспособности системы и локализации причин неисправности производятся удаленно автоматизировано или автоматически.

В настоящее время существует проблема хищения кабелей и телекоммуникационного оборудования с объектов связи. Так, например, за 9 месяцев 2011 года на Урале зафиксировано 1750 случаев хищения кабеля. Ущерб, наносимый преступными действиями в одном только регионе, может достигать 22 млн. руб. в год. Отказ телекоммуникационного оборудования имеет также и социальные последствия: отсутствие связи, как у простых граждан, так и у больниц, школ, детских садов и экстренных служб. Применение систем мониторинга позволяет оперативно предотвращать случаи хищепия и порчи телекоммуникационного оборудования.

Развитие систем телекоммуникаций приводит к тому, что к системам мониторинга предъявляются новые требования. На смену координатным АТС пришли электронные цифровые, появилась глобальная сеть Интернет, сотовая связь. Появление у операторов связи новых услуг характеризуется увеличением объектов контроля (базовые станции, телекоммуникационные шкафы РТТВ и т.д.), а к качеству связи предъявляются высокие требования. Поэтому, в условиях жесткой конкуренции, обеспечение надежности и высокого качества функционирования систем телекоммуникаций является важным аспектом. В связи с этим, появилась необходимость расширения функционала систем мониторинга, с целью повышения оперативности реагирования на нештатные ситуации и повышения надежности функционирования телекоммуникационных сетей.

Поэтому, в настоящее время, существует актуальная научно-техническая задача разработки и исследования структур систем мониторинга, повышающих надежность их функционирования, алгоритмов прогнозирования аварий, работающих в реальном времени, протоколов передачи данных, обеспечивающих эффективную передачу данных через низкоскоростные и ненадежные каналы связи.

Цель работы и задачп исследования. Целью работы является повышение надежности и эффективности работы систем мониторинга распределенных объектов телекоммуникаций.

Достижение цели требует решения следующих задач:

• Классификация и анализ свойств и особенностей существующих объектов и систем мониторинга для выявления проблем, требующих решения;

• Разработка структуры системы мониторинга распределенных объектов телекоммуникации, обеспечивающей повышенную надежность функционирования;

• Разработка и анализ эффективного протокола передачи данных в системе мониторинга, для обмена информацией между устройствами и серверами обработки, и поддерживающего шифрование трафика;

• Разработка алгоритмов интеллектуального управления и определения предаварийных режимов работы объектов, работающих в реальном времени;

• Исследование разработанных алгоритмов и систем для определения их особенностей, ограничений и оптимальных условий их применения;

• Апробация предложенных решений на практике и анализ полученных результатов.

Методы исследования. В диссертационной работе исследования выполнены с применением методов теории вероятностей, математической статистики, компьютерного, математического и натурного моделирования. Произведена апробация разработанных систем мониторинга на реальных объектах.

Научная новизна работы. Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

• Предложена и исследована новая структура систем мониторинга, отличающаяся наличием дублирующих распределенных вычислительных блоков, устанавливаемых

непосредственно на объектах мониторинга, повышающая надежность, за счет резервного буферизирования контрольно-измерительной информации;

• Предложен и разработан алгоритм адаптивного запроса передачи, основанный на анализе аномальных отклонений контролируемых параметров в реальном времени, с учетом возможности возникновения предаварийных ситуаций;

• Предложен, разработан и исследован специализированный протокол передачи контролируемых параметров объектов мониторинга, основанный на групповой передаче служебной информации, и, одновременно, осуществляющий коммутацию трафика на канальном уровне.

Основные положения, выносимые на защиту:

• Эффективный алгоритм прогнозирования аварий на объектах телекоммуникаций;

• Исследования алгоритмов коммутации, сжатия и шифровапия, относящиеся к разработанному сетевому протоколу SMT (Smart Monitoring Transfer Protocol);

• Новая структура системы мониторинга распределенных объектов телекоммуникаций и исследование надежности;

• Программный комплекс и результаты экспериментального исследования разработанных алгоритмов прогнозирования аварий.

Личный вклад. Все результаты, составляющие содержание диссертационной работы, получены автором самостоятельно и соответствуют пунктам 2, 3, б, 10 и 13 паспорта специальности 05.12.13.

Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается адекватным использованием методов математической статистики и теории вероятностей. Достоверность выводов подтверждается результатами моделирования и испытаний реальных систем.

Практическая ценность н реализация результатов работы. С непосредственным участием автора реализованы две системы мониторинга с использованием разработанных алгоритмов и протоколов: «АЯКС-Мониторинг» и «Облачный мониторинг». С непосредственным участием автора было разработано устройство опроса «АЯКС-СмартАларм», реализующий разработанный протокол SMT, для использования в системе «Облачный мониторинг». Опыт построения территориально распределешшх систем мониторинга также был распространен и на подвижные объекты мониторинга — разработана система автоматизации автодро.иа для обучения водителей автотранспорта. Получен патент на полезную модель «Система мониторинга с обособленным вычислительным блоком». В настоящее время все перечисленные системы мониторинга находятся в опытной эксплуатации.

Апробации работы. Результаты диссертационного исследования докладывались и получили одобрение на конференции «АНТЭ-2011» «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики», конференции «Инфотех-2011» «Информационные технологии информационная безопасность в науке, технике и образовании», семинаре «Проблемы борьбы с нелегитимным трафиком и порядком взаимодействия операторов и государственных органов в борьбе с правонарушениями в

сфере инфокоммуникаций», V конференции «Современные проблемы радиоэлектроники, телекоммуникаций и приборостроения», XI конференции «Контроль и управление в сложных системах» в 2011-2013 гг.

Публикации. По теме диссертации автором опубликовано 8 печатных работ и получен один патент на полезную модель. При этом основные результаты диссертации изложены в 3 статьях в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК РФ для опубликования результатов кандидатских диссертаций.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, приложений, содержит 128 страниц текста, 31 таблица, 50 рисунков, 10 страниц приложений.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы исследования, сформулированы объект, предмет исследования и цель. Поставлены задачи исследования, приведен перечень основных опубликованных работ по теме исследования и структура диссертации.

В первой главе дается обзор и классификация систем мониторинга распределенных объектов телекоммуникаций, производится анализ существующих принципов реализаций этих систем. Система мониторинга определятся, как измерительная система, сопряженная с системой телекоммуникаций, и имеющая цель повышения надежности функционирования систем телекоммуникаций. Показано, что надежность систем телекоммуникаций, как непрерывно работающих систем, численно выражаемая в виде коэффициента технического использования (КТИ), повышается за счет уменьшения времени простоя и ремонта. Время ремонта и простоя уменьшаются за счет того, что система мониторинга предоставляет актуальную информацию о состоянии системы телекоммуникаций, а также оперативно оповещает о возможных аварийных и предаварийных ситуациях.

Система мониторинга представляет собой систему упорядоченного опроса, реализуется в виде системы дистанционных измерений с развитым программным обеспечением, а также предусматривающая постоянный операторский контроль.

Системы упорядоченного опроса являются разновидностью систем массового обслуживания и подразделяются на два класса. Системы первого класса имеют пассивный сервер и активные заявки. В таких системах сервер обслуживает единственную очередь. В системах второго класса (системах поллинга) активный сервер, который по определенному правилу обходит очереди и обслуживает находящиеся в них заявки. В работах В.М. Вишневского приводятся исследования систем второго класса. В данной работе системы мониторинга рассматриваются как системы первого класса.

Устанавливается два основополагающих метода контроля — прямой и косвенный. В данной диссертационной работе рассматривается преимущественно косвенный метод контроля, подразумевающий анализ тех, параметров объектов, которые косвенно влияют на качество работы системы телекоммуникаций. Примерами контролируемых параметров являются: параметры электропитания, климатики, пожарная и охранная сигнализации и т.д. Системы прямого мониторинга, или территориально-распределенные измерительные

комплексы (ТРИК), рассмотрены в работах Бакланова И.Г. Далее приводится классификация объектов мониторинга и параметров, подлежащих контролю. Дается краткая характеристика распределенных объектов телекоммуникаций и их характерные особенности.

Приводятся примеры существующих систем мониторинга, дается их краткое описание и характерные особенности реализации. Классифицируются алгоритмы опроса технологических параметров и сетевые протоколы, использующиеся в подобных системах. Показано, что связь устройств опроса и сервера, как правило, осуществляется при помощи технологии Ethernet, однако, локальные связи между устройствами опроса могут осуществляться через ненадежные и низкоскоростные каналы, такие, например, как сеть RS-485 или коммутируемый телефонный канал.

В ходе анализа устанавливается, что существующие системы мониторинга не отвечают современным, постоянно повышающимся, требованиям, и есть необходимость разработки новых, более надежных систем.

Также обосновывается необходимость в разработке нового математического обеспечешм систем мониторинга, в виде алгоритмов опроса и обработки информации. Показана необходимость разработки и исследования алгоритма определения предаварийного состояния объекта мониторинга, позволяющего повысить надежность системы телекоммуникаций за счет реализации функций противоаварийной защиты и за счет увеличения получаемой информации об объекте непосредственно перед аварией.

Устанавливаются требования к разрабатываемой системе мониторинга и области, требующие дальнейшее изучение и анализ с целью повышения надежности работы систем телекоммуникаций.

Во второй главе производится обоснование выбора алгоритма опроса, с определением предаварийного режима. Суть алгоритма заключается в повышении частоты опроса, либо принятии иных мер, направленных на увеличение объема получаемой от объекта мониторинга информации, при определении предаварийпого режима. С использованием данного алгоритма могут быть подвергнуты анатизу следующие параметры объектов мониторинга: наличие или отсутствие напряжения ввода при анализе времени работы от резервных батарей источника бесперебойного питания, программный фильтр потока сообщений об ошибках контрольной суммы или ко.хтизий в линии связи, когда малое число ошибок не свидетельствует об аварии.

Алгоритм определения предаварийного режима основан на предложенной методике анализа «выбросов» технологического параметра.

В работе описана математическая модель процесса, на основе которой делались расчеты по алгоритму.

iV(i) - функция, описывающая поведение некоторого технологического параметра N - среднее значение этой функции

M т - предельно допустимое значение технологического параметра A(t) - суммарное значение «выбросов» параметра на момент времени t V(t) - скорость изменения «выбросов» на момент времени t

Л(() = Л(г-г) +]>(?-х)йЬ:

В качестве примера рассматривается определение предаварийного состояния по анализу превышения потребления объектом мониторинга электроэнергии. Реализация алгоритма, при использовании счетчиков электрической энергии, имеющих импульсный выход, возможна на базе программного или аппаратно реализуемого реверсивного счетчика импульсов. На суммирующий вход указанного счетчика поступают импульсы от счетчика электроэнергии, а на вычитающий вход поступают импульсы от генератора с определенной интенсивностью. Показания счетчика импульсов ограничены в сторону уменьшения нулевым значением. Если число импульсов, поступивших па вычитающий вход, окажется больше числа импульсов, поступающих на суммирующий вход, то показания счетчика остаются равными нулю.

Рассматривается аналоговая модель («протекающее ведро»), реализующая данный алгоритм. В ведро втекает вода с меняющимся случайным образом расходом V(поступление импульсов от счетчика электроэнергии на суммирующий вход), а вытекает с постоянным расходом ^(поступление импульсов от программного генератора на вычитающий вход). В случае если уровень воды в ведре равен нулю, то и расход Укр тоже равен нулю.

Сигнализация сработает, когда в ведро наберется вода объемом Акр. Это произойдет за время Т, с момента начала отсчета.

То есть, в данном случае, нормальный расход воды — это расход меньше г>кр, а сумма «выбросов», когда расход будет выше этого значения — это уровень воды в ведре.

Далее, приводятся методики расчета параметров алгоритма. Согласно стандартной методике, параметры вычисляются при решении системы (2):

Рисунок 1. Принципиальная схема реализации алгоритма.

(1]-1кр)Т1=Ак

кр

(2)

I Т - I т 2 _ 2 2 л\л\

(?)

Где (Ii;Ti), (I2;T2) — две любые точки на графике характеристики автоматического выключателя, U-напряжение питания, а-постоянная счетчика, и Акр — параметры алгоритма.

Также приводится методика быстрого расчета параметров. Данная методика применима для любых автоматических выключателей с характеристикой типа С. Суть ее заключается в том, что одна из точек всегда принимается при значении 1=1.45 1,„ то есть такое значение тока, при котором автоматический выключатель должен сработать через 60 минут. Тогда система уравнений упрощается и сводится к единственному уравнению.

AKp = g-1.45)lHUaT (4)

Где 1„ - номинальный ток для данного автоматического выключателя, (1„;Т„) —точка на графике характеристики выключателя.

Приведенный алгоритм определения предаварийного состояния исследован и выявлены его особенности. Показано, что в предложенном алгоритме зависимость времени срабатывания от перегрузки обратно пропорциональная, в то время как в реальном автоматическом выключателе эта зависимость носит иной, более сложный характер.

Также разработанный алгоритм является достаточно простым в расчете и реализации, что особенно важно, так как он работает в реальном времени, не требует знаний о свойствах объекта, а на вычислительном устройстве не займет много ресурсов и не отнимет большую часть процессорного времени. Данная особенность важна при реализации алгоритма на устройствах, построенных на базе микроконтроллеров и низкопроизводительных процессоров.

Также показано, что разработанный алгоритм определения предаварийного режима работы объекта мониторинга возможно использовать не только для того, чтобы увеличивать частоту опроса параметров устройством, но и для реализации противоаварийной защиты.

В третьей главе дается описание разработанного протокола передачи данных канального уровня SMT (Smart Monitoring Transfer Protocol), который был реализован в устройстве «АЯКС-СмартАларм», работающим в составе системы «Облачный мониторинг». Устанавливается, что применение типовых решений, на базе технологий Ethernet, для организации передачи данных в системах мониторинга является неэффективным решением ввиду высокой избыточности передаваемой информации в условиях наличия низкоскоростных и ненадежных линий связи. Поэтому существует необходимость в разработке нового протокола канального уровня.

Производится сравнение SMT со стеком протоколов, на базе технологии Ethernet (как это реализовано в системах «Ценсор-М» и «TexHOTpoHHC.SQL»), Показано, что особенностью протокола SMT является возможность сопрягать устройства по простым интерфейсам, например, через сети стандарта RS-485, при этом достигается повышенная экономическая эффективность решения, по сравнению с решением на базе технологий Ethernet. Особенностью протокола SMT является возможность создавать на его основе виртуальные сети.

Диспетчерский Сервер обработки

терминал данных

шщ

11Ш

Устройство опроса / шлюз

Маршрутизатор

Устройства опроса

Устройство опроса / .

Устройство опроса / шлюз

-

Устройство опроса

RS-232

■А <ф<

Устройство опроса

Рисунок 2. Пример структуры сети.

На рисунке 3 представлена структурная схема сети, в которой возможна реализация виртуальной сети (по примеру VPN, виртуальной частной сети). При этом все устройства, реализующие протокол SMT (устройства опроса и сервер обработки данных) будут находиться в одном широковещательном домене. В работе приводится структура кадра SMT и назначение всех его полей.

Для оценочного анализа эффективности существующих протоколов передачи данных в системах мониторинга предлагается разработанная методика. Суть методики заключается в определении полезной нагрузки пакета. Более эффективным считается тот протокол, в пакете которого доля полезной информации больше, по отношению к служебным данным.

Размер S пакета может быть вычислен по формуле (5):

(5)

Где 5П — это размер одной переменной, А - размер заголовка пакета, В - прирост служебных данных с каждой передаваемой переменной, к — число переменных в пакете.

Производится оценка избыточности пакетов. Избыточность пакета Я - это количественная характеристика протокола, равная отношению размера служебных данных к размеру всего пакета.

R

(6)

Данная методика использована для оценочного анализа протоколов, применяемых в системах мониторинга.

Таблица 1. Характеристики протоколов систем мониторинга.

Протокол/Характеристика К(8) А В

0,413 5,625 0

МосШиэ 0,5 8 0

БММР 0,825 29 27

КУБ 0,43 6 0

КУБ-Настройка 0,66 9 1

эмт 0,75 21 3

Где И.(8) - избыточность пакета при передаче одной переменной, размером 8 байт.

Разработанный протокол БМТ имеет сравнительно низкую эффективность, обусловленную наличием широкого спектра функций, отсутствующих у других проанализированных протоколов. Показано, что существует необходимость в разработке алгоритма сжатия для повышения эффективности.

Приводится подробное описание и анализ разработанных алгоритмов коммутации (статической и автоматической). Приведены особенности разработанных алгоритмов коммутации и даны практические рекомендации по их реализации. Для реализации протокола в устройстве необходимы таблицы коммутации, а также кэш-таблицы пакетов для зашиты от «широковещательного шторма».

Показано, что, с использованием данного протокола, возможно задание явного маршрута кадров за счет добавления нескольких заголовков в кадр (где в каждом заголовке содержится информация о следующем «прыжке»), что позволяет передавать данные в системе, не имеющей записи в таблицах коммутации. Это может быть использовано для первоначальной настройки таблиц коммутации в виртуальной сети удаленно, когда известна структура сети.

Основываясь на идее, что в системах мониторинга телекоммуникационных объектов передаются однообразные и повторяющиеся данные (в виде фиксированного повторяющегося списка переменных), реализован алгоритм сжатия без потерь. Принцип его работы заключается в передаче данных в виде структурированных блоков, когда формат структуры блока передается заранее, в виде списка кодов переменных и их длин, а затем, следующими пакетами, передаются сами данные, но уже без заголовков блоков. Единственный пакет, тело которого состоит только из служебных данных (избыточность 11=1), будет передаваться реже, например, один единственный раз, сразу же после установки соединения между двумя узлами. Тело остальных пакетов будет содержать только полезные данные (то есть характеристика В=0), что приведет к значительному уменьшению избыточности обмена, и, как следствие, к снижению нагрузки на сеть. Сжатие производится без потерь, с полным восстановлением данных.

Также приводится алгоритм шифрования пакета, основанный на алгоритме ХХТЕА. Это позволяет повысить информационную безопасность системы мониторинга, в которой применяется разработанный протокол. Применение алгоритма шифрования, как правило, негативно сказывается на эффективности протокола.

Далее рассматривается пример обмена устройства «АЯКС-СмартАларм» и сервера «Облачного мониторинга» по протоколу 8МТ с использованием разработанных алгоритмов сжатия и шифрования. Получены следующие результаты: Таблица 2. Результаты анализа изменения избыточности пакетов при шифровании.

Полезная нагрузка Размер пакета до шифрования Размер пакета после шифрования Избыточность ДО шифрования Избыточность после шифрования Изменение избыточности

Сжатый пакет 11 28 32 0,607 0,656 0,049

Несжатый пакет 11 40 40 0,725 0,725 0

Таблица 3. Результаты исследования влияния алгоритмов шифрования и сжатия на объем трафика.

Изменение объема трафика Изменение избыточности пакета

Алгоритм сжатия -30% -0,118

Алгоритм шифрования +14% +0,049

Сжатие и шифрование -20% -0,069

Также представлено сравнение протоколов, использующихся для реализации функций, необходимых для повышения надежности систем мониторинга. Показано, что протокол БМТ, при использовании алгоритма сжатия, имеет преимущество перед аналогами в условиях применения на низкоскоростных и ненадежных линиях связи.

В четвертой главе приводятся описание разработанных систем мониторинга, в которых были применены разработанные алгоритмы, реализация протокол вМТ и результаты их исследования. Затронута тема информационной безопасности в системах мониторинга. Приводится информация о системах: «АЯКС-Мониторинг», «Облачный мониторинг», «Автоматизированный автодром».

Алгоритм определения предаварийного состояния, с целью его исследования, реализован на языке С для микроконтроллера АЬпе1М^а64 и интегрирован в микропрограмму устройства КУБ-Микро/60.

При определении предаварийного состояния, устройство, с реализованным алгоритмом переключало, реле, коммутирующее дополнительную электрическую нагрузку. Для проверки алгоритма специально взят объект с током нагрузки, превышающим расчетный, за счет чего резко возрастала вероятность отключения электроэнергии из-за постоянных перегрузок.

При анализе результатов эксперимента было показано, что использование данного алгоритма предотвращало 91.5% аварий электропитания. Произведено сравнение предложенного алгоритма с аналогами и показано его преимущество в системах с низкой производительностью.

Таблица 4. Сравнение алгоритмов.

Алгоритм Ложные срабатывания Промахи

SMA 3% 34%

WMA 4% 16%

ЕМА 4% 11%

Пороговый 78% 0%

Предложенный алгоритм 9% 3%

Для сравнения были взяты алгоритмы: простое скользящее среднее (SMA), взвешенное скользящее среднее (WMA, ЕМА) и пороговый. При этом указывается, что гипотетический алгоритм с точной математической модель объекта может давать наилучший результат прогнозирования (до 100% точности и до 0% промахов), но при этом будет слишком требователен к вычислительным ресурсам, что недопустимо для алгоритма, работающего в реальном времени, поэтому не рассматривается.

Таким образом, показано, что разработанный алгоритм имеет преимущество (наименьшая вероятность промахов прогнозирования при достаточно высокой точности) перед аналогами при реализации на устройствах с низкой производительностью.

С целью оценки влияния новой разработанной структуры системы мониторинга с обособленным вычислительным блоком (устройством-обработчиком) на надежность была собрана статистика отказов с систем со старой структурой. Проанализирована работа устройств опроса, каналов связи, программного обеспечения и найдено время, и вероятность безотказной работы в течение месяца каждого из элементов систем передачи данных. Показано, что в системе мониторинга с новой структурой надежность значительно возрастает. Кроме того, становятся возможными частичные отказы, когда происходит отказ не всех функций системы мониторинга.

Рисунок 3. Структурные схемы надежности систем, а -исходной системы, Ь -системы с новой структурой при сохранении частичной работоспособности, с - системы с новой структурой, при сохранении полной работоспособности.

Где Р| - вероятность безотказной работы устройства опроса, Рт—вероятность безотказной работы локальной сети, Рз—вероятность безотказной работы основного канала связи, Р4-вероятность безотказной работы сервера (ПО), Р5-вероятность безотказной работы

устройства-обработчика, Рб-вероятность безотказной работы резервного канала связи, а-структура простой системы, Ь-структура системы с резервированием функций, с-структура системы с резервированием канала связи.

При использовании предложенной структуры системы мониторинга, вероятность безотказной работы в течение одного месяца увеличится в Рс/Ра = 1.52 раза, а вероятность непрерывной работы, но с возможными неполными отказами — в Рь/Ра = 2.58 раз.

Так как системы мониторинга — это непрерывно работающие системы, то для оценки их надежности необходимо использовать комплексные показатели надежности, такие как коэффициент технического использования (Кш) или коэффициент готовности (Кг).

Тс

^Ти

Тср+Те+т Тс

Кт = —2—

Где Тср — средняя наработка на отказ, Тв — среднее время восстановления, т - среднее время нахождения в состоянии профилактического ремонта.

Так как средняя наработка па отказ находится в прямой зависимости от вероятности безотказной работы, то ожидается, что коэффициенты технического использования и готовности повысятся при прочих равных.

Проводится исследование записанного трафика между сервером системы «Облачный мониторинг» и устройством «АЯКС-СмартЛларм». Даются практические рекомендации по уменьшению объема трафика без ущерба надежности и функциональности системы передачи, заключающиеся в использовании сетевого протокола 1ГОР. Такое решение, теоретически, позволит снизить общий объем трафика системы на 50%.

Производится оценка информационной безопасности, в ходе которой даются практические рекомендации по защите систем мониторинга от некоторых распространенных видов атак.

В заключении сформулированы основные результаты, полученные в диссертационной работе.

В приложении А приведена часть записанного и разобранного, при помощи диссектора, трафика, исследованного в четвертой главе. В приложении Б приведен пример структуры кадров до и после сжатия с применением разработанного алгоритма.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

• Рассмотрены современные принципы повышения надежности работы систем телекоммуникаций за счет применения систем мониторинга. Произведен обзор, классификация и анализ систем мониторинга и составляющих ее элементов. Установлено, что существующие системы мониторинга не отвечают возрастающим требованиям надежности и безопасности. Выделено три класса задач, требующих решения: разработка повой структуры системы мониторинга, новых алгоритмов и протокола обмена.

• Разработан сетевой протокол передачи данных для использования в системах мониторинга. Протокол включает в себя описание алгоритмов обмена,

статической и автоматической коммутации. Данные алгоритмы были исследованы, выявлены их особенности, недостатки и ограничения, результаты обобщены и даны практические рекомендации. Также была исследована эффективность далного протокола и выявлена необходимость в разработке алгоритма сжатия трафика, который впоследствии был реализован и исследован. Показано, что протокол БМТ имеет преимущество перед аналогами в условиях использования в ненадежных и низкоскоростных линиях связи.

• Разработан алгоритм определения предаварийного состояния объекта мониторинга, основанный на разработанной методике анализа случайных «выбросов» значений параметра. Даны рекомендации по использованию алгоритма для реализации эффективного опроса в системах мониторинга, повышающего надежность системы телекоммуникаций, суть которых заключается в повышении частоты опроса при определении предаварийного режима.

• На основе разработанного алгоритма определения предаварийного состояния реализована модель объекта мониторинга. Анализ результатов проведенного эксперимента показал работоспособность идеи. Даны практические рекомендации и указаны границы использования алгоритма, при которых он будет эффективен. Также для данной модели была разработана методика быстрого расчета ее параметров, незначительно влияющая на точность. Показано значительное снижение числа аварий объекта мониторинга при работе системы по данному алгоритму. Сравнение данной реализации алгоритма с аналогами покатало его преимущество в условиях работы на устройствах с низкой производительностью.

• С непосредственным участием автора разработаны и реализованы две системы мониторинга распределенных объектов телекоммуникаций: «ЛЯКС-Мониторинг» и «Облачный мониторинг». Показано, что использование предложенной в работе повой структуры в системе «АЯКС-Мониторинг» значительно повышает надежность.

• Опыт применения систем мониторинга на распределенных объектах мониторинга был распространён на подвижные объекты. В результате была разработана система мониторинга автодрома для автоматизации процесса обучения вождению.

• Проанализированы используемые в системах мониторинга объектов телекоммуникаций технологии и протоколы гпифроваиия и предложены способы повышения информационной безопасности.

Основные результаты диссертации опубликовали в работах [1-4].

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Воробьев А.Е. Применение моделей массового обслуживания в системах мониторинга электроэнергетических параметров / Лихтциндер Б.Я., Воробьев А.Е. // ИКТ. - Т. 10. - 2012, №3. - с. 44-46

2. Воробьев А.Е.Алгоритм определения момепта срабатывания автоматического выключателя по току перегрузки с использованием импульсного счетчика электроэнергии / Воробьев А.Е., Лихтциндер Б. Я. // ИКТ. — Т.12. - 2013, №2. - с. 99-104.

3. Воробьев А.Е.Принципы разработки автоматизированных автодромов / Воробьев А.Е., Раскин А.Я. // ИКТ. - Т. 10. - 2012, №4. - с. 83-87.

Публнкации в других изданиях:

4. Управляющая система: пат. 119473 Рос. Федерация: МПК G05 В 9/00 / Раскин АЛ., Глебездин Д.Ю., Игошев Д.С., Налескин Н.А., Грачев Д.В., Арефин Д.С., Воробьев А.Е.-2012116370 заявл.23.04.2012, опубл. 20.08.2012.Бюл-№23.-4 с.

5. Воробьев А.Е. Автоматизация обучения водителей автотранспорта / Воробьев А.Е., Лихтциндер Б.Я., Раскин АЛ., Иванова Л.Б. // Информационные технологии информационная безопасность в науке, технике и образовании: труды научно-технической конференции «ИНФОТЕХ-2011», - г. Севастополь, 2011.-е. 89-93.

6. Воробьев А.Е. Система мониторинга электро- и энергопараметров с определением предаварийных режимов / Воробьев А.Е., Лихтциндер АЛ., Раскин БЛ. // XIX Научная конференция ПГУТИ: труды конференции. - г. Самара, 2012. - с.32-35.

7. Воробьев А.Е. Автоматизация учебных автодромов / Лихтциндер БЛ., Воробьев А.Е., Раскин АЛ., Иванова Л.Б. // IX Международная научно-техническая конференция "Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики" "АНТЭ-2011": труды конференции. - Казань, 2011.-е. 73-75.

8. Воробьев А.Е. Автоматизация мониторинга приборов учета ЖКХ / Лихтциндер Б.Я., Иванова Л.Б., Воробьев А.Е., Раскин АЛ. // XI Международная конференция "Контроль и управление в сложных системах": труды конференции. - г. Винница, 2012.-е. 154-156.

9. Воробьев А.Е. Автоматизированные автодромы / Лихтциндер БЛ., Иванова Л.Б., Воробьев А.Е., Раскин АЛ. // V Международная конференция "Современные проблемы радиоэлектроники, телекоммуникаций, приборостроения": труды конференции, - г. Винница, 2011. - с. 41-44.

Федеральное государственное образовательное бюджетное учреждение высшего профессионального образования "Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики"

443010, г. Самара, ул. Льва Толсгаго 23

Подписано в печать 27.06.14 г. Формат 60 х 84/16 Бумага офсетная №1. Гарнитура Тайме. Заказ 1549. Печать оперативная. Усл. печ. л. 0,91. Тираж 100 экз.

Отпечатано в издательстве учебной и научной литературы Поволжского государственного университета телекоммуникаций и информатики 443090, г. Самара, Московское шоссе 77, т. (846) 228-00-44

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ»

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

На правах рукописи

04201460427

Воробьёв Анатолий Евгеньевич

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Лихтциндер Б.Я.

Самара - 2014

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................................................................4

ГЛАВА 1. ОБЗОР СИСТЕМ МОНИТОРИНГА....................................................................12

1.1. Системы мониторинга................................................................................................12

1.2. Классификация структур систем мониторинга.......................................................14

1.3. Обзор и классификация объектов мониторинга......................................................16

1.4. Обзор и классификация параметров, подлежащих мониторингу..........................19

1.5. Классификация контролируемых величин..............................................................20

1.6. Специфика объектов мониторинга...........................................................................22

1.7. Обзор алгоритмов опроса..........................................................................................23

1.9. Сетевые протоколы....................................................................................................25

1.10. Примеры систем мониторинга...............................................................................26

1.11. Обоснование необходимости новых разработок.................................................37

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМА ОПРОСА.......................40

2.1. Основные положения алгоритма..............................................................................40

2.2. Алгоритм прогнозирования аварии..........................................................................41

2.3. Реализация...................................................................................................................45

2.4. Результаты...................................................................................................................54

ГЛАВА 3. ПРОТОКОЛ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В СИСТЕМАХ МОНИТОРИНГА........56

3.1. Описание протокола...................................................................................................56

3.2. Протокол SMT............................................................................................................57

3.4. Методика анализа эффективности протоколов.......................................................63

3.5. Алгоритм обмена........................................................................................................70

3.6. Алгоритм коммутации...............................................................................................71

3.7. Алгоритм сжатия........................................................................................................85

3.8. Алгоритм шифрования...............................................................................................88

3.9. Анализ эффективности протокола SMT...................................................................89

3.10. Практические рекомендации.................................................................................92

ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ..............................................................94

4.1. Система «АЯКС-Мониторинг».................................................................................94

4.2. Исследование алгоритма прогнозирования аварии..............................................100

4.3. Система «Облачный мониторинг»..........................................................................105

4.4. Автоматизированный автодром..............................................................................116

4.5. Анализ информационной безопасности.................................................................118

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................................123

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ......................................................................................................125

Приложение А. Трафик устройства «АЯКС-СмартАларм»...............................................129

Приложение Б. Примеры кадров при использовании алгоритма сжатия.........................137

ВВЕДЕНИЕ Актуальность темы

Последние десятилетия стремительно развиваются телекоммуникационные сети. Следствием этого является постоянно повышающаяся сложность их эксплуатации и наладки. Новые цифровые системы связи демонстрируют пороговый эффект ухудшения своей работы, когда система выходит из строя одномоментно и неожиданно для оператора. Проблема построения эффективной системы эксплуатации неразрывно связана с задачей нормирования и контроля параметров качества сети оператором.

Данная задача может быть решена, помимо использования ручных измерительных инструментов, за счет автоматизированного сбора информации с территориально распределенных устройств измерений параметров объектов телекоммуникаций. Такие автоматизированные системы измерений получили название систем мониторинга, в функции которых входит сбор, архивирование и обработка информации с использованием методов экспертного анализа.

Обладание полной, актуальной и достоверной информацией о наблюдаемом объекте позволяет принять решение о каких-либо оперативных действиях в случае, если его состояние стремиться перейти из нормального в аварийное. Также наличие истории измерений параметров и статистических данных об объекте мониторинга позволяет скорректировать алгоритм его работы для более эффективного и надежного функционирования.

Информация о режиме работы объекта направляется в диспетчерский центр, где ответственное лицо может оперативно принять решение для устранения возникшей ситуации. На основе детальных данных, удаленно считанных с набора технических средств, установленных на объекте мониторинга, эксплуатационный и ремонтный персонал способен быстрее локализовать и устранить причину неисправности. Таким образом, применение систем мониторинга позволяет повысить надежность телекоммуникационных систем, количественно выраженную в виде коэффициента технического использования (КТИ) за счет уменьшения времени восстановления.

За счет использования систем мониторинга появляется положительный экономический эффект - многие операции, направленные на проверку технического состояния, поддержание работоспособности системы и локализации причин неисправности производятся удаленно автоматизировано или автоматически. Экономия заключается в снижении затрат на эксплуатационный персонал, а также в оптимизации его рабочего времени.

В настоящее время существует проблема хищения кабелей и телекоммуникационного оборудования с объектов связи. Так, например, за 9 месяцев 2011 года на Урале зафиксировано 1750 случаев хищения кабеля [45]. Ущерб, наносимый преступными действиями, может достигать 22 млн. руб. в год [45, 46, 47, 48].

Применение систем мониторинга позволяет оперативно предотвращать случаи хищения и порчи телекоммуникационного оборудования. Так, например, экономический эффект внедрения систем мониторинга в г. Красноярск составил 6 млн. руб. за 5 лет [48].

Отказ телекоммуникационного оборудования имеет также и социальные последствия: отсутствие связи, как у простых граждан, так и у больниц, школ, детских садов и экстренных служб.

Развитие систем телекоммуникаций приводит к тому, что к системам мониторинга предъявляются новые требования. На смену координатным АТС пришли электронные цифровые, появилась глобальная сеть Интернет, сотовая связь. Появление у операторов связи новых услуг характеризуется увеличением объектов контроля (базовые станции, телекоммуникационные шкафы РГТВ и т.д.), а к качеству связи предъявляются высокие требования. Поэтому, в условиях жесткой конкуренции, обеспечение надежности и высокого качества функционирования систем телекоммуникаций является важным аспектом. В связи с этим, появилась необходимость расширения функционала систем мониторинга, с целью повышения оперативности реагирования на нештатные ситуации и повышения надежности функционирования телекоммуникационных сетей.

Поэтому, в настоящее время, существует актуальная научно-техническая задача разработки и исследования структур систем мониторинга, повышающих надежность их функционирования, алгоритмов прогнозирования аварий, работающих в реальном времени, протоколов передачи данных, обеспечивающих эффективную передачу данных через низкоскоростные каналы связи.

Цель работы и задачи исследования

Целью работы является повышение надежности и эффективности работы систем мониторинга распределенных объектов телекоммуникаций.

Достижение цели требует решения следующих задач:

• Классификация и анализ свойств и особенностей существующих объектов и систем мониторинга для выявления проблем, требующих решения;

• Разработка структуры системы мониторинга распределенных объектов телекоммуникации, обеспечивающей повышенную надежность функционирования;

• Разработка и анализ эффективного протокола передачи данных в системе мониторинга, для обмена информацией между устройствами и серверами обработки;

• Разработка алгоритмов интеллектуального управления и определения предаварийных режимов работы объектов;

• Исследование разработанных алгоритмов для определения их особенностей, ограничений и оптимальных условий их применения;

• Апробация предложенных решений на практике и анализ полученных результатов.

Методы исследования

В диссертационной работе исследования выполнены с применением методов теории вероятностей, математической статистики, компьютерного, математического и натурного моделирования. Произведена апробация разработанных систем мониторинга на реальных объектах.

Научная новизна работы

• Предложена и исследована новая структура систем мониторинга, отличающаяся наличием дублирующих распределенных вычислительных блоков, устанавливаемых непосредственно на объектах мониторинга, повышающая надежность, за счет резервного буферизирования контрольно-измерительной информации;

• Предложен и разработан алгоритм адаптивного запроса передачи, основанный на анализе аномальных отклонений контролируемых параметров в реальном времени, с учетом возможности возникновения предаварийных ситуаций;

• Предложен, разработан и исследован специализированный протокол передачи контролируемых параметров объектов мониторинга, основанный на групповой

передаче служебной информации, и, одновременно, осуществляющий коммутацию трафика на канальном уровне.

Основные положения, выносимые на защиту

• Эффективный алгоритм прогнозирования аварий на объектах телекоммуникаций;

• Исследования алгоритмов коммутации, сжатия и шифрования, относящиеся к новому разработанному сетевому протоколу;

• Новая структура системы мониторинга распределенных объектов телекоммуникаций и исследование надежности;

• Программный комплекс и результаты экспериментального исследования разработанных алгоритмов прогнозирования аварий.

Личный вклад

Все результаты, составляющие содержание диссертационной работы, получены автором самостоятельно и соответствуют пунктам 2, 3, 6, 10 и 13 паспорта специальности 05.12.13.

Обоснованность и достоверность результатов работы

Обоснованность и достоверность результатов обеспечивается адекватным использованием методов математической статистики и теории вероятностей. Достоверность выводов подтверждается результатами моделирования и испытаний реальных систем.

Практическая ценность и реализация результатов работы

С непосредственным участием автора реализованы две системы мониторинга с использованием разработанных алгоритмов и протоколов: «АЯКС-Мониторинг» и «Облачный мониторинг». С непосредственным участием автора было разработано устройство опроса «АЯКС-СмартАларм», реализующий разработанный протокол передачи данных SMT (Smart Monitoring Transfer Protocol), для использования в системе «Облачный мониторинг».

Опыт построения территориально распределенных систем мониторинга также был распространен и на подвижные объекты мониторинга - разработана система автоматизации автодрома для обучения водителей автотранспорта.

Получен патент на полезную модель «Система мониторинга с обособленным вычислительным блоком».

В настоящее время все перечисленные системы мониторинга находятся в опытной эксплуатации.

Апробация работы

Результаты диссертационного исследования докладывались и получили одобрение на конференции «АНТЭ-2011» «Проблемы и перспективы развития авиации, наземного транспорта и энергетики», конференции «Инфотех-2011» «Информационные технологии, информационная безопасность в науке, технике и образовании», семинаре «Проблемы борьбы с нелегитимным трафиком и порядком взаимодействия операторов и государственных органов в борьбе с правонарушениями в сфере инфокоммуникаций», V конференции «Современные проблемы радиоэлектроники, телекоммуникаций и приборостроения», XI конференции «Контроль и управление в сложных системах» в 2011-2013 гг.

Публикации

По теме диссертации автором опубликовано 8 печатных работ и получен один патент на полезную модель. При этом основные результаты диссертации изложены в 3 статьях в рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК РФ для опубликования результатов кандидатских диссертаций.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы, приложений, содержит 128 страниц текста, 31 таблицу, 50 рисунков, 10 страниц приложений.

Краткое содержание работы

Во введении отражена актуальность темы исследования, сформулированы объект, предмет исследования и цель. Поставлены задачи исследования, приведен перечень основных опубликованных работ по теме исследования и структура диссертации.

В первой главе дается обзор и классификация систем мониторинга распределенных объектов телекоммуникаций, производится анализ существующих принципов реализаций этих систем. Система мониторинга определятся, как измерительная система, сопряженная с системой телекоммуникаций, и имеющая цель повышения надежности функционирования систем телекоммуникаций. Показано, что надежность систем телекоммуникаций, как непрерывно работающих систем, численно выражаемая в виде коэффициента технического использования (КТИ), повышается за счет уменьшения времени простоя и ремонта. Время ремонта и простоя уменьшаются за счет того, что система мониторинга предоставляет актуальную информация о состоянии системы телекоммуникаций, а также оперативно оповещает о возможных аварийных и предаварийных ситуациях.

В результате анализа устанавливается два основополагающих принципа контроля -прямой и косвенный. В данной диссертационной работе рассматривается только косвенный метод контроля, подразумевающий анализ тех, параметров объектов, которые косвенно влияют на качество работы системы телекоммуникаций. Далее приводится классификация объектов мониторинга и параметров, подлежащих контролю. Дается краткая характеристика распределенных объектов телекоммуникаций и их характерные особенности.

Приводятся примеры существующих систем мониторинга, дается их краткое описание и характерные особенности. Классифицируются алгоритмы опроса технологических параметров и сетевые протоколы, использующиеся в подобных системах.

В ходе анализа устанавливается, что существующие системы мониторинга не отвечают современным, постоянно повышающимся, требованиям, и есть необходимость разработки новых, более надежных систем.

Также обосновывается необходимость в разработке нового математического обеспечения систем мониторинга, в виде алгоритмов опроса и обработки информации. Показано, что разработка и исследование алгоритма определения предаварийного состояния объекта мониторинга, позволяющего повысить надежность системы телекоммуникаций за счет реализации функций противоаварийной защиты и за счет увеличения получаемой информации об объекте непосредственно перед аварией.

Устанавливаются требования к разрабатываемой системе мониторинга и области, требующие дальнейшее изучение и анализ с целью повышения надежности работы систем телекоммуникаций.

Во второй главе производится обоснование выбора алгоритма опроса, с определением предаварийного режима. Алгоритм основан на предложенной методике анализа технологического параметра, суть которого заключается в фильтрации резких и коротких бросков параметра, не приводящих к аварии. Приводятся методики расчетов параметров алгоритмов.

Приводится пример применения алгоритма для определения предаварийного режима работы объекта мониторинга за счет для анализа кратковременных «выбросов» потребления электроэнергии. Производится анализ алгоритма, даются практические рекомендации.

В третьей главе дается описание разработанного и реализованного в системе «Облачный мониторинг» протокола передачи данных канального уровня SMT (Smart Monitoring Transfer Protocol). Устанавливается, что применение типовых решений для организации передачи данных в системах мониторинга является неэффективным решением ввиду высокой избыточности передаваемой информации в условиях наличия низкоскоростных и ненадежных линий связи. Поэтому существует необходимость в разработке нового эффективного протокола канального уровня.

Прив�