ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«ПОВОЛЖСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ И ИНФОРМАТИКИ»

На правах рукописи

Воробьёв Анатолий Евгеньевич

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СИСТЕМ МОНИТОРИНГА

РАСПРЕДЕЛЕННЫХ ОБЪЕКТОВ ТЕЛЕКОММУНИКАЦИЙ

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 -

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЗОР СИСТЕМ МОНИТОРИНГА

1.1. Системы мониторинга

1.2. Классификация структур систем мониторинга

1.3. Обзор и классификация объектов мониторинга

1.4. Обзор и классификация параметров, подлежащих мониторингу

1.5. Классификация контролируемых величин

1.6. Специфика объектов мониторинга

1.7. Обзор алгоритмов опроса

1.9. Сетевые протоколы

1.10. Примеры систем мониторинга

1.11. Обоснование необходимости новых разработок

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМА ОПРОСА

2.1. Основные положения алгоритма

2.2. Алгоритм прогнозирования аварии

2.3. Реализация

2.4. Результаты

ГЛАВА 3. ПРОТОКОЛ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ В СИСТЕМАХ МОНИТОРИНГА........ 3.1. Описание протокола

3.2. Протокол SMT

3.4. Методика анализа эффективности протоколов

3.5. Алгоритм обмена

3.6. Алгоритм коммутации

3.7. Алгоритм сжатия

3.8. Алгоритм шифрования

3.9. Анализ эффективности протокола SMT

3.10. Практические рекомендации

ГЛАВА 4. РЕАЛИЗАЦИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ

4.1. Система «АЯКС-Мониторинг»

4.2. Исследование алгоритма прогнозирования аварии

4.3. Система «Облачный мониторинг»

4.4. Автоматизированный автодром

4.5. Анализ информационной безопасности

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А. Трафик устройства «АЯКС-СмартАларм»

Приложение Б. Примеры кадров при использовании алгоритма сжатия

ВВЕДЕНИЕ

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 FTTB 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.

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 и анализ эффективного протокола передачи данных в системе мониторинга, для обмена информацией между устройствами и серверами предаварийных режимов работы объектов;

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

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.

Предложена и исследована новая структура систем мониторинга, отличающаяся устанавливаемых непосредственно на объектах мониторинга, повышающая надежность, за счет резервного буферизирования контрольно-измерительной 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 коммутацию трафика на канальном уровне.

Эффективный алгоритм прогнозирования аварий на объектах телекоммуникаций;

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

телекоммуникаций и исследование надежности;

разработанных алгоритмов прогнозирования аварий.

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.

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.

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

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

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.

Приводятся формат кадра, алгоритмы обмена и коммутации в сети. Отличительной особенностью данного протокола является возможность реализовать на его основе виртуальную сеть (аналог VPN), состоящую из устройств опроса системы мониторинга, выполняющие, в том числе, функции коммутаторов и шлюзов. Для оценочного анализа эффективности протоколов передачи данных предлагается разработанная методика. Суть методики заключается в определении доли служебной информации в пакете. Произведено сравнение разработанного протокола SMT с аналогами и показано преимущество в эффективности передачи по низкоскоростным каналам.

Приводится алгоритм сжатия, позволяющий значительно уменьшить избыточность трафика. Алгоритм основывается на идее, что в системах мониторинга телекоммуникационных объектов производятся частые передачи однообразных данных. Экономия заключается в уменьшении избыточной служебной составляющей трафика. Характерная особенность - сжатие производится без потерь и при восстановлении информация не искажается.

Также приводится алгоритм шифрования кадров протокола SMT, основанный на алгоритме XXTEA, повышающий информационную безопасность системы мониторинга.

Далее рассмотрен пример обмена по протоколу SMT с использованием разработанных алгоритмов сжатия и шифрования. Было показано, что использование данных алгоритмов позволят значительно снизить объем трафика и повысить информационную безопасность.

В четвертой главе приводятся описание разработанных систем мониторинга, в которых были применены разработанные алгоритмы, протокол SMT и результаты их исследования.

Затронута тема информационной безопасности в системах мониторинга. Приводится «Автоматизированный автодром».

В главе приведен пример реализации алгоритма определения предаварийного режима для анализа кратковременных «выбросов» потребления электроэнергии объектом мониторинга.

Показано, что использование алгоритма в системе приводит к значительному уменьшению числа аварий. Произведено сравнение алгоритма с аналогами и показаны его преимущества при использовании на устройствах с низкой производительностью.

Проводится исследование записанного трафика между сервером системы «Облачный мониторинг» и устройством «АЯКС-СмартАларм». Даются практические рекомендации по уменьшению объема трафика без ущерба функциональности системы передачи, заключающиеся в использовании сетевого протокола UDP.

Производится оценка информационной безопасности, в ходе которой даются практические рекомендации по защите 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.

ГЛАВА 1. ОБЗОР СИСТЕМ МОНИТОРИНГА

Система мониторинга – это программно-аппаратный комплекс, автоматизированная система сбора, хранения и обработки информации с удаленных объектов мониторинга. Система мониторинга представляет собой систему упорядоченного опроса, реализуется в виде системы предусматривающая постоянный операторский контроль.

обслуживания и подразделяются на два класса. Системы первого класса имеют один или несколько пассивных серверов (обслуживающих приборов) и активные заявки. В таких системах сервер обслуживает единственную очередь, а заявки самостоятельно выбирают на каком сервере необходимо получить обслуживание. В системах второго класса (системах поллинга) имеется общий, для всех очередей, сервер (или несколько серверов), который по определенному правилу обходит очереди и обслуживает находящиеся в них заявки [12, с.16].

Системы первого класса характеризуются дисциплиной обслуживания. Системы второго представляющим собой правило, по которому сервер выбирает следующую очередь для обслуживания. В системах первого класса порядок опроса теряет смысл, так как серверу соответствует единственная очередь.

Системы второго класса, или системы поллинга, подробно рассмотрены в работах В. М.

Вишневского[12, 13], Богомоловой Н.Е. [9].

упорядоченного опроса первого класса.

Реализация систем мониторинга состоит из двух основных частей:

обеспечивающие централизованный сбор данных с удаленных объектов, обработку поступающих данных, хранение данных с возможностью резервного копирования и предоставление интерфейса для отображения данных и настройки системы, и предоставляющие сетевой интерфейс для связи с удаленным Аппаратная часть – набор технических средств и их программное обеспечение, физического сигнала в числовое представление, формирование пакетов данных, их первичную обработку и связь с программной частью посредством одного или нескольких сетевых интерфейсов.

Так как система мониторинга является автоматизированной системой, то в ней присутствует человек, выполняющий функцию наблюдателя. В его обязанности входит слежение за состоянием объектов мониторинга и оперативное принятие решения о воздействии на объект при возникновении аварийных или предаварийных событий с целью решения возникших проблем.

Действия оператора могут быть следующими:

Сообщить об аварии ответственным лицам, например, при срабатывании датчиков наличия дыма позвонить в пожарную часть;

Произвести удаленное управление исполнительным устройством на объекте, если система предоставляет такую возможность (имеет подсистему удаленного управления), например, включить систему пожаротушения.

Одной из проблем, при применении системы мониторинга, является верификация аварии. Например, причиной срабатывания охранных датчиков может быть не только неавторизованное проникновение на объект, но и техническая неисправность. Одним из способов решения данной проблемы является видео-верификация. Поэтому, зачастую, система мониторинга дополняется подсистемой видеонаблюдения.

Система мониторинга предоставляет инструменты для наглядного отображения актуального состояния наблюдаемых объектов, для чего используется развитый графический интерфейс автоматизированного рабочего места оператора.

В широком смысле система мониторинга территориально распределенных объектов телекоммуникаций – это система, агрегирующая разнородную информацию с удаленных объектов мониторинга с целью ее экспертного анализа. Цель анализа – спрогнозировать, с целью предотвращения, или определить переход объекта мониторинга в аварийный режим работы.

В данной работе приведены разработанные методы совмещения телекоммуникационных, измерительных и управляющих систем.

1.2. Классификация структур систем мониторинга Децентрализованная структура – это структура, представляющая собой совокупность независимых систем, каждая из которых выполняет определенную функцию. Например, система мониторинга технологических параметров объектов телекоммуникаций, система мониторинга электроэнергетических параметров, система мониторинга качества связи.

Достоинства: разделение функций на несколько систем, что, в итоге, повышает надежность.

Недостатки: избыточность технических средств, большая протяженность линий связи, по сравнению с другими структурами.

Рисунок 1. Децентрализованная структура системы мониторинга Централизованная структура объединяет все функции в едином узле контроля.

Достоинства: простая схема организации информационных процессов, возможность достижения максимальной эксплуатационной эффективности при минимальной избыточности технических средств. Недостатки: низкая надежность, высокая протяженность линий связи при наличии территориальной рассредоточенности объектов контроля.

Рисунок 2. Централизованная структура системы мониторинга.

Иерархическая структура представляет совокупность децентрализованной и централизованной структур. Система состоит из нескольких независимых частей, имеющих свой узел контроля и решающих определенный круг задач, информация из которых поступает в единый центр контроля. Разделение системы на обособленные части может быть, как по функциональному признаку, так и по территориальному. Достоинствами является высокая надежность (каждая из обособленных частей не влияет на другие части системы, система сохранит работоспособность при отсутствии связи центрального узла контроля с остальной системой), снижение протяженности линий связи, снижение требований к центральному узлу контроля. Недостатки: сложная схема организации информационных процессов, сложные применяемые технические средства, сложность синхронизации узлов контроля.

Система телекоммуникаций является территориально распределенной, то есть состоит из территориально разнесенных объектов, каждый из которых функционирует независимо от других объектов, но взаимодействующих друг с другом с целью решения общей задачи. Общая особенность объектов систем телекоммуникаций – это реализация каналов связи, однако не всегда имеется возможность совместить систему телекоммуникаций и систему мониторинга, используя при этом существующие каналы связи. В этом случае возникает необходимость использования иных средств связи, не использующих канал, реализуемый данной системой телекоммуникаций. В результате факт, что система мониторинга связана с системой телекоммуникаций, не означает, что канал связи, реализуемый данной системой, однозначно является средой передачи данных в системе мониторинга.

В число объектов мониторинга входит как непосредственно сами линии связи, так и узлы коммутации, регенерации, преобразования сигналов.

Примеры объектов системы телекоммуникаций: регенераторы, ретрансляторы, кроссы, телекоммуникационные шкафы и контейнеры.

Объекты мониторинга классифицируются по используемой среде передачи:

Радиочастотные системы передачи.

В силу своей специфики, объекты телекоммуникаций, относящихся к протяженным магистралям, могут быть удалены друг от друга и от населенных пунктов на десятки и сотни километров.

По функциональному назначению:

Пассивные объекты систем телекоммуникаций – это объекты, не воздействующие на поток данных. К таким объектам относятся кроссы или воздушные линии связи.

К активным объектам относятся объекты, на которых присутствуют технические средства для управления потоками данных. Например, коммутационные станции.

По эксплуатационным характеристикам:

Обслуживаемые объекты – это объекты, требующие периодического осмотра и технического контроля. К таким объектам относятся базовые станции, оптические регенераторы.

Необслуживаемые – это объекты, не требующие вмешательства при штатной эксплуатации системы телекоммуникаций. Например, распределительный шкаф телефонной сети.

По обеспечению электроэнергией:

Нерезервированное электроснабжение;

Резервированное электроснабжение.

Объекты без электроснабжения – это объекты телекоммуникаций, не требующие электрического питания для выполнения основной функции. Электропитание на таких объектах может отсутствовать, либо присутствовать, но не постоянно.

Объекты с нерезервированным электроснабжением – это объекты с одним источником питания. Напряжение может быть, как 220/380В переменного тока, так и 36-60В постоянного.

Объекты с резервированным электроснабжением – это объекты телекоммуникаций, на которых помимо основного источника питания присутствует резервный, в качестве которого может быть, например, резервный ввод, источник бесперебойного питания или дизельгенератор.

По месту размещения:

Закрытые объекты – это объекты телекоммуникаций, обнесенные инженерными сооружениями или находящиеся внутри закрытого помещения с целью защиты от погодных явлений. Например, аппаратный зал АТС.

Открытые объекты – это объекты, не защищенные от погодных явлений. Например, воздушная линия связи.

Скрытые объекты – это объекты, доступ человека к которым затруднен или невозможен, например, подземные туннели или магистрали, проложенные по дну водоема.

Искусственные телекоммуникационные спутники – это особый вид объектов телекоммуникаций. Спутники находятся в космическом пространстве и всегда имеют свой собственный программно-технический комплекс мониторинга.

По климатическому исполнению:

Объекты с климатическим регулированием – это закрытые объекты телекоммуникаций, имеющие технические средства, необходимые для поддержания внутри помещения температуры и влажности в заданном диапазоне. Например, базовая станция сети GSM, оборудованная системой кондиционирования и отопления.

Объекты без регулирования микроклимата – это закрытые объекты, микроклимат в которых зависит от времени года, температуры и погоды на улице. Например, выносной телекоммуникационный шкаф.

1.4. Обзор и классификация параметров, подлежащих мониторингу Современные системы телекоммуникаций, сами по себе, являются достаточно надежными и предоставляют множество инструментов контроля работоспособности.

Наибольший интерес представляет информация о наличии и качестве связи до конечного потребителя услуги (абонента). Существует два основных метода контроля качества – прямой и косвенный.

Прямой контроль – заключается в периодическом тестировании качества связи Косвенный контроль – это контроль параметров объекта связи, способных Также интерес представляют параметры объектов систем телекоммуникаций, выход которых за допустимые пределы, может повлиять на работу системы в будущем, а также на эффективность ее работы. Например, напряжение питания питающего ввода объекта телекоммуникаций, потребленная объектом электроэнергия. Такие параметры относятся к косвенным.

Параметрами, относящимися к прямому контролю, к примеру, являются: уровень шумов в аналоговой линии связи, число ошибок контрольной суммы, отсутствие помех в определенном диапазоне радиочастот.

В диссертационном исследовании Бакланова И.Г. [1] рассмотрены территориальнораспределённые измерительные комплексы (ТРИК), являющиеся системами мониторинга с методами прямого контроля. В данном диссертационном исследовании производится исследование разработанных систем мониторинга и алгоритмов, преимущественно использующих методы косвенного контроля.

Состояние объекта мониторинга представляется в виде набора параметров. Первичную обработку и передачу информации о состоянии объекта производит устройство опроса с определенной частотой. При этом разные параметры могут обновляться с различной частотой.

Частота может быть выбрана в соответствии с теоремой Котельникова.

Измерения, производимые техническими средствами в составе системы мониторинга, являются автоматическими многократными динамическими косвенными техническими инструментальными. При этом метод измерения зависит от типа применяемого технического средства измерения (датчика).

Для преобразования контролируемой величины в удобный для использования системой мониторинга сигнал используются датчики, представляющие собой первичные преобразователи.

Выходные сигналы датчиков, в зависимости от описывающей их функции, разделяются на:

Дискретные – физический параметр кодируется конечным числом состояний. При этом сигнал может быть одновременно квантованным как по уровню, так и по времени, то есть когда значение берется через равные промежутки времени, называемыми интервалами дискретизации;

Аналоговые – физический параметр характеризуется непрерывным множеством возможных значений, а сигнал является непрерывной функцией.

По физической природе выходной величины датчики делятся на:

По физической природе контролируемой величины датчики бывают:

Также величины, контролируемые системой мониторинга, делятся на следующие типы в зависимости от назначения:

Параметры для коммерческого учета (потребленная электроэнергия, расход Параметры микроклимата (температура, влажность);

Параметры, предназначенные для диагностики оборудования;

Параметры, отвечающие за охрану объекта.

Качество связи может контролироваться специальными техническими средствами, определяющими уровень шумов, наличие отражений, затухание сигнала в линии связи, с возможностью определять расстояние до места возможного обрыва кабеля.

Параметры для коммерческого учета включают потребленную объектом мониторинга электроэнергию или количество тепла, идущего на обогрев помещения. Контроль данных параметров необходим для анализа потребления ресурсов объектом мониторинга с целью их оптимизации для повышения экономической эффективности работы системы телекоммуникаций.

Для надежной работы телекоммуникационного оборудования, установленного на объектах мониторинга необходимо поддерживать параметры микроклимата в допустимых пределах. Выход этих параметров за пределы будет означать работу объекта в нештатных условиях, что может привести к выходу из строя оборудования и ухудшению качества предоставления услуг связи.

Контроль параметров электропитания (включающих напряжения питающих вводов, выпрямленного напряжения и т.д.) необходим, например, для определения качества электропитания или момента перехода оборудования на резервное питание. Также, эти параметры включают напряжения на резервных батареях. Эта информация, например, может быть использована для прогнозирования времени автономной работы объекта от батарей.

Многие технические средства, установленные на объектах мониторинга, предоставляют интерфейсы, как привило цифровые, для диагностики и настройки. Они могут быть использованы системой мониторинга для ускорения и облегчения процессов наладки и поиска возникших неисправностей.

Также надежность функционирования объекта мониторинга напрямую зависит от безопасности помещения, в котором находится. Поэтому система мониторинга должна получать информацию как о возможном возгорании, задымлении, или затоплении, так и о неавторизованном доступе на объект.

распределенными объектами телекоммуникаций, определяющие требования к данным системам при проектировании.

Система мониторинга объектов телекоммуникаций может использовать тот канал связи, который реализует данный объект. Однако не всегда имеется возможность выделения отдельного потока для технических средств системы мониторинга, тогда для передачи данных необходимо использовать другие каналы связи.

Как правило, набор технологических параметров объектов, подлежащих мониторингу, является фиксированным. Это означает, что данные, передаваемые от технических средств в ПО на центральном сервере являются однообразными и значения этих параметров изменяются в малом диапазоне.

Системе необходимо поддерживать целостность логического канала связи ПО с техническими средствами, установленными на объектах мониторинга, и, в случае разрыва связи (отсутствия данных от устройства в течение определенного времени), выдавать предупреждение оператору. Эта информация может быть использована для определения аварии каналообразующего оборудования, то есть, таким образом, реализуется метод прямого контроля качества работы телекоммуникационных систем.

На объектах мониторинга зачастую присутствует оборудование, требующее изредка, посредством устройства опроса, передать большой объем информации на центральный сервер (фотография, архив измерений, журнал событий).

Некоторые методы решения проблемы повышения безопасности и надежности систем телекоммуникаций требуют наличие возможности оперативного удаленного управления на объекте, поэтому технические устройства должны реализовывать простейшие функции автоматического или автоматизированного воздействия на объект контроля.

На один центральный пункт, где находится сервер обработки данных, могут приходиться сотни и тысячи территориально распределенных объектов мониторинга, на которых, в свою очередь, могут быть установлены несколько устройств опроса, контролирующих множество технологических параметров. Поэтому необходимо принять во внимание, что нагрузка на сеть напрямую зависит от частоты опроса параметра, количества опрашиваемых параметров и эффективности протокола передачи данных.

Основная функция системы мониторинга – это централизованный сбор данных с удаленных устройств опроса с целью определения аварийных событий. Алгоритм, по которому производится сбор, называется алгоритмом опроса. От выбора данного алгоритма зависит эффективность использования каналов связи, нагрузка на вычислительные устройства и качество выполняемых системой мониторинга функций.

Алгоритм опроса может быть реализован как на устройстве опроса для эффективной работы с подключенными датчиками, так и на центральном ПО для сбора консолидированной информации с устройств опроса.

Существуют следующие типы алгоритмов опроса контролируемых параметров:

2. Через равные промежутки времени;

В реализации алгоритма опроса по событию данные передаются в диспетчерский центр только в случае возникновения определенных условий на объекте мониторинга. Например, при превышении значения контролируемого параметра верхней границы. В данном случае могут отправляться как все возможные данные, так и только те данные, которые связаны с источником события. Минусом этого алгоритма в чистом виде является то, что отсутствие данных с объекта мониторинга означает отсутствие информации о событии, из чего следует, что диспетчеру может не передаться информация о возникшей аварии в определенных случаях.

Причиной такого события может быть разрыв линии связи, пропадание питания или выход устройства опроса из строя.

В реализации алгоритма опроса через равные промежутки времени все данные целиком отправляются периодически. Данный алгоритм, в отличие от алгоритма опроса по событию, позволяет архивировать историю изменения какого-либо параметра, например, для построения графиков или отчетов. Однако опрос через равные промежутки времени, предъявляет повышенные требования к качеству связи, ширине канала и сильнее нагружает сервер обработки данных. Частота опроса зависит от специфики контролируемого объекта и может варьироваться от долей секунды до единиц часов или дней. Если сервер не получит данные от устройства опроса в назначенное время, то это будет значить, что произошел сбой (пропадание связи или неисправность устройства). Минусом данного алгоритма опроса является избыточность – передаются все данные, не зависимо от того, необходимо это на данный момент или нет.

Выбор оптимальной частоты опроса представляет собой сложную техническую задачу.

Для эффективного использования канала связи частоту необходимо выбрать минимальной, ноне меньше минимально допустимой для конкретного параметра, однако для большей информативности частота должна быть максимальной. При этом максимальная частота может ограничиваться возможностями технического средства, на котором реализован данный алгоритм опроса, или шириной канала связи. Зачастую, такая задача не имеет решения, поэтому применяются иные алгоритмы опроса.

Алгоритм опроса по вызову – это удаленное измерение определенных параметров по команде, посылаемой с центрального сервера. Данный алгоритм соответствует системе мониторинга, как реализации системы поллинга (второй класс систем упорядоченного опроса).

Система мониторинга характеризуется наличием устройств, осуществляющих опрос параметров. Устройства опроса, в свою очередь, имеют следующие характеристики:

Тип сетевых и несетевых интерфейсов;

Тип алгоритма обработки данных с датчиков;

Тип алгоритма обработки и коммутации пакетов;

Дополнительный функционал.

Классифицируются по функциональному назначению:

По направлению обмена данными:

Интеллектуальные устройства – это устройства, в которых реализован определенный алгоритм обработки и преобразования поступающей информации с целью взаимодействия с другими устройствами. Например, такие устройства могут реализовывать функции автоматического управления или архивирования поступающих данных.

Неинтеллектуальные устройства – это устройства, способные лишь выполнять поступающие на них команды или передавать определенный набор данных.

Приемники – это устройства, функцией которых является обработка поступающих данных. Например, это блок дискретного вывода для управления внешними реле.

Передатчики – это устройства, занимающиеся сбором данных с подключенных к несетевым интерфейсам датчиков и устройств, и передачей этих данных по сетевому интерфейсу.

Приемо-передатчики – это устройства, совмещающие в себе одновременно функции устройств-приемников и передатчиков.

Устройство посредник – это устройство, имеющее несколько сетевых интерфейсов, и к которому возможно подключение других устройств (как конечных, так и других посредников).

В его функции входит коммутация данных, поступающих со всех интерфейсов.

Оконечное устройство – это устройство, имеющее только один сетевой интерфейс.

Протокол передачи данных – это набор соглашений интерфейса логического уровня, которые определяют обмен данными между различными программами. Эти соглашения задают единообразный способ передачи сообщений и обработки ошибок, при взаимодействии программного обеспечения разнесённой в пространстве аппаратуры, соединённой тем или иным интерфейсом.

Стандартизированный протокол передачи данных также позволяет разрабатывать интерфейсы физическом уровне, не привязанные к конкретной аппаратной платформе и производителю (например, USB, Bluetooth).

Сетевой протокол — набор правил и действий (очерёдности действий), позволяющий осуществлять соединение и обмен данными между двумя и более включёнными в сеть устройствами. По назначению протоколы делятся на семь уровней, согласно модели OSI (физический, канальный, сетевой, транспортный, сеансовый, представления и прикладной).

По способу кодирования информации протоколы делятся на две группы: символьные и бинарные протоколы:

Символьные протоколы – это протоколы, с которых данные кодируются с помощью печатаемых символов таблицы ASCII. Непечатаемые символы могут использоваться для контроля канала связи. Пример: XML, JSON. Преимуществом при использовании таких протоколов является их универсальность, простота реализации и читаемость. Недостатками – низкая производительность алгоритмов кодирования/декодирования и создаваемый большой трафик.

Бинарные протоколы – это протоколы, данные в которых передаются в бинарном виде.

Преимуществами бинарных протоколов перед символьными являются: меньший трафик, быстрая работа алгоритмов кодирования/декодирования, формат кодирования, более удобный для обработки машиной. К недостаткам протоколов данной группы можно отнести сложности с документированием и внесением изменений в протокол.

Примеры протоколов, применяемых в системах мониторинга:

Отличительная особенность приведенных протоколов заключается в том, что для выполнения схожих функций, одни из них являются протоколами прикладного уровня, другие – протоколами канального уровня.

Существует большое число систем мониторинга или систем, в набор функций, которых входит функция удаленного контроля состояния объектов телекоммуникаций.

Система мониторинга обеспечивает непрерывный контроль параметров, и, в случае выхода параметра за допустимые пределы, оповещает ответственное лицо (диспетчера) в разумные сроки.

Существует два фундаментальных принципа организации процесса контроля качества работы систем телекоммуникаций: прямой и косвенный. Прямой контроль подразумевает определение качества работы за счет получения информации непосредственно о состоянии линий связи и различного телекоммуникационного оборудования. Косвенный контроль подразумевает получение информации о состоянии различного оборудования, от работы которого зависит качество работы телекоммуникационных устройств, например, систем электроснабжения, микроклимата.

В общем случае, система мониторинга состоит из следующих частей:

Описание системы мониторинга включает описание следующих ее элементов:

Пример системы мониторинга представлен на рисунке 4.

На рисунке изображена сеть системы мониторинга с набором различных технических средств: устройств опроса, датчиков, коммутаторов. Устройства опроса могут также сочетать в себе функции коммутатора или шлюза для сопряжения разнородных сетей. Устройства опроса считывают данные с подключенных датчиков и технических средств, и передают полученную информацию на сервер обработки данных. После обработки и анализа в ПО, информация архивируется в базе данных. Диспетчер оперативно получает сообщения о возникающих событиях, видит текущие значения измеренных величин, а также имеет возможность просматривать архивы измерений и событий.

В качестве примера приводятся следующие системы мониторинга:

Системы «Ценсор» и «Технотроникс.SQL» используют методы косвенного контроля, а системы CBOSStmn и «ИнноВин» - методы прямого контроля.

История аппаратно-программного комплекса «ЦЕНСОР» началась в 80-е годы 20-го века. Тогда при Таллиннской ГТС группа разработчиков под руководством известного в области связи инженера Энна Куска всерьез занималась работами по автоматизации процессов эксплуатации оборудования связи на базе ЭВМ советского производства. Комплекс аварийного надзора за объектами связи получил тогда название «ЦЕНСОР».

К 1990-м годам прогрессивный опыт Таллинской ГТС был распространен по целому ряду предприятий Советского Союза: Ленинград, Брянск, Пермь и др.

Аппаратно-программный комплекс состоял из оборудования диспетчерского центра и объектового оборудования, выполняющего функции сбора и доставки в центр данных от объекта.

Диспетчерский пульт системы организуется с помощью компьютера с установленным на нём программным обеспечением. Диспетчеру отображаются три вида интерфейсов: табличный (список аварий), графический, картографический. Вывод сообщения об аварии производится автоматически мгновенно после прихода сигнала в диспетчерский центр. Место аварии может отображаться на карте города. Одновременно с аварийным сообщением в программном обеспечении может выводиться окно видеокамеры. Просмотр текущих данных (температуры, влажности, параметров питания, данных с приборов учёта и т.д.) на объекте производится в любое время по запросу из центра.

Изначально система мониторинга «ЦЕНСОР» предназначалась для считывания состояний дискретных выходов оборудования на телефонных станциях (охранные, пожарные сигнализации, датчики температуры релейного типа, датчики наличия фазы). Устройства носили названия УСИ128, УСИ56, УСИ60 (УСИ – устройство сбора информации)[9].

Например, у УСИ128 было 128 дискретных входов. Устройство устанавливалось в помещении и к нему подключались датчики – каждый своей парой проводов. УСИ кодировало состояние дискретных входов и передавало эту информацию в диспетчерский центр.

В качестве среды передачи данных с удаленных объектов в диспетчерский центр использовалась телефонная сеть общего пользования. Данные передавались по свободной медной паре. Каждое устройство занимало одну пару. Эти пары тянулись до центральной АТС, где устройство МК4 (Микропроцессорный Контроллер) расшифровывало получаемые данные и передавало на диспетчерский компьютер через COM-порт в ПО, где диспетчеру отображались соответствующие изменения о состоянии датчиков.

Расстояние между УСИ и МК могло составлять до 15км, поэтому в целях повышения помехоустойчивости использовалась скорость 50 бод. Вследствие чего частота опроса датчиков была низкой. Пример подключений устройств показан на рисунке 5.

Рисунок 5. Пример сетевых подключений системы «ЦЕНСОР» через канал «ТЧ».

Следующим шагом в развитии АПК «ЦЕНСОР» была реализация возможности передачи данных в диспетчерский центр через альтернативные каналы связи, то есть через телефонную сеть общего пользования (ТСОП) или сеть Ethernet.

На плату УСИ, установленного на объекте мониторинга, вставлялся модуль, работающий как обычный модем. В диспетчерском центре устанавливалось другое устройство с аналогичным модулем, который принимал звонки и передавал информацию на компьютер через COM-порт.

Аналогичным образом осуществлялась связь через сеть Ethernet, только вместо телефонного модуля устанавливался модуль, реализующий канал Ethernet.

Когда необходимо контролировать небольшое помещение, то нецелесообразно использовать устройства типа УСИ – они избыточны. Дешевым решением данной проблемы стало появления контроллеров типа БИК (Блок Измерения и Контроля) [9]. В число реализуемых контроллером БИК функций входили:

Измерение напряжения питания (60В);

Контроль наличия трехфазного напряжения;

Измерение температуры в помещении;

Авторизация доступа при помощи ключей iButton («ключ-таблетка»);

Четыре входа типа «сухой контакт».

Связь устройств опроса типа БИК и сервера может осуществляться следующими способами:

Напрямую через COM-порт компьютера (расстояние 5-10 м);

С использованием репитера COM-порта (до 5км);

Рисунок 7. Варианты сетевых подключений системы «ЦЕНСОР»

Однако наиболее распространенным, надежным и универсальным способом является работа через сеть Ethernet. АПК «ЦЕНСОР» последнего поколения использует протокол собственной разработки «КУБ»(«KUB») и алгоритм опроса через равные промежутки времени.

Одним из ответвлений АПК «ЦЕНСОР» является АПК «Технотроникс». Аналогично, АПК «Технотроникс» состоит из оборудования диспетчерского центра и объектового оборудования, выполняющего функции сбора и доставки в центр данных от объекта мониторинга.

В основу данной системы были заложены новые устройства контроля – устройства линейки «КУБ»:

параметров и снятие показаний с электросчётчиков в телекоммуникационных КУБ, КУБ-Микро/60 и КУБ-Мини, осуществляющие контроль, управление и безопасность различных объектов связи сложнее шкафа FTTB: активных шкафов, телекоммуникационных контейнеров и блок-боксов, помещений «выносов», АТС, любых необслуживаемых объектов.

Также поддерживаются устройство «МАКС ЛКС», выполняющее функцию контроля линейно-кабельных сооружений с определением места обрыва, а также функцию контроля колодцев на вскрытие при помощи интеллектуальных датчиков типа «ИГД», «ИФД».

Устройства «КУБ» - это узкоспециализированные контроллеры, имеющие определенные интерфейсы, предназначенные для сбора данных с датчиков, установленных на определенном типе объектов. Единственным способом связи устройств с сервером в диспетчерском центре является использование канала Ethernet. Также особенностью устройств линейки «КУБ»

является возможность подключения внешних модулей расширения (ВМР), представляющие собой устройства с дополнительным функционалом и с единственным сетевым интерфейсом, предназначенным для подключения к устройствам «КУБ». Всего существует возможность подключения до 14 ВМР к одному устройству «КУБ». В качестве интерфейса используется линия связи стандарта RS-485 на скорости 9600 бит/с.

ВМР обеспечивают выполнение следующих функций:

Охрана и авторизация на контролируемом объекте;

Контроль электропитающей установки (ЭПУ) и аккумуляторных батарей;

Удаленное управление электрической нагрузкой;

Мониторинг влажности, температуры и затопления.

В системе для обмена данными между устройствами (например, между «КУБ» и подключенным ВМР) используется модифицированный протокол «KUB». Этот же протокол, но поверх TCP/IP используется для передачи информации от устройств «КУБ» на центральный сервер. Устройства производят опрос параметров объекта мониторинга через равные промежутки времени. Для связи устройства опроса с сервером выделяется отдельный TCPканал.

Проблема низкой надежности частично решалась за счет построения распределенной системы и реализации резервирования каналов связи.

Система контроля телекоммуникационных сетей CBOSStmn предназначена для мониторинга работы всех компонентов комплексного решения CBOSS. CBOSStmn дистанционно контролирует аварии и аварийные ситуации, позволяет оперативно реагировать на них и эффективно устранять неисправности. В результате повышаются управляемость и надежность информационной инфраструктуры телекоммуникационной компании.

прогнозировать и предупреждать вероятные неполадки и сбои в работе программноаппаратных комплексов, более качественно планировать и изменять конфигурацию сети.

CBOSStmn контролирует работу:

Аппаратно-программного комплекса CBOSS;

Телекоммуникационного оборудования: коммутаторов, контроллеров, базовых Серверного оборудования: сервера базы данных, сервера приложений, сервера оценки, сервера управления коммутатором и т.д.;

Базового программного обеспечения;

CBOSStmn обеспечивает полный цикл обработки возникших сбоев – от обнаружения до устранения – в режиме реального времени. В процессе мониторинга объектов система отслеживает не только появление сбоев и ошибок, но и изменение различных параметров функционирования (например, объем свободного места на жестком диске, длину очереди на автоинформирование и т.д.). Если значения контролируемых параметров отклоняются от нормы, CBOSStmn посылает сигналы тревоги сотрудникам, ответственным за функционирование системы. Своевременно получив информацию о критических показателях, ответственный сотрудник может принять необходимые меры и предупредить развитие, а зачастую и возникновение аварийной ситуации.

Система CBOSStmn предоставляет следующие функциональные возможности:

Мониторинг элементов сети в режиме реального времени:

Регистрация возникших неисправностей на контролируемом объекте, локализация проблемы и детализированное протоколирование ее развития;

Поддержка различных способов отображения технического состояния объектов Обработка аварийных сообщений:

Функциональная обработка, в том числе построение сложных связей между авариями;

Преобразование сообщений по статической и динамической информации;

Информирование об аварии и изменении ее статуса. Поддерживаются различные способы информирования: e-mail, SMS, USSD, ICQ, звуковое, графическое (изменение цвета объекта на диаграмме сети) и др.;

Адаптация к рабочему графику функциональной обработки и информированию.

CBOSStmn предоставляет операторам все инструменты для управления полным циклом обработки возникших сбоев – от их обнаружения до устранения. Предусмотрены:

Предоставление оператору заложенных в системе рекомендаций и инструкций по аварии, документации на контролируемый объект;

Управление состоянием элементов сети: автоматическая реакция на аварию, автоматическое и ручное управление работой программного обеспечения;

Регистрация нештатных ситуаций для последующего ретроспективного анализа и выявления тенденций и “узких” мест конфигурации;

ответственности между операторами системы.

Система мониторинга от ИнноВинн – это интегрированное решение, предназначенное для распределенного контроля сети и мониторинга качества услуг. Такой инструмент обеспечит оператора связи данными о работе сети, которые необходимы для принятия эффективных бизнес решений и повышения доходности.

Система обеспечивает единую платформу для мониторинга сетей разных типов, включая NGN. Она легко масштабируется, подстраиваясь под технологии, услуги и размер сети.

Система обеспечивает круглосуточное наблюдение за состоянием сети, отслеживание сбоев и анализ трафика в режиме реального времени.

На основе распределенных зондов система осуществляет непрерывный сбор и анализ статистических данных, что особенно важно для технической поддержки сетей связи и мониторинга качества обслуживания.

Система мониторинга сети может быть использована для распределенного мониторинга сети SS7 и DSS1, обеспечивая операторам связи детализированный обзор работы сети сигнализации и качества предоставляемых услуг.

Система подключается к PSTN при помощи оборудования, разработанного в ИВП «ИнноВинн», и представляет собой иерархическую территориально распределенную структуру, с возможностью наращивания каждого иерархического уровня.

Система основана на непрерывном сборе данных в точках контроля сети, независимо от поставщиков оборудования, гибка и масштабируема, что делает возможным ее применение на сетях связи любой конфигурации, в том числе точек стыков «оператор-оператор».

Система обеспечивает постоянное наблюдение за элементами сети сигнализации SS7 и DSS1, регистрацию изменений их состояний, а также анализ производительности сети в реальном времени и автономном режиме. Благодаря пассивным зондам Системы специалисты по обслуживанию сети получают оперативную информацию о состоянии сети на всех уровнях.

Специалисты отделов контроля трафика могут производить централизованный контроль трафика и обнаружение незарегистрированной нагрузки на объектах сети. Система также обеспечивает сбор статистической информации, на основе которой формируются отчеты, необходимые в работе аналитических служб и коммерческого отдела.

Система мониторинга может быть использована для распределенного мониторинга сетей мобильной связи, обеспечивая контроль сигнального трафика и мониторинг качества предоставляемых услуг.

Благодаря гибкой иерархической структуре Система обеспечивает контроль состояния GSM/GPRS сети в режиме реального времени. Различные модификации модулей для декодирования сигнализаций позволяют контролировать различные участки GSM/GPRS сети, включая анализ протоколов и сигнализационной информации между:

Базовой приемопередающей станцией и контроллером базовых станций Контроллером базовых станций BSC и центром коммутации MSC;

GPRS и IP сетями. Точные данные, собранные зондами Системы обеспечивают:

Детализированный сбор статистики по роумингу (например, число регистраций соблюдения операторами связи договорных обязательств, отслеживание в реальном времени объемов входящего и исходящего разговорного и сигнального Статистику по качеству голосовых и не голосовых услуг (голосовые вызовы по направлениям, SMS услуги, GPRS услуги);

прохождения вызова «из конца в конец», статистика по мультипротокольным 1.11. Обоснование необходимости новых разработок количественно выраженная в виде коэффициента технического использования (КТИ), будет зависеть от функций, реализованных в системе мониторинга. Повышение надежности обусловлено уменьшением времени простоя системы телекоммуникаций в виду проведения предупредительных и восстановительных работ. Применение систем мониторинга приводит к тому, что время, затрачиваемое на поиск и профилактику неисправностей, значительно уменьшается. Следовательно, повышается КТИ.

Где Tср – наработка на отказ, tв – среднее время восстановления, – математическое ожидание времени нахождения объекта в отключенном состоянии для производства профилактических работ.

В свою очередь, системы мониторинга, в виду все возрастающей технической сложности, тоже имеют свойство часто выходить из строя. Таким образом, надежность системы мониторинга связана с надежностью, контролируемой ею системы телекоммуникаций. В качестве одного из способов повышения надежности системы мониторинга является реализация ее новой структуры, суть которой заключается в распределении и дублировании вычислительных ресурсов (серверов обработки) и приближении их к контролируемым объектам.

Данное решение было реализовано в виде системы «АЯКС-Мониторинг». В работе дается подробное описание данной системы и приводится исследование, показывающее значительное повышение надежности при использовании новой структуры.

В условиях развития быстротекущих аварийных процессов, определение предаварийного состояния до момента отказа каналообразующего оборудования является актуальной научнотехнической задачей, так как позволяет передать критическую информацию до аварии без использования резервирования. В работе предложен алгоритм определения предаварийного состояния, позволяющий повысить надежность системы телекоммуникаций двумя различными способами:

Предотвратить развитие аварийного процесса, путем воздействия на этот процесс в определенный момент времени. Таким образом, реализуется автоматическая Получить наиболее подробную информацию о развитии аварийного процесса, за непосредственно перед аварией. Полученная информация может быть использована для быстрого определения причин аварии с целью оперативного Для повышения надежности функционирования системы мониторинга предлагается реализовать виртуальную сеть (аналог VPN), объединяющую устройства опроса и серверы.

Такой подход позволит передавать данные при разрыве основного канала из-за выхода из строя одного или нескольких устройств-посредников, за счет прокладки альтернативного канала по другому маршруту. Реализация виртуальной сети возможна при использовании нового протокола передачи данных.

В существующих системах мониторинга не всегда используются высокоскоростные линии связи. Так, например, не всегда реализация Ethernet интерфейса на устройстве опроса экономически оправдана, поэтому применяются менее технологичные линии связи, например, RS-485. А для повышения защиты от помех при больших длинах линий, скорость передачи сильно снижают. Скорости могут составлять:

от 50 до 2400 бит/с для симметричной пары;

64 кбит/с для цифрового потока по каналу E0.

В таких случаях, эффективность используемого протокола должна быть высокой.

Помимо повышения эффективности передачи, протокол должен решать задачу повышения информационной безопасности, что также имеет непосредственное влияние на надежность систем мониторинга. Данная задача может быть решена реализацией функций шифрования трафика, контроля целостности и аутентификации соединения.

В работе предложен разработанный протокол SMT (Smart Monitoring Transfer Protocol) для решения поставленных задач. Приведены результаты исследования, показывающие преимущества данного протокола перед другими аналогичными.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМА ОПРОСА

Как было описано в первой главе, существуют три основных алгоритма опроса состояния устройств: через равные промежутки времени, по событию и по вызову.

При реализации алгоритма опроса через равные промежутки времени стоит задача выбора периода опроса. При этом если период опроса будет слишком малым, то получится слишком большая нагрузка на сеть и сервер обработки данных. Если время между двумя соседними опросами устройства окажется недопустимо большим, то за это время может возникнуть предаварийная и развиться аварийная ситуация.

Для решения данной задачи предлагается динамически менять частоту опроса, в зависимости от состояния объекта мониторинга. Перед аварией на объекте частота опроса увеличивается.

Такой подход позволит быстрее начать поиск неисправности, так как обслуживающему персоналу будет известен ход развития аварийной ситуации.

Для реализации данного алгоритма требуется определить предаварийное состояние объекта мониторинга. В простейшем случае данная проблема решается постоянным контролем определенного параметра. И устройство опроса, определив выход параметра за допустимые пределы, значительно увеличивает частоту опроса до определенной величины. Например, при снижении напряжения питания почти до критического, когда оборудование, установленное на объекте, не сможет выполнять свои функции по обеспечению устойчивого канала связи.

Однако зачастую случаются кратковременные «выбросы» определенных параметров за допустимые границы, которые не влияют на работу оборудования, но, в данном случае, будут означать переход в предаварийное состояние и провоцировать увеличение частоты опроса.

Индикатором устойчивого развития процесса обычно служат не только величина соответствующих «выбросов», но и их длительность.

Алгоритм определения предаварийного режима также может быть использован при работе устройства по алгоритму опроса по событиям. Тогда выход объекта мониторинга на предаварийный режим будет являться событием, провоцирующим отправку информации об изменении состояния объекта на сервер. В этом случае диспетчеру будет выдано информационное сообщение о возможной скорой аварии и актуальное состояние объекта.

Задача о «выбросах»: определение среднего числа «выбросов» случайной функции за данный уровень, определение средней длительности «выброса», среднее число «выбросов» в единицу времени рассмотрены в математической литературе [36] и их решение не представляет принципиальных трудностей. Однако для непосредственной реализации сложных алгоритмов вычислительные средства, обладающие достаточно высоким быстродействием.

Применение некоторых моделей, используемых при анализе очередей в системах массового обслуживания, в частности алгоритма «Leaky Bucket» («дырявое ведро»), позволяет существенно уменьшить объем вычислений и реализовать большое число параметров в реальном масштабе времени.

«Выбросом» будем считать превышение параметром некоторого допустимого значения.

Введем следующие обозначения параметров процессов:

N (t ) - функция, описывающая поведение некоторого технологического параметра - среднее значение этой функции - предельно допустимое значение технологического параметра A(t ) - суммарное значение «выбросов» параметра на момент времени t V (t ) - скорость изменения «выбросов» на момент времени t - интервал анализа (временное окно) - сумма значений параметра в течение интервала времени, предшествовавшего моменту времени t.

Скорость изменения «выбросов»:

Подставим (3) в (1), с учетом (2), получим:

Указанное соотношение определяет изменение суммы «выбросов» на интервале от t до t.

1. Циклический анализ по временным периодам.

Анализ производится в течение временного периода T. Перед началом анализа сумма в момент времени ti составит:

Если сумма значений функции N(t) на всем интервале (ti, T) принимать значение меньше предельно допустимого MmT, то сумма «выбросов» считается равным нулю. Введем в рассмотрение коэффициент загрузки на i цикле: