СПОСОБ ОЦЕНКИ ИНФОРМАТИВНОСТИ И ПРИОРИТЕТНОСТИ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ СЕТИ
METHOD TO ASSESS INFORMATION CAPACITY AND PRIORITY OF COMPUTER NETWORK TECHNICAL CONDITION PARAMETERS

Предлагаемое техническое решение относится к области вычислительной техники, а именно к области контроля технического состояния (ТС) элементов вычислительных сетей, их мониторинга и инспектирования и может быть использовано для регулировки и сокращения количества контролируемых характеристик ТС вычислительной сети.
Известен способ определения информативности параметров исследуемой системы, описанный в (Иберла К. Факторный анализ (Математико-статистические методы за рубежом.) / Пер. с нем. В.М.Ивановой. - М.: Статистика - 1980), включающий выявление наиболее существенных признаков (факторов) по большому числу экспериментальных данных. Количество выделяемых факторов меньше набора исходных величин, определяется структура и взаимосвязи выделенных компонент процесса (системы), вычисляется значимость каждого фактора.
Известен способ определения приоритетности параметров исследуемой системы, описанный в (Петриченко Г.С., Дудник Л.Н. Выбор параметров контроля технического состояния для цифровых блоков корпоративной сети на основе использования методов факторного анализа. // Автоматизация и современные технологии. М.: Машиностроение, 2010. - №2. С.16-21), включающий выявление наиболее существенных признаков (факторов) и переход от описания исследуемой системы, заданной большим набором измеряемых параметров, к описанию меньшим числом максимально информативных признаков, отражающих наиболее существенные свойства системы. Определяемая в данном способе матрица факторного отображения А позволяет выделить для каждого фактора группу параметров, наиболее тесно с ним связанную, рассчитать коэффициенты приоритетности параметров с учетом их взаимосвязей и выбрать наиболее значимый параметр контроля технического состояния цифровых блоков сети.
Однако данные способы обеспечивают только оценку приоритетности выделяемых наиболее существенных признаков системы, но не позволяют определять меру информации получаемой совокупности признаков и оценивать потери информации при отбрасывании наименее информативных параметров, что снижает точность диагностики ТС компьютерной сети (КС) на основе выбранной совокупности контролируемых параметров.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ, описанный в (Булкин М.А., Дубицкий Л.Г. Информативность и приоритетность параметров при оценке качества продукции. // Электронная техника. Сер.8, 1972. Вып.5). Способ-прототип заключается в определении информативности параметров с помощью функции Шеннона. Он состоит в определении связей между рассматриваемыми параметрами технического состояния системы путем последовательного вычисления средних значений каждого параметра по всем контролируемым системам, вычисления общего среднего значения параметров по числу проведенных измерений, расчета ковариационной матрицы и построения на их основе корреляционной матрицы, вычисления дополнительного параметра - времени безотказной работы или вероятности отказа к концу времени испытаний, средних значений этого параметра и расчета коэффициентов корреляции по ним, присоединения последней строки и последнего столбца полученной корреляционной матрицы вероятностей в качестве последних строки и столбца к корреляционной матрице параметров технического состояния системы, формирования преобразования, описывающего внутренние связи рассматриваемых параметров контролируемого объекта, произведение столбцов которого дает соответствующий элемент полученной итоговой корреляционной матрицы, расчета коэффициентов приоритетности каждого показателя на основе элементов построенного преобразования, оценки информативности исходной совокупности характеристик с помощью функции меры информации Шеннона, отбрасывания параметров с наименьшими коэффициентами приоритетности, определения информативности уменьшенной совокупности параметров, вычисления потерь информации системы оставшихся параметров технического состояния по сравнению с исходной системой показателей, окончательного выбора совокупности наиболее важных параметров контроля в соответствии с заданным изначально максимальным уровнем потерь информации.
Недостатками способа являются невозможность его применения к непостоянным, нестабильным процессам, некорректная формулировка расчета итоговой корреляционной матрицы после вычисления нового параметра, наличие ошибок при расчете вероятностей отказа исследуемых систем, а также центрированных вероятностей. Данные недостатки приводят к снижению точности вычислений.
Задачей предлагаемого способа являются оценка информативности и приоритетности контролируемых параметров ТС КС, уменьшение совокупности контролируемых характеристик путем исключения наименее важных из них, что позволит повысить эффективность диагностики ТС КС, сократить расходы на приобретение диагностирующего оборудования, осуществление процесса диагностики, приводящего к повышению готовности и работоспособности КС предприятия. В качестве параметров ТС КС могут быть рассмотрены количество абонентов в сети, пропускная способность, интенсивность абонентов, среднее время обслуживания абонентов, частота сбоев, загрузка сети данными, загрузка конфликтами и др.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности диагностики ТС компьютерной сети за счет обоснованного сокращения числа контролируемых параметров ТС КС при ее непрерывной работе и контроля состояния КС в обобщенных контрольных точках, обеспечивающих пользователя максимальной информативностью о диагностируемом объекте, которая достигается вычислением дополнительно вероятностей выхода параметров ТС КС за пределы допустимых значений и вероятностей сбоев в сети. Кроме того, в результате перехода к контролю меньшего количества параметров ТС КС сокращаются временные и финансовые затраты на осуществление диагностики и дальнейшего мониторинга технического состояния КС.
Технический результат достигается тем, что в способе оценки информативности и приоритетности параметров ТС КС, состоящем из посыла сигнала анализатором, замеряющим характеристики технического состояния компьютерной сети, сохранения значений в блоке хранения данных, занесения измеренных значений в блок обработки данных, в котором последовательно вычисляют средние значения каждого параметра по всем контролируемым системам (аналогичным по назначению и условиям эксплуатации участкам компьютерной сети), вычисляют общее среднее значение параметров по числу проведенных измерений, рассчитывают элементы ковариационной матрицы и строят на их основе корреляционную матрицу, вычисляют дополнительный параметр - вероятность невыполнения сетью задач к концу времени испытаний (измерений), средние значения этого параметра и рассчитывают коэффициенты корреляции по ним, добавляют последнюю строку и последний столбец полученной корреляционной матрицы вероятностей в качестве последних строки и столбца к корреляционной матрице параметров технического состояния компьютерной сети, формируют преобразование, описывающее внутренние связи рассматриваемых параметров контролируемой сети (или ее участка), произведение столбцов которого дает соответствующий элемент полученной итоговой корреляционной матрицы, рассчитывают коэффициенты приоритетности каждого показателя путем решения системы уравнений, полученной на основе элементов построенного преобразования, оценивают информативность исходной совокупности характеристик с помощью функции меры информации Шеннона, отбрасывают параметры с наименьшим коэффициентом приоритетности, определяют информативность уменьшенной совокупности параметров, вычисляют потери информации системы оставшихся параметров технического состояния по сравнению с исходной системой показателей, осуществляют окончательный выбор совокупности наиболее важных параметров технического состояния в соответствии с заданным пользователем максимальным уровнем потерь информации. Расчет дополнительно оцениваемых параметров осуществляют по вероятности выхода за пределы допустимых значений по каждому параметру и вероятности невыполнения сетью задач к концу времени испытаний. Вычисление дополнительного параметра осуществляют в блоке обработки данных после расчета корреляционной матрицы контролируемых параметров технического состояния компьютерной сети, вычисляют вероятность выхода за пределы допустимых значений по каждому параметру технического состояния компьютерной сети и вероятность невыполнения сетью задач к концу времени испытаний по числу сбоев в работе сети, вычисление дополнительного параметра осуществляют на основе средних вероятностей сбоев в сети по всем замерам для каждой характеристики технического состояния компьютерной сети и средней вероятности сбоев в сети по всем характеристикам для каждого замера.
Пример осуществления заявляемого способа к действующей компьютерной сети реализуется следующим образом. На фиг.1 показана обобщенная схема взаимодействия КС и анализатора, на фиг.2 приведены варианты размещения анализатора в сети, на фиг.3 отражена схема реализации заявляемого способа. Фигуры поясняются следующими обозначениями:
1 - участок компьютерной сети;
2 - анализатор;
3 - блок хранения значений контролируемых параметров;
4 - блок обработки данных;
4.1 - корреляционная обработка данных;
4.2 - вычисление нового параметра, расчет дополнительной корреляционной матрицы;
4.3 - определение приоритетности параметров;
4.4 - перегруппировка параметров;
4.5 - оценка информативности исходной системы параметров;
4.6 - исключение параметров, оценка потерь информации;
5 - вывод результатов на экран;
5.1 - вывод коэффициентов приоритетности на экран, вывод уровня потерь информации;
5.2 - вывод на экран окончательной совокупности наиболее важных параметров ТС КС;
6 - рабочие станции в сети;
7 - маршрутизатор;
8 - концентратор;
9 - сервер.
При построении КС 1 на основе концентраторов 8 существует общая среда передачи данных, все узлы сети обмениваются пакетами, конкурируя за доступ к этой среде, причем пакет, посылаемый одним узлом сети, передается на все порты концентратора и этот пакет прослушивают все остальные узлы сети 6, 7, 9, но принимает его только тот узел, которому он адресован. На один из узлов концентратора 8 устанавливают пакетный анализатор 2, который будет перехватывать все сетевые пакеты, относящиеся к данному сегменту КС.
С помощью анализатора 2 (программного или аппаратного) производится загрузка КС, отдельного ее участка или отдельной рабочей станции 6 данными, после чего поступает обратный сигнал на анализатор, который определяет значения контролируемых им параметров ТС КС на данном участке, данные сохраняются в отдельном файле в памяти процессорного устройства 3, затем заносятся в блок обработки накопленных значений параметров 4, в котором происходит расчет согласно предлагаемому способу и анализ с целью выявления наиболее и наименее важных характеристик ТС КС.
Посыл данных осуществляется на любом сегменте компьютерной сети, на каждый компьютер (рабочую станцию - PC).
Реализация заявленного способа заключается в том, что полученный анализатором 2 обратный сигнал обрабатывается, производится оценка технических характеристик, полученные значения заносятся в блок хранения данных 3, содержащий статистическую информацию об изменении значений различных характеристик КС. Накопленная информация заносится оператором или администратором сети в специальным образом подготовленный блок 4, осуществляющий расчет в следующей последовательности: в блоке корреляционной обработки данных 4.1, блоке расчета дополнительного параметра 4.2 - вероятности невыполнения сетью задач к концу времени измерений, в котором производится вычисление средних значений нового параметра, расчет коэффициентов корреляции, добавление последней строки и последнего столбца полученной корреляционной матрицы вероятностей в качестве последних строки и столбца к корреляционной матрице параметров ТС КС, рассчитанных в предыдущем блоке. По полученной матрице в следующем блоке 4.3 формируется преобразование, описывающее внутренние связи рассматриваемых параметров контролируемой сети (или ее участка), произведение столбцов которого дает соответствующий элемент полученной итоговой корреляционной матрицы, осуществляется вычисление коэффициентов приоритетности каждого показателя путем решения системы уравнений, полученной на основе элементов построенного преобразования, в блоке 4.4 производится перегруппировка строк и столбцов корреляционной матрицы в порядке увеличения полученных приоритетов контролируемых анализатором характеристик КС. В следующем блоке 4.5 осуществляется оценка информативности рассматриваемой системы параметров с помощью функции меры информации Шеннона, в блоке 5.1 полученные значения функции информации и коэффициентов приоритетности характеристик выводятся на экран, в блоке 4.6 исключаются параметры с наименьшей значимостью (приоритетностью), определяется информативность получаемой уменьшенной совокупности параметров, вычисляется значение потерь информации системы оставшихся параметров технического состояния по сравнению с исходной системой показателей, полученный результат выводится на экран 5.1. Выбор окончательной совокупности параметров ТС производится до тех пор, пока не достигнут заданный изначально администратором сети уровень потерь информации. В блоке 5.2 производится вывод на экран окончательной совокупности наиболее важных параметров ТС КС.
Технический результат достигается путем последовательного вычисления коэффициентов приоритетности характеристик ТС КС, пошагового контроля потерь информации при исключении наименее значимых параметров и недопущении пользователем выхода за границы интервала допустимого уровня потерь информации в целях сохранения компьютерной сети в требуемом режиме готовности.
Применение предлагаемого способа влечет повышение работоспособности исследуемого объекта, улучшения его технических характеристик, предупреждение внезапных отказов, а также возможность выбора небольшой совокупности наиболее важных параметров ТС КС, что удешевляет процесс диагностики и дальнейшего прогноза, так как позволяет существенно сократить затраты на приобретение диагностирующего оборудования или программного обеспечения.
Реализация способа оценки информативности и приоритетности параметров ТС КС заключается в следующем. Используемый в блоке обработки данных 4 информационный подход включает процесс составления корреляционной матрицы по значениям исходных параметров ТС КС, учет вероятностей соответствия значений рассматриваемых характеристик требуемому уровню, построение преобразования, позволяющего определить коэффициенты приоритетности параметров, использование функции информации Шеннона для определения информативности различных совокупностей параметров, а также потерь информации при исключении малозначащих характеристик. Ставится следующая задача.
1
N
Пусть некоторая система характеризуется совокупностью N параметров x, … x, которые обозначим вектором . Необходимо найти такую функцию f(x), которая бы, описывая свойства системы, отвечала следующим требованиям: вектор  содержал бы ту же информацию о свойствах системы, что и вектор ; число компонент M вектора  было бы меньше числа компонент N вектора .
ij
Используются данные наблюдений, полученные при контроле Р аналогичных систем в различные моменты времени. В этом случае имеется набор из N параметров для каждой системы {x(k)}, где i=1,…, N, j=1,…, Р - номер контролируемой системы (КС 1 или ее участка 6, 7, 8, 9), k - номер замера параметров (k=1,…, T).
N+1
N+1
o,k
При ограниченном времени испытаний вводится дополнительный параметр x, который определяется как вероятность отказа системы к концу времени испытаний. Значения параметра x при каждом замере k равны , k=1,…, T, где n - общее число отказавших систем по всем параметрам при k-том замере.
Алгоритм способа оценки информативности и приоритетности параметров ТС КС предприятия представлен в виде последовательной реализации следующих этапов (фиг.3).
1-2 - производится взаимодействие анализатора 2 с компьютерной сетью 1 (посыл сигнала по каналу сети и получение отзыва анализатором). Полученный анализатором обратный сигнал обрабатывается, производится оценка значений измеренных характеристик.
3 - сохранение полученных значений в блоке хранения измеренных показателей 3.
4 - обработка накопленной информации. Администратор КС, осуществляющий ее диагностику, заносит сохраненные на третьем этапе данные в заранее подготовленный для расчетов согласно заявленного способа блок 4, в котором:
4.1 - на основе расчета элементов ковариационной матрицы производится построение корреляционной матрицы , , i=1,…, N, j=1,…, N, N - количество измеренных характеристик.
4.2 - вычисляется новый параметр - вероятность невыполнения сетью задач к концу времени испытаний (измерений), рассчитываются средние значения параметра и расчет коэффициентов корреляции по ним, добавление последней строки и последнего столбца полученной корреляционной матрицы вероятностей в качестве последних строки и столбца к корреляционной матрице параметров ТС КС, рассчитанных в блоке 4.1.
i,N+1
N+1,j
i
N+1
В качестве C (C) вычисляется корреляция между вероятностями отказа по выходу за допуски параметра x и отказа к концу испытания x. Из полученной матрицы выделяются вспомогательные: , i=1,…, N; j=1,…N; .
4.3 - строится преобразование α, описывающее внутренние связи измеренных параметров контролируемой сети:
ij
i
j
ij
Если  - столбцы координатной матрицы , C=(e, e), то координаты α можно вычислить по рекуррентным соотношениям (i=1,…, N+1, j=1,…, N+1):
i
Вычисление коэффициентов приоритетности a параметров ТС КС производится путем решения системы (3):
Алгоритмом решения системы являются рекуррентные соотношения
i
4.4 - сравнение коэффициентов приоритетности по их абсолютной величине, перегруппировка и переиндексация исходных параметров по возрастанию абсолютной величины a.
4.5 - оценка информативности исходной системы параметров ТС КС по формуле . Вывод значений коэффициентов приоритетности и информативности исходной системы параметров ТС КС на экран (блок 5.1).
4.6 - последовательно исключаются параметры с наименьшим коэффициентом приоритетности; рассчитывается информативность системы оставшихся параметров; оцениваются потери информации полученной совокупности показателей по сравнению с исходной.
1
2
Вычисление функций информации I, I, … осуществляется по формулам:
j
j
j
где I - информативность параметров системы при отбрасывании первых j параметров, j=1, 2 … N-1; A и C - матрицы, полученные из матриц A и C вычеркиванием первых j-строк и j-столбцов, соответствующих отброшенным j параметрам.
Потери информации вычисляются по формуле:
5.1 - вывод значений коэффициентов приоритетности, информативности полученной системы параметров ТС КС и уровня потерь информации после исключения параметра на экран; принятие решения о дальнейшем исключении малозначащих характеристик.
Исключение параметров с наименьшей приоритетностью производится в соответствии с правилом: если полученный уровень потерь информации является удовлетворительным для пользователя (например, не превышает 30%), то исключается следующий по приоритетности параметр (в порядке возрастания значимости), проводится контроль информативности полученной уменьшенной совокупности характеристик и потерь информации на данном этапе. Если полученный уровень потерь информации превышает заданный изначально администратором КС предел, то процесс исключения параметров прекращается, а выбранная на предыдущем шаге совокупность показателей является искомой, достаточной для эффективного контроля ТС КС.
5.2 - отображение окончательной совокупности характеристик на экран.
Предлагаемый способ оценки информативности и приоритетности параметров технического состояния компьютерной сети или ее участка позволит повысить эффективность диагностики ТС КС, улучшить техническую готовность КС без прерывания ее работы, уменьшить временные и финансовые затраты на осуществление диагностики и дальнейшего мониторинга технического состояния КС за счет обоснованного уровнем потерь информации уменьшения количества контролируемых параметров и контроля только наиболее значимых характеристик. Контроль состояния КС осуществляется в обобщенных контрольных точках, обеспечивающих пользователя максимальной информативностью о диагностируемом объекте, которая достигается вычислением дополнительно вероятностей выхода параметров ТС КС за пределы допустимых значений и вероятностей сбоев в сети. Способ может быть применен для любого набора показателей технического состояния.