Метод прогнозирования перегрузок в компьютерных сетях на основе анализа временных рядов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.19, кандидат технических наук Соколов, Алексей Сергеевич

• Соколов, Алексей Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Соколов, Алексей Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. МОНИТОРИНГ ПЕРЕГРУЗОК В ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ.

1.1. Структура современных вычислительных сетей.

1.1.1. Компьютерная сеть.

1.1.2. Понятие сетевой модели.

1.1.3. Понятие стека протоколов.

1.1.3.1. Различия и особенности распространенных протоколов.

1.1.3.2. Принципы работы протоколов разных уровней.

1.1.4. Понятие и характеристики трафика.

1.2. Понятие перегрузок.

1.2.1. Причины и последствия перегрузок.

1.2.2. Методы борьбы с перегрузками.

1.2.3. Качество обслуживания.

1.3. Современные методы мониторинга вычислительных сетей.

1.3.1. Основные цели мониторинга.

1.3.2. Методы мониторинга.

1.4. Протокол SNMP.

1.5. Протокол IP.

1.6. Протокол ICMP.

1.6.1. Характеристики протокола ICMP.

1.6.2. Базовые утилиты на основе протокола ICMP.

1.7. Сравнение утилит мониторинга сети на основе ping.

1.7.1. Ping в Windows.

1.7.2. Ping в Linux/UNIX.

1.7.3. Tracert/traceroute.

1.7.4. Pathping.

1.7.5. Pingit.

1.7.4. Ping monitor.

1.7.5. PingPlotter.

1.7.6. PingTool.

1.8. Модель сегмента вычислительной сети.

1.8.1. Метод сравнения значений временных меток.

1.8.2. Метод сравнения задержек пакетов.

Вывод по главе 1.

ГЛАВА 2. МЕТОДЫ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ПЕРЕГРУЗОК.

2.1. Понятие прогнозирования.

2.1.1. Статистические методы анализа и прогнозирования.

2.1.2. Критерии качества прогнозных моделей.

2.1.3. Оценка качества прогноза.

2.2. Анализ временных рядов.

2.2.1. Понятие временного ряда.

2.2.2. Цели, этапы и методы анализа временных рядов.

2.2.3. Детерминированная и случайная составляющая временного ряда.

2.2.4. Тренд, сезонная и цикличная компоненты.

2.2.5. Числовые характеристики временных рядов.

2.2.6. Порядок анализа временных рядов.

2.2.7. Методы прогнозирования, сведение к стационарности.

2.2.7.1. Метод наименьших квадратов.

2.2.7.2. Метод скользящих средних.

2.2.7.3. Экспоненциальное сглаживание.

2 .3. Программные средства для анализа временных рядов.

2.3.1. MATLAB.

2.3.2. STATISTICA.

2.3.3. SPSS.

2.3.4. MS Excel.

2.3.5. STADIA.

2.3.6. ЭВРИСТА.

Вывод по главе 2.

ГЛАВА 3. РЕАЛИЗАЦИЯ ПОДХОДА К ПРОГНОЗИРОВАНИЮ ПЕРЕГРУЗОК НА ОСНОВЕ АНАЛИЗА ВРЕМЕННЫХ РЯДОВ.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Методика сбора данных.

3.3. Обработка данных.

3.4. PingPrognoz.

Вывод по главе 3.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод прогнозирования перегрузок в компьютерных сетях на основе анализа временных рядов»

Актуальность темы.

В последнее время появляется множество провайдеров, которые предлагают высокоскоростное подключение к сети Интернет. Это обусловлено тем, что данные услуги актуальны и востребованы. С каждым днем количество абонентов, подключенных к Интернету, растет. Это приводит к увеличению нагрузки на серверы и коммутаторы в ядре сети провайдера. Современные компьютерные сети характеризуются сложной физической и логической топологией и зачастую построены неоптимальным образом. Приложения абонентов могут генерировать трафик, превышающий пропускную способность каналов связи. Все это приводит к возникновению перегрузок на участках сети, а следовательно к нарушению целостности, возникновению угроз потери данных, ошибкам, отказам в обслуживании и замедленной работе в сети всех абонентов. Вышеперечисленное является причиной нарушения безопасности передачи информации и снижения качества услуг в целом [17, 26, 37].

Разработка механизмов мониторинга и прогнозирования перегрузок является актуальной, важной задачей и неотъемлемым элементом комплекса мер по обеспечению безопасной эксплуатации компьютерной сети. Мониторинг сети позволяет отслеживать угрозы, определять время, место и причины возникновения неполадок. Прогнозирование интенсивности трафика дает возможность заранее предпринимать необходимые меры по предупреждению последствий.

Данная работа посвящена методам мониторинга и прогнозирования перегрузок в компьютерных сетях на основе анализа временных рядов. При использовании данного метода возможно предсказание перегрузки сети за некоторое время до ее возникновения. Измерения выполнялись в сети одного из провайдеров Санкт-Петербурга. В работе предложен подход к организации мониторинга узловых объектов сети. С помощью специального программного обеспечения были получены мониторные данные, которые были взяты в качестве исходных для анализа. В результате анализа предложен метод прогнозирования на основе анализа линейного тренда и тренда, построенного с помощью скользящих средних.

Целью работы является решение научной проблемы по мониторингу и прогнозированию перегрузок в каналах связи современных вычислительных сетей и разработке программного комплекса для повышения защищенности и эффективности функционирования компьютерных сетей.

Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач:

1. Анализ существующих методов и базовых средств мониторинга вычислительных сетей.

2. Разработка модели сегмента сети, которая позволяет определять время обработки пакета данных в любом элементе исследуемого участка.

3. Экспериментальная проверка выбранного подхода мониторинга. Сбор и анализ полученных измерений.

4. Оценка пригодности метода мониторинга интенсивности трафика на основе данных о времени двойного оборота пакета.

5. Разработка метода, позволяющего выявлять места перегрузки в сегменте сети.

6. Исследование методов прогнозирования временных рядов и выявление наиболее подходящих для обработки данных, полученных в результате экспериментов.

7. Разработка метода прогнозирования перегрузок в компьютерных сетях на основе анализа временных рядов.

8. Разработка программного продукта, позволяющего осуществлять краткосрочное прогнозирование трафика.

Объектом исследования являются компьютерные сети.

Предметом исследования является применение методов и моделей для описания поведения трафика в сегменте сети.

Методы исследования базируются на теории математической статистики (анализ временных рядов), теории вычислительных сетей и систем.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Дана оценка пригодности метода мониторинга интенсивности трафика компьютерной сети, на основе данных о времени двойного оборота пакета.

2. Разработана модель сегмента сети для вычисления времени обработки пакета данных в любом элементе этой сети.

3. Разработан метод обнаружения мест перегрузок в сегменте сети.

4. Разработан метод прогнозирования перегрузок в компьютерных сетях на основе анализа временных рядов.

Практическая ценность исследования состоит в создании метода прогнозирования перегрузок в компьютерных сетях. Разработанное приложение может быть использовано в локальных сетях различных предприятий с целью повышения уровня безопасности передачи данных. Отдельные теоретические и практические положения могут быть включены в развитие научных представлений в области цикла дисциплин сетевых технологий; возможности использования ряда положений в процессе преподавания дисциплин «Информационная безопасность».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практических конференциях и семинарах Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики и других научно-практических конференциях России.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 4 статьи в научных журналах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы, включающего 75 наименований. Основная часть работы изложена на 129 страницах. Работа содержит 110 рисунков и 7 таблиц.

Заключение диссертации по теме «Методы и системы защиты информации, информационная безопасность», Соколов, Алексей Сергеевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Целью диссертационной работы являлось решение проблемы по мониторингу и прогнозированию перегрузок в каналах связи современных вычислительных сетей и разработке программного комплекса для повышения защищенности и эффективности функционирования компьютерных сетей.

В ходе диссертационного исследования получены следующие основные результаты, обеспечивающие достижение поставленной цели:

1. Проведен анализ существующих методов мониторинга и представлен обзор базовых средств мониторинга вычислительных сетей.

2. Разработана модель сегмента сети, позволяющая вычислять время обработки пакета данных в любом элементе этой сети.

3. Разработан программный продукт, позволяющий, периодически вызывать значения временных меток узлов сети и на графике отображать изменения полученных данных во времени.

4. Собраны и проанализированы необходимые данные.

5. Дана оценка пригодности метода мониторинга интенсивности трафика, на основе данных о времени двойного оборота пакета.

6. Разработан метод обнаружения участков перегрузок в сегменте сети.

7. Исследованы методы прогнозирования временных рядов и выявлены наиболее подходящие для обработки полученных экспериментальных данных.

8. Разработан метод прогнозирования перегрузок в компьютерных сетях на основе анализа временных рядов.

9. Разработан программный продукт, позволяющий прогнозировать перегрузки и поведение трафика сети.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Соколов, Алексей Сергеевич, 2011 год

1. Авад М.Л. Модель управления в задаче мониторинга сетевой безопасности // Телекоммуникации, математика и информатика - исследования и инновации: Межвузовский сборник научных трудов № 6. - СПб.: ЛГОУ им. A.C. Пушкина, 2002, С. -234.

2. Андерсон Т.В. Статистический анализ временных рядов. М.: МИР, 1976.-756 с.

3. Афанасьев В.Н., Юзбашев М.М. Анализ временных рядов и прогнозирование: Учебник. М.: Финансы и статистика, 2010. - 162 с.

4. Балинова B.C. Статистика в вопросах и ответах: Учебное пособие. -М.: Проспект, 2004. 344 с.

5. Баранов А. П. Обнаружения нарушителя на основе выявления аномалий // Проблемы информационной безопасности № 1 Москва, 1999, С-44-50.

6. Бертон. К. Разработка и диагностика многопротокольных сетей. Пер. с англ. М.: Лори, 1999. - 410 с.

7. Бишоп Дж., Хорспул Н. С# в кратком изложении. М.: Инфра-М, 2009.-466 с.

8. Биячуев Т.А. Безопасность корпоративных сетей: Учебное пособие / под ред. Л.Г.Осовецкого СПб.: - СПб ГУ ИТМО, 2004. - 161 с.

9. Бойченко М. К., Иванов И. П. Исследование характера трафика в магистральных сегментах ЛВС МГТУ им. Н. Э. Баумана. // Вестник МГТУ. Приборостроение № 3 М., 2009. С. - 12-21.

10. Бойченко М. К., Иванов И. П. Мониторинг ресурсов узлов корпоративной сети // Вестник МГТУ. Приборостроение № 2 М., 2009. С. -114-120.

11. Бокс Дж., Дженкинс Г. Анализ временных рядов: Прогноз и управление. М.: Мир, 1974. - 406 с.

12. Будько М.Б., Соколов A.C. Малоизвестные возможности базовых средств мониторинга вычислительных сетей // Научно-технический вестник Поволжья №3 Казань, 2011, С.-87-92.

13. Велихов A.B., Строчников К.С., Леонтьев Б.К. Компьютерные сети: Учебное пособие по администрированию локальных и объединенных сетей. -2-е изд. М.: Познавательная книга-пресс, 2004. - 320 с.

14. Воробьев В.И. Мониторинг нарушения безопасности компьютерных сетей // Тезисы докладов, РИ-2000 «VII Санкт-Петербургская международная конференция, региональная информатика 2000». - СПб.: СПОИСУ, 2000, С. -153.

15. Виснадул Б.Д., Лупин С.А., Сидоров C.B., Чумаченко П.Ю. Основы компьютерных сетей. М.: ИД «ФОРУМ» - ИНФРА-М, 2007. - 272 с.

16. Интернет в высшем учебном заведении / И. К. Вильдяев, М. А. Вознюк, А.Н. Долматов, В. Н. Жданов, В. Э. Жигадло / под ред. М. А. Вознюка. -СПб.: ВАС, 1998.-246 с.

17. Глататенко В.А. Основы информационной безопасности. М.: ИНТУИТ, 2005. - 208 с.

18. Глататенко В.А. Стандарты информационной безопасности. М.: ИНТУИТ, 2005. - 264 с.

19. Гмурман В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика: Учебное пособие. -9-е изд., стер. М.: Высшая школа, 2003. - 479 с.

20. Гусаров В.М. Статистика: Учебное пособие для высших учебных заведений. М.: ЮНИТИ-ДАНА, 2003. - 463 с.

21. Гусева А.И. Технология межсетевых взаимодействий. Netware-UnixWindows-Internet. СПБ.: Питер, 1997. - 470 с.

22. Елисеева И.И. Эконометрика. М.: Финансы и статистика, 2007.576 с.

23. Енюков И.С., Ретинская И.В., Скуратов А.К. Статистический анализ и мониторинг научно-образовательных интернет-сетей. Под. ред. Тихонова А.Н. М.: Финансы и статистика, 2004. - 320 с.

24. Ефимова М.Р. и др. Практикум по общей теории статистики: учеб. пособие / М.Р. Ефимова, О.И. Ганченко, Е.В. Петрова. М.: Финансы и статистика, 2000.-280 с.

25. Жигулин Г.П., Новосадов С.Г., Яковлев А.Д. Информационная безопасность: Учебник. СПБ.: СПбГУ ИТМО, 2003. - 150 с.

26. Жигулин Г.П., Осовецкий Л.Г., Звонов B.C. Парадигма безопасности. Научно-практическая конференция «Безопасность и защита сетевых технологий. Common Criteria». Тезисы докладов. СПб.: СПбГУ ИТМО, 2007, С.-12.

27. Иванов И. П. Математические модели коммутаторов локальных вычислительных сетей // Вестник МГТУ. Приборостроение № 2 М., 2009. С. -84-92.

28. Иванов И.П. Оценка трафика информационных потоков серверов в корпоративной сети // Вестник МГТУ. Приборостроение № 3 М., 2009. С. -3-11.

29. Иванов И. П. Управление интенсивностью трафика в сегментах корпоративных сетей // Информатизация образования и науки № 3 М., 2010, С-52-58.

30. Иванов И. П, Колобаев Л. И., Лохтуров В.А. Система адаптивного управления трафиком // Вестник МГТУ. Приборостроение № 2 М., 2009. С. -98108.

31. Ивченко Г.И., Медведев И.Ю. Введение в математическую статистику: Учебник. М.: Издательство ЛКИ, 2010. - 600 с.

32. Калинина В.Н., Панкин В.Ф. Математическая статистика. 4-е изд.: Учебное пособие. - М.: Дрофа, 2002. - 340 с.

33. Кашин М.М. Методы борьбы с перегрузками в сети SIP // Инфокоммуникационные технологии Том 9, № 1 Самара, 2011, С. -67-70.

34. Кендалл М, Стьюарт А. Многомерный статистический анализ и временные ряды. М.: Наука, 1976. - 736 с.

35. Кильдышев Г.С., Френкель A.A. Анализ временных рядов и прогнозирование. -М.: Статистика, 1973 101 с.

36. Крянев A.B., Лукин Г.В. Математические методы обработки неопределенных данных. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 216 с.

37. Кулябов Д.С. Защита информации в компьютерных сетях: Учебник. -М.: РУДН, 2004.-130 с.

38. Лукацкий А. В. Системы обнаружения атак на сетевом уровне // PCWeek/RE №33, Москва, 1999, С.-32-33.

39. Лукашин Ю.П. Адаптивные методы краткосрочного прогнозирования временных рядов: Учебное пособие. М.: Финансы и статистика, 2003. - 416 с.

40. Мак-Клар С. И др. Секреты хакеров. Безопасность сетей готовые решения. 3-е изд. - М.: ИД «Вильяме», 2002. - 736 с.

41. Мельников В.П., Клейменов С.А„ Петраков A.M. Информационная безопасность и защита информации. М.: ИЦ «Академия», 2008. - 336 с.

42. Мэйволд Э. Безопасность сетей. Самоучитель. М.: Эком, 2005.528 с.

43. Олифер В. Г., Олифер Н. А. Компьютерные сети. Принципы, технологии, протоколы: Учебник для вузов. 3-е изд. СПб.: Питер, 2006. - 958 с.

44. Поляк-Брагинский A.B. Локальные сети. Модернизация и поиск неисправностей. 2-е изд., перераб. и доп. - СПБ.: БХВ-Петербург, 2006. - 640 с.

45. Петровский А. Эффективный хакинг для начинающих и не только. -М.: Майор, 2001.-344 с.

46. Петрунин Ю.Ю. Информационные технологии анализа данных. Data analysis: Учебное пособие. -М.: КДУ, 2008. -292 с.

47. Рудакова Р.П., Букин Л.Л., Гаврилов В.И. Статистика. 2-е изд. -СПб.: Питер, 2007. —288 с.

48. Румянцева Е.Л., Слюсарь В.В. Информационные технологии: Учебное пособие. М.: BL «Форум», 2007. 256 с.

49. Садовникова H.А. Анализ временных рядов и прогнозирование. М.: МГУ, 2001.-67 с.

50. Соколов А. С. Моделирование сегмента вычислительной сети и выявление проблемных участков в процессе мониторинга // Научно-практический журнал «Прикладная информатика» №3 Москва, 2011, С-116-120.

51. Соколов А.С. Развитие методов анализа вычислительных сетей // Медный всадник №6 Санкт-Петербург, 2009, С.-51-55.

52. Соколов А.С. Статистические методы прогнозирования. Возможности и недостатки // Вестник Петровской академии №9 Санкт-Петербург, 2008, С. -26-29.

53. Станек У. Microsoft Internet Information Services 5.0. M.: Лори, 2002.464 с.

54. Стивене Р. Протоколы TCP/IP. Практическое руководство. СПБ.: BHV - Санкт-Петербург, 2003 - 672 с.

55. Таненбаум Э. Компьютерные сети. 4-е изд. - СПБ.: Питер, 2003.992 с.

56. Тюрин Ю.Н., Макаров А.А. Анализ данных на компьютере / под ред. В.Э.Фигурнова. 3-е изд., перераб. и доп. - М.: ИНФРА-М, 2003. - 528 с.

57. Уилсон Э. Мониторинг и анализ сетей. Метод выявления неисправностей. М.: Лори, 2002. - 350 с.

58. Хогдал С. Анализ и диагностика компьютерных сетей. М.: Лори, 2001.-353 с

59. Хубаев Г.Н. Информатика: Учебное пособие. М.: ИЦ «Март», 2010. -288 с.

60. Шаньгин В.Ф. Информационная безопасность компьютерных систем и сетей: Учебное пособие. М.: ИД «ФОРУМ», 2008. - 416 с.

61. Ширяев В.И. Финансовые рынки и нейронные сети: Учебное пособие. М.: Издательство ЛКИ, 2007. - 224 с.

62. Brockwell P., Davis R. Time Series: Theory and Methods. 2-е изд. - New York: Springer-Verlag, 1991. - 577 c.

63. Enders W. Applied Econometric Time Series. 2-е изд. - New York: Wiley, 2004.-460 c.

64. Hamilton J. Time series analysis. New Jersey: Princeton University Press, 1994.-820 c.

65. Makridakis S. Forecasting: methods and applications. New York: John Wiley & Sons, Inc., 1998. - 642 c.

66. Microsoft TCP/IP. Учебный курс: Официальное пособие Microsoft для самостоятельной подготовки. Пер. с англ. 2-е изд., испр. - М.: Издательско-торговый дом "Русская Редакция", 1999. - 344 с.

67. Репа D., Tiao С., Tsay R. A course in time series analysis. New York: Wiley, 2001.-496 c.

68. Request for Comments: 792. Internet Control Message Protocol / J.Postel. -USC, Information Sciences Institute, 1981. 21 c.

69. Request for Comments: 791. Internet Protocol / J.Postel. USC, Information Sciences Institute, 1981. -45 c.

70. Request for Comments: 1180. A TCP/IP Tutorial / T.J. Socolofsky, C.J. Kale. Spider Systems Limited, 1991. - 28 c.

71. Request for Comments: 768. User Datagram Protocol / J.Postel. USC, Information Sciences Institute, 1980. -3 c.

72. Анализ временных рядов: электронный учебник. Электронный ресурс. URL: http//:www.statsoft.ru/home/textbook/ (дата обращения 21.01.2010).

73. Прогнозирование и перспективные оценки: электронный учебник. Электронный ресурс. URL: http://www.capri.ustu.ru (дата обращения 07.08.2009).

74. Форум алтайского государственного университета // Методы прогнозирования. Электронный ресурс. URL: http://www.forum-agu.ru/fr/0/4.htm/ (дата обращения 07.08.2009).

75. Microsoft Corporation. Электронный ресурс. URL: http://www.microsoft.com/ (дата обращения 05.03.2009).