Do ponto de vista do servidor uma comunicação censurada é indistinguível de uma comunicação que nunca foi iniciada pelo cliente. Da mesma forma, do ponto de vista do cliente um site censurado é indistinguível de um site que não existe/está fora do ar. A solução em ambos os casos é buscar um canal alternativo na qual a comunicação seja bem sucedida, e usar esse canal para informar sobre a indisponibilidade da comunicação original. Na ausência de tal canal, pode-se no máximo inferir que determinado segmento dos seus usuários/visitantes está com algum problema, monitorando por mudanças abruptas no seu padrão de acesso.
Nota: a maneira mais garantida de se evitar uma censura parcial seria usar HTTPS - pois dessa forma todo o conteúdo da comunicação, incluindo query strings, seria confidencial entre o cliente e o servidor. Entretanto há casos em que isso não é possível (ex.: China, que baniu o uso de HTTPS até onde eu saiba) ou que isso pode ser contornado (ex.: um ataque MitM Institucional, onde o agente que realiza a censura tem poder sobre o código cliente ou seus CAs).
Em princípio isso poderia ocorrer até aqui no Brasil, mas a AC-Raiz da ICP-Brasil não é reconhecida pelos browsers por padrão (motivo pelo qual todo mundo vê alertas de segurança ao acessar sites seguros do governo). Por outro lado, programas que fazem MitM institucional por padrão - como o Opera Mini e o "acelerador" da Nokia - permitem que isso seja feito sem "dar na vista"...
Canais Alternativos
No caso de uma aplicação parcialmente censurada, uma maneira seria ter um código de erro que identificasse a falha na comunicação, mas construído de forma que esse código fosse comunicado sem problemas. Ou seja, ao enviar http://example.com/foo?texto=palavra-censurada
e receber um timeout (ou outro erro), o código cliente deveria imediatamente enviar uma segunda requisição a http://example.com/bar?cod=251
onde o código 251
seria o equivalente a "requisição foo
falhou". A partir daí, o servidor poderia usar técnicas de mineração de dados/clustering ou similares para tentar identificar o que os clientes que falharam têm em comum.
No caso de uma aplicação totalmente bloqueada, a única solução (para os clientes) é tentar usar um proxy (por exemplo, "down for everyone or just for me?"). Isso vai lhes permitir saber se o servidor está fora do ar ou se é só eles que não conseguem acessá-los. Se o próprio servidor conseguir manter um proxy desses desbloqueado, então seria viável manter uma extensão no navegador que faz um ping a esse proxy sempre que uma tentativa de acessar o site principal falhar (embora a simples existência dessa extensão chamaria a atenção de quem censurou o site, para que censurasse também a extensão...).
Peer-to-peer
Na impossibilidade de designar um único servidor para agir como canal alternativo (por esse servidor viver sendo bloqueado, por exemplo) uma possibilidade seria tentar usar comunicações peer-to-peer (P2P) de modo que os usuários trocassem informações entre si acerca do estado do servidor. No browser, o padrão [proposto] WebRTC pode ser de grande ajuda, quando amplamente suportado (atualmente já o é no Firefox, Chrome e Opera).
Entretanto, o WebRTC sozinho não resolve o problema do NAT Traversal - a capacidade de computadores pertencentes a sub-redes diferentes comunicarem uns com os outros. Esse problema pode se tornar inexistente com a adoção do IPv6, no qual há endereços suficientes para todo dispositivo imaginável sem a necessidade de sub-redes (ou melhor dizendo, há a possibilidade deles terem um IP global ainda que façam parte de uma sub-rede), mas enquanto boa parte dos sistemas ainda usarem IPv4 o NAT Traversal ainda é necessário.
O projeto serverless webrtc (WebRTC sem um servidor [de sinalização]), por exemplo, elimina a necessidade de qualquer servidor exceto pelo STUN (e existem diversos servidores públicos para esse fim) - desde que os pares a se conectar colaborem em um protocolo próprio. Não estudei esse protocolo a fundo, mas creio que seria possível o sistema oferecer facilidades para que isso seja feito a posteriori (i.e. negocia-se a conexão proativamente, usa-se a conexão caso a censura ocorra).
Padrões de Acesso Incomuns
Em geral, como na arquitetura web são os clientes que sempre iniciam uma comunicação, não há como saber com certeza se um bloqueio assim ocorreu. Entretanto, se seu serviço possui um número razoável de visitantes/usuários registrados, pode-se aplicar técnicas de mineração de dados/clustering para auxiliar na detecção de anomalias.
Digamos que vários clientes pré-existentes pararam de usar o site simultaneamente, a partir da mesma data [aproximadamente]. Em um agrupamento, essa seria uma característica (dimensão? métrica? desculpe, mas só tenho um conhecimento superficial de DM) interessante que reuniria um conjunto de usuários. Se você possui informações sobre a localização geográfica desses usuários (ou outro tipo de informação, como endereços IP) - informações estas que também agrupam usuários em clusters - então o sistema poderá fazer a correlação entre uma característica e outra (i.e. local e data de último acesso).
Essa correlação indicaria um problema: seja uma censura, como na discussão presente, seja a queda de um link, como no caso do network split (ver resposta do @Alexandre Marcondes). Medidas auxiliares poderiam então ser tomadas para confirmar ou refutar que uma censura está de fato em progresso.
Conteúdo Censurado
Por fim, uma breve nota sobre o caso em que certos conteúdos (digamos, palavras-chave) estão sendo censurados, mas o restante da aplicação está ok. É muito difícil o cliente comunicar ao servidor o que está sendo censurado, uma vez que a tentativa de "burlar" a censura (via canal alternativo, codificação alternativa, etc) poderia ela própria também ser censurada. Um recurso bastante usado em situações onde a criptografia está indisponível é a esteganografia: uma técnica de segurança por obscurantismo (security through obscurity) que consiste em enviar-se mensagens aparentemente inócuas porém contendo uma segunda mensagem "escondida" na mesma.
Existem ferramentas que possibilitam a esteganografia num grau aceitável de confidencialidade (exigindo uma senha para acessar a parte secreta) e negação plausível (as variações na mensagem original que escondem o segredo são indistinguíveis de variações aleatórias, resistentes às técnicas mais comuns de análise estatística). Entretanto, a distribuição dessas ferramentas tem que se dar em caráter privado (senão o agente da censura também terá acesso às mesmas) - o que torna impraticável empregá-las no contexto de aplicações web. Além disso, a "performance" das mesmas é bem aquém do desejado, já que a mensagem "visível" tem de ser ordens de grandeza maior que a mensagem "invisível".