Моделі та методи підвищення надійності інформаційно-управляючих систем критичного застосування з використанням багатоканального дублювання

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.13.06 - автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології

Моделі та методи підвищення надійності інформаційно-управляючих систем критичного застосування з використанням багатоканального дублювання

Асідех Фатхі Алі

Харків - 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут" Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: заслужений винахідник України, доктор технічних наук, професор Харченко Вячеслав Сергійович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут", завідуючий кафедрою комп'ютерних систем і мереж.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Лисенко Едуард Вікторович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, професор кафедри менеджменту;

кандидат технічних наук, доцент Одарущенко Олег Миколайович, Полтавський військовий інститут зв'язку, начальник кафедри телекомунікаційних систем та мереж.

Провідна установа Харківський Національний університет радіоелектроніки, кафедра автоматизації проектування обчислювальної техніки, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради М.О. Латкін

Анотація

Асідех Фатхі Алі. Моделі та методи підвищення надійності інформаційно-управляючих систем критичного застосування з використанням багатоканального дублювання. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2005.

Дисертація присвячена розробці моделей надійності, методів багатоканального дублювання та відновлення інформаційно-управляючих систем критичного застосування (КІС з БДА), елементів інформаційної технології підтримки прийняття рішень при створенні комп'ютеризованих систем гарантованої готовності. Розроблені модель КІС з БДА, що визначає системні зв'язки функціональних та надійнісних ознак відмовостійких архітектур і дозволяє синтезувати їх з урахуванням кількості та розподілу по каналах програмних версій, повноти дублювання, здатності до адаптації; метод адаптації до відмов АЗ і ПЗ, що базується на динамічній реконфігурації та послідовному аналізі синдромів і забезпечує збереження працездатності при відмовах двох довільних каналів; сукупність марковських моделей готовності відновлюваних КІС з БДА, які ураховують параметри стратегій відновлення, варіанти введення версійної надмірності та міжпідсистемного контролю, і забезпечують можливість розрахунку показників надійності одно- та багатоверсійних систем; комплекс стратегій відновлення КІС, які ураховують моменти початку, обсяг і пріоритетність відновлюваних елементів після відмов АЗ і ПЗ і дозволяють визначати множину варіантів відновлення систем; метод вибору архітектур і стратегій відновлення КІС з БДА, що забезпечує спрямований пошук раціональних структурних та експлуатаційних параметрів за критеріями готовності та відмовостійкості, дозволяє скоротити час відновлення та терміни проектування в умовах певних обмежень. Запропоновані методи дозволяють підвищити відмовостійкість та готовність за рахунок комплексного використання процедур адаптації, багатоверсійних технологій та стратегій відновлення, а також автоматизувати процеси прийняття рішень при розробці.

Ключові слова: інформаційно-управляючі системи, надійність, відмовостійкість, структурно-компонентні моделі, метод адаптації, технологія гарантованої готовності.

Аннотация

Асидех Фатхи Али. Модели и методы повышения надежности информационно-управляющих систем критического применения с использованием многоканального дублирования. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского "Харьковский авиационный институт", Харьков, 2005.

Диссертация посвящена разработке моделей оценки надежности, методов многоканального дублирования и восстановления информационно-управляющих систем критического применения (КИС с МДА), элементов информационной технологии поддержки принятия решений при создании компьютеризированных систем гарантированной готовности.

Расширение задач, решаемых КИС, усложнило выполнение растущих требований, предъявляемых к надежности и безопасности критических и бизнес-критических приложений. Удовлетворение этих требований в условиях расширения спектра дефектов программных и аппаратных средств, вызывающих нарушение их работоспособности, может обеспечиваться за счет адекватного изменения архитектур и технологий, поддерживающих отказоустойчивость. Анализ известных решений позволил обосновать целесообразность использования в качестве базовых многоканальных дублированных архитектур, представляемых НА(High Availability)- и СА(Continuous Availability) -технологиями. В то же время для таких систем характерны ограничения, связанные с недостаточной защищенностью от кратных отказов и сбоев, невыявленных дефектов программных средств, а также ограниченностью моделей их технического обслуживания и ремонта.

Научными результатами, полученными в диссертации, являются: 1) модель КИС с МДА, определяющая системные связи функциональных и надежностных признаков отказоустойчивых архитектур и позволяющая синтезировать их систематизированное множество с учетом количества и распределения по каналам программных версий, полноты дублирования, способности к адаптации; 2) метод адаптации КИС с МДА к отказам аппаратных и программных средств, базирующийся на динамической реконфигурации и процедуре последовательной фиксации и анализе синдромов отказов и обеспечивающий сохранение работоспособности при отказах двух произвольных каналов; 3) совокупность марковских моделей готовности восстанавливаемых КИС с МДА, учитывающих параметры стратегий восстановления, варианты введения версионной избыточности и организации межподсистемного контроля и обеспечивающих возможность расчета показателей надежности одно- и многоверсионных систем; 4) комплекс стратегий восстановления КИС с МДА, учитывающих моменты начала, объем и приоритетность восстанавливаемых элементов после отказов АС и ПС и позволяющих определять множество вариантов обслуживания и ремонта систем; 5) метод выбора архитектур и стратегий восстановления КИС с МДА, обеспечивающий частично направленный поиск рациональных структурных и эксплуатационных параметров по критериям готовности и отказоустойчивости, позволяющий сократить время восстановления и сроки проектирования в условиях определенных ограничений.

Предложенные методы и средства позволяют повысить отказоустойчивость и готовность информационно-управляющих систем критического применения за счет комплексного использования процедур адаптации, многоверсионных технологий и гибких стратегий восстановления при отказах аппаратных и программных средств, а также автоматизировать процессы принятия решений при разработке таких систем.

Практическое значение полученных результатов состоит в разработке элементов информационной технологии гарантированной готовности - DA(Dependable Availability)-технологии для КИС критического и бизнес-критического применения, а именно: принципов и патентоспособных средств системотехнической реализации нового класса отказоустойчивых КИС с использованием метода многоканального дублирования, которые дают возможность создавать высоконадежные информационно-управляющие системы; методик оценки надежности (отказоустойчивости и готовности) разных типов КИС с МДА, которые базируются на предложенных моделях и позволяют определять ее показатели в зависимости от параметров каналов, числа версий, стратегий восстановления; алгоритмов и инструментальных средств поддержки выбора параметров восстанавливаемых и не восстанавливаемых КИС с МДА в зависимости от требований и ограничений, обусловленных областью их использования.

Решение поставленных научных и прикладных задачи позволило, в конечном счете, на 25-40 снизить вероятность отказов КИС, а также повысить готовность восстанавливаемых систем на 5-10 процентов. Использование предложенных средств контроля и реконфигурации, защищенных патентом Украины №71083, обеспечивает повышение глубины дигностирования и отказоустойчивости КИС. Результаты исследований внедрены при разработке инструментальных систем и проектов нормативных документов, которые регламентируют методики оценки аэрокосмических комплексов, разработке вариантов построения автоматизированных систем управления, важных для безопасности АЭС, учебном процессе.

Ключевые слова: информационно-управляющие системы, надежность, отказоустойчивость, структурно-компонентные модели, метод адаптации, технология гарантированной готовности.

Abstract

Asideh Fathi Ali. Models and methods of increasing dependability informational-control systems of critical application by use of multichannel duplication. - Manuscript.

Thesis on competition of scientific degree of Candidate of Technical Sciences by specialty 05.13.06 - Automated control systems and progressive information technologies. - National Aerospace University named after N.E. Zhukovsky “Kharkiv Aviation Institute”, Kharkiv, 2005.

The dissertation is devoted to development of dependability assessment, methods of multichannel duplication and restoration of information-control systems of critical application (ICS-MSD), elements of information technology of supporting decision-making at creation of the computerized systems of guaranteed availability.

Scientific results are:

1) model of ICS-MSD, determining system connections of functional and dependability attributes of fault-tolerant architectures and allowing to synthesize their systematized set taking into account number and distributions of software versions on channels, completeness of duplication, ability to adaptation;

2) method of adaptation of ICS-MSD to hardware and software faults, basing on dynamic reconfiguration and procedure of consecutive fixing and the analysis of failure syndromes and providing preservation of work capacity at failures of any of two channels;

3) availability markov's models of restored ICS-MSD , taking into account strategy restoration parameters, variants of introduction of version redundancy, the subsystem check organization and providing possibility of calculation of one- and multiversion systems dependability measures;

4) set of ICS-MSD restoration strategies taking into account the moments of the beginning, volume and priority of restored hardware and software faults and allowing to define the rational variants of systems maintenance and repair;

5) method of ICS-MSD architectures and restoration strategies choice supporting search of rational structural and operational parameters on criteria of availability and fault tolerance, allowing to reduce time of restoration and terms of designing taking into account the certain restrictions.

Offered methods and means allow to increase fault tolerance and availability of ICS of critical application at the expense of complex use of procedures of adaptation, multiversion technologies and lexible restoration strategies on hardware and software faults and to automate decision-making processes at designing such systems.

Keywords: ICS, dependability, fault tolerance, structural - component models, method of adaptation, technology of guaranteed availability.

1. Загальна характеристика роботи

комп'ютеризований дубльований резервування інформаційний

Актуальність теми дослідження. Комп'ютеризовані інформаційні та інформаційно-управляючі системи (КІС) є важливим чинником підвищення ефективності технічних і організаційно-технічних комплексів різного призначення. Для критичних і бізнес-критичних застосувань (КБКЗ), до яких відносяться аерокосмічні, енергетичні, нафтогазові комплекси, а також системи е-комерції, банківські системи та інш., поряд з високою функціональністю, визначальним є рівень надійності КІС та її складових - безвідмовності, відмовостійкості, готовності. Це обумовлено двома основними причинами. По-перше, відмови таких систем спричиняють великі матеріальні втрати. Відмова бортової КІС ракети-носія “ARIANE - 5” призвела до майже півмільярдних збитків, а середня вартість відмови (збою) КІС банківських систем, тобто збитків від них, за даними британського департаменту фінансів складає 100-150 тис. доларів. По-друге, відмови КІС є небезпечними для критичних застосувань і можуть призвести до аварії, загибелі людей, екологічного лиха. Внаслідок цього вимоги до надійності таких КІС, не зважаючи на розширення їх функцій, підвищення складності, невпинно зростають. Імовірність їх безвідмовної роботи не повинна бути меншою 0,95-0,99 для кількох років безперервної роботи, а коефіцієнт готовності КІС, що обслуговуються (це стосується, насамперед бізнес-критичних систем), повинен перевищувати 0,9990,99999.

Забезпечення таких вимог неможливо без застосування сучасних методів резервування, впровадження відмовостійких архітектур розподілених КІС, стратегій відновлення та відповідних технологій. Конкуруючими, серед найбільш поширених, є так звані технології високої (High Availability (HA)) і продовженої (Continuous Availability (CA)) готовності, які реалізуються на базі мажоритарно-резервованих (МРА) і багатоканальних дубльованих (БДА) архітектур. Перевагою останніх (які складаються з двох або більше однотипних підсистем з дубльованими каналами) є простота організації контролю та реконфігурації, прозорість програмування функцій підтримки відмовостійкості та готовності. Підтвердженням цього є реалізація наприкінці 90-х років комерційних відмовостійких мережних рішень та серверів фірми Hewlett Packard (Continium та FT Server), які узагальнені у технології Stratus.

Питаннями розвитку теорії відмовостійких систем, методів оцінки та забезпечення безвідмовності та готовності КІС на протязі останніх десятиліть активно займалися А. Авіженіс, Г. Андерсен, Ж.-К. Лапрі, О. Лонгботтом, Б. Рєндел, П. Пархоменко, Е. Согомонян, І. Шубинський, О. Романкевич, В. Тоценко, Г. Кривуля, А Кривоносов, В. Краснобаєв, В. Харченко та інш. Що стосується досліджень, пов'язаних з розробкою та впровадженням КІС з БДА, то вони обмежувались аналізом безвідмовності її класичного варіанту, виконаного за СА-технологією без детального урахування режимів обслуговування, адаптації при відмовах, впливу надійності програмних засобів. Це суттєво обмежує область доцільного використання КІС з БДА, оскільки розрахунки показують, що базові рішення таких систем не завжди забезпечують потрібний рівень надійності для КБКЗ.

Таким чином, актуальною науковою задачею є розробка моделей надійності і методів резервування та відновлення КІС з багатоканальною дубльованою архітектурою з урахуванням відмов апаратних і програмних засобів (АЗ і ПЗ).

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких викладені в дисертації, проводилися відповідно до державних планів НДР, програм і договорів, що виконувалися в Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського "ХАІ":

“Розробка науково-методичних основ й інформаційних технологій оцінки та забезпечення відмовостійкості та безпеки комп'ютеризованих систем аерокосмічних комплексів, інших комплексів критичного застосування” (Національний Аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, № Г503-42/2003, 2003);

“Розробка науково-методичного забезпечення відмовобезпеки цифрових систем контролю та управління АЕС при використанні програмованих ВІС”, шифр “Надійність - Д” (НПВМП “АСУ ХАІ”, ЗАТ "Радій", Д2/2002, № 0104U003502, 2002).

Роль автора в зазначених НДР, у яких дисертант був безпосереднім виконавцем, полягає в розробці моделей, методів, алгоритмічних, програмних і апаратних засобів моделювання, оцінки та вибору варіантів побудови відмовостійких КІС і стратегій їх відновлення при використанні методів багатоканального дублювання.

Мета і задачі. Метою дисертаційної роботи є підвищення надійності комп'ютеризованих інформаційно-управляючих систем критичного та бізнес-критичного призначення шляхом удосконалення методу багатоканального дубльованого резервування, розробки архітектур, стійких до відмов АЗ і ПЗ, і обгрунтування вибору їх параметрів і параметрів відновлення.

Для досягнення поставленої мети вирішуються такі задачі:

аналіз сучасних методів і засобів забезпечення відмовостійкості та готовності КІС для критичних і бізнес-критичних застосувань, зокрема, з використанням багатоканальних дубльованих архітектур;

розробка узагальненої моделі КІС з БДА для формування систематизованої множини архітектур, стійких до відмов апаратних і програмних засобів;

розробка та дослідження моделей відмовостійкості невідновлюваних КІС з БДА та методу її підвищення шляхом адаптації архітектури до відмов;

розробка та дослідження стратегій відновлення та моделей готовності відновлюваних одно- та багатоверсійних КІС з БДА;

розробка обґрунтованих науково-практичних рекомендацій щодо вибору структурних параметрів і стратегій відновлення КІС з БДА для різних КБКЗ;

розробка алгоритмічних і апаратно-програмних засобів забезпечення відмовостійкості КІС з БДА та елементів інформаційної технології підтримки прийняття рішень при їх виборі.

Об'єкт дослідження - процеси проектування, функціонування та відновлення працездатності резервованих КІС в умовах відмов АЗ і ПЗ.

Предмет дослідження - моделі надійності, методи резервування, алгоритмічні та апаратно-програмні засоби забезпечення відмовостійкості та готовності, методики вибору параметрів відновлюваних КІС з БДА.

Методи дослідження. При дослідженнях використовувались методи системного аналізу, теоретико-множинного та автоматного опису КІС, теорії імовірностей, теорії марковських процесів з дискретними станами та безперервним часом.

Наукова новизна отриманих результатів:

1) вперше одержані:

- модель КІС з БДА, що визначає системні зв'язки функціональних та надійнісних ознак відмовостійких архітектур і дозволяє синтезувати їх систематизовану множину з урахуванням кількості та розподілу по каналах програмних версій, повноти дублювання, здатності до адаптації;

- метод адаптації КІС з БДА до відмов АЗ і ПЗ, який базується на динамічній реконфігурації та процедурі послідовної фіксації та аналізі синдромів відмов і забезпечує збереження працездатності при відмовах двох довільних каналів;

2) удосконалені:

- марковські моделей готовності відновлюваних КІС з БДА, які ураховують параметри стратегій відновлення, варіанти введення версійної надмірності та організації міжпідсистемного контролю, і забезпечують можливість розрахунку показників надійності одно- та багатоверсійних систем;

- комплекс стратегій відновлення КІС з БДА, які ураховують моменти початку, обсяг і пріоритетність відновлюваних елементів після відмов АЗ і ПЗ і дозволяють визначати множину варіантів обслуговування та ремонту систем;

3) набув подальший розвиток:

- метод вибору архітектур і стратегій відновлення КІС з БДА, що забезпечує частково спрямований пошук раціональних структурних та експлуатаційних параметрів за критеріями готовності та відмовостійкості, дозволяє скоротити час відновлення і терміни проектування в умовах певних обмежень.

Практичне значення одержаних результатів полягає у розробці:

- принципів і патентоспроможних засобів системотехнічної реалізації нового класу відмовостійких КІС з використанням методу багатоканального дублювання, що дозволяють створювати високонадійні інформаційно-управляючі системи (ІУС);

- методик оцінки надійності (відмовостійкості та готовності) різних типів КІС з БДА, що базуються на запропонованих моделях і дозволяють визначити її показники залежно від параметрів каналів, числа версій, стратегій відновлення;

- елементів інформаційної технології підтримки вибору параметрів відновлюваних і невідновлюваних КІС з БДА залежно від вимог і обмежень, обумовлених сферою їх використання.

Результати досліджень впроваджені в:

Сертифікаційному центрі АСУ Держцентрякості Державного комітету ядерного регулювання України при розробці проектів інструментальних систем і нормативних документів, що регламентують методики оцінки критичних інформаційно-управляючих систем (акт впровадження від 6.09.2004);

Національному аерокосмічному університеті ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” при вивченні дисциплін “Методи дослідження й моделювання комп'ютерних систем і мереж”, “Надійність, контроль і діагностика ЕОМ” (акт впровадження від 17.09.2004);

ЗАТ “Радій” при розробці варіантів побудови автоматизованих систем управління, важливих для безпеки АЕС (акт впровадження від 8.10.2004).

Достовірність нових наукових положень і висновків дисертаційної роботи підтверджується:

- результатами практичного впровадження запропонованих моделей і методів при реалізації КІС з БДА для критичних і бізнес-критичних додатків, що призвели до реального збільшення їх відмовостійкості та готовності;

- зведенням розроблених моделей надійності КІС з БДА до загальновідомих при граничних значеннях їх параметрів (кількості версій, процедур відновлення та інш.);

- працездатністю та високими технічними характеристиками апаратно-програмних рішень підтримки відмовостійкості КІС, що базуються на запропонованому методі резервування та адаптації при відмовах.

Особистий внесок здобувача полягає у розробці нових моделей, методів і архітектурних рішень, що забезпечують вирішення поставлених у дисертації задач. Всі основні результати отримані автором особисто. Роботи [3,6] були опубліковані без співавторів. У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачу належать: аналітичні залежності для визначення безвідмовності адаптивних КІС з БДА з урахуванням відмов програмних засобів та виду багатоверсійності [1]; базові положення інформаційної технології гарантованої готовності [2]; обґрунтування стратегій відновлення КІС з БДА та марковські моделі одноверсійних КІС з БДА [4]; розробка елементів структурно-компонентної моделі, формулювання та доказ тверджень щодо властивостей КІС з БДА з міжпідсистемним контролем [5]; аналіз особливостей сучасних технологій забезпечення відмовостійкості та готовності бізнес-критичних систем та пропозиції щодо можливості впровадження технології гарантованої готовності [7]; обґрунтування можливості використання апарату марковських процесів для опису відновлюваних КІС з БДА [8]; пропозиції щодо розробки процедур і побудови засобів реалізації аналізу синдромів відмов каналів і реконфігурації структури системи [9].

Апробація результатів. Результати досліджень обговорювалися на міжгалузевому семінарі “Критичні комп'ютерні технології та системи” на кафедрі комп'ютерних систем і мереж Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” (м. Харків, 2004 р.), науково-технічних конференціях: “Мікропроцесорні системи в задачах автоматизації виробництва” (м. Хмельницький, 2002 р.), “Інтегровані комп'ютерні технології в машинобудуванні” (м. Харків, 2002 р.), “Проблеми формування та розвитку фінансово-кредитної системи України” (м. Харків, 2002 р.), “Перспективні ІУС на залізничному, промисловому й міському транспорті” (м. Алушта, 2002 р.), “Сучасні інформаційні та електронні технології” (м. Одеса, 2003 р.).

Публікації. Основні результати дисертації відображені у 9 роботах, серед яких 5 статей у наукових журналах і збірниках наукових праць, що включені до переліку фахових видань ВАК України, а також 3 тези доповідей у збірниках матеріалів наукових конференцій. За матеріалами досліджень отримано патент на винахід.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація має вступ, чотири розділи, висновки й додатки. Повний обсяг дисертації складає 240 сторінок, у тому числі: 53 рисунки на 28 окремих сторінках, 19 таблиць на 8 окремих сторінках, список з 129 використаних літературних джерел на 12 сторінках, 5 додатків на 42 сторінках.

2. Основний зміст роботи

Вступ дисертаційної роботи містить: обґрунтування актуальності теми й наукових завдань; інформацію про зв'язок роботи з науковими програмами; мету й задачі дослідження; об'єкт, предмет і методи дослідження; характеристику наукової новизни та практичного значення результатів, особистого внеску здобувача; дані щодо реалізації, апробації та публікації результатів.

У першому розділі розглянуто вимоги, що висуваються до розподілених КІС, а також виконано аналіз впливу їх компонент на безвідмовність і готовність інформаційних та управляючих систем критичного та бізнес-критичного застосування.

Виконано системний аналіз надійності КІС та її складових: безвідмовності, пасивної й активної відмовостійкості, достовірності функціонування та готовності. Проаналізовано відомі методи підвищення рівня цих властивостей на основі дублювання та мажоритування. Обґрунтована доцільність використання як базових архітектур багатоканальних дубльованих рішень, що представлені Stratus-системами, НА- і СА-технологіями.

Проведена оцінка можливостей відмовостійких серверів Contіnuum, FTServer, Express, обґрунтовані шляхи їх модернізації, підвищення безвідмовності, відмовостійкості та готовності до рівня вимог критичних застосувань. Обґрунтовано вибір показників надійності КІС, а також абсолютних і відносних показників для порівняльного аналізу і вибору рішень.

Дано формалізовану постановку задачі досліджень як задачі розробки множини варіантів багатоканальних дубльованих систем (БДС), отриманих з вихідної системи на основі трьох підходів (введення властивості адаптації, багатоверсійності, відновлюваності), і вибору рішення, що задовольняє вимогам до надійності, тривалості відновлення (реконфігурації) і є найкращим за вартістю.

Проведено декомпозицію загальної задачі на комплекс часткових наукових і прикладних задач, пов'язаних з розробкою структурних моделей і моделей надійності БДС, дослідженням залежностей кількісних і якісних показників від вхідних параметрів, розробкою методу та елементів інформаційної технології підтримки прийняття рішень при виборі варіантів з урахуванням вимог і обмежень. Обґрунтовано методику та етапи досліджень, математичний апарат, визначений взаємозв'язок наукових і прикладних задач і очікуваних результатів.

Другий розділ присвячений розробці моделей та методів підвищення безвідмовності та відмовостійкості невідновлюваних БДС шляхом реалізації принципів багатоверсійної побудови їхніх архітектур і адаптації до відмов за рахунок введення міжпідсистемного контролю та динамічної реконфігурації при відмовах.

Запропонована структурно-компонентна модель одно- і багатоверсійних БДС, яка відрізняється наявністю двох складових - структурно-функціональної (СФМ) і архітектурно-компонентної (АКМ), що дозволяють проаналізувати вплив різних функціональних елементів, апаратних і програмних компонентів систем на їхню працездатність, а також розробити таксономію багатоканальних дубльованих систем як класу відмовостійких КІС:

СФМ={CH_ij, Comp_ij, Contr, MC; _F, _R, _C, _U, _К}, i=, j=1,2;

АКМ={SW*, HW*}={={SW_OS(V_OSA),(V_OSB)},{SW_F(V_A),SW_F(V_B), SW_F(V_C), SW_F(V_D), HW, HW, HW, HW},

де СН_ij - канали системи, об'єднані в підсистеми SS_i; Comp_ij - засоби порівняння результатів каналів; Contr - засоби управління структурою; М_С - множина (матриця) зв'язків між елементами структури; _F - множина функцій, обумовлених призначенням системи; _R, _C, _U, _K - функції резервування, порівняння (контролю), управління реконфігурацією і комутації виходів відповідно; HW, SW, - відповідні апаратні й програмні компоненти БДС, що виконують функції операційної системи, каналів та ін. V_A,V_B,V_C,V_D, V_OSA, V_OSB - версії програмних засобів (функціональних та операційної системи), що розподіляются по каналах та підсистемах. Символом * відмічені особливості відповідних компонент для багатоверсійних БДС.

Усього можливо 7 варіантів розподілу версій (при n=2): АА,АА; АА,АB; AA,BB; AB,AB; AA,BC; AB,BC; AB,CD.

Розроблені моделі БДС з внутрішнім (схеми порівняння, що формують сигнали с₁, с₂ - і міжпідсистемним (мінімальним - при введенні схеми порівняння, що формує сигнал c_12,1, базовим - при введенні схеми порівняння, що формує сигнал c_12,1,c_12,2 і повним - при введенні схем порівняння, що формує сигнал c_12,1-c_12,4) контролем (рис.1). Цей клас систем займає проміжне положення між традиційними 2n-канальними БДС (STRATUS-системами) і мажоритарними системами типу "k з m", де k=2, m=2n.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. БДС з міжпідсистемним контролем

Досліджені властивості контролепридатності, діагностованості й відмовостійкості структур БДС із мінімальним, базовим і повним міжпідсистемним контролем. Введено поняття граничної множини відмов і доведені твердження про склад цих множин і про властивості різних типів систем. Це дозволяє здійснювати обґрунтований вибір варіантів структур БДС залежно від вимог. Проведено аналіз впливу відмов, обумовлених дефектами ПЗ. Установлено, що введення двохверсійності в БДС істотно збільшує контролепридатність систем і не впливає позитивно на відмовостійкість.

Розроблено метод адаптації БДС до відмов каналів, що базується на процедурах реконфігурації структури під управлінням автомата, що аналізує контрольні синдроми. Доведена теорема про необхідність його побудови як автомата з пам'яттю для забезпечення стійкості одно(чотирьох)версійних БДС з мінімальним і базовим міжпідсистемним контролем до будь-якої послідовності з двох одиночних відмов каналів. Це дозволило обґрунтувати структуру й розробити патентоспроможні засоби контролю й реконфігурації для чотирьохканальної БДС. Для реалізації ефективних процедур адаптації з двох- і трьохверсійних систем необхідно вводити контрольні засоби контролю програмних компонент.

Розроблені та досліджені імовірнісні моделі оцінки безвідмовності й детерміновані моделі оцінки відмовостійкості одно- і багатоверсійних БДС, які враховують різні варіанти реалізації апаратних і програмних компонент. Установлено, що: введення міжпідсистемного контролю та реалізація процедур адаптації підвищує достовірність і знижує ймовірність відмови одно- і багатоверсійних БДС в 1,251,4 рази; двохверсійні БДС всіх типів гірші одноверсійних за безвідмовностю (при відсутності засобів канального контролю), але кращі за достовірністю функціонування; чотирьохверсійні системи забезпечують виграш у безвідмовності практично на всьому діапазоні значень досліджуваних параметрів. Зроблено висновок про те, що високі вимоги до безвідмовності й готовності для критичних застосувань, а також велика вартість реалізації багатоверсійних технологій (зокрема, чотирьохверсійних), обумовлюють доцільність розробки й дослідження різних стратегій відновлення БДС.

Третій розділ присвячений розробці і дослідженню моделей та методів підвищення готовності відновлюваних одно- та багатоверсійних БДС шляхом розробки комплексу стратегій відновлення.

Відповідно до поставленого завдання підвищення готовності запропонований комплекс стратегій відновлення (набір параметрів процесів відновлення працездатності й відповідних процедур), що враховує специфіку БДС. Визначено базові параметри стратегій (число паралельно відновлюваних елементів, м_в. _с=м_ве, де _е - інтенсивність відновлення елементів; момент початку відновлення, н_в; обсяг відновлювальних робіт, о_в; необхідність вимикання системи при відновленні працездатності, тр_в=0(1); параметри процесу профілактичного технічного обслуговування (ПТО) - наявності , періодичності Т_пф, _пф=1/Т_пф, тривалості _пф, _пф=1/_пф; пріоритетність відновлення).

Обрано доцільні з практичної точки зору стратегії відновлення (сукупності значень базових параметрів) одно- і багатоверсійних БДС. Розроблені й досліджені марковські моделі готовності одно- і багатоверсійних БДС. Ці моделі на відміну від відомих дозволяють оцінити вплив параметрів потоків відмов і відновлень АЗ і ПЗ засобів, співвідношення між їхніми інтенсивностями, періодичність і тривалість різних видів ПТО (у тому числі оперативного), вплив характеристик версій, визначити граничні й оптимальні (з коефіцієнтом готовності БДС) значення параметрів, зокрема _ПФ. Отримані в загальному виді вирази для коефіцієнтів готовності n-канальних систем. Зокрема, для одноверсійної системи, граф станів якої представлений на рис.2, він обчислюється за формулою

.

В цій системі, що має 3n+1 станів, інтенсивність відновлення визначається кількістю відмов (ресурс відновлення необмежений). Вершини для працездатних несправних станів замальовані частково, вершини для непрацездатних станів - повністю ( - інтенсивність відмов апаратних засобів підсистем, _УУ і _КМ - відмов засобів, що реалізують функції відповідно, _С, _U, _K, відповідно, _ПК - інтенсивність відмов програмних засобів, , _УУ, ._КМ - відповідні інтенсивності відновлень, причому інтенсивність ураховує втрати часу на відновлення ПЗ. Дослідження одноверсійних БДС показало, що найбільшим значенням інтенсивності відмов АЗ, за яким величина коефіцієнта готовності системи залишається незмінною для різних комбінацій значень коефіцієнтів, що виражають співвідношення між -характеристиками й характеристиками відновлення АЗ, а також ПЗ, є _АК =10^-41/г. Дана обставина підтверджує факт ефективності БДС як способу забезпечення високої готовності системи. Найбільш чутливим параметром для готовності при фіксованих значеннях інших параметрів системи є коефіцієнт , що визначає відношення між інтенсивностями відмов ПЗ і АЗ. Визначені оптимальні значення періоду оперативного тестування для одноверсійних БДС, за якими досягає максимуму коефіцієнт готовності при фіксованих коефіцієнтах , (коефіцієнт задає відношення інтенсивностей _ПФ і _А - відновлення АЗ каналу), та інтенсивностях відмов і відновлень АЗ _А і _А (рис.3, табл.1). Максимальне значення коефіцієнту готовності при _А=10^-410^{-5 1}/_г досягаються при фіксованих періодах Т_пф незалежно від значень . Дослідження залежностей коефіцієнтів готовності від співвідношення різних параметрів показали, що втрати готовності через приховані відмови внаслідок дефектів ПЗ не можуть бути компенсовані збільшенням часу відновлення й профілактики (стани виділені жирною штриховкою), ініційованих відмовами АЗ.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Узагальнений граф станів БДС з довільним числом каналів n

Таблиця 1. Залежність коефіцієнту готовності від Т_пф

	А 10-4, 1/г	А, 1/г	Тпф100, г (=1)	Тпф100, г (=5)
			10-2	10-1	1	10	102	10-2	10-1	1	10	102
1	1,0	0,5	0,333	0,833	0,971	0,907	0,499	0,333	0,829	0,934	0,665	0,167
		1,0	0,499	0,908	0,980	0,908	0,499	0,499	0,905	0,943	0,666	0,167
		2,0	0,667	0,951	0,985	0,910	0,500	0,666	0,948	0,948	0,666	0,167
	0,1	0,5	0,333	0,833	0,979	0,988	0,901	0,333	0,833	0,976	0,950	0,666
		1,0	0,499	0,909	0,989	0,989	0,909	0,499	0,909	0,985	0,951	0,666
		2,0	0,667	0,953	0,994	0,990	0,909	0,667	0,952	0,990	0,952	0,667
100	1,0	0,5	0,980	0,997	0,990	0,909	0,500	0,978	0,993	0,952	0,666	0,167
		1,0	0,990	0,998	0,990	0,909	0,500	0,989	0,994	0,952	0,666	0,167
		2,0	0,995	0,999	0,990	0,909	0,500	0,995	0,995	0,952	0,667	0,167
	0,1	0,5	0,980	0,998	0,999	0,990	0,909	0,980	0,998	0,995	0,952	0,667
		1,0	0,990	0,999	0,999	0,990	0,909	0,990	0,999	0,995	0,952	0,667
		2,0	0,995	0,999	0,999	0,990	0,909	0,995	0,999	0,995	0,952	0,667

Дослідження марковських моделей багатоверсійних БДС довело, що введення багатоверсійності може привести не тільки до підвищення достовірності функціонування (для двохверсійних БДС, рис. 4), безвідмовності й відмовостійкості (для чотирьохверсійних БДС, рис. 5), але й до збільшення готовності систем за рахунок зниження або зменшення до нуля ймовірності стану прихованої відмови через програмні дефекти. Рівень зростання готовності залежить від значення коефіцієнту , що задає відношення інтенсивностей відновлень ПЗ і АЗ. Для двохверсійних систем, навіть при =0,5 рівень готовності при фіксованих значеннях інших параметрів зростає на 510%. Для чотирьохверсійних систем цей ефект посилюється.

У четвертому розділі запропоновано метод вибору параметрів структур та стратегій відновлення БДС, сформульовані положення інформаційної технології підтримки процесу розробки КІС за критерієм надійність/вартість. В основу вибору відмовостійких рішень КІС покладений підхід, який базується на операціях частково спрямованого перебору розроблених і відомих структур. Цей перебір включає селекцію одно- і чотирьохканальних структур шляхом поетапного звуження множини конкурентноздатних варіантів з урахуванням вимог до надійності й обмежень за схемою: БДС - інші структури, неадаптивні - адаптивні структури, невідновлювані - відновлювані рішення. Уточнені критерії й деталізована послідовність вибору відмовостійких рішень із використанням операцій внутрішньо- і міжмножинного пошуку (рис.6). Показано, що такий вибір доцільно виконувати, визначаючи параметри n, (кількість версій), m_V(тип контролю)_{, V} (розподіл версій) для невідновлюваних систем і додатково параметрів м_в, н_в, о_в, тр_в,, Т_пф, _пф - для відновлюваних БДС.

Розроблені й проаналізовані варіанти синтезу автоматів управління реконфігурацією адаптивних БДС на основі синдромного підходів. Запропонований варіант пристрою контролю й реконфігурації, визнаного винаходом і забезпечуючого на відміну від відомих більшу безвідмовність й глибину діагностування. Сформульовано рекомендації щодо синтезу автоматів управління реконфігурацією багатоверсійних БДС, що дозволяють виявляти й ідентифікувати відмови ПЗ, а також пропозиції щодо самоконтролю автоматів на основі аналізу заборонених синдромів. Це дозволяє істотно підвищити достовірність функціонування досліджуваних БДС.

У результаті порівняльного аналізу за показниками абсолютного й відносного виграшу в безвідмовності базових структур одно-, двох- і чотирьохверсійних БДС, одно- і трьохверсійних мажоритарно-резервованих систем (МРС) визначені границі доцільного застосування розроблених структур. Запропоновані й проаналізовані конкурентноздатні варіанти побудови n-канальних (n6) БДС.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 3. Граф станів для одноверсійної БДС с ППТ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 4. Граф станів для двохверсійної БДС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 5. Граф станів для чотирьохверсійної БДС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 6. Загальна послідовність вибору

Проведено їхнє порівняння з типовою структурою ІУС, найбільш важливих для безпеки АЕС, систем аварійного захисту за показниками-метриками відмовостійкості й достовірності функціонування, що визначають відношення кількостей елементів множин відповідних станів БДС. При ідеальних ПЗ одноверсійні БДС із міжпідсистемним контролем мають більш високу відмовостійкість, забезпечуючи збільшення її показника r (для різних типів віднов g₁-g₈) на 6-10%. Двохверсійні БДС, незначно програючи штатним двохверсійним МРС за цим показником (2-4%), забезпечують більше високу достовірність контролю й глибину діагностування.

Сформульовано основні положення інтегрованої технології гарантованої готовності DA(Dependable Availability)-технології, яка є природним розвитком відомих НА- і СА-технологій на основі принципів часткового або повного включення і вибору адаптивних, багатоверсійних і відновлюваних рішень (рис. 7). Розроблені базові елементи інформаційної технології підтримки прийняття рішень при проектуванні високонадійних КІС, які включають: базу даних відмовостійких КІС з набором параметрів n, n_П, ; m_V, _V; м_В, н_В, о_В, тр_В, пф; структурно-компонентні моделі; імовірнісні й детерміністські моделі оцінки безвідмовності, відмовостійкості й готовності; стратегії відновлення; засоби контролю та реконфігурації структур; методики, алгоритми й програмні засоби вибору параметрів систем.

Висновки

1. Надійність інформаційно-управляючих систем є визначальною властивістю комплексів критичного і бізнес-критичного застосування. Збільшення кількості і важливості функцій цих системам ускладнило виконання зростаючих вимог до надійності й безпеки. Задоволення цих вимог в умовах розширення спектра дефектів програмних й апаратних засобів, що викликають порушення працездатності, може забезпечуватися за рахунок адекватного розвитку базових архітектур і технологій. Аналіз відомих методів підвищення рівня цих властивостей дозволив обґрунтувати доцільність використання в якості базових багатоканальних дубльованих архітектур, що представляються НА- і СА-технологіями. Для таких систем характерні обмеження, пов'язані з недостатньою їх захищеністю від кратних відмов і збоїв, дефектів програмних засобів, невиявлених при розробці та верифікації, а також недоліками відомих моделей та методів оптимізації їхнього технічного обслуговування й ремонту. У дисертації поставлена і вирішена актуальна наукова задача розробки моделей надійності методів резервування та відновлення комп'ютеризованих інформаційних й інформаційно-управляючих систем з багатоканальною дубльованою архітектурою з урахуванням відмов апаратних і програмних засобів.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7. Інформаційна технологія підтримки прийняття рішення при проектуванні надійних КІС

2. У роботі запропоновані:

- модель КІС з БДА, що визначає системні зв'язки функціональних та надійнісних ознак відмовостійких архітектур і дозволяє синтезувати їх систематизовану множину з урахуванням кількості та розподілу по каналах програмних версій, повноти дублювання, здатності до адаптації;

- метод адаптації КІС з БДА до відмов АЗ і ПЗ, який базується на динамічній реконфігурації та процедурі послідовної фіксації та аналізі синдромів відмов і забезпечує збереження працездатності при відмовах двох довільних каналів;

3. Удосконалені:

- сукупність марковських моделей готовності відновлюваних КІС з БДА, які ураховують параметри стратегій відновлення, варіанти введення версійної надмірності та організації міжпідсистемного контролю, і забезпечують можливість розрахунку показників надійності одно- та багатоверсійних систем;

- комплекс стратегій відновлення КІС з БДА, які ураховують моменти початку, обсяг і пріоритетність відновлюваних елементів після відмов АЗ і ПЗ і дозволяють визначати множину варіантів обслуговування та ремонту систем;

4. Набув подальший розвиток метод вибору архітектур і стратегій відновлення КІС з БДА, що забезпечує частково спрямований пошук раціональних структурних та експлуатаційних параметрів за критеріями готовності та відмовостійкості, дозволяє скоротити час відновлення і терміни проектування в умовах певних обмежень.

5. Практичне значення отриманих результатів полягає в розробці та удосконаленні: принципів і патентоспроможних засобів системотехнічної реалізації нового класу відмовостійких КІС з використанням методу багатоканального дублювання, що дозволяють створювати високонадійні системи; методик оцінки надійності (відмовостійкості та готовності) різних типів КІС з БДА, що базуються на запропонованих моделях і дозволяють визначити показники залежно від параметрів каналів, числа версій, стратегій відновлення; елементів інформаційної технології підтримки вибору параметрів відновлюваних і невідновлюваних КІС з БДА з гарантованою готовністю залежно від вимог та обмежень, обумовлених сферою їх використання. Рішення дисертаційних задач дозволило на 25-40 відсотків знизити ймовірність відмов, а також підвищити готовність відновлюваних систем на 5-10 відсотків. Використання запропонованих засобів контролю й реконфігурації забезпечує підвищення глибини діагностування та відмовостійкості ІУС.

6. Результати досліджень впроваджені в Сертифікаційному центрі АСУ Держцентрякості Державного комітету ядерного регулювання України (при розробці проектів інструментальних систем і нормативних документів, що регламентують методики оцінки критичних ІУС); ЗАТ "Радій" (при розробці варіантів побудови автоматизованих систем управління, важливих для безпеки АЕС); навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "ХАІ".

7. Подальше використання результатів можливе і доцільне при розробці інформаційних технологій підтримки проектування й вибору варіантів відмовостійких рішень ІУС критичного застосування (АЕС, аерокосмічних і транспортних систем, нафтогазових комунікацій), а також при створенні та експлуатації систем високої готовності для бізнес-критичних застосувань.

8. Далі дослідження доцільно проводити в напрямку розвитку інформаційної технології гарантованої готовності для корпоративних і глобальних мереж, удосконалювання гнучких стратегій управління експлуатацією, застосування принципів адаптивності та багатоверсійності для веб-додатків, інтеграції методів і засобів забезпечення відмовостійкості та безпеки (захисту інформації).

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Харченко В.С., Асидех Ф.А. Базовые структуры многоканальных дублированных систем, устойчивые к отказам аппаратных и программных средств. //Вісник технологічного університету Поділля. - 2002. - № 3 -Том 1.- С. 55-59.

2. Харченко В.С., Асидех Ф.А. Методы повышения отказоустойчивости бизнес-критических компьютерных систем с использованием многоверсионных STRATUS-технологий. //Открытые информационные и компьютерные интегрированные технологии. - Харьков: НАКУ “ХАИ”, 2002.-№ 15. - С. 47-58.

3. Асидех Ф.А. Обобщенная модель восстанавливаемых STRATUS-систем с произвольным числом каналов // Збірник наукових праць. - Інститут проблем моделювання в енергетиці ім. Г.Є. Пухова. - Київ: Національна академія наук України, 2004.- Вип. 25.- C. 245-250.

4. Харченко В.С., Асидех Ф.А., Лысенко И.В. Марковские модели готовности восстанавливаемых STRATUS-систем // Системи обробки інформації. - Харків: ХВУ, 2004.- Вип. 4.- C. 216-226.

5. Харченко В.С., Асидех Ф.А. STRATUS-системы для энергетических комплексов гарантированной готовности: компонентная модель, свойства и метод адаптации // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства “Проблеми енергозбереження та енергозабезпечення в АПК України”. - Харків: Міністерство аграрної політики України. 2004. - Вип. 27, том 2. -С. 206-209.

6. Асидех Ф.А. Системная модель STRATUS-архитектур с одно- и многоверсионными программными средствами //Інформаційно-керуючі системи на залізничному транспорті. - 2002.-№ 4-5 (37).- С.19.

7. Харченко В.С., Асидех Ф.А. Многоверсионные технологии и отказоустойчивые решения в бизнес-критических (банковских) компьютерных системах // Проблеми формування і розвитку фінансово-кредитної системи України. - Збірник наукових статей за матеріалами 2 міжвузівської науково-практичної конференції студентів і молодих вчених. - Харків: Українська академія банківської справи, 2002.- C. 374-376.

8. Лысенко И.В., Харченко В.С., Асидех Ф.А. Модели надежности обслуживаемых STRATUS-систем // Труды 4-й Международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”, Одесса, 2003, 19-23 мая. - С. 166.

9. Патент України № 71083 (по заявці 20040907548) від 16.09.2004. Пристрій для контролю та реконфігурації резервованої системи, МПК H05K10/00, G06F15/16/ Харченко В.С., Асидех Ф.А.

Размещено на Allbest.ru

...