Системный анализ методов обеспечения и повышения надежности многофункциональной информационной системы

УДК 004.052.3

В.А. Михеев

СИСТЕМНЫЙ АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ И ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ

СИСТЕМЫ

Рассмотрена проблема обеспечения и повышения надежности многофункциональной информационной системы холдинга, вследствие возникновения угроз потери или модификации (искюкения) информации, циркулирующей в системе. Проведен анализ существующих подходов и методов обеспечения и повышения надежности комплексов программных и технических средств. Обоснована необходимость использования методов повышения надежности, в зависимости от этапа жизненного цикла многофункциональной информационной системы. На основе этих методов выработаны и проанализированы направления и принципы обеспечения и повышения надежности функционирования многофункциональной

.

Информационная система; надежность; отказ; избыточность.

V.A. Mikheev

SYSTEM ANALYSIS OF METHODS TO PROVIDE AND INCREASE

RELIABILITY OF MULTIFUNCTIONAL INFORMATION SYSTEM

The article describes the problem to provide and increase the reliability of multifunctional information system of the holding company as there is a threat of loss and garbling of the information circulated in the system. The existing approaches and methods to provide and increase the reliability of bundled software and hardware are analyzed. It is justified that the methods to increase the reliability need to be used depending on the life cycle phase of multifunctional information system. Based on these methods the directions and the principles to provide and increase the reliability of multifunctional information system operation have been developed and analyzed.

Information system; reliability; failure; redundancy.

Многофункциональная территориально распределенная информационная система (МИС) - взаимосвязанная совокупность кампусных локальных вычислительных сетей (ЛВС) и сетей передачи данных, предназначенная для создания единого защищенного интегрированного информационного пространства информационных ресурсов предприятий холдинга. Многофункциональность системы определяется наличием в ней целого ряда функциональных систем и подсистем, а также

( ).

По мере развития МИС и усложнения используемых программно-аппаратных средств происходит повышение уязвимости МИС. Основными факторами, способствующими повышению уязвимости, являются:

• увеличение объ емов информации, хранимой, обрабатываемой и передаваемой в МИС;

• расширение круга пользователей, имеющих непосредственный доступ в соответствии с ролями и полномочиями доступа к ресурсам МИС;

• ;

• усложнение режимов функционирования МИС, связанных с непрерывной обработкой данных.

Таким образом, возникает угроза потери или модификации (искшсения) ин-, . и необходимость повышения надежности системы приобретают ключевой характер на всех этапах жизненного цикла системы [1]. Общие требования по надежности могут быть определены в зависимости от принадлежности МИС к определенному классу ИС (табл. 1).

1

Классификация ИС по коэффициенту готовности

Коэффициент готовности, % Максимальное время простоя Класс ИС

99,0 3,65 дня/год Обычная

99,9 43,8 минуты/месяц или 8,76 часов/год Высокой готовности

99,99 4,38 минуты/месяц или 52,6 минуты/год Отказоустойч ивая

99,999 0,44 минуты/месяц или 5,26 минуты/год Безотказная

99,9999 31,54 секунды/год Непрерывной готовности

Классификация ИС по требованиям надежности. Классификация ИС по требованиям надежности основана на значении коэффициента готовности, который определяется как отношение времени, проведенного системой в работоспо-

, : l

K ~ =----p— *100%,

а T + Te

где Tp - время работы системы без отказов,

TE - время восстановления системы после отказа.

Значение коэффициента готовности находится в диапазоне от 99 до 99,(9) %, в зависимости от класса (типа) ИС (табл. 1).

Рассмотрим подробнее особенности существующих классов ИС, позволяющих обеспечить значение коэффициента готовности равным 99,9 % и выше [2].

Системы высокой готовности (High Availability). Такие систе мы для минимизации планового и непланового времени простоя используют обычные программно-аппаратные технологии. При этом конфигурация системы обеспечивает ее быстрое восстановление после обнаружения неисправности, для чего используются избыточные технические и программные средства. Длительность задержки, в

течение которой программа, отдельный компонент или система простаивает, может находиться в диапазоне от нескольких секунд до нескольких часов.

Отказоустойчивые системы (Fault Resiliency). Особенностью ИС этого типа является более короткое время восстановления, которое позволяет системе быстро откатиться на шаг назад, после обнаружения неисправности.

(Fault Tolerance).

избыточную аппаратуру для всех функциональных блоков, включая процессоры, источники питания, подсистемы ввода/вывода, дисковой памяти и т.д. Если соответствующий функциональный блок неправильно функционирует, всегда имеется . -реключения отказавших компонентов на избыточные для таких систем обычно одна-две секунды.

(Continuous Availability).

устраняет время простоя как плановое, так и неплановое. Разработка такой системы охватывает как аппаратные, так и программные средства и позволяет прово-

on-line. -

ления после обнаружения неисправности не превышает одной секунды.

На основе ряда публикаций [2, 9 - 11] и комментариев экспертов можно сделать вывод, что требования по надежности для современных ИС за последние 10 -15 . - -

тем, устойчивых к стихийным бедствиям и катастрофам (Disaster Tolerance). Для такого класса систем значение коэффициента готовности должно вычисляться , (1),

систем не включен. Катастрофоустойчивые системы имеют возможность перезапуска или продолжения своих функций на другой (резервной) территориально

,

, -

фам требует полного (зеркшгьного) дублирования ИС вне основного местоположе-

,

.

В целом для рассматриваемой МИС (в зависимости от подсистем и выпол-) -99,9 %, ,

однако отдельные подсистемы МИС можно отнести и к более высоким классам -

.

В теории надежности существует единая установившаяся терминология, охватывающая важнейшие понятия и определения, подробно изложеные в ряде национальных стандартов [3 - 5]. Надежность МИС является одной из основных составляющих её качества. Качество - совокупность свойств продукции, которая позволяет оценить пригодность продукции удовлетворять определенным потреб-

( . 1).

[3]

во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования. Необходимо отметить, что надежность является комплексным свойством системы и включает в себя еще четыре свойства (рис. 1):

• безотказность - свойство системы не утрачивать работоспособность в течение заданной наработки без перерывов;

• долговечность - свойство системы сохранять работоспособность до предельного состояния (до списания) с перерывами на техническое обслуживание и ремонт;

• ремонтопригодность - свойство системы обнаруживать, устранять и предупреждать неисправность и отказы путем проведения технического обслуживания и ремонта;

• -

показатели в течение и после срока транспортирования или хранения на складе.

Рис. 1. Структура свойств качества и надежности

Под надежностью МИС понимается её защищенность от случайных или преднамеренных вмешательств в нормальный процесс её функционирования, выражающаяся в потере или модификации (искажении) информации.

К угрозе потери или модификации (искажения) информации приводят отказы и сбои (самоустраняющийся отказ или однократный отказ, устраняемый незначительным вмешательством оператора) в работе МИС.

Классифицировать отказы можно в зависимости от характера и особенностей, от момента возникновения, например, следующим образом [6].

По характеру изменения параметра до момента возникновения отказа:

• ;

• .

По связи с другими отказами:

• ;

• .

По возможности последующего использования после возникновения отказа:

• ;

• .

По характеру устранения отказа:

• ;

• самоустраняющийся отказ (сбой или перемежающийся отказ).

По наличию внешних проявлений:

• очевидный (явный) отказ;

• скрытый (неявный) отказ.

По причине возникновения:

• ;

• ;

• .

По природе происхождения:

• ;

• ( ).

По времени возникновения отказов:

• ;

• ;

• ;

• .

Необходимо отметить, что отказы можно отнести к конструкционным, технологическим или эксплуатационным, с целью установления, на каком этапе жизненного цикла МИС следует провести мероприятия, предупреждающие и устраняющие причины возникновения отказов.

Применительно к рассматриваемой системе, отказы можно разбить на две группы [6]:

• нарушения в работе комплекса технических средств (КТС) - аппаратный отказ/сбой;

• нарушения в работе комплекса программных средств (КПС) - программный отказ/сбой.

Для обеспечения требований по надежности в соответствии с классом МИС, необходимо применение методов обеспечения и повышения надежности как КТС, так и КПС.

Методы повышения надежности КТС. В настоящее время известно множество различных методов повышения надежности КТС ИС, однако не все из них могут найти применение в рамках рассматриваемой системы.

Исходя из этого, применимые для МИС методы повышения надежности КТС можно ограничить разбивкой на четыре группы:

• введение избыточности КТС (структурной, информационной, вре-

, , );

• ;

• ;

•

, .

Рассмотрим основные виды избыточности КТС первой группы.

Структурная избыточность (или аппаратная) предусматривает использование . , -

нимально необходимый вариант системы, элементы которой называют основны-

ми, вводятся дополнительные элементы, узлы, устройства либо даже вместо одной системы предусматривается использование нескольких идентичных систем. При этом избыточные структурные элементы, узлы, устройства и т.д. предназначены для выполнения рабочих функций при отказе соответствующих основных элемен-, .

Информационная избыточность предусматривает использование избыточной информации. Простейшим примером реализации такого вида избыточности является многократная передача одного и того же сообщения по каналу связи, а также использование специальных кодов, обнаруживающих и исправляющих ошибки (коды с повторением и инверсией, циклический код, код Хемминга и т.д.), которые появляются в результате сбоев и отказов. Здесь следует заметить, что использова-

ние информационной избыточности влечет за собой также необходимость введения избыточных технических средств.

Временная избыточность предусматривает использование избыточного времени. В случае применения этого вида резервирования предполагается возможность возобновления функционирования системы после того, как оно было прервано в результате отказа, путем его восстановления. При этом также предполага-

, ,

.

Функциональная избыточность предусматривает, что при отказе отдельных , ,

, .

Алгоритмическое резервирование. Алгоритмы, используемые в вычислитель,

.

Применение второй группы методов избыточности не позволит обеспечить необходимый уровень надежности МИС, вследствие того, что он требует применения фактически нового КТС (имеющего более высокие показателями надежно) .

Третья группа методов предполагает приведение условий эксплуатации КТС в соответствие с требованиями, при которых гарантируются паспортные данные технических средств по надежности. Дальнейшее же улучшение условий эксплуатации не может существенно повысить надежность функционирования КТС.

Четвертая группа методов предполагает организацию профилактического обслуживания КТС (совокупность плановых мероприятий, проводимых на работоспособных элементах и повышающих их надежность) - мониторинг и выявление , .

,

этапе разработки МИС, а третьей и четвертой - на этапе эксплуатации.

, -работки МИС является применение структурной избыточности. Другие виды избыточности (временная, алгоритмическая и т.д.) также могут применяться, но параллельно и в качестве дополнительных к структурному резервированию.

Структурная избыточность вводится в КТС с целью улучшения надежностных характеристик и показателей. В настоящее время известно много методов целенаправленного введения структурной избыточности (горячее и холодное резервирование, мажоритарные структуры и т.п.), что позволяет обеспечить требуемый уровень надежности МИС на основе применения ненадежных элементов.

Основной недостаток подхода на основе структурной избыточности - значительное увеличение количества (в зависимости от объемов и кратности резервирования) технических средств и общей стоимости проектных решений, не гарантирующее при этом пропорциональный рост надежности системы в целом.

Методы повышения надежности КПС. Как ранее было отмечено, надежность МИС определяется не только отказами КТС, но и отказами КПС, вызываемыми ошибками в программах. Если отказы КТС зависят от времени и не зависят от обрабатываемой информации, то отказы КПС, наоборот, не зависят от времени, зато зависят от обрабатываемой информации, а также от текущего состояния ИС.

Оценка надежности КПС может быть получена непосредственно на основе

( ).

Для сокращения до минимума количества ошибок, встречающихся в ПО, необходим анализ совокупности факторов, определяющих надежность ПО, которые можно разделить на три группы [7, 8, 9]:

• ;

• , ;

• .

К общим факторам относятся:

• ;

• ;

• ;

• .

, , :

• конструктивные (стоимость разрабатываемой системы, структура по-

, ,

);

• ( );

• (

разработки, степень обучения и информативности персонала, микроклимат в группе, выполняющей разработку, временные ограничения ).

К эксплуатационным факторам относятся:

• ;

• ;

• ;

• качество обучения пользователей, ответственных за экс-

;

• .

Для достижения заданного уровня надежности КПС необходимо [6,7,11]:

• , ;

• ;

• ;

• .

К средствам избегания ошибок в процессе проектирования относятся такие, целью которых является предупреждение появления ошибок в программе, :

•

;

• -

;

трансляции после каждого ее шага, а не после завершения написания .

К средствам обнаружения ошибок относятся:

• -

;

• ;

• ;

• -

Эффективные средства автоматического исправления ошибок в ПО ещё не

, ,

.

Средства допущения ошибок обеспечивают возможность функционирования ПО в случае, когда в нем присутствуют ошибки. В составе этих средств можно выделить динамическую избыточность, вспомогательные методы и изоляцию ошибок [8 - 10].

Очевидно, что при прочих равных условиях (квадификация разработчиков, период эксплуатации, устранение ошибок после их обнаружения и т.д.) через некоторый промежуток времени функционирования более надежным становится ПО массового использования (постоянный и своевременный выход патчей, обновлений и т.д.).

, -

нять ПО массового использования, а разработку собственного ПО вести с учетом рассмотренной совокупности факторов, определяющих надежность ПО.

Обеспечение надежности МИС требует решения множества научно. -, , сравнению с проблемой повышения надежности КПС, а основным методом повышения надежности КТС является метод применения структурной избыточности, при этом другие рассмотренные методы повышения надежности также могут быть использованы в качестве дополнительных к основному.

Также необходимо решить задачу синтеза рациональной структуры и выбора наиболее эффективных технических решений построения МИС, в которой помимо достижения заданных показателей по надежности обеспечивается поддержание требуемого уровня защищенности.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Михеев В А. Методология разработки и аттестации автоматизированных систем в защищенном исполнении // Материалы IX Международной научно-практической конференции «Информационная безопасность-2007». Ч. 1. - Таганрог 2007.

2. Шнитман В. Современные высокопроизводительные компьютеры // Информаци-онно-анадитические материалы Центра информационных технологий [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.fizmat.vspu.ru/citforum/hardware/svk/contents.shtml. Дата обращения 01.09.2009.

3. ГОСТ 27.001-95. Система стандартов "Надежность в технике". Основные положения. Введ. с 01.01.1997. - М., 1995. - 7 с.

4. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. Введ. с 01.07.1990. - М., 1990. - 24 с.

5. 27.003-90. .

Введ. с 01.01.1992. - М., 1991. - 17 с.

6. Морозов Ю. Д., Ильин И. И. Методы обеспечения качества и надежности проектов автоматизированных систем. - М.: МЭСИ, 1990. - 110 с.

7. Майерс Г. Надежность программного обеспечения. - М.: Мир, 1980. - 360 с.

8. Леонтьев Е.А. Надежность экономических информационных систем. -Тамбов: ТГТУ, 2002. - 128 с.

9. Купьба В.В., Ковалевский С.С., Шелков А.Б. Достоверность и сохранность информации в АСУ. - М.: СИНТЕГ, 2003. - 500 с.

10. Дружинин Г.В. Надежность автоматизированных производственных систем: - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 480 с.

11. Зиновьев ПА., Моисеев B.C., Мейко AM. Модели для оценки надежности архитектурных решений корпоративных систем хранения данных // Исследования по информатике. - Казань: Отечество, 2005. Вып. 9. - С. 93 - 102.

Михеев Вячеслав Алексеевич

Открытое акционерное общество «Концерн радиостроения “Вега”».

E-mail: Mikheev@vega.su.

121170, г. Москва, Кутузовский проспект, 34.

Тел.: 8 (499) 2490585. '

.

Mikheev Viatcheslav Alekseevich

Joint-Stock Company «Radio Engineering Corporation “VEGA”».

E-mail: Mikheev@vega.su.

34, Kutuzov avenue, Moscow, 121170, Russia.

Phone: 8 (499) 2490585.

The deputy director.

УДК 530.1:537.86

И.И. Маркович, В.Ю. Дорошенко

ИССЛЕДОВАНИЯ АЛГОРИТМОВ ОБНАРУЖЕНИЯ БИООБЪЕКТОВ ЗА ПРЕПЯТСТВИЯМИ СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫМ РАДАРОМ

Рассматриваются алгоритмы цифровой обработки сверхширокополосных сигналов в радарах для обнаружения биологических объектов за препятствиями. Представлены результаты экспериментальных исследований возможности обнаружения объектов за препятствиями из кирпича, бетона, армированного .

Сенсорная сеть; сверхширокополосные сигналы; обнаружение биологических объектов за препятствиями; СШП-радиолокаторы; цифровая обработка сигна-; .

I.I. Markovich, V.U. Doroshenko

ANALYSIS OF ALGORITHMS DETECT ION BIOLOGICAL OBJECT AFTER OBSTACLES OF ULTRA BANDWIDTH RADAR

This article is devoted to digital signal processing algorisms of UWB radar signals for detection of biological object after obstacles. Presented are the experimental research results possibilities to detect biological objects after bricks, concrete and reinforced concrete obstacles.

Net of sensor; ultra bandwidth signal; detection of biological object after obstacles; UWB radar systems; digital signal processing; high-frequency filtration algorithms.

Проблема оперативного обнаружения людей за препятствиями из кирпича, бетона или армированного бетона становится особенно актуальной при проведении спасательных и антитеррористических операций. Создание сверхширокопо-

( ) , -