Подход к решению задачи оценивания устойчивого функционирования информационной системы на примере центра обработки данных

ПОДХОД К РЕШЕНИЮ ЗАДАЧИ ОЦЕНИВАНИЯ УСТОЙЧИВОГО ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ НА ПРИМЕРЕ ЦЕНТРА

ОБРАБОТКИ ДАННЫХ

Гончаров Алексей Михайлович,

Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского г. Санкт-Петербург, Россия, mihan78@mail.ru

Чащин Сергей Васильевич,

Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского г. Санкт-Петербург, Россия

Рассматривается подход к решению задачи оценивания, сложного свойства устойчивости информационной системы на примере центра обработки данных через оценивание его атрибутивного свойства живучести. В связи с особенностями связанными с принципами построения, функционирования и выполнения специальных задач центрами обработки данных предлагается разделить средства реализующие технологию доступа к данным на две категории: 1. Серверы, хранящие, обрабатывающие и представляющие данные. 2. Комплексы средств автоматизации, обеспечивающие автоматизированное функционирование центра обработки данных. Таким образом, задача оценивания живучести центра обработки данных декомпозируются на две подзадачи, а именно оценка живучести серверного кластера и обеспечивающего кластера комплекса средств автоматизации. В виду специфики построения серверного кластера, единицей вычислительных ресурсов центра обработки данных выступает элементарный сервер, таким образом, вычислительное ядро центра обработки данных собирается из однородных элементарных серверов (число элементарных серверов составляющих композицию вычислительного ядра может варьироваться от 10-104), при оценивании живучести за основу берется стохастическая модель функционирования состоящая из вычислительного ядра, системы восстановления работоспособности центра обработки данных и резервных элементарных серверов.

Одной из основных особенностей комплекса средств автоматизации, обеспечивающих реализацию автоматизированного функционирования центра обработки данных, является то, что их структура на различных этапах жизненного цикла изменяется под действием объективных и субъективных причин. Происходит постоянное изменение под действием внутренних и внешних факторов структуры комплекса средств автоматизации центра обработки данных. Для повышения (сохранения, восстановления) уровня работоспособности комплекса средств автоматизации центра обработки данных необходимо управлять их структурами. Для этого используют технологию так называемой "слепой реконфигурации", однако, она не может учитывать и оценивать текущее состояние комплекса средств автоматизации центра обработки данных в целом и выполнять обоснованное переопределение функций комплекса средств автоматизации центра обработки данных между её работоспособными элементами и подсистемами. Решение этой проблемы возможно при реализации технологии адаптивной реконфигурации. Предлагается алгоритм оценивания живучести комплекса средств автоматизации и его элементов в условиях неблагоприятных факторов. Предложен метод оценивания живучести центра обработки данных позволяющий получить интегральную оценку в условиях неблагоприятного воздействия.

Информация об авторах:

Гончаров Алексей Михайлович, к.т.н., доцент Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского, г. Санкт-Петербург, Россия.

Чащин Сергей Васильевич, к.т.н., старший преподаватель Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского, г. Санкт-Петербург, Россия

Прохоров Михаил Александрович, адъюнкт Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского, г. Санкт-Петербург, Россия. Для цитирования:

Гончаров А.М., Чащин С.В., Прохоров М.А. Подход к решению задачи оценивания устойчивого функционирования информационной системы на примере центра обработки данных // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Том 11. №4. С. 20-25.

For citation:

Goncharov A.M., Chashhin S.V., Prokhorov M.A.

Прохоров Михаил Александрович,

Военно-космическая академия имени А.Ф.Можайского г. Санкт-Петербург, Россия

Ключевые слова: оценивание устойчивости, интегральное оценивание живучести, центр обработки данных, модель, адаптивная реконфигурация.

У

Введение

Войны в Персидском заливе, на Балканах, а также другие военные конфликты последнего десятилетия выявили новые подходы к организации вооруженной борьбы XXI века и способам ее ведения. Именно с ориентацией на характер и особенности войн нового поколения ведут реформирование своих вооруженных сил США, Великобритания, Франция, Германия, Япония и в целом НАТО.

К основным чертами современной войны можно отнести:

- интенсивное внедрение современных информационных технологий в военную сферу;

- использование космической сферы опосредован]¡о или напрямую для воздействия па противоборствующую сторону;

- использование киберпространства для достижения политических целей (посредством воздействия на информапи-онные и информационно-управляющие системы объекта агрессии);

- существенное возрастание зависимости эффективности военных действий в традиционных сферах; на суше, в воздухе, на море от действий в космосе и киберпроетранстве.

Осознавая данные факты, противник уже имеет силы и средства, направленные не только на защиту собственной информационной инфраструктуры, но и позволяющие ему оказывать информационные воздействия на информационные инфраструктуры вооружённых сил других государств. Эти средства были неоднократно апробированы в вооружённых конфликтах и при проведении учений 111.

Ядром распределенных автоматизированных систем специального назначения (АССН) выступают центры обработки данных (ЦОД), на которые возлагаются функции обработки, хранения и распределения информации. Основная задача ЦОД - это решение задачи информационного обеспечения потребителей.

Современный уровень развития распределенных АССН привел к внутреннему диалектическому противоречию, - с одной стороны происходит чрезвычайное внутреннее усложнение систем, с другой - упрощается процесс их эксплуатации и применения. Однако, по-прежнему остро стоит вопрос определения степени пригодности той или иной системы к применению по назначению в различных условиях обстановки.

Квалиметрия постулирует, что каждый объект обладает определенными свойствами, обусловливающими его качество. В свою очередь качество как раз и обусловливает пригодность для использования по назначению. Тогда устойчивость, как совокупность свойств распределенных АССН, является показателем качества системы [2],

Как правило, ЦОД представляет собой изолированное, специализированное здание или помещение для размещения оборудования. В связи с этим задачу оценивания устойчивости функционирования в условиях деструктивных воздействий целесообразно свести к оцениванию атрибутивного свойства - живучести.

Декомпозиция задачи оценивания живучести ЦОД

Под живучестью ЦОД будем понимать способность выполнять установленный объем критически важных функций с допустимой деградацией обеспечивающих функций, в условиях деструктивных воздействий (ДВ).

К числу основных ДВ, оказываемых па ЦОД, относят:

- кибернетические атаки;

- локальные внутри объектные чрезвычайные ситуации (пожары, затопления);

- силовое воздействие;

- несанкционированные действия обслуживающего персонала.

Указанные воздействия могут привести к нарушению, отказу функционирования или разрушению технических средств ЦОД:

- средств обработки информации;

-средств ввода/вывода информации;

- средств хранения информации;

-аппаратуры и каналов передачи данных;

-средств защиты информации.

В связи с особенностями связанными с принципами построения, функционирования и выполнением специальных задач необходимо разделить средства реализующие технологию доступа к данным на две категории:

1. Серверы, хранящие, обрабатывающие и предоставляющие данные,

2. КСА, обеспечивающие автоматизированное функционирование ЦОД,

Таким образом, целесообразно разделить задачу оценивания живучести ЦОД на две подзадачи, а именно оценка живучести серверного кластера и обеспечивающего кластера КСА.

Оценивание живучести серверного кластера ЦОД

В виду специфики построения ЦОД представляет собой стохастический объект.

Единицей вычислительных ресурсов ЦОД высгупаег элементарный сервер (ЭС), следовательно, вычислительное ядро (ВЯ) ЦОД собирается из однородных ЭС {число ЭС составляющих композицию ВЯ может варьироваться от 10-Ю4) [3].

При изучении живучести ЦОД за основу берется стохастическая модель функционирования.

В случае отказа, ЭС «покидает» ВЯ и берется на учет, ре конфигуратор образует из оставшихся работоспособных ЭС связную подсистему, сокращает число параллельных ветвей (потоков) в адаптирующейся программе и организует ее прохождение на ВЯ с новой структурой. В результате выполнения таких функций реконфигуратор «переключает» отказавшие ЭС (ЭК) из ядра в число элементов, подлежащих восстановлению. После восстановления ЭС берутся на учет ре конфигуратор ом ВЯ 11,0 Д.

Таким образом, оценку ущерба, нанесенного 1ЮД в результате ;-го неблагоприятного воздействия (НВ), можно рассчитать как;

где среднее число пораженных ЭС ВЯ, А' - общее число ЭС ВЯ.

Простота расчетных формул приводит к нетрудоёмкому процессу оценивания живучести ЦОД [4].

Оценивание живучести КСА ЦОД в условиях

деструктивных воздействий

Одной из основных особенностей КСА обеспечивающих реализацию автоматизированное функционирование ЦОД является то, что их структуры на различных этапах жизнен-

Т-Сотт Уо1.1 1. #4-201 7

7Т>

мою цикла изменяются пол действием объективных и субъективных причин. Происходит постоянное изменение структуры КСА ЦОД.

В этих условиях для повышения (сохранения, восстановления) уровня работоспособности КСЛ ЦОД необходимо управлять их структурами. Широкое распространение на практике получил такой вариант управления структурами КСА ЦОД, как реконфигурация. Реконфигурация КСА ЦОД — это процесс изменения структуры КСА ЦОД в целях сохранения, восстановления (повышения) уровня работоспособности КСА ЦОД либо обеспечения минимального снижения уровня эффективности применения КСА ЦОД при деградации его функций. Стандартная технология реконфигурации КСА ЦОД при отказе одного m его ресурсов включает в ссбя следующие основные шаги [5].

Шаг 1. Определение и анализ момента времени и места отказа (выхода из строя) ресурса, снятие решения задачи, выполняемой на данном ресурсе, передача задачи на другой ресурс (с сохранением / бе:) сохранения полученных промежуточных результатов).

Шаг 2. Исключение отказавшего (вышедшего из строя) ресурса из конфигурации КСА ЦОД, замена его резервным (однотипным) либо резервным другого типа, с близкими функциональными возможностями.

Шаг 3. Исключение связей с отказавшим (вышедшим из строя) ресурсом, запрет доступа к нему, а для самого отказавшего ресурса - процедура его восстановления.

В том случае, если на отказавшем ресурсе решалась высокоприоритетная задача, которая при передаче на другие ресурсы начинает конфликтовать с задачами, закреплёнными за данным ресурсом, то в зависимости от дисциплины обслуживания происходит прерывание выполнения менее приоритетных задач либо просто снятие их с решения.

Описанная технология является так называемой «слепой реконфигурацией» и не может учитывать и оценивать текущее состояние КСА 1 10 Д в целом и выполнять обоснованное переопределение функции КСА ЦОД между её работоспособными элементами и подсистемами.

Решение данной проблемы возможно при помощи адаптивной реконфигурации [61,

Оценивания живучести КСА и его элементов

в условиях деструктивных воздействий

Для моделирования и расчёта, в какое состояние перейдет элемент КСА ЦОД, формирования массива состояний, характеризующего живучесть элемента КСА ЦОД относительно неблагоприятных воздействий, разработан алгоритм оценивания состояния элементов КСА ЦОД, представленный на рис. L

Имитация процесса функционирования элементов КСА ЦОД (реальной системы) в соответствии с моделирующим алгоритмом осуществляется следующим образом (рис. 1а).

а) все элементы КСА ЦОД описываются как совокупность аппаратной части и программного обеспечения установленного на них (a¡ nроЛ.

б) проводится генерация значения вероятности отказа аппаратной части элемента КСА при неблагоприятном воздействии данного тина. Пограничные значения задаются на Основе статистических данных.

{aie{A}\POKjQ = {<h,q2.....д„}, q¡e{Q}

где А — множество аппаратных элементов КСА ЦОД, /I = {й|,йт,„„д„}; РО - множество специального и общего программного обеспечения, РО = {ро^ро-,,..., роп }; 2- множество задач управления в ходе реализации типового потока задач (ТГП), 2 = {г,,22 ,.,,,"„}; 0 - множество деструктивных воздействий противника на элементы КСА

с

НАЧАЛО

л

э

Ввод исходных данных

Т.

Формирование модели неблагоприятных воздействий

т

Алгоритм оценивания состояния элементов КС А ЦОД

I

Формирование перечня подлежащих выполнению задач ТПЗ на заданном интервале времени

^

I

Расчёт состояния информационных трактов согласно выполняемых задач ТПЗ

Расчёт вероятности выполнения задач ТПЗ с учетом заранее сформированного (штатного) резерва

Формирование уточненной модели неблагоприятных воздействий с учетом прогноза по противнику

Алгоритм оценивания состояния элементов КС А ЦОД

I

Формирование множества допустимых решений

I

Расчет времени на реконфигурацию

Т

Решение оптимизационной задачи выбора варианта реконфигурации системы

т

Выбор рациональной структуры St\7V

С

КОНЕЦ

J

г) проводится генерация значения вероятности отказа программного обеспечения элемента КС А при неблагоприятном воздействии данного типа. Пограничные значения задаются на основе статистических данных.

д) согласно переходной матрице вычисляется состояние программного обеспечения элемента КСА при реализации неблагоприятного воздействия данного типа.

е) на основе статистических данных формируется переходная матрица восстановления элемента КСА ЦОД на заданном интервале времени (г).

ж) проводится расчет коэффициента оперативной готовности программного обеспечения элемента КСА.

^орегрI — ¿¡рй ^''' '' /'' ^ ^

з) проводится расчет коэффициента оперативной готовности аппаратной части элемента КСА

и) производится замена вероятностных оценок, на логические переменные. В соответствии с логическим выражением определяется состояние элемента КСА ЦОД

к) шаги от б) до и) повторяются до полного перебора всех элементов КСА ЦОД и типов потенциальных деструктивных воздействий, с формированием массива состояний по каждому элементу КСА ЦОД но всем потенциальным неблагоприятным воздействиям.

Па рисунке 16 представлен алгоритм оценивания живучести КСА ЦОД в условиях неблагоприятных воздействий.

В ходе реализации алгоритма выполняются следующие шаги:

а) I [ри проявлении отказов, характерных для «портретов» деструктивных воздействий, формируется модель данных деструктивных воздействий.

б) По «Алгоритму оценивания состояния элементов КСА ЦОД», производим оценку состояния элементов,

в) Па заданный интервал времени составляем перечень подлежащих выполнению задач Т113.

= .....г* (до).

г) Согласно перечню выполняемых задач ТПЗ, рассчитываются состояния информационных трактов на основе логических функций и состояния, в которых находятся элементы КСА ЦОД.

Рис; 16. Алгоритм оценивания живучести КСА ЦОД

в) согласно переходной матрице вычисляется состояние аппаратной части элемента КСА при реализации неблагоприятного воздействия данного типа.

¿¿(А/) =

Z, = (V] = Uj Pi pOj л Ъи л н у Pi ро j л ..

¿2 = 'h ~ ai ° P°i л hjj a a j n ро j а.

Zj = itj = и,- n ро/ л bjj л a j n po

j

л) Рассчитывается вероятность выполнения задач ТПЗ с учетом заранее сформированного (штатного) резерва.

Рв1 (& ШМ) = - Г rT(St,,),

/=0

где Pg3y(Q,{Zj},t,г) - вероятность выполнения потока задач в условиях деструктивных воздействий в момент времени t на интервале времени выполнения задач т; w - количество аппаратных элементов КС Л ЦОД задействованных в выполнении ТПЗ в момент времени t на интервале времени г; / - количество аппаратных элементов КСЛ ЦОД не задействованных в выполнении ТПЗ в момент времени t па интервале времени г, исправных или работоспособных с ограничениями, выводимых в резерв; С]" - комбинаторное сочетание из / по н'; Kgj(t) - коэффициент готовности /-го элемента КСЛ ЦОД; Sl - структурно-функциональные параметры, характеризующие структуру и функции ЦОД.

е) В случае отказа какого-либо информационного тракта или невыполнении условия по показателю вероятности выполнения задачи, выполняется блок формирования новой структуры системы.

д) На основании прогноза действия противника, формируется уточненная модель деструктивных воздействий. Модель противника может быть уточнена в предположении «реактивности» воздействия и на основе статистических данных по характерным моделям воздействия на информационно-управляющие системы.

е) На основе «Алгоритма оценивания состояния элементов КСА ЦОД», производим уточненную оценку состояния элементов.

S%>PU

K[iperpi = K№i

Koperai = K^PJfijfJt) G {SJI ^€(1,0)}

ж) Формируем множество допустимых решений.

д J

{'вост. -1 воет

з) Проводим расчёт времени восстановления.

ТВОСТ - ty +1 рек

и) При оценке степени понижения показателя вероятности выполнения задачи управления, определяется оптимизационная задача выбора варианта реконфигурации системы.

- если кратковременное воздействии низкой интенсивности:

100% > 85%

- если длительное воздействие высокой интенсивности: [твост min

P&y

Т'"!'1"^-

ЯПГТ — ' НПГТ

1ВОСТ

о

pB3y

100% >85%

к) Производим выбор рациональной структуры, на основании варианта реконфигурации структуры КСА ЦОД.

>ß1v

St ш

max

{'воет - 'вост.

nSti ГВЗУ

min

'воет

Представленный алгоритм живучести КСЛ ЦОД и его элементов в условиях неблагоприятных воздействий базируется на положении теории цепей Маркова, в отличие от известных, позволяет за счел оценки уровня трансформации целевых задач определить живучесть КСЛ и его элементов на заданном интервале времени, учитывая факторы реконфигурации КСА и прогноз по действиям противника.

Заключение

Исходя из организационно-технических особенностей ЦОД, предложенный подход к оцениванию устойчивости через оценивание его атрибутивного свойства живучести, позволяет получить интегральную оценку в условиях воздействия неблагоприятных факторов.

Литература

1. Мануйлов Ю.С., Петушков A.M.. Новиков Е.А. Управление целевым применением космической навигационной системы но технологии гибких стратегий. СПб.: BKA имени А.Ф, Можайского. 2007. 176 с.

2. Петухов Г.Б. Основы теории эффективности целенаправленных процессов. Часть I. Методология, методы, модели.: МО СССР, 1989. 660 с.

3. Харыбин A.B. Комплексная модель экстремальных воздействий на работоспособность центров обработки данных н коммутации// Обработка информации в сложных технических системах. 2007. № 10. С. 105-109.

4. Хорошевский В.Г. Модели функционирования большемас-штабиых распределенных вычислительных систем // Электросвязь. 2004. № 10. С. 30-34.

5. Гончаров A.M. Галанкин A.B., Чащин C.B. Оценивание эффективности функционирования цифровой сети связи Космических войск // Труды Военно-космической академии имени А.Ф.Можайского. 2016. Вып. 650. С, 7-11.

6. Чащин C.B. Актуальные проблемы обеспечения живучести распределенных АСУ // Сборник трудов Всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные проблемы развития и совершенствования АСУ военного назначения», 2014. С. 77-81,

COMMUNICATIONS

APPROACH TO THE SOLUTION OF THE PROBLEM OF ESTIMATION OF STEADY FUNCTIONING OF THE INFORMATION SYSTEM ON THE EXAMPLE OF DATA-PROCESSING CENTRE

Aleksej M. Goncharov, Saint Petersburg, Russia, mihan78@mail.ru Sergej V. Chashhin, Saint Petersburg, Russia Mikhail A. Prokhorov, Saint Petersburg, Russia

Abstract

In article approach to the decision of the task of estimation, difficult property of stability of an information system on the example of a data processing center through estimation of its attributive property of survivability is considered.

Due to the features the data processing centers connected to the principles of creation, functioning and execution of special tasks offer to separate the means realizing technology of data access on two categories:

1. The servers storing, processing and representing data.

2. The complexes of the automation equipment providing automated functioning of a data processing center.

Thus, the task of estimation of survivability of a data processing center assessment of survivability of a server cluster and the providing cluster of a complex of the automation equipment divided on two subtasks, namely. In a type of specifics of creation of a server cluster, unit of computing resources of a data processing center the elementary server appears, thus, the computing kernel of a data processing center gathers from uniform elementary servers (the number of elementary servers component composition of a computing kernel can vary from I0-I04), in case of estimation of survivability the stochastic model of functioning consisting of a computing kernel, system of maintenance of a data processing center and standby elementary servers is taken as a basis. One of the main features of a complex of the automation equipment providing implementation automated functioning of a data processing center is that their structure at different stages of life cycle change under the influence of the objective and subjective reasons. There is a continuous change under action of internal and external factors of structure of a complex of the automation equipment of a data processing center. For increase (saving, restoration) the level of operability of a complex of means of automation of a data processing center it is necessary to control their structures. For this purpose use technology of so-called "blind reconfiguration", however she can't consider and estimate a current status of a complex of the automation equipment of a data processing center in general and execute reasonable redefinition of functions of a complex of the automation equipment of a data processing center between its operable elements and subsystems. The solution of this problem is possible in case of implementation of technology of the adaptive reconfiguration. The model of reconfiguration of a complex of the automation equipment of center of data handling, an algorithm of estimation of survivability of a complex of the automation equipment and its elements in the conditions of unfavorable factors is offered. Thus, the offered method of estimation of survivability of a data processing center allows to receive integral assessment in the conditions of an adverse effect.

Keywords: estimation of stability, integral evaluation of survivability, data center, model, adaptive reconfiguration. References

1. Manujlov Ju. S., Petushkov A.M., Novikov E.A.

2. Petuhov G.B.

3. Harybin A.V.

4. Horoshevskij V.G.

5. Goncharov A.M., Galankin A.V., Chashin S.V.

6. Chashhin S.V.

Information about authors:

Aleksej M. Goncharov, assistant proffessor of the military space Academy named after A.F. Mozhaiskiy, Saint Petersburg, Russia. Sergej V. Chashhin, Ph.D., lecturer of the military space Academy named after A.F. Mozhaiskiy, Saint Petersburg, Russia. Mikhail A. Prokhorov, postgraduate student of the military space Academy named after A.F. Mozhaiskiy, Saint Petersburg, Russia.