Принципы построения системы классификации информационных сетей по критерию надежности

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ КЛАССИФИКАЦИИ ИНФОРМАЦИОННЫХ СЕТЕЙ ПО КРИТЕРИЮ НАДЕЖНОСТИ

Фролов Д.Ю., аспирант Московского государственного университета приборостроения и информатики

В статье рассмотрены вопросы классификации информационных сетей по критерию надежности с использованием представлений о системе внутренней организации компонентов сети.

Ключевые слова: телекоммуникационные системы и компьютерные сети, структурно-сложные системы, надежность, самоорганизация, степени упорядоченности.

PRINCIPLES OF CONSTRUCTION OF SYSTEM OF CLASSIFICATION OF INFORMATION NETWORKS BY CRITERION OF RELIABILITY

Frolov D., the post-graduate student, MGUPI

Questions of classification of information networks by criterion of reliability with use of representations about system of the internal organization. of components of a network are considered.

Keywords: telecommunication systems and computer networks, structurally complex systems, reliability, self-organization, the degree of order

Современные технические изделия представляют собой сложные системы, состоящие из множества взаимодействующих друг с другом разнородных элементов, число которых может достигать десятков тысяч. Вместе с тем требования по эффективности функционирования и качеству производимых изделий ужесточаются. Это во многом связано с риском возникновения опасностей, аварий и катастроф при эксплуатации технических систем.

Под системой в кибернетике принято понимать объединение любых элементов, рассматриваемых как связное целое. Каждый элемент системы производит определенные действия, что позволяет всей системе выполнять возложенные на нее функции. Особое значение для системы имеет порядок связей ее элементов, т.е. порядок взаимодействия элементов системы при ее функционировании. Факт непосредственного (без посредников) взаимодействия между двумя элементами системы и определяет наличие связи между ними. Общую картину связей между всеми элементами системы отражает структура системы.

Исследование характеристик структурно-сложных систем опирается на положения теории надежности, которая определяется как «общая научная дисциплина, изучающая методы и приемы, которых следует придерживаться при проектировании, изготовлении и эксплуатации изделий для обеспечения максимальной эффективности в процессе использования, а также разрабатывающая общие методы расчета качеств устройств по известным качествам соответствующих их частей».

К структурно-сложным системам могут быть отнесены современные телекоммуникационные системы и компьютерные сети, включающие огромное количество входящих в них компонентов и характеризующиеся сложностью математического и программного обеспечения. Повышение эффективности таких систем достигается за счет изменения качества компонентов, а повышение надежности - за счет подбора наилучшей структуры. Примерами таких систем могут быть управляющие авиационные и космические системы, системы управления железнодорожным и автомобильным транспортом, системы управления и контроля ядерных станций, системы жизнеобеспечения человека и т.д.

Основная цель исследований в области надежности телекоммуникационных систем и компьютерных сетей - создание процедуры инженерного синтеза этих систем с высокими показателями надежности. Например, при проектировании сетей передачи информации желательно разработать методы проектирования сетей, которые, имея на входе различные характеристики: компоненты сети (в том числе и характеристики надежности) и критерии их синтеза, на выходе дают оптимальную топологию сети.

Теория надежности имеет междисциплинарный характер и опирается на комбинаторику, теорию вероятности, а также на такие разделы математики, как: дискретная оптимизация, теория перко-ляции, теория случайных графов, теория гиперграфов (семейств конечных множеств), теория матроидов и т.д.

При анализе надежности систем обычно применяются дискретные вероятностные модели надежности из-за неспособности как моделирования механизма ошибок компонентов системы (параметры повреждения компонент оцениваются на опытных данных), так

и трудности вычисления надежности систем.

На основе анализа сетей различной топологии можно сформулировать ряд положений для построения системы классификации моделей информационных сетей (КМИС).

В основе классификации лежат представления о природе взаимодействия компонентов сетей. В начальном варианте классификации для простоты целесообразно рассмотреть три типа моделей:

- простые;

- усложненные;

- нейронные.

Простые модели представлены сетями, в которых нет систем внутренней организации, применяемой для повышения надежности (избыточность, самообучаемость и др.). К таким сетям могут быть отнесены некоторые случаи монотонных сетей. В этой модели компоненты системы могут принимать одно из двух состояний: работоспособное состояние или состояние отказа. Любое из этих состояний данной компоненты есть случайное событие, которое не зависит от состояния других компонент. Аналогично, в простейших моделях надежности сама система находится в одном из двух состояний: работоспособном состоянии или состоянии отказа. Проблема анализа надежности системы состоит в следующем: при заданных вероятностях того, что каждая компонента системы работает, вычислить меру надежности системы.

Усложненные сети. Усложненные модели, в отличие от моделей первой группы, имеют более высокую степень внутренней организации, что позволяет достичь прогресса в функциональности и надежности. Эту группу моделей можно описать на примере корпоративной сети региональных операторов связи. Особенностью этих сетей являются: многоуровневая инфраструктура, совокупность альтернативных технологий реализации каждого уровня, множество программно-аппаратных средств для реализации технологий от различных фирм-производителей. Дополнительную сложность при проектировании вызывает большая размерность корпоративной сети с возможными альтернативными вариантами элементов этой модели и, как следствие, большая размерность математической модели надёжности. При оценке надёжности предлагается рассматривать корпоративную сеть (КС) на системном уровне детализации в виде функциональных блоков, а не в виде блоков, характеризующих конкретную аппаратную единицу в структуре КС.

В состав типовой корпоративной сети оператора связи входят городская и областная сети. Городская мультисервисная информационная сеть включает локальную вычислительную сеть центрального вычислительного комплекса (ЦВК) и локальные вычислительные сети сервис-центров. В центральном узле располагаются расчетный центр и центр ресурсов. В ЦВК сосредотачиваются корпоративные данные и ресурсы, обеспечивающие функционирование задач прикладной инфраструктуры корпоративной сети. В составе ЦВК устанавливаются необходимые серверы для выполнения всех видов прикладной обработки данных. В ЦВК организуется единая сеть данных, объединяющая все серверы и устройства хранения данных - интегрированные дисковые массивы и роботизированные

библиотеки. ЦВК и сервис-центры подключаются к цифровой магистральной сети. Несмотря на достаточно большое число подсистем, нетрудно заметить, что все они выполняют одну из трёх функций: передачу, обработку или хранение данных. Таким образом, в корпоративной сети реализуются три основные функции - передача данных, обработка данных, хранение и восстановление данных. Функции передачи данных выполняют сеть доступа и транспортная сеть (СПД). Функции обработки и хранения данных выполняет центральный вычислительный комплекс (см. рис. 1). При отказе одной из подсистем корпоративная сеть перестаёт выполнять основные функции. В целях более эффективной работы сети применяются центры управления сетью или сервис-центры (ЦУ), которые выполняют функции восстановления работы других подсистем сети, восстановления данных ЦВК и контролируют работу сети, в частности, позволяют выявлять отказы.

мационной и временной. В теории надежности избыточность рассматривается как важнейшее свойство объекта.

Таким образом, сформулированы качественные подходы к описанию классификации информационных сетей по критерию надежности.

Рассматривая предложенную классификацию как первый этап в построении развернутой системы систематизации, мы полагаем, что задачами ближайшего будущего станут:

- разработка количественных факторов оценки степени упорядоченности сетей на основе анализа методов расчета показателей надёжности сетей;

- создание расширенной системы классификации с включением в нее всех видов существующих сетей;

- создание инструментов оценки надежности сетей на основе использования количественных факторов оценки степени упорядоченности.

Рис. 1. Модель КС с зависимыми отказами

Работоспособность элементов в корпоративных сетях контролируется централизованно, центр управления используется для выявления отказов и их устранения. В то же время при его отказе функции передачи и обработки данных продолжают выполняться.

Нейронные сети. Третью группу моделей составляют сети с максимальным уровнем внутренней организации. В известном смысле их можно отнести к интеллектуальным системам. К нейронным сетям относят вычислительные структуры, которые моделируют некоторые простые биологические объекты (см. рис. 2). Главным их признаком служит способность к адаптивному обучению путем анализа положительных и отрицательных воздействий.

Рис. 2. Взаимосвязь биологических нейронов

Обычно искусственные нейронные сети (ИНС) нейрокомпью-терных систем представляют собой упорядоченные структуры, отличающиеся в зависимости от модели тем или иным способом упорядочения. Анализ различных моделей ИНС позволяет сделать вывод, что в большинстве своем нейронные сети представляют собой однородные структуры, в которых вычислительные элементы упрощены до уровня формального нейрона. Однородность ИНС является важным фактором в плане обеспечения отказоустойчивости, поскольку позволяет применять соответствующие эффективные методы повышения надежности их функционирования.

Помимо свойства структурной однородности, нейронные сети, как и их

биологические прототипы, могут характеризоваться различными видами избыточности - структурной, функциональной, инфор-

Литература:

1. Гнеденко Б.В., Беляев Ю.К., Соловьев А.Д. Математические методы в теории надежности. - М.: Наука, 1965.

2. Кривулец В.Г. Разностно-развязочные оценки надежности монотонной структуры // Сб. трудов XIV научной конференции МФТИ, посвященной 50-летию создания МФТИ. - Часть I. - Мос-ква-Долгопрудный, 2001, стр. 17.

3. Калимулина Э. Моделирование и анализ надежности корпоративной сети // Стандарты и качество, 2008. - http://ria-stk.ru/.

4. Ананьев А.Н. Разработка и исследование методов расчёта надёжности корпоративных сетей региональных операторов связи // Электросвязь, 2002. - № 10. - С. 30-33.

5. Потапов И.В. Модели, методы и задачи прикладной теории надежности нейрокомпьютерных систем: Автореф. дисс. докт. техн. наук. - М., 2010.