Размещено на http://www.allbest.ru/

Оглавление

• Введение 3
• Глава I. Фундаментальные понятия теории надежности информационных систем 6
• 1.1 Свойства информационных систем 6
• 1.2 Понятия теории надежности информационных систем 10
• 1.3 Обзор работ по проблеме надежности информационных систем 13
• Глава II. Особенности критериев и качественных характеристик надежности информационных систем 24
• 2.1 Критерии надежности информационных систем 24
• 2.2 Качественных характеристик надежности информационных систем 25
• Заключение 33
• Литература 36


Введение

Актуальность исследования. Разнообразные информационные системы (ИС) прочно вошли в жизнь современного человека и охватывают многие сферы человеческой деятельности. Обеспечение постоянной бесперебойнойработы информационной системы Бушуев А. А. Архитектура программного комплекса определения надежности информационной системы./ Вестник пермского университета, Вып. 2(39), 2010. - С. 93 - не простая задача, так как современные ИС состоят из огромного числа аппаратных и программных компонентов, от работоспособности которых зависит работа всей ИС. Чаще всего в ИС можно выделить программные и аппаратные компоненты, а также компоненты, которые обеспечивают работу ИС (помещение, линии связи, линии электрического обеспечения и т.д.).

Опыт создания и применения информационных систем в последние десятилетия выявил множество ситуаций, при которых сбои и отказы их функционирования были обусловлены дефектами комплексов программ и сопровождались большим ущербом Монахов Ю. М. Функциональная устойчивость информационных систем. В 3 ч. Ч. 1. Надежность программного обеспечения : учеб. пособие. - Владимир : Изд-во Владим. гос. ун-та, 2011. - С. 5.

Если в 60-70-х годах XX века надёжность аппаратуры была много ниже, чем надёжность программного обеспечения, то в настоящее время, ввиду усовершенствования аппаратной базы и усложнения программного обеспечения значения их надёжности, стали различаться гораздо меньше. Поэтому в настоящее время при оценке надёжности ИС (как, в частности, показано в программном комплексе автоматизированного структурно-логического моделирования и расчета надежности и безопасности систем (ПК АСМ СЗМА, базовая версия 1.0)» Программный комплекс автоматизированного структурно-логического моделирования и расчета надежности и безопасности систем (ПК АСМ СЗМА, базовая версия 1.0) [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.szma.ru/pkasm.shtml) необходимо учитывать влияние программного обеспечения.

Для практического анализа надежности ИС необходимы соответствующие математические модели. Существующая технология в основном основывается на не автоматизированной (ручной) процедуре построения необходимых математических моделей надежности систем. К настоящему времени отечественной и зарубежной наукой разработано много методов такого ручного моделирования Максимов Я. А. Технология моделирования надежности информационных систем. //В мире научных открытий, 2009, №1. - С. 12. Многие, из указанных выше особенностей, теоретически пригодны для анализа надежности ИС. Наиболее практически значимые результаты получены в области оценки показателей надежности элементов и типовых подсистем АСУТП. Многие фирмы, например, Siemens, Ericsson обязательно указывают параметры надежности поставляемого оборудования и комплектующих.

Более сложной проблемой является разработка моделей и расчет показателей надежности ИС в целом. Она заключается в непреодолимой громоздкости и трудоемкости процедур не автоматизированного (ручного) построения математических моделей надежности и безопасности структурно-сложных систем, состоящих из большого числа элементов. Современные ИС могут включать в себя сотни и даже тысячи элементов. Именно этот аспект «большой размерности» традиционных ручных технологий построения математических моделей, не позволяет применять на практике даже хорошо теоретически разработанные методы системного анализа надежности ИС.

Разработка и внедрение новых технологий и методик, в основе которых лежат процессы автоматизированного построения математических моделей является наиболее перспективным направлением практической реализации методов системного анализа надежности современных ИС.

Предмет исследования. Критерии и качественные характеристики надежности.

Объект исследования. Надежность информационных систем.

Цель исследования.

- Рассмотреть особенности критериев и качественных характеристик надежности.

Задачи исследования.

1. Проанализировать фундаментальные понятия теории надежности информационных систем.

2. Раскрыть особенности критериев и качественных характеристик надежности информационных систем.

Теоретическая значимость исследования. В исследовании проанализирован и обобщен теоретический материал по вопросам изучения критериев и качественных характеристик надежности информационных систем.

Практическая значимость исследования состоит в том, что данная работа может быть полезна в изучении курса информатики и вычислительной техники, автоматики, телемеханики, а также других смежных наук.

Обзор литературы. В настоящем исследовании мы использовали работы таких авторов как Монахов Ю. М., Додонов А. Г., Ландэ Д. В., Половко А. М., Гуров С. В. и др.

Структура исследования. Данная работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка использованной литературы.



Глава I. Фундаментальные понятия теории надежности информационных систем

1.1 Свойства информационных систем

Для того чтобы сопоставить свойства информационных систем со свойствами других систем, обратимся к классическому определению, в соответствии с которым система -- это совокупность объектов и связей между ними, выделенных из среды на определенное время и с определенной целью. Система в широком смысле рассматривается как динамически изменяемая совокупность сильно связанных объектов, обладающая свойствами организации, связности, целостности и членимости.

Соответственно, информационную систему в нашем понимании можно трактовать как контентную систему, совокупность документов, связанных взаимными контекстными ссылками, гиперссылками, цитированием, общей лексикой, фактографией и т.д., выделенных из среды (информационного пространства) на определенное время (время актуальности) с определенной целью или по определенному поводу. Т.е. действительно, информационная система -- это совокупность сильно связанных объектов, обладающая свойствами организации, связности, целостности (определяемой тематикой или событием) и членимости (на отдельные документы, их фрагменты).

Рассмотрим свойства систем, связанные с целями и функциями.

1. Синергетичность -- однонаправленность действий компонентов усиливает эффективность функционирования системы. В случае информационных систем, в частности, информационных сюжетов, направленность отдельных документов усиливает информационную функцию всей информационной системы.

2. Приоритет интересов системы перед интересами ее компонент (общую тематическую тенденцию определяет вся информационная система, а не отдельные документы как компоненты).

3. Эмерджентность -- цели (информационные функции) компонент (отдельных документов) системы не всегда совпадают с целями (функциями) всей информационной системы.

4. Мультипликативность -- и позитивные, и негативные эффекты функционирования компонент системы обладают свойством умножения, а не сложения (аналогии -- количество информации в документах, информационная энтропия).

5. Целенаправленность информационных систем в случае их искусственного формирования (вместе с тем, существуют и нецеленаправленные системы, в том числе и информационные сюжеты).

6. Альтернативность путей функционирования и развития. Важнейшие документы могут быть актуальными на протяжении длительного времени или отдельные документы по одной тематике, генерируемые в большом количестве, но имеющие небольшой срок актуальности.

Связанные со структурой свойства информационных систем следующие:

1. Целостность -- первичность целой информационной системы по отношению к отдельным ее элементам (в общем случае -- документам).

2. Неаддитивность -- принципиальная несводимость свойств информационной системы к сумме свойств составляющих ее элементов (конечно, если информационная система состоит более чем из одного документа).

3. Структурность -- возможна декомпозиция информационной системы на компоненты (документы), установление связей между ними.

4. Иерархичность -- компоненты системы (информационные сообщения, документы, пожалуй, кроме элементарных одноаспектных) могут также рассматриваться как подсистемы информационной системы.

Информационные системы, как и отдельные документы, являются частями информационного пространства, и им, соответственно, присущи такие свойства, связанные с внешней средой:

1. Коммуникативность -- существование сложной системы коммуникаций информационных системы с информационным пространством, в частности, отдельные документы из информационной системы могут быть связаны не только с другими документами из той же информационной системы, но и с другими частями информационного пространства.

2. Взаимодействие и взаимозависимость информационной системы и информационного пространства.

3. Адаптивность -- стремление к состоянию устойчивого равновесия, которое предполагает адаптацию параметров информационной системы на определенных этапах ее жизненного цикла к изменяющимся параметрам внешней среды.

4. Надежность -- существование информационной системы при выходе из строя отдельных ее компонент (информационных ресурсов), сохраняемость значений параметров системы в течение определенного периода.

5. Интерактивность -- взаимодействие с внешней средой и «ответная» изменяемость информационных систем.

Существует еще ряд системных свойств информационных систем, таких как:

1. Интегративность -- наличие системообразующих, системосохраняющих факторов.

2. Эквифинальность -- способность информационных систем достигать состояний, не зависящих от исходных условий и определяющихся только параметрами системы.

3. Наследственность.

4. Возможность развития.

5. Самоорганизация и т.д.

Для полноценной работы или сохранения минимального набора критически важных функций информирования информационная система должна обладать вполне определенным запасом устойчивости к внешним дестабилизирующим воздействиям из внешней среды (информационного пространства), обусловленным, в свою очередь, влияниями со стороны общества, государства, коммерческих структур и т.д.

Как на всю информационную систему, так и на ее отдельные элементы могут оказываться различные дестабилизирующие информационные воздействия, атаки, например, удаление отдельных материалов с веб-сайтов сети Интернет, уничтожение или отключение информационных серверов, публикация документов, которые в определенном направлении искажают исходную информационную систему, или порождение новой информационной системы, которая может снизить актуальность или попросту уничтожить исходную систему.

Понятно, что для полноценной работы и сохранения минимального набора критически важных функций информирования информационная систем должна обладать вполне определенным запасом устойчивости к внешним дестабилизирующим воздействиям.

При этом нарушение целостности информационной системы на фоне снижения актуальности ее компонент влечет за собой дезорганизацию, одновременную потерю гибкости -- понижение живучести и нарушение целостности, то есть потерю важнейших функций информационных систем (рис. 1) Додонов А.Г., Ландэ Д.В. Живучесть информационных систем. -- К.: Наук. думка, 2011. - С. 14.

Задачи живучести информационных систем требуют не только экспертных, качественных решений, но и применения подходов, базирующихся на математическом и компьютерном моделировании. Например, можно выделить задачи моделирования информационных операций, которые неразрывно связаны с так называемым социальным моделированием (англ. --Social Modeling) Додонов А.Г., Ландэ Д.В. Живучесть информационных систем. -- К.: Наук. думка, 2011. - С. 15.

Несмотря на то, что социальное моделирование является междисциплинарным направлением, именно оно находит в настоящее время широкое применение при решении задач в области информационной безопасности Додонов А.Г. Введение в теорию живучести вычислительных систем. -- К.: Наук. думка, 1990. - С. 89.

Рис. 1. Модель гомеостаза информационной системы

1.2 Понятия теории надежности информационных систем

Любая наука развивается, исходя из основных понятий и определений. Такими понятиями в теории надежности являются «надежность» и «отказ». Надежностью называется физическое свойство технического устройства сохранять свои характеристики в процессе эксплуатации. Это определение является объективным фундаментальным понятием. Оно не вызывает возражений и каких-либо уточнений, если речь идет о надежности техники. Отказом называется событие, после возникновения которого характеристики?технического устройства выходят за допустимые пределы. Это понятие является субъективным, т. к. допустимые пределы зависят от нашего сознания и в?большинстве случаев не могут быть установлены объективно. В классической теории надежности нетехнические системы, например информационные, не рассматривались. Более того, считалось, что понятие надежность к таким системам, как производство, диспетчерский пункт, экономическое предприятие и т. п., не применимо. Функционирование этих объектов с позиции теории надежности должно было оцениваться показателями их?эффективности Ермаков А. А. Основы надежности информационных систем: учеб. пособие. - Иркутск : ИрГУПС, 2006.. Указанное ограничение в теории надежности необходимо?снять. Теория надежности должна развиваться не только вглубь, но и вширь.?Ее понятия и методы полезно использовать для оценки функционирования не?только технических объектов. Понятие «надежность» в том виде, как оно было сформулировано ранее, не?применимо для нетехнических объектов. Надежность функционирования нетехнической системы не является ее физическим свойством. Это лишь способность системы выполнять определенные функции. Этому понятию можно?дать следующее определение: надежностью называется способность объекта?выполнять свои функции в процессе эксплуатации.

Дадим следующее определение понятию «отказ»Половко А. М., Гуров С. В. Основы теории надежности. -- 2-е изд., перераб. и доп. -- СПб.:?БХВ-Петербург, 2006. -- С. 466. Отказом нетехнического?объекта называется событие, после возникновения которого его показатели?выходят за допустимые пределы. По аналогии с техническими объектами, видами отказов нетехнического объекта могут быть: внезапные, постепенные и перемежающиеся. При внезапном?отказе функционирование объекта либо прекращается, либо становится малоэффективным. При постепенном отказе характеристики объекта с течением?времени ухудшаются до наступления полного отказа, когда функционирование объекта становится нецелесообразным. Перемежающимся отказом называется событие, после возникновения которого функционирование объекта?лишь временно становится неэффективным. Отказы нетехнического объекта являются событиями случайными, т. к. в?большинстве случаев предсказать время их возникновения практически невозможно, хотя прогнозирование отказа здесь более вероятно, чем в технических системах. Типичными примерами информационных систем являются: информационно-поисковые системы, базы данных, диспетчерские системы, банкоматы, библиотеки, телефонные сети, справочные системы и т. д. Заявками на обслуживание в этих системах являются люди -- потребители информации, обслуживающими органами-- базы данных, диспетчерские пункты, библиотеки,?справочники, банки данных и т. п. Все эти системы можно отнести к системам массового обслуживания (СМО). Широкое распространение СМО требует серьезных научных исследований?по оценке их эффективности, одним из показателей которой является надежность.

Рассмотрим функционирование СМО с позиции ее надежности и уточним понятия «надежность» и «отказ». Существуют два класса СМО: системы с отказами и системы с очередью. Как?те, так и другие могут быть одноканальные и многоканальные с различными?приоритетами обслуживания. Системы массового обслуживания с отказами?наиболее часто бывают многоканальными. В этих системах очередь на обслуживание не образуется. Если все каналы заняты, то очередной заявке отказывают в обслуживании. Примерами таких систем являются: больница с?ограниченным числом мест для больных, диспетчерский пункт системы?управления воздушным движением, платная стоянка автомобилей, телефонный узел и т. п. Для заявок на обслуживание наиболее важным показателем функционирования СМО является возможность обслуживающего органа принять заявку на?обслуживание в любой произвольный момент времени. Тогда отказом?СМО является событие, при котором заявка не будет принята на обслуживание в момент ее поступления.

Системы массового обслуживания с очередью в обслуживании не отказывают. Можно подумать, что эти системы отказов не имеют. Однако это далеко?не так. Если, например, очередь на обслуживание длинная, а заявка ограничена во времени, то последняя покинет обслуживающий орган и для нее такая СМО является ненадежной. Для СМО с очередью отказом является событие, при котором заявка покидает очередь. В данном случае отказ СМО является понятием субъективным, зависящим от мнения заявки. Для заявки?наиболее важным показателем функционирования такой СМО является длительность обслуживания.

1.3 Обзор работ по проблеме надежности информационных систем

Рассмотрим статьи, монографии, учебные пособия и другие информационные источники по проблеме надежности в целом и надежности информационных систем в частности.

В работах авторов Громова Ю. Ю., Гнеденко Б. В., Дружинина Г. В., Ермакова А. А., Липаева В. В., Матвеевского В. Р., Можаева А. С., Рыжкина А. А. основное внимание уделяется основам теории надежности: понятиям, определениям и постулатам, подробной классификации отказов, характеристик надежности при внезапных и постепенных отказах. В указанных источниках выявлены базовые характеристики надежности как показатели безотказности, ремонтопригодности, долговечности, сохраняемости. Рассмотрены общие методы расчета надежности технических систем различного назначения как нерезервированных, так и резервированных.

Выделим работу В. Р. Матвеевского «Надежность технических систем», посвященную математическим моделям в теории надежности. В ней приведены аналитические зависимости интенсивности отказов от времени для распределений Вейбулла, Релея и др. Так, нормальное распределение и распределение Вейбулла используются для расчета надежности «стареющих» элементов, а экспоненциальное распределение, являясь частным случаем распределения Вейбулла, - для расчета надежности «нестареющих» элементов Матвеевский В. Р. Надежность технических систем : учеб. пособие. - М.: Моск. гос. ин-т электроники и математики, 2002. - С. 35. Кроме этого рассматриваются мероприятия по формированию показателей надёжности на различных стадиях проектирования, методы повышения надежности.

Практикум по теории надежности А. М. Половко и С. В. Гурова «Основы теории надежности» содержит набор задач по расчету показателей надежности нерезервированных невосстанавливаемых систем, резервированных невосстанавливаемых систем Половко А. М., Гуров С. В. Основы теории надежности : практикум. - СПб. : БХВ-Петербург, 2006, нерезервированных восстанавливаемых систем, резервированных восстанавливаемых систем. Большую часть практикума составляют лабораторные работы, посвященные исследованию надежности и свойств систем различной структуры, анализу влияния профилактики на надежность систем, а также исследованию влияния временного резервирования на надежность системы.

В учебном пособии С. М. Вихарева «Надежность автоматизированных систем» большое внимание уделено структурно-логическому анализу технических систем. Такой анализ проводится с целью оценки влияния каждого элемента на работоспособность системы в целом Вихарев С. М. Надежность автоматизированных систем : учеб. пособие. - Кострома : Изд-во КГТУ, 2007. - С. 10. Структурно-логический анализ предполагает представление технической системы в виде схемы из последовательно и параллельно соединенных элементов. При данном подходе прослеживается определенная аналогия с цепью, составленной из проводящих элементов (исправный элемент пропускает ток, отказавший - не пропускает): работоспособному состоянию технической системы соответствует возможность протекания тока от входа до выхода цепи Монахов Ю. М. Функциональная устойчивость информационных систем. В 3 ч. Ч. 1. Надежность программного обеспечения : учеб. пособие. - Владимир : Изд-во Владим. гос. ун-та, 2011. - С. 7.

В статье С. Г. Романюка «Оценка надежности программного обеспечения» рассматривается вероятностный подход к проблеме надежности, который при изучении надежности состоит в анализе исследуемого объекта (самолета, системы охраны, компьютерной программы и т.д.), построении, исходя из «физических» соображений о его природе, пространств элементарных событий, во введении на них вероятностной меры и рассмотрении случайных величин. В работе выдвинуты интересные соображения по поводу взаимосвязи надежности программы и наличия в ней ошибок Романюк С. Г. Оценка надежности программного обеспечения. // Открытые системы [сайт]. - URL: http://www.osp.ru/ os/1994/04/178540/:

- число ошибок в программе - величина «ненаблюдаемая», наблюдаются не сами ошибки, а результат их проявления; - неверное срабатывание программы может быть следствием не одной, а сразу нескольких ошибок;

- ошибки могут компенсировать друг друга, так что после исправления какой-то одной ошибки программа может начать «работать хуже»;

- надежность характеризует частоту проявления ошибок, но не их количество. В то же время хорошо известно, что ошибки проявляются с разной частотой: некоторые остаются невыявленными после многих месяцев и даже лет эксплуатации, но, нетрудно привести примеры, когда одна ошибка приводит к неверному срабатыванию программы при любых исходных данных, т.е. к нулевой надежности.

Статья Билла Грэма, Пола Н. Леру, Тодда Лендри Грэм П. Использование статического и динамического анализа для повышения качества продукции и эффективности разработки [Электронный ресурс] // Операционная система реального времени QNX. - Загл. с экрана. - URL: http://www.swd.ru/ index.php3/pid=828 посвящена статическому и динамическому анализу программного кода на наличие разнообразных дефектов и слабых мест. В ней рассматривается метод статического анализа. Авторы показывают, как с его помощью можно предотвратить отдельные проблемы программного кода и гарантировать, что новый код соответствует стандарту. Используя разные техники, например, проверку абстрактного синтаксического дерева (abstract syntax tree, AST) и анализ кодовых путей, инструменты статического анализа могут выявить скрытые уязвимости, логические ошибки, дефекты реализации и другие проблемы. Это возможно как на этапе разработки, так и во время компоновки системы. Здесь же предлагается метод динамического анализа, который можно использовать на этапе разработки программных модулей и их системной интеграции и который позволяет выявить проблемы, пропущенные при статическом анализе. При динамическом анализе не только обнаруживаются ошибки, связанные с указателями и другими некорректностями в программном коде, но также появляется возможность оптимизировать использование циклов центрального процессора, оперативной памяти, флеш-памяти и других ресурсов. Кроме того, в статье обсуждаются варианты комбинирования статического и динамического анализа, что поможет предотвращать возврат к более ранним этапам разработки по мере «созревания» продукта. Такой подход с использованием сразу двух методик помогает избежать проявления большинства проблем еще на ранних этапах разработки, когда их легче и дешевле всего исправить.

Концептуальная книга Г. Майерса целиком посвящена надежности ПО. Книга состоит из четырех частей. Первые две части по-священы общим понятиям и проектированию надежного ПО, третья - тестированию программ, где уделяется большое внимание принципам и методам тестирования. Рассматриваются такие методы, как восходящее тестирование, нисходящее тестирование, модифицированный нисходящий метод, метод большого скачка, метод сэндвича, модифицированный метод сэндвича Майерс Г. Дж. Надежность программного обеспечения : монография : пер. с англ.; ред. лит. по математическим наукам. - М. : Мир, 1980. - С. 98, 105, 200. Представлены аксиомы тестирования. Рассматриваются подходы к тестированию модулей, внешних функций и комплексное тестирование. Отдельные главы посвящены проектированию и выполнению теста, выбору инструментария для тестирования, большое внимание уделяется поиску и исправлению ошибок, а также инструментам для поиска ошибок. Четвертая часть посвящена дополнительным вопросам надежности. В ней рассматривается влияние на надежность таких факторов, как методы руководства, языки программирования, архитектура ЭВМ. Целая глава посвящена доказательству правильности программ, также здесь приводятся модели надежности. Модель роста надежности тесно связана с теорией надежности аппаратуры и существенно опирается на определенные предположения о распределении вероятностей отказов программного обеспечения. Статическая модель Миллса и простые интуитивные модели дают сходные результаты, но не связаны с теорией надежности аппаратуры. Последние несколько моделей - модели сложности - предназначены для предсказания сложности программных систем.

В трудах Иыуду К. А. «Надежность, контроль и диагностика вычислительных машин и систем», Кабака И. С. «О надежности объектно-ориентированного программмного обеспечения», Канера С. «Тестирование программного обеспечения», Карповского Е. Я. «Надежность программной продукции», Полонникова Р. И. «Методы оценки показателей надежности программного обеспечения», Фатуева В. А. «Надежность автоматизированных информационных систем» представлены различные модели надежности ПО, их классификация, приведены примеры по использованию моделей.

В учебнике В. В. Шуракова «Надежность программного обеспечения систем обработки данных» изложены модели, базирующиеся на классических моделях теории надежности технических систем, одной из которых является модель переходных вероятностей Маркова Шураков В. В. Надежность программного обеспечения систем обработки данных : учеб. для вузов по специальности «Организация механизир. обработки экон. информации». - М.: Статистика, 1981. - С. 80. Эта модель позволяет предсказать характеристики системы во время проверки моделированием до того, как программа будет реализована. Здесь же рассматриваются модели с внесением (рассеиванием) ошибок. Процесс рассеивания ошибок - наиболее слабое звено данной модели вследствие предположения, что исходные и рассеянные ошибки имеют одинаковую, но неизвестную вероятность быть обнаруженными. При этом предполагается, что рассеянные ошибки должны быть подобраны с тем, чтобы походить на типичные ошибки программиста, проще их искать без особых ухищрений типа «рассеивания». Если же рассматривать этот недостаток модели, рассеивающей ошибки, в свете недостатков других моделей, то можно утверждать, что эта проблема относительно небольшая и разрешима с практической точки зрения. Модель, рассеивающая ошибки, полезна на практике, так как она оказывает положительное психологическое воздействие на лиц, выполняющих тестирование, уже только тем, что они знают: в программу внесены ошибки.

В статье Н. В. Василенко и В. А. Макарова «Модели оценки надежности программного обеспечения» дается обширное описание динамических и статических моделей надежности. Так, в динамических моделях в отличие от статических учитывается время появления ошибок. К динамическим моделям относятся модель Шумана, модель Ла Падула, модель Джелинского - Моранды, модель Шика - Волвертона, модель Муса, модель переходных вероятностей, к статическим - модель Миллса, модель Липова, простая интуитивная модель, модель Коркорэна, модель последовательности испытаний Бернулли, модель Нельсона Василенко Н. В. Модели оценки надежности программного обеспечения. // Вестник Новгор. гос. ун-та. - 2004. - № 28. - С. 128,129, 130.. Также в статье представлено несколько эмпирических моделей, основанных на анализе накопленной информации о функционировании ранее разработанных программ. Примерами эмпирических моделей являются модель фирмы IBM и модель Холстеда.

В работе В. В. Азовцева Азовцев В. В. Исследование методов оценки и повышения надежности программного обеспечения [Электронный ресурс]. - Загл. с экрана. - URL: http://www.azovikdip.ru. помимо описания некоторых статических и динамических моделей приводятся примеры по их использованию. Кроме того, рассматриваются особенности объектно-ориентированного программирования в данных задачах.

Что касается оценки надежности сложных программных комплексов, то здесь можно выделить работы В. А. Смагина «Расчет вероятностно-временных характеристик пребывания задач в сетевой модели массового обслуживания», «Моделирование и обеспечение надёжности программных средств АСУ», «Основы теории надёжности программного обеспечения», А. С. Можаева «Общий логико-вероятностный метод анализа надежности структурно-сложных систем», «Современное состояние и некоторые направления развития логико-вероятностных методов анализа систем», «Учет временной последовательности отказов элементов в логико-вероятностных моделях надежности», О. А. Панина «Анализ безопасности интегрированных систем защиты: логико-вероятностный подход», «Проблемы оценки эффективности функционирования систем физической защиты объектов», «Как измерить эффективность?», И. А. Рябинина «Надежность и безопасность структурно-сложных систем», «Математическое понятие логико-вероятностного исчисления и особенности его применения в случае немонотонных, повторных и правильных функций алгебры логики», «Логико-вероятностное исчисление как аппарат исследования надежности и безопасности структурно-сложных систем».

В учебнике Смагина В. А. Основы теории надёжности программного обеспечения изучены прогностические возможности модели Седякина - Джелинского - Моранды на основе функции максимального правдоподобия. Приведено основное аналитическое уравнение для прогноза будущего интервала времени, лежащего за последним наблюденным событием потока. Дано обобщение прогностической модели на случай использования произвольных распределений. Построена модель прогнозирования момента наступления очередного случайного события в потоке событий. Данная модель позволяет по наблюдениям интервалов между событиями - ошибками функционирования программного модуля при условии справедливости существования экс-поненциального распределения интервалов времени - определить ожидаемое число ошибок в модуле и интенсивность проявления любой одной ошибки Смагин В. А. Основы теории надёжности программного обеспечения : учеб. для вузов; БГТУ "ВОЕНМЕХ". - СПб. : [б. и.], 2009. - С. 50. Прикладное значение полученных результатов состоит в том, что они могут непосредственно использоваться при анализе и обеспечении надежности сложных программных комплексов. Кроме того, полученные теоретические результаты могут найти применение и при изучении других потоков событий, природа которых не связана со временем. В работе предложена стратегия повышения вероятности безошибочного функционирования сложного программного комплекса, использование которой позволяет достичь заданной или максимальной вероятности безошибочного функционирования в зависимости от исходных условий решаемой задачи. Стратегия основана на вероятностном прогнозе времени ожидаемой в будущем ошибки критичного к ней программного модуля и повторного применения выражения для расчета вероятности безошибочного функционирования программного комплекса, представленного в виде графовой модели. В анализируемой статье рассматриваются две задачи, необходимые при исследовании надежности программных комплексов. Первая задача состоит в том, чтобы по заданной структуре программного комплекса, состоящего из некоторой совокупности программных модулей, имеющих показатели надежности, найти показатель надежности программного комплекса. Эту задачу традиционно называют прямой. Наряду с ней может решаться вторая задача - достижение максимального (минимального) значения показателя надежности при ограничениях на ресурсы, в качестве которых выступают время, стоимость и другие параметры (обратная задача). Предложенный метод позволяет производить оценку надежности сложных программных комплексов при известных показателях надежности составляющих модулей и их вероятностной взаимосвязи в стохастическом графе.

В книге И. А. Рябинина «Надежность и безопасность структурно-сложных систем» изложены основы логико-вероятностного исчисления, необходимые для исследования надежности и безопасности структурно-сложных систем. Рассмотрены проблемы исходных данных о безотказности элементов при малых объемах статистической информации, доверительные и допустимые интервалы оценки надежности. Приведены аналитические и графические формы представления условий работоспособности и опасного состояния системы, изложены логико-вероятностные методы исследования надежности и безопасности на большом числе примеров.

В статье О. А. Панина «Анализ безопасности интегрированных систем защиты: логико-вероятностный подход» приведен математический аппарат, составляющий основу логико-вероятностных методов. Дана процедура анализа, которая заключается в составлении схемы системы.

Выделим работу Е. Н. Зайцевой и Ю. В. Поттосина «Оценка вероятности отказа невосстанавливаемой системы с использованием методов алгебры логики», в которой для анализа надежности систем с несколькими уровнями работоспособности предложено использовать так называемые «направленные логические производные» Зайцева Е. Н., Поттосин Ю. В. Оценка вероятности отказа невосстанавливаемой системы с использованием методов алгебры логики. // Информатика. - 2007. - № 2. - С. 79., которые позволяют определить наборы переменных при заданных изменениях переменной и для заданного изменения функции.

В пособии В. А. Яворского «Планирование научного эксперимента и обработка экспериментальных данных» изложены основы планирования эксперимента, анализ экспериментальных данных, правила ведения лабораторного журнала и оформления результатов эксперимента.

В диссертации А. А. Нозика «Оценка надежности и безопасности структурно-сложных технических систем» См.: Нозик А. А. Оценка надежности и безопасности структурно-сложных технических систем. : автореф. дис. … канд. техн. наук. - СПб., - 2005. проведен анализ, выполнена разработка комплекса методов и методик, необходимых для оценки надежности структурно-сложных технических систем большой размерности. Все предложенные механизмы имеют алгоритмический уровень разработки, что позволило осуществить их непосредственную реализацию в программном комплексе автоматизированного структурно-логического моделирования и расчета надежности и безопасности структурно-сложных технических систем большой размерности, основанного на общем логико-вероятностном методе.

В диссертации С. В. Гурова См.: Гуров С. В. Методы и модели анализа надежности сложных технических систем с переменной структурой и произвольными законами распределения случайных параметров, отказов и восстановлений : автореф. дис. ... канд. техн. наук. - СПб., 2001. предложена универсальная математическая модель функционирования невосстанавливаемых и восстанавливаемых систем с произвольными распределениями отказов и восстановлений элементов и параметров. На ее основе дано базисное математическое описание стационарного и нестационарного режимов функционирования, пригодное для построения математических моделей различных классов систем. Эти модели могут применяться для оценки надежности систем.

В работе В. Н. Задорожного рассматривается аналитический метод расчета надежности структурно-сложных систем, основанный на использовании редукции. Практической реализацией результатов данной работы является программа в среде Java. Разработанная программа может функционировать на любой платформе, для которой имеется среда Java, т.е. она является платформно-независимой. Основные элементы разработанной программы - две большие части Задорожный В. Н. Применение редукции для расчета надежности структурно-сложных систем. // Надежность и контроль качества. - 1997. - № 10. - С. 37.: первая - графический редактор, вторая - на основе полученной информации производит редукцию, рассчитывает надежность. Основное назначение графического редактора состоит в создании удобной интерактивной среды, позволяющей пользователю эффективно выполнять все виды работ по вводу структурной схемы анализируемой системы (добавление, удаление перемещение), заданию значений надежности элементов и общей организации компьютерного моделирования и расчета показателей надежности исследуемых систем.



Глава II. Особенности критериев и качественных характеристик надежности информационных систем

2.1 Критерии надежности информационных систем

информационный надежность синергетичность мультипликативность

Анализ функционирования информационных систем позволяет утверждать, что критериями их надежности могут быть те же критерии, которые в теории надежности применяются для анализа надежности невосстанавливаемых и восстанавливаемых технических систем. Отличие состоит лишь в их физическом смысле.

Основными из них являются Половко А. М., Гуров С. В. Основы теории надежности. -- 2-е изд., перераб. и доп. - СПб.:?БХВ Петербург, 2006. С. 471:

? P(t) - вероятность безотказной работы;

? Т1 - среднее время безотказной работы;

? Kr(t) -функция готовности;

? Кr -- коэффициент готовности;

? Т -- наработка на отказ.

Дадим определение этим критериям.

Вероятностью безотказной работы информационной системы будем называть вероятность того, что ни одной из заявок не будет отказано в обслуживании в течение времени t. Вероятность безотказной работы является функцией, убывающей во времени и имеющей следующие свойства: Р(0) = 1, Р(оо)=0. Вероятность безотказной работы есть интервальная характеристика надежности информационной системы. Средним временем безотказной работы называется математическое ожидание времени до отказа. Эта характеристика является интегральной. Ее применение целесообразно в тех случаях, когда информационная система длительного функционирования без перерывов в работе. Информационную систему следует рассматривать, как систему с восстановлением. Действительно, при возникновении отказа в обслуживании заявки система не прекращает функционирование. Спустя время, равное времени обслуживания одной заявки, она будет готова обслуживать очередную заявку. Функцией готовности информационной системы называется вероятность того, что в произвольный момент времени t информационная система готова принять заявку на обслуживание. Функция готовности может иметь вид, показанный на рис. 2. Коэффициент готовности является предельным значением функции готовности и определяется выражением:

Рис. 2. Функция готовности информационной системы.

Наработкой на отказ Т называется математическое ожидание времени между отказами системы. Ни один из рассмотренных показателей не может в полной мере характеризовать надежность функционирования информационной системы. Только совокупность этих критериев позволит оценить надежность системы массового обслуживания.

2.2 Качественных характеристик надежности информационных систем

Оценка надежности информационных систем предусмотрена требованиями государственных и международных стандартов и руководящими документами о декларировании промышленной безопасности и оценки риска. Готовность организаций и предприятий, разрабатывающих и эксплуатирующих различные сложные технические системы, выполнять анализ их надежности и безопасности является обязательным условием их государственной и международной сертификации. Такой анализ необходим практически на всех этапах жизненного цикла систем и, прежде всего, на стадии проектирования. Его главной целью является получение достоверной информации, необходимой для выработки и обоснования управленческих решений в областях Максимов Я. А. Оценка надежности информационных систем VIII Всероссийская конференция молодых ученых по математическому моделированию и информационным технологиям. 27 - 29 ноября 2007 года, Новосибирск. // http://www.nsc.ru/ws/show.:

- обеспечения надежности и безопасности;

- обеспечения высокого качества выпускаемой продукции;

- оптимизации затрат на обеспечение надежности и безопасности проектируемых или эксплуатируемых систем.

Характеристика качества ИС - понятие, отражающее отдельные измеримые факторы, влияющие на качество системы.

Критерий качества - численный показатель, характеризующий оцениваемое свойство системы, обеспечивающий возможность определения затрат, необходимых для достижения требуемого уровня качества.

Невозможно представить функционирование современного предприятия без применения информационных систем (ИС) различной сложности. ИС на базе персональных компьютеров давно переросли то время, когда ПК использовался прежде всего в качестве АРМ, или интеллектуальной пишущей машинки. Сегодня эти ИС собирают данные и, перерабатывая их, поставляют руководителям информацию, необходимую для принятия ответственных решений.

Заложниками компьютерных технологий являются практически все элементы управления, начиная от бухгалтерии, через автоматизацию взаимодействия с клиентами и партнерами к, собственно, производству или предоставлению услуги. Контроль качества производимой продукции - одна из основных задач, которую необходимо решать как руководству, так и специалистам любого предприятия. И простои, либо перебои в работе ИС ведут уже не просто к задержкам в отправке деловой переписки (что, впрочем, тоже может иметь серьезные последствия), а к параличу основной деятельности, к потерям, имеющим прямое денежное выражение.

Одним из основных критериев качества является надежность, т.е. свойство системы сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях эксплуатации. Чем качественнее система, тем она надежнее, и наоборот. В связи с этим встает задача расчета, прогнозирования и повышения надежности системы.

Надежность работы информационных систем определяется надежностью функциональных компонентов, общего программного обеспечения, комплексов технических и инженерных средств.

Надежность работы ИС зависит от многих качественных характеристик и факторов. Ее основы закладываются на этапе проектирования при выборе архитектурных решений и определении требований к элементам, реализующим архитектуру. Такие свойства, как простота архитектуры, надежность элементов, наличие избыточности для обеспечения живучести, управляемость являются атрибутами любой современной, грамотно построенной ИС. Тем не менее, даже при наличии этих свойств фаза эксплуатации ИС остается весьма сложной, чреватой неприятными сюрпризами. Таким образом, надежность является внутренним свойством системы, заложенным при ее создании и проявляющимся во времени при функционировании и эксплуатации.

Указанные особенности приводят к тому, что моделирование, расчет и прогнозирование надежности ИС становится сложной и во многом еще не разрешенной научной, технологической и методической проблемой. До настоящего времени в организациях и на предприятиях промышленности моделирование и оценка надежности ИС не производится ни на стадиях проектирования, ни в процессе эксплуатации.

В основе научного анализа надежности современных сложных ИС лежат математические модели и компьютерные технологии. С их помощью должны осуществляться расчеты значений необходимых показателей, решаться задачи оптимизации, синтеза, выработки и обоснования управленческих решений. От обеспечения возможности достаточно точно и оперативно решать указанные задачи непосредственно зависит экономичность, ресурсосбережение и конкурентоспособность современного производства.

Для практического анализа надежности ИС необходимы соответствующие математические модели. Существующая технология основывается на отработанной веками не автоматизированной (ручной) процедуре построения необходимых математических моделей надежности систем. К настоящему времени отечественной и зарубежной наукой разработано много методов такого ручного моделирования. Они позволяют учесть многие, из указанных выше особенностей и теоретически пригодны для анализа надежности современных ИС. Наиболее практически значимые результаты получены в области оценки показателей надежности элементов и типовых подсистем ИС.

Более сложной проблемой является разработка моделей и расчет показателей надежности современных ИС в целом. Главная причина такого положения - технологическая Максимов Я. А. Технология моделирования надежности информационных систем. //В мире научных открытий, 2009, №1. - С. 14. Она заключается в проблеме размерности, т.е. непреодолимой громоздкости и трудоемкости процедур не автоматизированного (ручного) построения математических моделей надежности и структурно-сложных ИС, состоящих из большого числа элементов. Реальные ИС могут включать в себя сотни и даже тысячи элементов. Именно это "проклятие большой размерности" традиционных ручных технологий построения математических моделей, не позволяет применять на практике даже хорошо теоретически разработанные методы системного анализа надежности современных ИС.

Сказанное позволяет заключить, что разработка и внедрение новых технологий и методик, в основе которых лежат процессы автоматизированного построения математических моделей является наиболее перспективным (а по сути дела - единственно возможным) направлением практической реализации методов системного анализа надежности современных ИС.

Существующие в настоящее время технологии автоматизированного расчета и прогнозирования надежности реализуются на практике по единой общей методике, которая характеризуется следующими тремя основными этапами:

1. Формализованной постановки задачи моделирования и расчета показателей надежности систем, которая включает в себя:

- разработку структурных моделей (схем) исследуемых свойств системы (надежности, безопасности, сценариев возникновения и развития аварийных ситуации и др.);

- задание критериев, определяющих обобщенные условия реализации свойств надежности ИС;

- определение значений показателей надежности и безопасности элементов ИС.

2. Автоматического построения (с помощью ЭВМ) математических моделей, необходимых для выполнения расчетов и проведения анализа надежности ИС в целом.

3. Выполнения (на основе построенных с помощью ЭВМ математических моделей) расчетов системных показателей надежности и безопасности, решения задач оптимизации, синтеза и подготовки информации, необходимой для выработки и обоснования различных управленческих решений, по вопросам обеспечения требуемого уровня надежности ИС.

В настоящее время, наибольшее распространение и применение в теории надежности получила методика расчета показателей надежности, построенная на методах теории вероятностей и математической статистики.

Экспоненциальное распределение вероятности безотказной работы является частным случаем распределения Вейбулла, когда параметр формы d=1. Это распределение однопараметрическое, то есть для записи расчетного выражения достаточно одного параметра l = const . Для этого закона верно и обратное утверждение: если интенсивность отказов постоянна, то вероятность безотказной работы как функция времени подчиняется экспоненциальному закону:

(1)

Среднее время безотказной работы при экспоненциальном законе распределения интервала безотказной работы выражается формулой:

Заменив в выражении (1) величину ? величиной 1/Т₁, получим

Таким образом, зная среднее время безотказной работы Т₁ (или постоянную интенсивность отказов ?), можно в случае экспоненциального распределения найти вероятность безотказной работы для интервала времени от момента включения объекта до любого заданного момента t.

Отметим, что вероятность безотказной работы на интервале, превышающем среднее время Т₁, при экспоненциальном распределении будет менее 0,368 (рис.1):

Р(Т₁) == 0,368

Рисунок. 3 - График экспоненциального распределения

Длительность периода нормальной эксплуатации до наступления старения может оказаться существенно меньше Т₁, то есть интервал времени, на котором допустимо пользование экспоненциальной моделью, часто бывает меньшим среднего времени безотказной работы, вычисленного для этой модели. Это легко обосновать, воспользовавшись дисперсией времени безотказной работы. Как известно, если для случайной величины t задана плотность вероятности f(t) и определено среднее значение (математическое ожидание) Т_1, то дисперсия времени безотказной работы определяется по формуле:



и для экспоненциального распределения соответственно равна:

После некоторых преобразований получим:

Таким образом, наиболее вероятные значения наработки, группирующиеся в окрестности Т1, лежат в диапазоне

,

то есть в диапазоне от t = 0 до t = 2Т₁. Как видим, объект может отработать и малый отрезок времени и время t = 2Т₁, сохранив l = const. Но вероятность безотказной работы на интервале 2Т₁ крайне низка:

.

Наряду с вероятностными показателями все большее распространение начинают получать методы и методики детерминистического анализа надежности и безопасности систем. В основе детерминистического анализа лежит стремление получить научно обоснованные сведения о надежности и безопасности системы при отсутствии достоверных вероятностных характеристик исходных событий и элементов исследуемой системы.