Методи та інструментальні засоби розробки комп'ютерних мереж інформаційно-управляючих систем критичного застосування

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методи та інструментальні засоби розробки комп'ютерних мереж інформаційно-управляючих систем критичного застосування

Невід'ємною частиною сучасних інформаційно-управляючих систем (ІУС) є комп'ютерні мережі (КМ). Це стосується, у першу чергу, розподілених систем управління складними об'єктами та обробки інформації. Одночасно з розширенням меж застосування відкритих мережних технологій і стандартів (ВМТС) збільшується і частка відмов ІУС, причиною яких є комп'ютерні мережі. Так, за статистикою консалтингової фірми Infonetics, відмови мережного обладнання та збої в роботі комп'ютерної мережі середньостатистичної північноамериканської фірми відбуваються 23,6 рази протягом року, причому 70% з них припадає на кабельну систему, а час, що витрачається на їхнє усунення, становить в середньому близько 5 годин. Матеріальні витрати на ліквідацію пошкоджень, ураховуючи втрачену вигоду та інші збитки, становлять від однієї до п'ятдесяти тисяч доларів за годину.

Необхідність забезпечення надійної передачі інформації та задоволення постійно зростаючих потреб користувачів до якості наданих послуг обумовлює актуальність наукових досліджень, присвячених розробці й удосконаленню методів проектування, оптимізації, оцінки й забезпечення надійності мереж зв'язку і передачі даних. Значний внесок у розвиток цих наукових напрямків зробили такі вчені, як Л. Клейнрок, І. Фриш, М. Шварц, В.Г. Лазарєв, Ю.П. Зайченко, Г.П. Захаров, Л.Б. Богуславський. Однак, як свідчить аналіз, існуючі методи й моделі виявляються неефективними для оцінки надійності комп'ютерних мереж, заснованих на відкритих мережних технологіях і стандартах (КМ ВМТС), оскільки не враховують особливості їх організації та побудови.

У той же час такі привабливі характеристики КМ ВТС, як висока пропускна здатність, можливість масштабування, підтримання різних видів трафіка та багаторічний досвід комерційного використання, відкривають нові перспективи для впровадження цього класу мереж у розподілених ІУС критичного застосування (КЗ), до яких належать авіаційні й ракетно-космічні комплекси, транспортні, енергетичні та інші системи. Особливістю ІУС КЗ є те, що для цього класу систем існують нормативні документи, що визначають жорсткі вимоги до надійності, безпеки та дотримання найбільш важливих принципів побудови (наприклад, принцип одиничної відмови, що визначає необхідність нейтралізації наслідків відмови будь-якого елемента програмно-апаратних засобів ІУС). Крім того, при проектуванні ІУС КЗ активно реалізують COTS-підхід (Commercial off the Shelf - комерційний продукт “з полки”), що припускає використання комерційного апаратного і програмного забезпечення, якщо воно пройшло відбір на відповідність регулятивним вимогам.

Для ІУС КЗ, що функціонують у агресивному середовищі, особливого значення набуває оцінка й забезпечення живучості. Причому для таких систем аналіз живучості комп'ютерних мереж може базуватися на виявленні найбільш критичних елементів з урахуванням різної кратності відмов внаслідок впливу екстремальних факторів.

У відомій вітчизняній і зарубіжній літературі проблемам застосування існуючого комерційного мережного обладнання та мережних рішень, заснованих на відкритих мережних технологіях і стандартах, в критичних системах, методам оцінки їх надійності та живучості з урахуванням специфіки ІУС КЗ приділено недостатню увагу. Це може призвести, з одного боку, до необґрунтованого завищення вимог до використання відкритих мережних технологій в ІУС КЗ, а з іншого, що зовсім неприпустимо, до недооцінки ризиків, пов'язаних з їхнім застосуванням, перш за все, зниженням рівня надійності та безпеки.

Таким чином, актуальною науковою задачею є розробка моделей і методів забезпечення надійності та живучості комп'ютерних мереж інформаційно-управляючих систем критичного застосування при їх створенні з використанням відкритих мережних технологій.

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

- “Розробка науково-методичних основ й інформаційних технологій оцінки та забезпечення відмовостійкості та безпеки комп'ютеризованих систем аерокосмічних комплексів, інших комплексів критичного застосування” (Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, Г503-42/2003, № 0103U004093, 2003);

- “Розробка науково-методичного забезпечення відмовобезпеки цифрових систем контролю та управління АЕС при використанні програмованих ВІС”, шифр “Надійність - Д” (НПВМП “АСУ ХАІ”, Д2/2002, № 0104U003502, 2003);

- “Розробка моделей і методів оцінки надійності систем управління й обробки інформації телекомунікаційних мереж”, шифр “Натиск” (Полтавський військовий інститут зв'язку, Міністерство оборони України, №179-Н, 2002);

- “On Developing a General Approach to Analysis and Synthesis of Multiversion Software Systems and Applying it in Emerging Application Domains” (Британське Королівське наукове суспільство, грант RS 15114, 2003-2004).

Роль автора в зазначених науково-дослідних темах і проектах, у яких дисертант був безпосереднім виконавцем, полягає в аналізі існуючих методів оцінки та засобів забезпечення надійності та живучості комп'ютерних мереж, заснованих на відкритих мережних технологіях і стандартах, а також розробленні нових моделей, методів та відповідних інструментальних засобів.

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є забезпечення заданого рівня надійності та живучості комп'ютерних мереж інформаційно-управляючих систем критичного застосування при їх розробці з використанням відкритих мережних технологій.

Для досягнення поставленої мети вирішуються такі задачі:

- аналіз і систематизація видів, джерел та наслідків відмов і збоїв у комп'ютерних мережах, заснованих на відкритих мережних технологіях і стандартах, на різних рівнях моделі взаємодії відкритих систем OSI, а також методів і засобів їхнього виявлення, запобігання та забезпечення відмовостійкості;

- розробка методу профілювання комп'ютерних мереж з урахуванням вимог, що висуваються до інформаційно-управляючих систем критичного застосування;

- розробка й дослідження аналітичних та імітаційних моделей оцінки критичності відмов елементів структурованих кабельних систем (СКС), їх надійності та живучості;

- розробка методу резервування й оцінки живучості структурованих кабельних систем;

- створення методу розробки комп'ютерних мереж ІУС КЗ з використанням відкритих мережних технологій на основі формалізації процесів їхнього життєвого циклу;

- розробка інструментальних засобів підтримання процесів оцінки і забезпечення надійності та живучості комп'ютерних мереж ІУС КЗ при їх створенні з використанням відкритих мережних технологій.

Об'єкт дослідження - процеси розробки комп'ютерних мереж інформаційно-управляючих систем критичного застосування.

Предмет дослідження - моделі, методи й інструментальні засоби розробки комп'ютерних мереж, оцінки і забезпечення їх відповідності вимогам до надійності та живучості при створенні й експертизи інформаційно-управляючих систем критичного застосування.

Методи дослідження. У підґрунтя методології досліджень були покладені принципи системного аналізу. При вирішенні загальної та часткових наукових задач використовувалися: методи теорій множин і матриць та бульової алгебри - під час профілювання комп'ютерних мереж; системного проектування - під час розроблення комп'ютерних мереж ІУС КЗ на основі формалізації процесів їхнього життєвого циклу; методи математичного моделювання, теорії графів, теорії ймовірностей і математичної статистики - під час розроблення аналітичних й імітаційних моделей оцінки надійності та живучості структурованих кабельних систем, а також методу їхнього резервування.

Наукова новизна одержаних результатів:

1) вперше запропоновано метод розробки комп'ютерних мереж ІУС КЗ з використанням відкритих мережних технологій, який, на відміну від відомих, базується на обґрунтованому наборі процесів життєвого циклу КМ, включаючи їх профілювання, та дозволяє здійснювати поетапний контроль виконання вимог до них;

2) удосконалено метод профілювання комп'ютерних мереж, у підґрунтя якого покладено процедури формування вимог до КМ, побудови та перетворення матриць співвідношення рівнів моделі OSI, існуючих мережних технологій та варіантів мережних профілів стандартів, що дозволяє забезпечити відповідність їх профілів вимогам, які висуваються до ІУС КЗ;

3) удосконалено метод резервування й оцінки живучості структурованих кабельних систем, що ґрунтується на розроблених моделях відмов, множині способів резервування вершин і ребер з урахуванням особливостей СКС і дозволяє виявити найбільш критичні елементи та вибрати раціональні варіанти їхнього резервування.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що на підставі проведених досліджень і запропонованих методів:

- створено методики, алгоритми та інструментальні засоби розроблення й оцінки надійності та живучості комп'ютерних мереж ІУС КЗ;

- сформульовано пропозиції для проектів нормативних документів, що регламентують етапи життєвого циклу КМ та визначають вимоги до надійності комп'ютерних мереж ІУС КЗ і особливості застосування до них методики аналізу виду і наслідків критичних відмов FMECA.

Результати досліджень впроваджені в:

- Сертифікаційному центрі АСУ Держцентрякості Державного комітету ядерного регулювання України під час експертизи розподілених інформаційно-управляючих систем критичного застосування, а також в процесі розробки проектів галузевих нормативних документів, що регламентують методики експертизи й верифікації цих систем з урахуванням мережній складовій (акт впровадження від 06.09.2004);

- НТ СКБ “Полісвіт” під час розробки бортових інформаційно-управляючих систем і мереж для авіаційної техніки (проект АН-70), а також проекту стандарту СТП522-120-2004 “Порядок розробки, верифікації, сертифікації та супроводу програмного забезпечення бортової техніки” (акт впровадження від 15.10.2004);

- Полтавському військовому інституті зв'язку при відпрацьовуванні варіантів побудови автоматизованих систем управління та зв'язку Збройних Сил України, а також в навчальному процесі під час вивчення дисципліни “Телекомунікаційні й інформаційні мережі” (акт впровадження від 27.09.2004);

- навчальному процесі Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ” під час вивчення дисциплін “Методи дослідження й моделювання комп'ютерних систем і мереж”, “Комп'ютерні мережі” (акт впровадження від 04.10.2004).

Особистий внесок здобувача полягає в розробці нових моделей, методів і інструментальних засобів, що забезпечують вирішення поставлених у дисертації задач. Всі основні результати отримані автором особисто. У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачу належать: розробка моделей структурної надійності кабельних систем при відмовах ребер і вузлів дерева СКС, а також аналіз залежності коефіцієнта структурної надійності СКС від кількості відмов однорідних елементів кабельної системи [2], аналіз особливостей розробки й застосування КМ ВМТС у критичних системах, а також аналіз перспективних напрямків наукових досліджень і розробок в галузі оцінки й забезпечення надійності комп'ютерних мереж [3], розробка структури профілеутворювальної бази комп'ютерних мереж і узагальненого алгоритму вибору варіанта мережного профілю з урахуванням вимог, що висуваються до надійності та функціональних характеристик проектованої мережі [4, 11], аналіз особливостей застосування FMEСA-технології для КМ ВМТС і класифікація видів, джерел та наслідків відмов і засобів забезпечення відмовостійкості комп'ютерних мереж [5], аналіз стандартних методів і засобів стека протоколів TCP/IP, призначених для забезпечення надійності, відмовостійкості та живучості інтрамереж на мережному рівні й рівні мережного інтерфейсу [6], розробка функціональної моделі процесу створення комп'ютерних мереж, заснованих на відкритих мережних технологіях і стандартах [7].

Апробація результатів дисертації проводилася на постійно діючому міжгалузевому семінарі “Критичні комп'ютерні технології та системи” на кафедрі комп'ютерних систем і мереж Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського “ХАІ”, а також на таких наукових конференціях і симпозіумах: Міжнародній науково-практичній конференції “Інформаційні комп'ютерні технології в машинобудуванні ІКТМ” (м. Харків, 2001-2003 р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Проблеми енергозабезпечення та енергозбереження в АПК України” (м. Харків, 2001 р.), 1st International Conference on Information Systems Technologies and its Application (ISTA'2001) (м. Харків, 2001 р.), 6th Probabilistic Safety Assessment and Management Conference (PSAM'6) (Пуерто-Рико, 2002 р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні та електронні технології” (м. Одеса 2002-2003 р.)., 1st International conference “Advanced Computer Systems and Networks: Design and Application (ACSN'2003)” (м. Львів, 2003 р.), 3-ій Міжнародній науково-практичній конференції “Мікропроцесорні пристрої та системи в автоматизації виробничих процесів” (м. Хмельницький, 2004 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 11 друкованих працях, серед яких 6 статей опубліковані в наукових виданнях, що входять до переліку ВАК України, 1 стаття - до переліку ВАК Російської Федерації (з них 4 статті в наукових журналах, 3 статті в збірниках наукових праць), а також 4 публікації у збірниках праць наукових конференцій.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація має вступ, чотири розділи, висновки й додатки. Повний обсяг дисертації складає 192 сторінки, у тому числі: 13 рисунків на 10 сторінках, 8 таблиць на 6 сторінках, список з 110 використаних літературних джерел на 11 сторінках, 4 додатки на 22 сторінках.

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

У першому розділі виконано аналіз проблем розробки, оцінки й забезпечення надійності та живучості комп'ютерних мереж інформаційно-управляючих систем критичного застосування при використанні відкритих мережних технологій.

У процесі аналізу встановлено, що:

комп'ютерні мережі, засновані на відкритих мережних технологіях і стандартах, є невід'ємною частиною сучасних інформаційних систем. Основою КМ є мережний профіль стандартів, який становить собою узгоджений набір стандартизованих мережних технологій і протоколів, що належать до різних рівнів моделі OSI і використовуються в комп'ютерній мережі для реалізації необхідних характеристик;

оцінка й забезпечення надійності сучасних комп'ютерних мереж набуває особливої ваги у зв'язку з тенденцією їхнього використання в різних галузях критичного застосування, що виявляється в останні роки. При цьому термін “надійність комп'ютерних мереж” охоплює множину аспектів, включаючи забезпечення структурної надійності й живучості, гарантії доставки інформації в установлений час, а також забезпечення її конфіденційності;

незважаючи на це, у практиці створення сучасних ІУС, у тому числі й для критичного застосування, дотепер відсутня єдина система вимог до надійності та живучості комп'ютерних мереж, а власне ці терміни не мають чіткого визначення. Більше за те, комп'ютерну мережу, як правило, не виділяють як окрему підсистему ІУС, а процеси її проектування, методи оцінки й забезпечення надійності та живучості не регламентуютьсь чинними нормативними документами.

Традиційні методи й моделі, що застосовувалися раніше для оцінки надійності й живучості розподілених обчислювальних систем і мереж зв'язку, виявляються неефективними за їхнього використання для сучасних комп'ютерних мереж через велику розмаїтість існуючих мережних технологій і можливих варіантів їхнього спільного використання, значну розмірність задач аналізу й синтезу, невизначеність вихідних даних для моделювання, нестабільності виникнення і нерівномірності прояву відмов і збоїв елементів КМ. Причому для комп'ютерних мереж особливу актуальність набуває оцінка живучості. Сформульована загальна наукова задача дисертації, що декомпозується на ряд часткових задач, пов'язаних з розробкою методів оцінки й забезпечення надійності та живучості комп'ютерних мереж для критичних застосувань при використанні відкритих мережних технологій. Обґрунтовано трьохетапну методику досліджень.

Другий розділ дисертації присвячено розробці методу профілювання комп'ютерних мереж з урахуванням вимог, що висуваються до інформаційно-управляючих систем критичного застосування.

Відповідно до розробленого методу, процес профілювання комп'ютерних мереж критичного застосування виконується в такій послідовності.

1. Формується профілеутворювальна база комп'ютерних мереж РВNЕТ на основі аналізу і систематизації множини існуючих стандартів мережних технологій:

комп'ютерний мережа інструментальний

де РВ1, РВ2, РВ3, РВ4, РВ5, РВ6, РВ7 - профілеутворювальні бази, які відповідають різним рівням моделі OSI і містять набір стандартів мережних технологій, що належать до кожного конкретного рівня (рис. 1).

Рис. 1. Фрагмент профілеутворювальної бази комп'ютерних мереж

2. Синтезується множина вимог до комп'ютерних мереж MRNET на основі адаптації до особливостей КМ і декомпозиції за рівнями моделі OSI відомих вимог, що висуваються до інформаційно-управляючих систем критичного застосування MRІУС КЗ.

3. Виконується співвіднесення отриманих вимог до комп'ютерних мереж з можливостями мережних технологій, стандарти яких входять до складу профілеутворювальної бази. Результати подаються у вигляді матриці відповідності MCORR, рядками якої є синтезовані вимоги до комп'ютерних мереж, декомпозовані за рівнями моделі мережної взаємодії OSI, а стовпцям - множина стандартів мережних технологій зі складу профілеутворювальної бази, що також згруповані за рівнями OSI:

,

4. Формується профілеутворювальний граф, який встановлює відношення сумісності між елементами профілеутворювальної бази, що належать до різних рівнів моделі OSI. Маршрути, що з'єднують найвищі та найнижчі (кінцеві) вершини графа й відрізняються хоча б одним ребром, утворюють множину альтернативних варіантів мережного профілю NP, які фіксується в матриці профілів МРRОF, рядкам якої відповідають стандарти мережних технологій і протоколів, а стовпцям - варіанти мережного профілю:

,

5. Виконується оцінка варіантів мережних профілів стандартів на предмет їх відповідності синтезованим вимогам шляхом перемножування отриманих на попередніх етапах матриць (рис. 2): MEVAL= MCORR МРRОF. Якщо елемент матриці МЕVАL[i, j] > 0, це свідчить про те, що j-й варіант мережного профілю задовольняє i-й вимозі, інакше (MЕVAL[i, j] = 0) j-й варіант мережного профілю не задовольняє i- їй вимозі.

Рис. 2. Приклад побудови матриці MEVAL

Власне процедури вибору профілю проектуємої мережі, а також профільної оцінки вже існуючих мереж виконуються табличним методом з використанням сформованих матриць. Процедура вибору варіантів мережного профілю проектованої комп'ютерної мережі з урахуванням фактичних вимог, що до неї висуваються, використовує матрицю оцінки варіантів мережного профілю МЕVАL і виконується в наступній послідовності.

Фіксується підмножина фактичних вимог МR'NЕT МRNЕT, яким повинна задовольняти проектуєма комп'ютерна мережа.

Виконується вибір табличним методом з використанням матриці МЕVАL підмножини варіантів мережного профілю NP' NP, що задовольняють встановленим вимогам.

Подальший вибір єдиного варіанта мережного профілю ProfREQ NP' може бути виконаний з урахуванням додаткових вимог або обмежень, наприклад, накладених на вартість реалізації комп'ютерної мережі. В останньому випадку з кожною мережною технологією повинна бути співвіднесена її вартість. Тоді вартість реалізації комп'ютерної мережі, заснованої на j-ом варіанті мережного профілю, визначається за формулою

де сj,k - вартість k-ї мережної технології Ntk, що входить до складу j-го профілю Profj. Таким чином може бути вирішена оптимізаційна задача вибору такого варіанта мережного профілю ProfREQ, який би відповідав усім вимогам МR'NЕT і мав би найменшу вартість реалізації для забезпечення цих вимог:

На заключному етапі вирішення цієї задачі може бути знайдено шляхом прямого перебору обмеженого числа варіантів NP' NP без залучення спеціальних методів математичного програмування. У випадку, коли жоден з варіантів мережного профілю не задовольняє відразу всім вимогам, що висуваються до комп'ютерної мережі, необхідно провести повторний аналіз з поступовим виключенням менш істотних вимог або розглянути можливість реалізації деяких вимог з використанням спеціалізованих апаратних і програмних засобів, що потребують додаткової розробки.

Процедура профільної оцінки існуючих комп'ютерних мереж полягає в послідовному виконанні наступних операцій.

1. Визначення множини вимог МR'NЕT МRNЕT, яким повинна задовольняти комп'ютерна мережа.

2. Аналіз комп'ютерної мережі і формування її мережного профілю стандартів ProfА PBNET (визначення множини мережних технологій, що використовуються у цій комп'ютерній мережі).

3. Визначення табличним методом з використанням матриці відповідності MСORR, підмножини вимог MRFACT, яким дійсно задовольняють мережні технології, що входять у її профіль ProfА.

4. Виконання операції обчислення різниці над множинами МR'NЕТ і MRFACT, що дозволяє визначити множину вимог MRNON = МR'NЕ \ MRFACT, яким не задовольняє аналізуєма мережа. Якщо MRNON = , то комп'ютерна мережа задовольняє всім вимогам, що до неї висуваються, у протилежному випадку - ні. В останньому випадку множина MRNON може бути використана для формування технічного завдання на доробку цієї мережі.

Третій розділ присвячено розробці методу резервування й оцінки живучості структурованих кабельних систем, що дозволяє вирішити задачу забезпечення їх необхідного рівня надійності, шляхом встановлення граничного рівня критичності, виявлення всіх елементів СКС, чий рівень критичності відмов вище встановленого порогу, і застосування засобів резервування для їх переведення з зони критичних у зону некритичних відмов з урахуванням особливостей побудови й експлуатації СКС.

Для цього на першому етапі виконано формалізацію базової структури СКС з урахуванням положень нормативних документів (ISO/IEC 11801, TIA/EIA-568) і особливостей організації кабельних каналів. Сучасна концепція побудови кабельних систем дозволяє створювати регулярні, розширювані й незалежні від використовуваних технологій і мережного устаткування структури зв'язків у локальних і корпоративних мережах кампусного типу. Базова (нерезервована) структура СКС (рис. 3) описується кореневим чотирьохрівневим деревом із множиною вузлів і ребер , де - розподільник кампуса - корінь дерева; BD - множина розподільників будинків; FD - множина розподільників поверхів; TO - множина телекомунікаційних розеток - кінцевих вузлів дерева; BCC - множина зовнішніх магістральних кабелів; BBC - множина внутрішніх магістральних кабелів; HC - множина горизонтальних кабелів - кінцевих ребер дерева.

Рис. 3. Формалізована базова структура СКС

Відповідно до FMECA-технології встановлено характерні види відмов СКС для різних умов експлуатації (рис. 4), їхні джерела й наслідки, а також методи відновлення після відмов і забезпечення відмовостійкості. На підставі отриманих результатів розроблено моделі відмов СКС у нормальних і екстремальних умовах експлуатації, що враховують особливості архітектури й побудови СКС, а також запропоновано різні способи резервування СКС та виконано їхню класифікацію.

Для оцінки надійності СКС із симетричною структурою (СКС, що об'єднує m будинків по n поверхів у кожному і d робочих місць на кожнім поверсі, тобто nin, di,jd, а D=mnd) при кратних відмовах однорідних елементів розроблено аналітичні моделі (див. табл. 1).

У якості показника для оцінки надійності СКС використовується коефіцієнт структурної надійності, який характеризує ступінь збереження зв'язності між кінцевими вузлами дерева СКС при виникненні багаторазових відмов елементів:

де D - кількість кінцевих вузлів (телекомунікаційних розеток) to у дереві СКС за початкової топології T0, вільної від відмов; D'- кількість кінцевих вузлів to у дереві СКС за топології T', отриманої в результаті відмов F елементів СКС; S - кількість кінцевих вузлів to, з якими зв'язаний l-й кінцевий вузол за топології T. Аналіз результатів аналітичного моделювання дозволяє зробити висновок про те, що СКС навіть з нерезервованою структурою мають властивість живучості, що полягає в її здатності при виникненні відмов елементів переходити в частково працездатний стан з деградацією функціональних характеристик до деякого рівня, який можна визначити поточним значенням коефіцієнта структурної надійності (рис. 5).

Рис. 4. Види відмов СКС

Недоліком аналітичних моделей є неможливість оцінки СКС із несиметричною структурою, резервними елементами й довільною послідовністю відмов. Для їхнього подолання розроблена детермінована імітаційна модель аналізу живучості СКС і критичності відмов її елементів. Критичність відмов елементів СКС визначається за формулою , де Ri - рівень критичності i-го елементу СКС; pi - ймовірність безвідмовної роботи i-го елементу; Ki - значення коефіцієнту структурної надійності за відмови i-го елементу; Di - параметр, що враховує додаткові характеристики i-го елементу СКС, наприклад, його важливість або складність діагностування відмови. Порівняння результатів імітаційного й аналітичного моделювання за однакової симетричної структури аналізованої СКС підтверджує їхню достовірність.

Таблиця. Аналітичні моделі структурної надійності СКС

На підставі проведених досліджень запропоновано загальну методику резервування СКС, що визначає правила вибору й застосування запропонованих способів резервування елементів кабельної системи в нормальних і екстремальних умовах експлуатації. Це дало можливість удосконалити методи структурного резервування й оцінки живучості структурованих кабельних систем. Розроблена методика резервування дозволяє вирішити задачу оптимального резервування СКС у нормальних умовах експлуатації (визначити необхідну й достатню кратність резервування ребер дерева СКС) за критерієм критичність/вартість без постановки оптимізаційної задачі в класичному вигляді й залучення спеціальних методів математичного програмування. Для екстремальних умов експлуатації методика визначає послідовність дій, які дозволяють звузити простір вибору способів резервування, що дозволяють забезпечити необхідний рівень надійності й живучості СКС. У четвертому розділі дисертації запропоновано метод розробки комп'ютерних мереж ІУС КЗ з використанням відкритих мережних технологій. У результаті аналізу відомих нормативних документів в галузі стандартизації процесів створення інформаційних систем, запропонований набір етапів і процесів життєвого циклу (ЖЦ) комп'ютерних мереж. Етапи ЖЦ КМ уточнюють етапи створення автоматизованих систем ГОСТ 34.601-90, а процеси враховують особливості проектування комп'ютерних мереж як окремої підсистеми ІУС.

Рис. 5. Графік живучості симетричної СКС з параметрами m2; nin2; di,jd10

Зокрема, основними етапами ЖЦ КМ є: 1) формулювання вимог і розробка функціональної структури мережі; 2) проектування; 3) інтеграція (підключення і настройка мережного обладнання та програмного забезпечення); 4) тестування мережі; 5) адміністрування мережі в процесі експлуатації; 6) модернізація мережі.

Рис. 6. Функціональна модель розробки (етап проектування) КМ

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одним з найбільш важливих етапів ЖЦ КМ є її проектування. Запропонована функціональна модель проектування КМ, що подана у вигляді IDF0-диаграми на рис. 6, включає профілювання (вибір мережного профілю), розробку логічної структури мережі; вибір мережного обладнання й розробку фізичної структури мережі, а також набір додаткових функціональних блоків, що охоплюють петлею верифікації ці процеси та призначені для оцінки одержаних мережних рішень і здійснення поетапного контролю їхньої відповідності вимогам. На базі запропонованих моделей, методів і методик розроблені інструментальні засоби “Профілювання КМ”, “Оцінка живучості і резервування СКС”, що утворюють інформаційну технологію підтримання процесів проектування й верифікації комп'ютерних мереж для критичних застосувань.

Апробація розроблених методів, моделей та інструментальних засобів виконана на прикладі вибору мережного профілю, аналізу критичності елементів СКС і вибору варіантів їхнього резервування для комп'ютерної мережі інформаційно-обчислювальної системи (ІОС) енергоблоку №1 Південноукраїнської АЕС. Отримані результати підтверджують ефективність і реалізуємість запропонованих методів, працездатність інструментальних засобів. Сформований мережний профіль фізичного й канального рівнів моделі OSI відповідає відібраним вимогам та дозволяє організувати високошвидкісне передання інформації у повнодуплексному режимі, забезпечити ефективний захист від електромагнітних завад, відмов серверних з'єднань і зв'язків між комунікаційним устаткуванням комп'ютерної мережі. У результаті аналізу кабельної системи КМ інформаційно-обчислювальної системи були виявлені елементи СКС, відмови яких є найбільш критичними для нормальних (рис. 7) і екстремальних (рис. 8) умов експлуатації.

Рис. 7. Графік критичності елементів СКС для нормальних умов експлуатації

Обрані варіанти резервування (рис. 9) дозволили нейтралізувати наслідки однократних відмов частини з цих елементів, а для інших - знизити рівень їхньої критичності до встановленого граничного значення.

У додатках наведено за-пропоновані процеси життєвого циклу комп'ютерних мереж, заснованих на відкритих мережних технологіях і стандартах (додаток А), функціональні моделі й екрані форми розроблених інструментальних засобів (додатки Б, В), а також акти впровадження результатів дисертаційного дослідження (додаток Д).

Рис. 8. Графік структурної надійності СКС для екстремальних умов експлуатації

Рис. 9. Резервована структура СКС ІОС

Висновки

комп'ютерний мережа інструментальний

У дисертації наведено теоретичне обґрунтування і нове вирішення актуальної наукової задачі розробки моделей і методів забезпечення надійності та живучості комп'ютерних мереж інформаційно-управляючих систем критичного застосування при їх створенні з використанням відкритих мережних технологій, які дозволяють забезпечувати відповідність вимогам, що до них висуваються. При цьому було отримано такі наукові та практичні результати.

1. Виконано аналіз видів, причин і наслідків відмов у комп'ютерних мережах, а також існуючих показників, моделей і методів оцінки надійності та живучості мереж, який показав, що відомі моделі та методи не враховують особливостей розробки й експлуатації сучасних КМ ВМТС або орієнтовані на окремі мережні технології й мають розрізнений характер. У результаті аналізу особливостей побудови й експлуатації сучасних комп'ютерних мереж було також встановлено, що на сьогодні відсутня єдина система вимог до надійності та живучості комп'ютерних мереж, а власне ці терміни не мають чіткого визначення. Крім того, комп'ютерну мережу, як правило, не виділяють як окрему підсистему ІУС, а процеси її розробки, методи оцінки й забезпечення надійності та живучості детально не регламентовані чинними нормативними документами.

2. У дисертації запропоновано метод роз-робки комп'ютерних мереж ІУС КЗ з використанням відкритих мережних технологій який, на відміну від відомих, базується на обґрунтованому наборі процесів життєвого циклу КМ, включаючи їхнє профілювання, та дозволяє здійснювати поетапний контроль виконання вимог до них. Таким чином, формування мережного профілю стандартів, логічна та фізична структуризація мережі, а також оцінка одержуваних рішень виконуються з урахуванням процесу життєвого циклу, рівня моделі OSI, використовуваних мережних технологій і вимог, що висуваються до комп'ютерної мережі.

3. Розроблено метод профілювання комп'ютерних мереж, у підґрунтя якого покладені процедури формування вимог до КМ, побудови та перетворення матриць співвідношення рівнів моделі OSI, існуючих мережних технологій та варіантів мережних профілів стандартів, що дозволяє забезпечити відповідність їх профілів вимогам, які висуваються до ІУС КЗ. Завдяки цьому може бути вирішена оптимізаційна задача вибору такого варіанту мережного профілю, який би відповідав усім вимогам, що висуваються до комп'ютерної мережі, і мав би найменшу вартість. Власне ці вимоги формуються шляхом адаптації до особливостей сучасних КМ ВМТС та декомпозиції за рівнями моделі OSI відомих вимог, що висуваються до ІУС КЗ.

4. Розроблено метод резервування й оцінки живучості структурованих кабельних систем, який ґрунтується на моделях відмов, множині способів резервування вершин і ребер з урахуванням особливостей СКС і дозволяє виявити найбільш критичні елементи та вибрати раціональні варіанти їхнього резервування. Для оцінки структурної надійності та живучості СКС, а також критичності відмов її елементів запропоновано аналітичні й імітаційні моделі, що враховують ступінь зниження зв'язності між кінцевими вузлами СКС внаслідок виникаючих відмов.

5. Розроблені й удосконалені методи, моделі, методики й інструментальні засоби розвивають науково-методичні основи проектування, оцінки і забезпечення надійності та живучості комп'ютерних мереж інформаційно-управляючих систем, а також можуть бути використані для розробки й модернізації положень нормативних документів в галузі розробки й верифікації комп'ютерних мереж і СКС.

6. Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що на підставі проведених досліджень і запропонованих методів розроблено методики, алгоритми та інструментальні засоби проектування й оцінки надійності та живучості комп'ютерних мереж для ІУС КЗ, а також сформульовано пропозиції для проектів нормативних документів, що регламентують етапи життєвого циклу КМ ВМТС та визначають вимоги до надійності комп'ютерних мереж ІУС КЗ і особливості застосування до них методики аналізу виду і наслідків критичних відмов FMECA.

Це дало можливість збільшити повноту відповідності проектованих комп'ютерних мереж вимогам, що до них висуваються, за рахунок:

здійснення контролю за виконанням вимог на ранньому етапі створення комп'ютерної мережі як невід'ємної частини ІУС - формування мережного профілю стандартів;

розробки методик і інструментальних засобів підтримки процесу оцінки і забезпечення цих вимог, що дозволяють контролювати їхню повноту, в тому числі і на етапі організації кабельної системи.

Як свідчать результати впровадження, розроблені методи та інструментальні засоби дозволяють забезпечити необхідний рівень надійності й мінімальну вартість мережних рішень, а також скоротити (на 10-15% для реалізованих проектів) часові та вартісні витрати на розробку комп'ютерних мереж і забезпечити зниження частки ручних операцій у процесі проектування й оцінки їхньої надійності та живучості. Крім того, запропоновані методи й інструментальні засоби дозволяють підвищити ефективність внесення надмірності в структуру СКС за рахунок виявлення і резервування саме тих елементів СКС, відмови яких найбільше впливають на надійність і живучість усієї системи.

7. Достовірність нових наукових положень дисертаційної роботи підтверджена:

- результатами практичного впровадження в інструментальних засобах підтримання процесів розробки, оцінки й забезпечення надійності та живучості комп'ютерних мереж ІУС КЗ;

- збігом результатів аналітичного й імітаційного моделювання за ідентичних структур аналізованих СКС;

- результатами аналізу конкретних комп'ютерних мереж з використанням запропонованих методів, що довели їхню працездатність і ефективність.

8. Подальші дослідження доцільно спрямувати на регламентацію моделі життєвого циклу та визначення розширеної системи вимог, що висуваються до КМ ВМТС у галузі критичних застосувань, розвиток науково-методичного забезпечення процесів оцінки і забезпечення надійності та живучості сучасних комп'ютерних мереж при розробці й верифікації з урахуванням особливостей їхньої організації та побудови, а також інтеграцію існуючих методів, моделей й інструментальних засобів у єдиній експертній системі.

Список опублікованих праць

1. Горбенко А.В. Метод выбора профилей компьютерных сетей для критических приложений // Вісник Технологічного університету Поділля. - 2004. - №2 Ч.1, Т.2. - С. 46-49.

2. Горбенко А.В., Харченко В.С. Оценка структурной надежности нерезервированных структурированных кабельных систем при многократных отказах // Технология приборостроения. - 2001. - №1-2. - С. 189-193.

3. Горбенко А.В., Харченко В.С., Хлестков В.И. Надежность вычислительных сетей, основанных на открытых стандартах: требования, методы анализа и средства обеспечения // Успехи современной радиоэлектроники. - 2003. - №6. - С. 22-36.

4. Горбенко А.В., Харченко В.С. Формирование и использование профилеобразующей базы сетевых технологий при проектировании компьютерных сетей // Автоматизація виробничих процесів. - 2003. - №2(17). - С. 88-96.

5. Горбенко А.В., Харченко В.С. Применение FMECA-технологии при анализе надежности и безопасности компьютерных сетей для критических приложений // Системи обробки інформації: Зб. наук. праць. Вип. 6(16). - Харків: НАНУ, ПАНМ, ХВУ, 2001. - С. 242-251.

6. Gorbenko A.V., Tarasyuk O.M. The Analysis of Methods and Means for Reliability and Fault-Tolerance Ensuring of Corporate Intranets // Вестник НТУ “ХПИ”: Сб. науч. трудов. Тематический выпуск “Системный анализ, управление и информационные технологии”. №8, Т.1. - Харьков: НТУ “ХПИ”, 2002. - С. 68-72.

7. Горбенко А.В., Ирадж Эльяси Комари. Функциональная модель процесса системного проектирования компьютерных сетей энергетических комплексов // Вісник Харківського державного технічного університету сільського господарства ім. П. Василенка: Зб. наук. праць. Вип.27, Т.2. - Харків: ХДТУСГ, 2004. - С. 214-217.

8. Горбенко А.В. Реализация COTS-подхода при проектировании вычислительных сетей для критических приложений // Тр. Міжнародної науково-технічної конференції “Інформаційні комп'ютерні технології в машинобудуванні” (ІКТМ'2002). - Харків: НАКУ “ХАІ”, 2002. - С. 157.

9. Горбенко А.В. Математическое моделирование и оценка надежности структурированных кабельных систем // Тр. 3-й Международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии” (СИЭТ'2002). - Одесса: ОНПУ, 2002. - С. 51.

10. Горбенко А.В. Методы резервирования и модели эксплуатации структурированных кабельных систем // Тр. 4-ой Международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии” (СИЭТ'2003). - Одесса: ОНПУ, 2003. - С. 173.

11. Gorbenko A.V., Kharchenko V.S. Technique of Profile Design and Reliability Assessments of Computer Networks for Critical Applications // Proc. 1st International conference “Advanced Computer Systems and Networks: Design and Application” (ACSN'2003). - Lviv (Ukraine), 2003. - P. 66-68.

Размещено на Allbest.ru