Моделі та методи забезпечення надійності інформаційних систем з урахуванням процесів оновлення програмних засобів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”

05.13.06 - Автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Моделі та методи забезпечення надійності інформаційних систем з урахуванням процесів оновлення програмних засобів

Поночовний Юрій Леонідович

Харків - 2006

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Полтавському військовому інституті зв`язку, Міністерство оборони України

Науковий керівник:

кандидат технічних наук, доцент Одарущенко Олег Миколайович, Полтавський військовий інститут зв`язку, начальник кафедри телекомунікаційних систем та мереж

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Фурман Ілля Олександрович, Харківський національний технічний університет сільського господарства ім. Петра Василенка, завідуючий кафедрою автоматизації та комп`ютерних технологій

кандидат технічних наук, доцент Скляр Володимир Володимирович, Державний науково-технічний центр ядерної та радіаційної безпеки, провідний науковий співробітник відділу аналізу безпеки управляючих та інформаційних систем АЕС

Провідна установа

Харківський Національний університет радіоелектроніки, кафедра автоматизації проектування обчислювальної техніки, Міністерство освіти і науки України, м. Харків.

З дисертацією можна ознайомитись у науково-технічній бібліотеці Національного аерокосмічного університету ім. М.Є. Жуковського "Харківський авіаційний інститут".

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради М.О. Латкін



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми дослідження. Підвищення вимог до якості інформаційних систем (ІС) обумовлює функціонування їх в режимі постійної готовності, тобто 24 години в добу і 7 днів в тиждень. Такий режим роботи характерний для сучасних систем бізнес-критичної галузі, наприклад, Web-серверів, систем електронної комерції, телекомунікаційних систем та ін. Їх простої не викликають наслідків катастрофічного характеру, але призводять до істотних економічних втрат. Наприклад, середня вартість наслідків відмови банківських ІС за даними Британського департаменту фінансів складає 100-150 тис. доларів. Через економічні втрати при простоях ІС бізнес-критичної галузі, до їх надійності висуваються такі ж вимоги, як і до критичних систем. Крім того, для певних режимів функціонування критичних ІС можливі короткочасні простої за умов гарантованого оперативного відновлення працездатності.

Забезпечення таких вимог можливе за рахунок апаратних і програмних рішень, в яких застосовуються сучасні методи резервування апаратної і диверсифікації програмної компонент. Проте висока вартість таких рішень може бути неприйнятною для компаній, які тільки починають свою діяльність у сфері надання інформаційних послуг. Для них більш доступний варіант застосування ІС, в яких використовуються апаратні і програмні рішення повторного використання. Для програмних засобів (ПЗ) таких систем характерна спіральна модель життєвого циклу, що передбачає їх модифікацію шляхом оновлення програмного коду для усунення дефектів, невиявлених на етапі тестування.

Питаннями розвитку теорії відмовостійких систем, методів оцінювання і забезпечення безвідмовності та готовності ІС впродовж останніх десятиліть активно займалися А. Авіженіс, Ж.-К. Лапрі, Б. Рендел, К. Тріведі, В. Смагін, В. Краснобаєв, Б. Конорєв, В. Харченко. При цьому основна увага приділялася моделям функціонування апаратної компоненти ІС з урахуванням заходів відновлення і техобслуговування. Що стосується досліджень, пов'язаних з використанням і вдосконаленням ІС з оновлюваними ПЗ, то у відомих роботах автори обмежилися аналізом надійності їх початкового варіанту без урахування змін параметра інтенсивності відмов при усуненні програмних дефектів в процесі оновлення. Крім того, на надійність ІС істотно впливають відмови ПЗ, викликані не внутрішньо-системними факторами, а випадковими і навмисними впливами на систему. Усунення причин таких відмов можливе тільки на етапі експлуатації системи при оновленні ПЗ. Таким чином, актуальною науково-технічною задачею є розробка методів забезпечення заданих вимог до надійності ІС в умовах зовнішніх впливів і прояву несправностей апаратно-програмних засобів на основі вибору типів і параметрів процедур оновлень ПЗ.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, результати яких викладені в дисертації, проводилися у відповідності з наступними планами і програмами:

- Концепцією розвитку Єдиної національної системи зв'язку України до 2010 року (четверта редакція);

- НДР “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, №104U003502, 2003);

- НДР Полтавського військового інституту зв'язку: шифр “Тест”, “Нажим”.

Роль автора в зазначених науково-дослідних темах і проектах, у яких дисертант був безпосереднім виконавцем, полягає в розробці моделей, методів та інструментальних засобів оцінки й забезпечення надійності ІС на основі вибору типів і параметрів процедур оновлень ПЗ.



Мета і задачі досліджень

Метою дисертаційної роботи є підвищення надійності ІС на основі раціонального вибору параметрів для оновлення ПЗ. Відповідно до поставлених мети та науково-технічної задачі необхідно вирішити наступні часткові задачі:

1. Проаналізувати існуючі моделі оцінювання і методи забезпечення надійності, а також дослідити вплив різних видів несправностей на працездатність ІС.

2. Розробити метод оцінювання надійності ІС в умовах прояву власних дефектів і зовнішніх впливів.

3. Розробити моделі для обчислення інтенсивностей відмов і відновлень ПЗ ІС.

4. Розробити метод підвищення надійності ІС.

5. Розробити інформаційну технологію підтримки прийняття рішень по забезпеченню заданих показників надійності ІС з оновлюваними ПЗ.

6. Впровадити результати досліджень в процеси проектування і супроводження ІС критичної та бізнес-критичної галузі.

Об'єкт дослідження - процес забезпечення надійності ІС.

Предмет дослідження - моделі і методи забезпечення надійності ІС з урахуванням процесів оновлення ПЗ при відмовах, викликаних проявом їх дефектів і зовнішніми впливами.

Методи дослідження. В основу методології досліджень були покладені принципи системного аналізу. При визначенні закону і параметрів розподілу часу між відмовами ПЗ ІС використовувалися методи теорії ймовірностей та математичної статистики. При розробці моделей оцінювання і методів забезпечення надійності ПЗ використовувалися методи марковського аналізу та імітаційного моделювання.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше одержано модель інтенсивності відмов ПЗ ІС, викликаних зловмисними діями, яка базується на статистичній обробці даних про атаки і враховує, на відміну від відомих, параметри дефектів ПЗ і впливів на систему, що дозволяє забезпечити в цих умовах необхідний рівень надійності ІС з оновлюваними ПЗ.

2. Удосконалено метод оцінювання надійності ІС, який базується на дворівневому представленні їх станів, враховує відмови, викликані несправностями апаратно-програмних засобів і зовнішніми впливами, що дозволяє підвищити точність оцінки показника готовності ІС.

3. Набув подальшого розвитку метод підвищення надійності ІС, який базується на виборі типів і параметрів процедур оновлень ПЗ, що дозволяє збільшити готовність систем за рахунок усунення дефектів на етапі експлуатації.

Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що основні положення дисертації реалізовані у вигляді розрахункових моделей, інженерних методів і алгоритмів оцінювання та забезпечення надійності, які є інструментарієм інформаційної технології підтримки прийняття рішень по забезпеченню заданих показників надійності ІС з оновлюваними ПЗ:

1. Розроблена програмна реалізація методу оцінювання надійності ІС з урахуванням відмов, викликаних несправностями апаратно-програмних засобів, зловмисними діями і випадковими помилками користувачів і обслуговуючого персоналу на основі імітаційної моделі.

2. Розроблена програмна реалізація методу підвищення надійності ІС на основі вибору типів і параметрів процедур оновлень ПЗ.

Результати досліджень впроваджені в:

- Науковому центрі військ ППО при виконанні дослідно-конструкторських робіт по розробці перспективної АСУ військ ППО Збройних сил України “Ореанда” (акт реалізації від 12.05.2004);

- ПФ ВАТ “Укртелеком” при розрахунку строків періодичного обслуговування цифрової АТС МТ-20 (акт реалізації від 04.03.2005);

- ТОВ “Полтаваспецпроект” ДП “Сіменс-Україна” при розрахунку та впровадженні цифрових систем комутації фірми Siemens класу “Hicom” (акт реалізації від 28.09.2005);

- НТ СКБ “Полісвіт” при розробці та аналізі варіантів побудови і обґрунтуванні параметрів комп'ютеризованих авіаційних систем (акт реалізації від 26.12.2005);

- навчальному процесі Полтавського військового інституту зв'язку при вивченні дисциплін “Техніка інформаційних служб зв'язку”, “Системи комутації в електрозв'язку” (акт впровадження від 30.12.2005).

Достовірність нових наукових положень і висновків дисертаційної роботи підтверджується:

- обґрунтованістю припущень, прийнятих при розробці структурних схем та аналітичних моделей оцінки надійності, виходячи з досвіду проектування й експлуатації ІС постійної готовності та експериментальних даних відомих фірм про відмови таких пристроїв та їх елементної бази;

- збігом результатів експериментальних досліджень, результатів імітаційного моделювання та теоретичних результатів, отриманих з використанням аналітичних виразів;

- результатами практичного використання розроблених моделей і методів при проектуванні та експлуатації ІС АТС, цифрових систем комутації та комп'ютеризованих авіаційних систем.

Особистий внесок здобувача полягає в розробці нових моделей, методів і інструментальних засобів, що забезпечують рішення поставлених у дисертації задач. Всі основні результати отримані автором особисто. У роботах, опублікованих у співавторстві, здобувачу належать: хронологічний аналіз розвитку моделей надійності ПЗ [1], розробка моделі функціонування ПЗ ІС в умовах прояву відмов, викликаних дефектами проектування та простоїв, зумовлених оновленням ПЗ [2], побудова розміченого графа моделі функціонування системи [4], побудова розміченого графа станів та переходів трьохканальної мажоритарно-резервованої системи з урахуванням фізичних дефектів та дефектів проектування [7], визначення параметра “ваги” програмних дефектів [8], вибір параметрів багатофрагментних моделей функціонування систем [9], вибір властивостей простору вхідних даних ПЗ [11], вибір складових властивості “надійність ПЗ” [12], метод визначення параметрів надійності ПЗ ІС [15].

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися і були схвалені на наступних науково-технічних конференціях та семінарах: конференції аспірантів і студентів “Інженерія програмного забезпечення 2005” (м. Київ, 2005 р.), науково-технічному семінарі “Синтез, обробка та відображення інформаційних моделей” (м. Харків, 2005 р.), 6-му - 8-му Міжнародних молодіжних форумах “Радіоелектроніка й молодь у ХХІ столітті” (м. Харків, 2001-2004 р.), Міжвузівскій науково-технічній конференції “Факультету “Телекомунікації” 5 років!” (м. Полтава, 2004 р.), міжгалузевому науково-технічному семінарі “Критичні комп'ютерні технології й системи” (м. Харків, 2004 р.), Міжнародній науково-практичній конференції “Сучасні інформаційні й електронні технології” (м. Одеса, 2003 р.), Міжнародній конференції молодих учених “Управління розвитком соціально-економічних систем: глобалізація, підприємництво, стале економічне зростання” (м. Донецьк, 2001 р.), науково-технічних семінарах кафедри “Телекомунікаційних систем і мереж” Полтавського військового інституту зв'язку (м. Полтава, 2001-2005 р.).

Публікації. Основні результати дисертації опубліковані в 16 друкованих працях, серед яких 3 статті в наукових журналах та 3 статті у збірниках наукових праць, що включені до переліку фахових видань ВАК України, а також 10 тез доповідей у збірниках праць наукових конференцій.

Структура і обсяг дисертації. Дисертація має вступ, чотири розділи, висновки й додатки. Повний обсяг дисертації складає 204 сторінки, у тому числі: 52 рисунки, з яких 16 на 9 окремих сторінках, 16 таблиць, список з 117 використаних літературних джерел на 13 сторінках, 5 додатків на 33 сторінках.



ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми й наукових задач; сформульована мета дисертаційної роботи; показані об'єкт, предмет, наукова новизна і практична значимість отриманих результатів; відображені особистий внесок здобувача, дані про реалізацію, апробації та публікації результатів досліджень.

У першому розділі розглянуто вимоги до надійності ІС критичної та бізнес-критичної галузей. Наведено класифікацію видів несправностей, здатних викликати відмови ІС. На основі аналізу статистики відмов ІС і експертних висновків виділені чотири основні групи видів несправностей, умовно позначені як ДФ АЗ (фізичні дефекти апаратних засобів), ДП ПЗ (дефекти проектування ПЗ), ДВ ВП (дефекти взаємодії, які викликають відмови ПЗ і зумовлені випадковими помилками обслуговуючого персоналу та користувачів ІС), ДВ ЗД (дефекти взаємодії, які викликають відмови ПЗ і зумовлені зловмисними діями обслуговуючого персоналу та користувачів ІС). Проаналізовано моделі надійності (МН), що дозволяють кількісно оцінити показники - коефіцієнти готовності й технічного використання ІС із урахуванням тільки однієї з груп видів несправностей. Проведена систематизація джерел відмов як різних груп видів несправностей дозволила визначити основні причини порушення функціонування ІС і сформулювати висновок про те, що високі вимоги до надійності ІС можуть бути виконані тільки за умови зниження впливу наслідків несправностей як апаратних, так і програмних засобів, а також при суворій регламентації заходів технічного обслуговування (зокрема оновлень ПЗ системи). На основі проведеного аналізу виділено два типи оновлень ПЗ ІС: оновлення ПЗ першого роду (наприклад, зміна версії ПЗ), які зумовлюють тимчасовий простій системи в цілому, та оновлення ПЗ другого роду (наприклад, встановлення “латок” (patches)), які зумовлюють тимчасовий простій окремих елементів ІС.

Для врахування процесів оновлення (update) ПЗ в моделях надійності ІС використовують параметри л_UP (інтенсивність проведення оновлень ПЗ) та м_UP (інтенсивність відновлення працездатного стану ІС після проведення оновлення ПЗ). Параметр інтенсивності оновлень ПЗ першого (л_{UP (І)}) та другого роду (л_{UP (ІІ)}) розраховується за формулами:

, ,

де N_UP - кількість оновлень ПЗ першого роду на протязі періоду експлуатації системи;

T_У - період експлуатації системи;

ДT_UP - часовий інтервал, за який розробляється “латка” ПЗ ІС.

У роботі на основі аналізу даних експериментальних досліджень обґрунтовано можливість моделювання відмов і відновлень АЗ та ПЗ ІС за допомогою випадкових потоків з експоненціальним розподілом часу між подіями. Так згідно прийнятих допущень параметр м_UP для будь-якого типу оновлень ПЗ обчислюється як обернено-пропорційне до середнього часу переведення системи в працездатний стан після проведення оновлення ПЗ.

У розділі також розглянуто складові інформаційної технології підтримки прийняття рішень по забезпеченню заданих показників надійності ІС.

Сформульована загальна науково-технічна задача дисертації, яка декомпозується на ряд часткових задач, пов'язаних з розробкою методів оцінювання та забезпечення надійності ІС.

Другий розділ дисертації присвячений розробці методу оцінювання надійності ІС з врахуванням відмов, викликаних несправностями апаратно-програмних засобів та зовнішніми впливами, і простоїв системи, зумовлених оновленнями ПЗ.

В основу методу покладено припущення про незалежність прояву відмов системи, зумовлених різними видами несправностей. Метод передбачає дворівневе представлення станів ІС. Верхнім рівнем є узагальнюючий граф функціонування системи, що включає початковий справний стан системи, підмножини працездатних станів з відмовами окремих елементів ІС, викликаних певними несправностями, і підмножини непрацездатних станів. На нижньому рівні представлені деталізовані графи функціонування ІС з урахуванням прояву тільки однієї з груп видів несправностей. Основні етапи методу оцінювання надійності наступні.

1. Побудова діаграми станів і переходів ІС (розміченого графа станів) на підставі структури системи.

2. Декомпозиція несправностей елементів ІС за найбільш критичними видами (ДФ АЗ, ДП ПЗ, ДВ ВП і ДВ ЗД).

3. Визначення вхідних параметрів (інтенсивностей оновлень ПЗ та відмов і відновлень АЗ й ПЗ) часткових моделей надійності ІС із урахуванням відмов їх елементів, викликаних певною групою видів несправностей.

4. Визначення часткових показників надійності ІС:

А_АЗ(t) - коефіцієнт готовності (технічного використання) ІС із урахуванням відмов АЗ, викликаних ДФ;

А_ПЗ(t) - коефіцієнт готовності (технічного використання) ІС із урахуванням відмов ПЗ, викликаних ДП;

А_ВП(t) - коефіцієнт готовності (технічного використання) ІС із урахуванням відмов ПЗ, викликаних ДВ ВП;

А_ЗД(t) - коефіцієнт готовності (технічного використання) ІС із урахуванням відмов ПЗ, викликаних ДВ ЗД.

5. Визначення комплексного показника надійності ІС із урахуванням ДФ АЗ, ДП ПЗ, ДВ ВП і ДВ ЗД за формулою:

.(1)

Таким чином, згідно запропонованого методу, кожна складова добутка (1) А_j визначається за допомогою окремої моделі надійності, у якій враховуються відмови ІС, викликані тільки однією з розглянутих груп видів несправностей. Така модель надійності базується на прийнятих допущеннях, методах визначення вхідних параметрів і математичному апараті визначення результуючого показника.

При визначенні часткового показника надійності А_АЗ(t) для оцінки вхідних параметрів л_{АЗ і} і м_{АЗ і} (інтенсивностей відмов та відновлень і-х елементів ІС) використовуються найбільш прийнятні МН, наприклад, моделі MIL-HDBK-217 та MIL-HDBK-472.

При визначенні часткового показника надійності А_ВП(t) для оцінки вхідних параметрів л_{ВП і} запропоновано використовувати відому модель В. Смагіна. Параметри м_{ВП і} відповідно до прийнятих допущень визначаються як оберненопропорційні від часу перезавантаження ПЗ відповідного і_го елемента ІС.

При визначенні часткового показника надійності А_ПЗ(t) необхідно враховувати процеси оновлення ПЗ, під час яких усуваються певні ДП і змінюється інтенсивність відмов ПЗ, викликаних цією групою несправностей. Тому в роботі запропоновано підхід до визначення вхідних параметрів л_{ПЗ і} на основі комплексування МН Муси, RL-92-52 і IBM, згідно з яким інтенсивність відмов ПЗ одного елемента ІС, зумовлених ДП ПЗ визначається за формулою:

, (2)

,

де k - постійна, котра пов'язана з динамічною побудовою програми й застосуванням ПЗ на різних платформах (АЗ), k(1,4·10-⁷; 10,6·10-⁷), за замовчуванням k = 4,2·10-⁷;

r - частота звертань до команд ПЗ, що залежить від потужності процесора ЕОМ;

SLOC - кількість рядків вихідного програмного коду (Source lines of code);

ER - коефіцієнт розширення коду, залежить від мови програмування (для Assembler ER=1,0; для C ER=2,5; для Fortran ER=3; для Ada ER=4,5);

В - коефіцієнт прояву дефектів ПЗ, що дорівнює відношенню кількості дефектів ПЗ, які викликають відмову ІС до загальної кількості дефектів ПЗ, невиявлених на етапі тестування й верифікації, за замовчуванням В = 0,95;

А - коефіцієнт, що залежить від складності розробки різних типів програмних продуктів, А(2; 14) (дефектів ПЗ/тисяч рядків програмного коду);

D - коефіцієнт, що характеризує методи та інструментарій розробки ПЗ, D(0,5; 2);

SA - коефіцієнт, що залежить від методів відмовостійкого проектування, SA(0,9; 1,1);

ST - коефіцієнт, що характеризує можливість оперативного контролю (traceability) проекту й коду ПЗ встановленим вимогам, ST(0,9; 1);

SQ - коефіцієнт, що характеризує наявність процедур контролю якості, SQ(1; 1,1);

SX - коефіцієнт, що залежить від складності програмних модулів, SX(0,8; 1,5);

SM - коефіцієнт, що залежить від обсягу програмних модулів, SM(0,9; 2);

SR - коефіцієнт, що характеризує наявність процедур підтримки різних стандартів, SR(0,75; 1,5);

ДN_j - зміна кількості дефектів ПЗ після проведення j-го оновлення програм.

Параметри м_{ПЗ і} відповідно до прийнятих допущень визначаються як обернено-пропорційні від часу перезавантаження ПЗ відповідного і-го елемента ІС.

Для врахування зміни інтенсивності відмов ПЗ л_ПЗ при оцінці показників надійності у роботі використано апарат багатофрагментного моделювання. Розмічений граф станів та переходів системи зображено на рис. 1.

Рис. 1. Розмічений граф станів та переходів багатофрагментної моделі функціонування ІС з урахуванням прояву ДП ПЗ та проведення оновлень ПЗ

Результати моделювання функціонування ІС представлені у вигляді залежності коефіцієнтів готовності та технічного використання від часу експлуатації системи на рис. 2 і рис. 3.

Характер зміни показників надійності ІС залежить від співвідношення двох часових інтервалів непрацездатності ІС, визначених проявом ДП ПЗ і проведенням оновлень ПЗ першого роду. У разі, коли перший часовий інтервал більший, при постійному значенні зміни інтенсивності відмов ПЗ Дл_ПЗ = 5·10-⁴ 1/год спостерігається зростання коефіцієнта технічного використання ДА_ПЗ = 2·10-⁵ з кожною новою процедурою оновлення ПЗ (як показано на рис.3). У іншому випадку, коли збільшення готовності ПЗ ІС з надмірною структурою при оновленнях ПЗ незначне в порівнянні з неготовністю, яку вносить збільшення тривалості простоїв ПЗ системи, то при значеннях зміни інтенсивності відмов ПЗ Дл_ПЗ = 5·10-⁴ 1/год з кожним новим оновленням ПЗ першого роду надійність системи зменшується на величину ДА_ПЗ = 2,5·10-⁶ (як показано на рис. 2).

При визначенні часткового показника надійності А_ЗД(t) необхідно враховувати відмови ПЗ, викликані зловмисними діями обслуговуючого персоналу та користувачів ІС. Тому на основі проведеного статистичного аналізу вибірки з бази даних ICAT була розроблена модель інтенсивності відмов ПЗ, зумовлених ДВ ЗД, згідно якої даний вхідний параметр визначається за формулою:

, ,



де л_{ПЗ 0} - початкова інтенсивність відмов ПЗ ІС, викликаних зловмисними діями, що визначається за формулою (2), тому що згідно з прийнятими допущеннями ДП ПЗ і ДВ ЗД мають подібні першопричини появи й різні причини прояву;

с_л - швидкість збільшення інтенсивності відмов;

N - порядковий номер відмови ПЗ ІС, викликаної ЗД;

k_z - коефіцієнт безпеки (security) ІС, що визначається виходячи із класу ІС за таблицею 1;

коефіцієнт R показує, що зловмисник, який виявив “дірку” у ПЗ, або поділиться інформацією із R іншими зловмисниками, або наступного разу витратить у R разів менше часу на переведення системи в непрацездатний стан (за замовчуванням R = 2).

Таблиця 1

Значення коефіцієнта безпеки (security) ІС

Клас безпеки	kz
1	1
2	0,95
3	0,9
4	0,85
5	0,8

Зміна інтенсивності відмов ПЗ, викликаних ДВ ЗД, також обумовлює застосування апарата багатофрагментного моделювання. Результати моделювання представлені у графічному виді на рис. 4 і рис. 5. Як видно з рис. 4, надійність ІС без оновлень ПЗ з часом зменшується до критичного рівня, визначеного показником л_{ЗД max}. Для ІС з нерезервованою структурою проведення оновлень ПЗ першого роду, збільшує надійність системи з кожним оновленням на ДА_ЗД = 1·10^-5 (як показано на рис. 5).

У третьому розділі на основі вдосконаленого методу оцінювання надійності отримані кількісні значення коефіцієнтів готовності та технічного використання ІС з врахуванням відмов АЗ та ПЗ, викликаних різними видами несправностей, та простоїв системи, викликаних проведенням оновлень ПЗ. Результати представлені у графічному вигляді на рис. 6 - рис. 8.

Аналіз результатів дослідження розглянутих моделей дозволяє зробити кілька висновків, які носять загальний характер:

- готовність систем з надлишковою структурою збільшується зі збільшенням кількості резервованих елементів, так рівень надійності нерезервованої ІС - 0,99 (рис. 6), а системи з трьохкратною надлишковістю елементів - 0,99999 (рис. 7);

- із збільшенням кількості надлишкових елементів системи посилюється вплив простоїв, обумовлених оновленнями ПЗ першого роду, на неготовність системи, так на рис.6 з кожним оновленням ПЗ надійність нерезервованої ІС збільшується на 5·10-⁵, а на рис. 7 готовність системи з трьохкратною надлишковістю елементів з кожним оновленням ПЗ зменшується на 2·10-⁶;

- у випадку проведення оновлень ПЗ другого роду, готовність ІС залежить від оперативності розробки та встановлення “латок” (швидкості проведення оновлення програм після прояву відмов, викликаних ЗД), так на рис. 9 збільшення інтенсивності проведення оновлень ПЗ з 0,002 до 0,0033 1/год викликає підвищення надійності ІС на два рівня шкали HAL (High Availability Level).

Для перевірки достовірності отриманих результатів розроблено імітаційну модель. Вона базується на використанні принципу особливих станів і дозволяє дослідити процеси функціонування ІС в умовах прояву відмов апаратно-програмних засобів і зовнішніх впливів. Для визначення кількості дослідів використовується послідовний метод уточнення оцінки показника надійності з визначенням похибки за квантилем розподілу Стьюдента. У результаті порівняльного аналізу виявлено задовільну збіжність (3-5%) оцінок надійності систем, отриманих при аналітичному та імітаційному моделюванні.

Четвертий розділ присвячений розробці інформаційної технології забезпечення надійності ІС з оновлюваними ПЗ та аналізу результатів її практичного впровадження. На основі моделей і методів оцінювання надійності й результатів моделювання коефіцієнтів готовності й технічного використання ІС набув подальшого розвитку метод підвищення надійності ІС, який базується на виборі типів і параметрів процедур оновлень ПЗ. Реалізація даного методу покладена в основу процесів інформаційної технології забезпечення надійності ІС.

Для випадків, коли вимоги до надійності ІС не виконуються, запропоновано процедури вибору типів і параметрів процедур оновлення ПЗ для підвищення показників надійності, представлені у табличній формі (табл.2). Так як зміна параметрів процедур оновлення ПЗ (кількості оновлень ПЗ першого роду N_UP та інтенсивності оновлень ПЗ другого роду л_UP) впливає на значення часткових показників надійності А_ПЗ та А_ЗД одночасно, то визначення цих параметрів є послідовним процесом. Після кожної зміни параметрів оновлень ПЗ необхідно провести повторну оцінку комплексного показника надійності А і перевірити відповідність системи заданим вимогам.

Таблиця 2

Комплекс заходів по підвищенню надійності ІС

Найбільш критичний вид несправностей за показником Аj	Характер проведення оновлень ПЗ ІС на початковому етапі
	Оновлення ПЗ ІС не проводяться	Проводяться оновлення ПЗ ІС першого роду	Проводяться оновлення ПЗ ІС другого роду
ДВ ЗД	Проводити оновлення ПЗ другого роду	1 етап. Збільшити кількість (періодичність) оновлень ПЗ першого роду, враховуючи при цьому збільшення сумарного часу простоїв системи. 2 етап. Керуючись економічними критеріями, або перейти до експлуатації ПЗ, що допускають оновлення другого роду, або застосувати диверсність ПЗ ІС	1 етап. Збільшити інтенсивність оновлень ПЗ другого роду. 2 етап. Застосувати диверсність ПЗ ІС
ДП ПЗ	Проводити оновлення ПЗ першого роду
ДФ АЗ, ДВ ВП	Збільшити ступінь надлишковості (кількість резервованих елементів) ІС

Для зменшення кількості заходів по підвищенню показників і забезпеченню заданого рівня надійності ІС формалізовані й вирішені задачі, які дозволяють приблизно оцінити значення параметрів процедур оновлення ПЗ ІС, при яких забезпечуються вимоги до надійності системи. Отримані наступні формули для обчислення наближених значень параметрів процедур оновлень ПЗ:

,

,

де А_З - заданий рівень надійності ІС,

Т_У - часовий інтервал експлуатації ІС,

N_P - кількість надлишкових елементів ІС, дужки позначають округлення до більшого цілого числа.

Допустимий рівень збільшення інтенсивності відмов ПЗ, викликаних ЗД, л_{ЗД max} обчислюється за формулою:

Детальне представлення інформаційної технології забезпечення надійності ІС у вигляді взаємопов`язаних інформаційних потоків, процесів та засобів їх обробки представлено на рис. 9.

Елементи запропонованої інформаційної технології були використані при визначенні параметрів процедур оновлення ПЗ ІС критичної та бізнес-критичної галузей. Наприклад, за допомогою програмної реалізації методу підвищення надійності ІС для цифрової АТС МТ-20 було визначено періодичність планового оновлення ПЗ ДТ_UP = 726,47 годин, що дозволило підвищити готовність станції на 9,6·10-⁵.

У додатках наведені системи диференційних рівнянь Колмогорова багатофрагментних моделей функціонування ІС, значення квантилей розподілу Стьюдента, вихідні програмні коди розробленої імітаційної моделі функціонування ІС та методу підвищення надійності ІС на основі вибору типів та параметрів процедур оновлень ПЗ, а також акти впровадження результатів дисертаційного дослідження.

Рис. 9. Схема потоків, процесів та засобів інформаційної технології підтримки прийняття рішення по забезпеченню заданих показників надійності ІС з оновлюваними ПЗ

інформаційний програмний надійність критичний бізнес



ВИСНОВКИ

1. Надійність ІС є визначальною властивістю комплексів критичного і бізнес-критичного застосування, яка дозволяє мінімізувати економічні втрати, пов'язані з простоями цих систем. Останнім часом на надійність ІС істотно впливають відмови ПЗ, викликані не внутрішньо-системними факторами, а випадковими і навмисними впливами на систему. Усунення причин таких відмов можливе тільки на етапі експлуатації системи при оновленні ПЗ. У зв'язку з цим важливого значення набуває рішення питань, пов'язаних з розробкою методів забезпечення і підвищення надійності ІС з оновлюваними ПЗ, які функціонують в умовах випадкових і навмисних впливів.

У дисертації поставлена і вирішена актуальна науково-технічна задача розробки методів забезпечення заданих вимог до надійності ІС в умовах зовнішніх впливів і прояву несправностей апаратно-програмних засобів на основі вибору типів і параметрів процедур оновлень ПЗ. Головним результатом проведених досліджень є метод підвищення надійності ІС, який базується на використанні комплексного підходу до моделювання відмов ІС і раціональному виборі параметрів процедур оновлень ПЗ.

2. Удосконалено метод оцінювання надійності ІС, який базується на дворівневому представленні станів систем і враховує відмови, викликані несправностями апаратно-програмних засобів і зовнішніми впливами. Застосування даного методу дає можливість враховувати зміни вхідних параметрів - інтенсивностей відмов ПЗ, викликаних ДП і ЗД при оновленнях ПЗ, що дозволяє підвищити точність оцінювання показника готовності А(t) на 3-5%.

3. Вперше одержано модель інтенсивності відмов ПЗ ІС, викликаних ЗД, яка базується на статистичній обробці даних про атаки і, на відміну від відомих, що враховує параметри дефектів ПЗ і впливів на систему. Оцінювання надійності ПЗ ІС з урахуванням ДВ ЗД дозволяє знайти значення параметрів процедур оновлення ПЗ ІС, при яких показник надійності А(t) буде задовольняти заданим вимогам. Таким чином, застосування моделі інтенсивності відмов ПЗ, викликаних ЗД, дозволяє забезпечити необхідний рівень надійності системи в умовах зовнішніх впливів.

4. Набув подальшого розвитку метод підвищення надійності ІС, який базується на виборі типів і параметрів процедур оновлень ПЗ, що дозволяє підвищити готовність системи на 1-2 рівні за шкалою HAL за рахунок усунення дефектів на етапі експлуатації.

5. Достовірність одержаних результатів підтверджується обґрунтованістю допущень, що приймаються при розробці структурних схем та аналітичних моделей оцінки надійності, виходячи з досвіду проектування і експлуатації ІС постійної готовності і експериментальних даних відомих фірм про відмови таких пристроїв та їх елементної бази; збіжністю результатів експериментальних досліджень, результатів імітаційного моделювання і теоретичних результатів, отриманих з використанням аналітичних виразів; результатами практичного використання розроблених моделей і методів при проектуванні і експлуатації ІС АТС, цифрових систем комутації та комп'ютеризованих авіаційних систем.

6. Практичне значення одержаних результатів полягає у тому, що основні положення дисертації реалізовані у вигляді розрахункових моделей, інженерних методів і алгоритмів оцінювання та підвищення надійності, які є інструментарієм інформаційної технології підтримки прийняття рішень по забезпеченню заданих показників надійності ІС з оновлюваними ПЗ. Розроблено програмні реалізації методу оцінювання надійності ІС з урахуванням відмов, викликаних несправностями апаратно-програмних засобів, зловмисними діями і випадковими помилками користувачів і обслуговуючого персоналу, на основі імітаційної моделі та методу підвищення надійності ІС на основі вибору типів і параметрів процедур оновлень ПЗ. Використання цих методів в інформаційних технологіях оцінки і забезпечення надійності ІС дозволить скоротити час визначення показників - коефіцієнтів готовності і технічного використання на 5-10% і визначити параметри оновлень ПЗ ІС, при яких забезпечуються необхідні значення показників надійності з мінімальними затратами.

7. Результати дисертаційної роботи можуть бути використані при оцінюванні надійності ІС постійної готовності, бізнес-критичного застосування, телекомунікаційних систем та ін.; при розробці рекомендацій по підвищенню надійності ІС з оновлюваними ПЗ; при проведенні науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт по розробці перспективних АСУ; при вивченні дисциплін, що включають розділи, присвячені надійності ІС у вищих навчальних закладах України.

8. Результати досліджень впроваджені в Науковому центрі військ ППО (при виконанні дослідницько-конструкторських робіт по розробці перспективної АСУ Військ ППО Збройних сил України “Ореанда”), в ПФ ВАТ “УКРТЕЛЕКОМ” (при розрахунку інтервалів періодичного обслуговування цифрової АТС МТ-20), в ТОВ “Полтаваспецпроект” ДП “Сіменс-Україна” (при розрахунку і впровадженні цифрових систем комутації фірми “Siemens” класу “Hicom”), в НТ СКБ “Полісвіт” (при розробці і аналізі варіантів побудови і обґрунтуванні параметрів комп'ютеризованих авіаційних систем) та в навчальному процесі Полтавського військового інституту зв'язку.

9. Подальшими шляхами вдосконалення моделей, методів оцінювання і забезпечення надійності ІС можуть бути дослідження статистичних властивостей і розробка гіпотез про закони і параметри розподілу часу між відмовами ІС, викликаними визначеними видами несправностей; вдосконалення МН ПЗ з урахуванням надійності і оновлень операційних систем і прикладних програм; оцінювання часткових показників надійності ІС з урахуванням відмов, які моделюються потоками з неекспоненціальним розподілом часу між подіями.



СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Одарущенко О.Н., Поночовный Ю.Л., Одарущенко Е.Б. Терминологические аспекты теории надежности программных средств // Радіоелектронні та комп'ютерні системи. - 2004. - №2(6). - С.88-94.

2. Поночовный Ю.Л., Одарущенко Е.Б. Моделирование надежности обновляемых программных средств нерезервированных информационно-управляющих систем постоянной готовности // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2004. - №4(8). - С.93-97.

3. Поночовный Ю.Л. Метод обеспечения заданных показателей надежности распределенных информационно-управляющих систем // Радіоелектронні і комп'ютерні системи. - 2005. - №4(12). - С.63-69.

4. Одарущенко О.Н., Одарущенко Е.Б., Поночовный Ю.Л. Применение численных методов для решения жестких систем линейных дифференциальных уравнений в задачах оценки надежности обслуживаемых систем // Авиационно-космическая техника и технология. - Харьков: Национальный аэрокосмический университет „ХАИ”, 2002. - Вып.35. - С.187-191.

5. Поночовный Ю.Л. Определение параметров закона распределения времени между отказами восстанавливаемых обслуживаемых многопользовательских систем с учетом дефектов взаимодействия // Системи обробки інформації. - Харків: Харківський військовий університет, 2004. - Вип. 10 (38). - С.166-174.

6. Поночовный Ю.Л. Метод комплексной оценки надежности распределенных информационно-управляющих систем с учетом различных видов несправностей // Системи обробки інформації. - Харків: Харківський військовий університет, 2005. - Вип.8(48). - С.110-114.

7. Поночовный Ю.Л., Одарущенко Е.Б. Об одном подходе к оценке надежности отказоустойчивых вычислительных систем // Праці першої міжнародної другої всеукраїнської наукової конференції студентів та молодих учених “Управління розвитком соціально-економічних систем: глобалізація, підприємництво, стале економічне зростання”. - Донецьк: ДонНУ, 2001. - Частина 3. - С.26-28.

8. Одарущенко Е.Б., Поночовный Ю.Л. Оценка надежности программно-технических комплексов на основе многофрагментных марковских моделей // Мат. 5-го Международного молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке”. - Харьков: ХТУРЭ, 2001. - Ч. 2. - С.148-149.

9. Поночовный Ю.Л., Одарущенко Е.Б. Учет изменения надежностных характеристик программ при моделировании процесса функционирования цифровых систем // Мат. 6-го Международного молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке”. - Харьков: ХНУРЭ, 2002. - Ч. 2. - С.227-228.

10. Поночовный Ю.Л. Анализ зарубежных стандартов надежности для телекоммуникационных систем // Мат. 7-го Международного молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке”. - Харьков: ХНУРЭ, 2003. - С.124.

11. Одарущенко О.Н., Одарущенко Е.Б., Поночовный Ю.Л. Сегментация многомерного пространства входных данных программного обеспечения // Труды четвертой международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”. - Одесса: Одесский национальный политехнический университет, 2003. - С. 110.

12. Одарущенко О.Н., Поночовный Ю.Л. Надежность, как критерий качества программного обеспечения // Мат. Міжнародної науково-технічної конференції “Інтегровані комп`ютерні технології в машинобудуванні - ІТКМ-2003”. - Харків: Національний аерокосмічний університет “ХАІ”, 2003. - С.221.

13. Поночовный Ю.Л. Об одном подходе к моделированию характеристик потока отказов распределенного программного обеспечения // Мат. 8-го Международного молодежного форума “Радиоэлектроника и молодежь в ХХІ веке”. - Харьков: ХНУРЭ, 2004. - Ч. 2. - С.151.

14. Поночовный Ю.Л. Повышение готовности элементов телекоммуникационной сети // Збірник матеріалів міжвузівської науково-технічної конференції “Факультету “Телекомунікації” 5 років!”. - Полтава: ПВІЗ, 2004. - С.47-50.

15. Поночовный Ю.Л., Одарущенко Е.Б. Моделирование надежности программных средств информационно-управляющих систем с учетом отказов, вызванных дефектами взаимодействия // Мат. конференції аспірантів і студентів “Інженерія програмного забезпечення 2005”. - К.: НАУ, 2005. - С.151-156.

16. Поночовный Ю.Л. Анализ моделей оценки и методов обеспечения надежности информационно-управляющих систем // Мат. Міжнародної науково-технічної конференції “Інтегровані комп`ютерні технології в машинобудуванні - ІТКМ-2005”. - Харків: Національний аерокосмічний університет “ХАІ”, 2005. - С.334.



АНОТАЦІЯ

Поночовний Ю.Л. Моделі та методи забезпечення надійності інформаційних систем з урахуванням процесів оновлення програмних засобів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.13.06 - автоматизовані системи управління та прогресивні інформаційні технології. - Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського “Харківський авіаційний інститут”, Харків, 2006.

Дисертація присвячена розробці та вдосконаленню моделей, методів й інструментальних засобів оцінювання та забезпечення надійності ІС з урахуванням відмов апаратно-програмних засобів та процесів оновлення ПЗ системи.

Науковими результатами є:

1) вперше одержана модель інтенсивності відмов ПЗ ІС, викликаних зловмисними діями, яка базується на статистичній обробці даних про атаки і враховує, на відміну від відомих, параметри дефектів ПЗ і впливів на систему, що дозволяє забезпечити в цих умовах необхідний рівень надійності ІС з оновлюваними ПЗ;

2) удосконалено метод оцінювання надійності ІС, який базується на дворівневому представленні їх станів, враховує відмови, викликані несправностями апаратно-програмних засобів і зовнішніми впливами, що дозволяє підвищити точність оцінки показника готовності ІС;

3) набув подальшого розвитку метод підвищення надійності ІС, який базується на виборі типів і параметрів процедур оновлень ПЗ, що дозволяє збільшити готовність систем за рахунок усунення дефектів на етапі експлуатації. Запропоновані методи реалізовані у вигляді розрахункових моделей, інженерних методів і алгоритмів оцінювання та підвищення надійності, які є інструментарієм інформаційної технології підтримки прийняття рішення по забезпеченню заданих показників надійності ІС з оновлюваними ПЗ.

Ключові слова: інформаційна система, оновлення програмних засобів, види несправностей, метод підвищення надійності.



АННОТАЦИЯ

Поночовный Ю.Л. Модели и методы обеспечения надежности информационных систем с учетом процессов обновлений программных средств. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.13.06 - Автоматизированные системы управления и прогрессивные информационные технологии. - Национальный аэрокосмический университет им. Н.Е. Жуковского “Харьковский авиационный институт”, Харьков, 2006.

Диссертация посвящена разработке и усовершенствованию моделей, методов и инструментальных средств оценки и обеспечения надежности информационных систем (ИС) с учетом отказов аппаратно-программных средств и процессов обновлений программных средств (ПС) системы.

Проведенный анализ существующих моделей и методов оценивания надежности ИС позволил выделить следующие группы видов неисправностей, вызывающих общесистемные отказы: ДФ АС (физические дефекты, вызывающие отказы аппаратных средств ИС), ДП ПС (дефекты проектирования, вызывающие отказы ПС ИС), ДВ СО (дефекты взаимодействия, обусловленные случайными ошибками обслуживающего персонала и пользователей, и вызывающие отказы ПС ИС), ДВ ЗД (дефекты взаимодействия, обусловленные злонамеренными действиями обслуживающего персонала и пользователей, и вызывающие отказы ПС ИС). Анализ показал, что на надежность ИС существенно влияют отказы ПС, вызванные не внутрисистемными факторами, а случайными и преднамеренными воздействиями на систему. Устранение причин таких отказов возможно только на этапе эксплуатации системы при обновлении ПС, а существующие модели функционирования программной компоненты ИС не позволяют описать взаимосвязь между процедурами восстановлений и обновлений ПС. Поэтому научно-техническая задача разработки методов обеспечения заданных требований к надежности ИС в условиях внешних воздействий и проявления неисправностей аппаратно-программных средств на основе выбора типов и параметров процедур обновлений ПС системы является актуальной и имеет важное научно-практическое значение.

Первым научным результатом является усовершенствованный метод оценивания надежности ИС, который базируется на двухуровневом представлении их состояний, учитывает отказы, вызванные неисправностями аппаратно-программных средств и внешними воздействиями, что позволяет повысить точность оценки показателя готовности ИС на 3-5%. Для реализации метода необходимо определить частные показатели надежности системы с учетом только одной из групп видов неисправностей. В работе рассмотрены существующие модели надежности (МН), позволяющие определить частные показатели надежности системы с учетом ДФ АС и ДВ СО. Определение частного показателя надежности ИС с учетом изменения интенсивности отказов ПС, вызванных ДП, основано на применении математического аппарата многофрагментного моделирования. При этом количественная оценка изменения интенсивности отказов получена на основании комплексирования МН ПС Мусы, RL-92-52, IBM.

Для определения закона и параметров распределения времени между отказами ПС, вызванными ДВ ЗД, был выполнен статистический анализ базы данных об атаках на ИС. За основу анализа была взята операционная система Windows NT и по результатам обработки выборки методом максимального правдоподобия была выдвинута статистическая гипотеза о показательном законе распределения времени между отказами. При этом параметрами закона выступают: начальная интенсивность отказов ПС, вызванных ДВ ЗД, и скорость увеличения интенсивности отказов, которая зависит от степени информационной безопасности ИС. Поэтому вторым научным результатом является модель интенсивности отказов ПС ИС, вызванных ЗД, основанная на статистической обработке данных об атаках и учитывающая, в отличие от существующих, параметры дефектов ПС и воздействий на систему, что позволяет обеспечить в этих условиях требуемый уровень надежности ИС с обновляемыми ПС.

На основе рассмотренных моделей и методов оценивания надежности были получены количественные значения коэффициентов готовности и технического использования ИС с учетом различных групп видов неисправностей и проведения обновлений ПС системы. Для проверки достоверности полученных результатов была разработана имитационная модель функционирования ИС. Анализ сравнения результатов аналитического и имитационного моделирования показал удовлетворительную сходимость.

Проведенные исследования послужили основой для дальнейшего развития метода повышения надежности ИС, который базируется на выборе типов и параметров процедур обновлений ПС, что позволяет увеличить готовность систем за счет устранения дефектов на этапе эксплуатации. Данный метод является третьим научным результатом.

Разработанные и усовершенствованные модели, методы и инструментальные средства оценивания и повышения надежности ИС позволили реализовать информационную технологию поддержки принятия решения по обеспечению заданных показателей надежности ИС с обновляемыми ПС.

Практическое значение полученных результатов состоит в том, что на основе проведенных исследований и предложенных методов: а) разработана программная реализация метода комплексной оценки надежности ИС с учетом отказов, вызванных неисправностями аппаратно-программных средств, злонамеренными действиями и случайными ошибками на основе имитационной модели; б) разработана программная реализация метода повышения надежности ИС на основе выбора типов и параметров процедур обновлений ПС.

Учитывая результаты внедрения разработанных моделей и методов, можно говорить о повышении надежности ИС до уровней HAL-4 (0,9999) и HAL-5 (0,99999) за счет выбора типов и параметров обновлений ПС. Предложенные методы и средства позволяют уменьшить долю ручных операций в процессе оценки качества программного обеспечения.

Ключевые слова: информационная система, обновление программных средств, виды неисправностей, метод повышения надежности.



ABSTRACT

Ponochovniy Y.L. Models and methods of information systems dependability providing taking into account of software update processes. - Manuscript.

Thesis on competition of scientific degree of Candidate of Technical Sciences by specialty 05.13.06 - automated control systems and progressive information technologies. - National Aerospace University “Kharkiv Aviation Institute”, Kharkiv, 2006.

Dissertation is devoted to development and perfection of estimation and providing models, methods, tools of information systems dependability taking into account of hardware and software failures and software update processes.

Scientific results are:

1) Model of failure rate of software information systems, with are caused by malicious faults is obtained for the first time. This model is based on a statistical data handling about attacks and takes into account, as against known, parameters of software faults and actions to the system, which allows providing required dependability level of information systems with updated software in these conditions.

2) The method of information systems dependability estimation is developed. It is based on double-lever representation of systems states, takes into account the failures, caused by hardware-software faults and exterior actions. The method allows rising exactitude of an estimation of an index of information systems availability measure. 3) The method of information systems dependability rising has received the further development. It is based on choice of types and parameters of software update procedures and allows increasing systems availability at the expense of defect elimination an operation phase.

The offered methods are realized as estimation models, engineering methods and algorithms of dependability estimation and increase. They are the tools of information technology of the information system dependability providing.

Key words: information systems, software update, fault mode, methods of dependability providing.

Размещено на Allbest.ru