Методы повышения надежности сетевых технологий для корпоративных информационных систем

Размещено на http://www.allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МЕТОДЫ ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СЕТЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ДЛЯ КОРПОРАТИВНЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

05.13.01 Системный анализ, управление и обработка информации

(в технике и технологиях)

Бритов Александр Георгиевич

Санкт-Петербург 2007

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Мирончиков Евгений Тимофеевич

Официальные оппоненты:

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Щербаков Олег Вячеславович;

кандидат технических наук, доцент Шкиртиль Вячеслав Иванович

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие Ленинградский отраслевой научно-исследовательский институт связи, Санкт-Петербург

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения» по адресу 190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 67.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.233.02

доктор технических наук, профессор Л.А. Осипов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы обусловлена тем, что в настоящее время сетевые технологии составляют основу корпоративных информационных систем современных предприятий, бизнес которых требует непрерывной, надежной работы средств связи и обработки данных. Важной задачей является обеспечение надежности сетевых технологий. При появлении сбоев и отказов в технических и программных средствах корпоративной информационной системы нарушается нормальная работа всех пользователей системы, также очень опасны нарушения в информационных процессах хранения данных, такие как потеря данных, либо их искажение. Такие нарушения в работе системы приводят к большим убыткам предприятия. Поэтому необходимо обращать самое пристальное внимание на информационные процессы, происходящие в системе, отслеживать ее надежность и правильность получаемых результатов обработки информации.

Вопросами оценки надежности систем управления, программного обеспечения и информационных сетевых структур посвящено немало исследований. Так, в известных работах А.М. Половко, О.В. Щербакова, Г.Н. Черкесова, В.А. Смагина предложены различные методы оценки надежности систем, исследованы источники потерь информации.

Обеспечение надежности сетевых технологий осуществляется с помощью введения и правильного использования избыточности. Об этом говорил еще Дж. фон Нейман в своей основополагающей работе, посвященной синтезу надежных организмов из ненадежных компонент. Начиная с 1964 г. в г. Ленинграде проходил симпозиум, на котором регулярно освещались вопросы введения избыточности в информационные системы. В работах Н.А. Железнова, Б.С. Флейшмана рассматривались информационные системы с общих позиций теории систем. В работах Е.Т. Мирончикова, В.Д. Колесника избыточность применялась для передачи информации с помощью помехоустойчивых кодов. А в работах М.Б. Игнатьева, Л.А. Мироновского, В.В. Михайлова, Е.И. Перовской избыточность вводилась в алгоритмы и структуры систем обработки информации. сетевой информационный избыточность корпоративный

Повышением надежности сетевых технологий занимаются и зарубежные фирмы. Так, компания 3Com разработала технологию XRN (eXpandable Resilient Networking), которая обеспечивает создание расширяемых отказоустойчивых сетей.

Новые информационные технологии требуют новых подходов к обеспечению надежности процессов передачи, хранения и обработки данных в корпоративных информационных системах.

Поэтому целесообразно рассмотреть методы введения избыточности в современные сетевые технологии и исследовать качество и надежность избыточных сетевых структур.

Цель работы состоит в разработке и исследовании методов повышения надежности сетевых технологий с помощью введения избыточности в информационные процессы корпоративных систем. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

· анализ методов повышения надежности информационных процессов,

· моделирование корпоративных систем на основе IDEF-технологии,

· разработка методов повышения структурной надежности локальных сетей на основе вводимой избыточности,

· создание системы моделирования качества и надежности локальных сетей, для определения соответствия между избыточностью и надежностью, а также необходимого времени реагирования для предотвращения отказов,

· моделирование локальной сети корпоративной информационной системы конкретного предприятия.

Методы исследования используют результаты теории моделирования систем, теории вероятностей, теории марковских процессов и теории информационных процессов и систем.

Научной новизной обладают следующие результаты работы:

1) структура разработанной избыточной сетевой единицы, использование которой в локальных сетях обеспечивает повышение ее надежности и качества.

2) методы передачи, хранения и обработки информации в разработанной избыточной сетевой единице, позволяющей получить результаты с требуемыми характеристиками надежности.

3) оценка качества и надежности предлагаемых сетевых структур, основанных на предлагаемой сетевой единице.

4) вычислительная модель качества и надежности сетевых структур, отличающаяся тем, что для моделирования систем высокого порядка используется рекуррентная схема вычислений.

Практическая ценность работы заключается в том, что в ней предложена структура локальной сети корпоративной информационной системы, использующая избыточные сетевые единицы, которая обладает высокой надежностью, что обеспечивает уменьшение времени простоя и сокращает расходы на обслуживание. Результаты моделирования, полученные с помощью разработанной системы моделирования, подтверждают сказанное.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Шестой, Седьмой, Восьмой, Девятой научных сессиях аспирантов ГУАП (г. Санкт-Петербург 2003, 2004, 2005, 2006 г.г.), на III, IV, V Международных научно практических конференциях МБИ (г. Санкт-Петербург 2004, 2005, 2006 г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Структура предлагаемой избыточной сетевой единицы, обладающей повышенными надежностью и качеством.

2. Методы передачи, хранения и обработки информации в разработанной избыточной сетевой единице, которая обеспечивает повышение надежности сетевых технологий.

3. Структурный анализ, моделирование качества и надежности локальных сетей, в которых используется предлагаемая сетевая единица повышенной надежности.

Структура работы. Диссертация изложена на 140 страницах и состоит из введения, 5-ти глав с выводами, заключения, списка использованных источников, включающего 75 наименования, и 4-х приложений. Основное содержание диссертации включает 71 рисунок и 7 таблиц.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цели диссертационной работы и основные задачи, приведены положения, выносимые на защиту, и определена практическая ценность работы.

В первом разделе проанализированы методы повышения надежности сетевых технологий для корпоративных информационных систем. Сетевые технологии основаны на использовании информационных процессов передачи, обработки и хранения информации. Все они реализуются в локальных вычислительных сетях корпоративных информационных систем. Методы повышения надежности локальных сетей предназначены для борьбы с проанализированными в диссертации неисправностями. Эти методы можно разделить на три группы:

· обеспечение надежности передачи данных,

· надежная обработка информации,

· надежное хранение данных.

Во всех случаях под надежностью понимается свойство канала или компьютера сохранять требуемые параметры, несмотря на появление различных неисправностей.

В соответствии со стандартами информационно-вычислительных сетей, логическая модель всякой локальной сети должна иметь модульную структуру:

· модули взаимодействия и соединения,

· модули обработки информации,

· модули рабочих станций.

Проблема повышения надежности модулей взаимодействия и соединения имеет непосредственное отношение к обеспечению помехоустойчивости каналов связи. В связи с этим рассмотрены методы повышения помехоустойчивости указанных модулей, которые являются основными модулями в модели локальной сети корпоративной информационной системы.

Надежность вычислений в модулях обработки информации рассматривалась уже давно. Методы повышения надежности обработки информации очень разнообразны, но всегда связаны с введением и последующим использованием избыточности.

Методы повышения надежности процессов хранения информации на физическом уровне связаны с избыточным кодированием хранящихся данных, восстановлением данных при отказах и контролем устройств хранения. Повышение надежности хранения данных на логическом уровне связано с обеспечением целостности баз данных. Оно контролирует ввод исходных данных, следя за непротиворечивостью создания новых записей в таблицах.

Анализ разнообразных методов повышения надежности сетевых технологий показал целесообразность разработки сетевой единицы, в которой бы объединились возможные методы введения и использования избыточности.

При построении локальной сети предлагается использовать избыточную сетевую единицу, в которой между тремя модулями взаимодействия и соединения используются не два, а три канала. В результате можно организовать девять маршрутов, поэтому мера верности передачи данных определяется верностью потери данных из-за «замирания» одного, двух или даже трех каналов передачи данных. Вероятность потери связи

P₃ = (3 - 2p)p²,

где p - вероятность прерывания передачи данных в одном канале.

Вероятность потери данных в минимальной сетевой единице, имеющей всего два канала составляет величину:

P₂ = (2 - p)p.

Вероятность потери связи в избыточной сетевой единице всегда меньше, чем вероятность потери связи в минимальной сетевой единице.

Таким образом, метод избыточной маршрутизации хорошо обеспечивает надежность локальной сети корпоративной информационной системы и может быть использован в конкретных случаях.

В избыточной сетевой единице могут быть организованы избыточные вычисления. В каждом из трех узлов сетевой единицы выполняются одинаковые вычисления. Алгоритм избыточных вычислений основан на сравнении получаемых результатов. Оценка вероятности ошибочного результата приводит к известному графику Дж. фон Неймана. Из этого графика следует, что избыточные вычисления могут быть как эффективными, так и неэффективными.

Предложен более сложный алгоритм организации избыточных вычислений. Он реализуется в узле 1. Результат вычислений здесь сравнивается с результатами вычислений в узлах 2, 3. Выводится результат, принимающий значения, полученные в узле 1 или в узле 2. Возможен также пустой результат (ошибка), когда алгоритм не может получить правильного ответа.

Оценка вероятностей ошибочного результата и пустого ответа показывает, что избыточные вычисления всегда приводят к выигрышу. Кроме того, вероятность получения пустого результата тоже всегда меньше вероятности ошибки вычислений. А вот суммарная вероятность соответствует классическому графику Дж. фон Неймана.

Рассмотрена избыточная транзакция в сетевой единице. Транзакция должна сохранять непротиворечивость базы данных информационной системы не только с точки зрения целостности данных, но и с точки зрения надежности. Это значит, что если в какой-нибудь таблице базы данных пропадет запись, то при выполнении запроса к этой таблице надежная транзакция должна возвратить правильный ответ.

Решение поставленной задачи - обеспечение надежности транзакции в базах данных корпоративных информационных систем - может быть получено только с помощью избыточности. Очевидно, что возвратить правильный ответ на запрос к таблице с нарушенными записями можно в том случае, если эти записи дополнительно существуют в других местах. Построена надежная транзакция для распределенной базы данных, таблицы которой хранятся в трех узлах избыточной сетевой единицы.

Для трех таблиц T₁(id₁,A₁), T₂(id,A₂), T₃(id₃,A_3,), хранящих одинаковые данные в полях A₁, A₂, A₃ и имеющих ключи id₁, id₂, id₃, можно построить запрос:

SELECT IIf(T1!id1=T2!id2,IIf(T1!id1=T3!id3,T1!A1,T2!A1),T3!A1) AS A

FROM T1, T2, T3

GROUP BY IIf(T1!id1=T2!id2,IIf(T1!id1=T3!id3,T1!A1,T2!A1),T3!A1);

Его результаты будут правильными, независимо от потерь записей в таблицах. Вероятность ошибки избыточной транзакции - , при вероятности ошибки в таблице - p и вероятности возникновения одинаковых ошибок в двух таблицах - p_0. График Джона фон Неймана показывает, что избыточная транзакция в сетевой единице всегда приводит к выигрышу.

Итак, результатами проведенного анализа и разработки сетевой единицы является вывод о том, что методы повышения надежности информационных процессов передачи, обработки и хранения данных связаны с введением и использованием избыточности.

Во втором разделе выполнено функциональное моделирование корпоративной информационной системы с позиций управления ее ресурсами. При разработке корпоративных информационных систем важным этапом является моделирование деятельности организации.

IDEF0-технология позволяет строить функциональную модель процесса в виде совокупности диаграмм. Каждая диаграмма содержит функциональные блоки и стрелки. Построено формальное описание функционального моделирования на основе известного системного подхода М. Месаровича.

Исходным материалом для будущей модели служат следующие множества объектов, данных D, действий A, правил выполнения действий R.

Постановка задачи для моделируемого процесса:

Объекты из О обрабатывают исходные данные из D согласно действиям из А по правилам из R, чтобы получить результаты из D.

Функциональный блок есть пятиместное отношение F_i D{A_i}DOR, где A_i A представляет собой действие функционального блока. Функциональная модель есть однородное бинарное отношение множества функциональных блоков F={ F_i } - F_M FF. Граф однородного отношения F_M имеет вид дерева, так как функциональные блоки объединяются по принципу декомпозиции. Учитывая взаимно однозначное соответствие между действием A_i и функциональным блоком F_i, строится однородное бинарное отношение множества действий AA . Граф этого бинарного отношения называют деревом узлов. Функциональная модель, построенная по IDEF0-технологии, дает наглядное и полное описание бизнес-процесса.

Разработана методика оценки качества функциональной модели. Если r - число уровней функциональной модели, n_i - число диаграмм на i-ом уровне, то о качестве функциональной модели можно судить по коэффициенту , где: N - число диаграмм в модели, причем , N₀ =r - число

диаграмм в цепной модели, имеющей по одной диаграмме на каждом уровне. Дерево диаграмм цепной модели представляет собой цепь, начальная вершина которой - контекстная диаграмма, а концевая вершина - последняя диаграмма модели. Вряд ли можно считать цепную модель удачным вариантом моделирования, обеспечивающим хоть какую-нибудь полноту и качество.

Чем больше коэффициент , тем дальше построенная модель от вырожденного, цепного случая, тем более детальной и полной она должна быть. Очевидно, что этот коэффициент не может оценить правильность модели. Такую задачу решают эксперты, но сделать предварительный вывод о глубине проработки модели он в состоянии.

Функциональную модель, дерево диаграмм которой, начиная со второго уровня (на первом и втором уровнях дерева диаграмм всегда по одной диаграмме) является бинарным, назовем регулярной. Для нее можно построить формулу вычисления коэффициента по числу уровней r дерева диаграмм модели: . Например, при четырех уровнях дерева диаграмм регулярной функциональной модели коэффициент = 2. Это значит, что регулярная модель в два раза полнее, чем цепная.

Разработана функциональная модель бизнес-процесса управления информационными ресурсами локальной сети корпоративной системы предприятия. Корпоративная система позволяет операторам, которые связываются с клиентами, предоставлять им различную информацию от сведений делового до сведений конфиденциального характера. Поэтому бизнес-процесс управления информационными ресурсами в системе представляет собой важную и ответственную часть деятельности предприятия.

Моделирование бизнес-процесса управления информационными ресурсами локальной вычислительной сети, обеспечивающей работу корпоративной информационной системы предприятия, позволяет определить основные действия, выполняемые специалистом по информационным технологиям (ИТ-специалистом). В результате моделирования можно получить полное представление о деятельности ИТ-специалиста. Постановка задачи для моделирования управления информационными ресурсами локальной сети предприятия:

ИТ-специалист на основе списка задач осуществляет согласно Уставу предприятия управление информационными ресурсами сети для получения документов о создании и эксплуатации сети.

Построена контекстная диаграмма управления информационными ресурсами сети. Выполнена декомпозиция управления информационными ресурсами локальной сети. Следуя предложениям Дугласа Росса, в каждой диаграмме декомпозиции должно быть не более 4 - 6 функциональных блоков.

Оценена глубина детализации построенной функциональной модели управления информационными ресурсами предприятия: =1.25. Конечно, глубина моделирования недостаточна для реальной корпоративной системы. Она всего на 25% превышает глубину моделирования вырожденной, цепной модели. Но полученная модель может быть удовлетворительной для предварительной, теоретической работы, в которой рассмотрены методические аспекты функционального моделирования бизнес-процесса управления информационными ресурсами корпоративной системы предприятия и обращается внимание на обеспечение надежности сети.

Из диаграмм следует, что за надежность локальной сети корпоративной системы несет ответственность ИТ-специалист. Поставленная перед ним задача обеспечения надежности требует ежедневного решения, так как разрушение, деградация локальной сети приводит к нарушению всех работ предприятия.

Задачи повышения надежности на основе введения и использования избыточности локальной сети можно использовать следующим образом:

· определить объект повышения надежности - сетевую единицу, которая будет служить основой локальной сети, и определять ее надежность;

· ввести избыточность в сетевую единицу;

· проанализировать качество и надежность информационных процессов передачи, хранения и обработки информации в избыточной сетевой единице;

· проанализировать качество и надежность локальных сетей, в которых используется или не используется избыточная сетевая единица;

· показать использование избыточной сетевой единицы в локальной сети конкретной корпоративной информационной системы.

В соответствии с деревом декомпозиции бизнес-процесса управления информационными ресурсами сети предприятия повышение надежности локальной сети на основе введения и использования избыточности позволит:

· обеспечить требуемую надежность вычислительных устройств,

· уверенно работать с вычислительными устройствами,

· повысить достоверность получаемых результатов при обработке информации,

· увеличить качество управления информационными ресурсами.

В третьем разделе выполнен структурный анализ надежности локальных сетей. Они составляют основу технического обеспечения корпоративных информационных систем. Объединяя локальные сети фирм корпорации, получают глобальную сеть, с помощью которой непрерывно осуществляется управление всей деятельности корпорации. Поэтому любые нештатные ситуации, возникающие в результате отказов каналов в локальных сетях, приводят к серьезным нарушениям работы корпорации.

Локальная сеть анализируется в предположении, что она имеет n состояний, переходы между которыми определяются возможными ситуациями. Вектор переходных вероятностей удовлетворяет известным рекуррентным уравнениям марковского процесса.

Важной характеристикой надежности локальной сети является коэффициент готовности. Он определяет долю времени, в течении которого локальная сеть работоспособна. Пусть из n состояний локальной сети только первые m состояний определяют ее работоспособность. Тогда коэффициент готовности численно равен вероятности нахождения локальной сети в работоспособных состояниях:

.

Для вычисления коэффициента готовности необходимо разделить все состояния локальной сети на две группы: работоспособные и неработоспособные. В тоже время каждое из состояний локальной сети имеет свое определенное качество, которое зависит от числа изолированных в результате нарушения маршрутов узлов сети. Поэтому целесообразно детализировать оценку надежности локальной сети, введя соответствующие коэффициенты качества состояний сети.

Принят следующий принцип задания составляющих вектора коэффициентов качества:

· исправная сеть имеет коэффициент качества равный числу ее узлов,

· работоспособная сеть имеет коэффициент качества равный числу ее связанных узлов,

· неисправная сеть имеет коэффициент качества равный числу ее несвязанных узлов, взятом со знаком минус.

Благодаря этому функция k(t) будет меняться от k_max = N до от k_min = - N, где N - число узлов сети. Максимальное значение коэффициента качества получается при исправной сети, а минимальное - при деградации сети. Значение k = 0 означает момент времени t₀, начиная с которого можно ремонтировать сеть.

Таким образом, анализ локальный сети, выполненный на основе уравнений марковского процесса, показывает, что ее качество падает со временем и может быть потеряно полностью (деградация сети), если не предпринимать мер по восстановлению либо оперативно, либо при достижении времени t₀.

Приведены результаты расчетов коэффициентов готовности и качества для следующих сетевых объектов:

· избыточная сетевая единица без восстановления маршрутов,

· избыточная сетевая единица с восстановлением маршрутов,

· сети без восстановления маршрутов типа «звезда», «кольцо», «общая шина», «соты»,

· сети указанных типов с поочередным восстановлением маршрутам,

· сети указанных типов с возможным восстановлением всех маршрутов.

В сетевых объектах без восстановления маршрутов переходные вероятности состояний сетей стремились к стационарному состоянию, в котором вероятность деградации была близка к единице. В зависимости от структуры сети скорость прихода к такому стационарному состоянию различна. Лучше всего ведет себя здесь избыточная сетевая единица, а хуже всех - «звезда». С точки зрения качества дольше всех сохраняет его избыточная сетевая единица. Хуже всех оказываются здесь «звезда» и «общая шина».

В сетевых объектах с восстановлением маршрутов как поочередно, так и всех сразу, вероятность восстановления принималась в два раза большей, чем вероятность потери маршрута. Это значит, что восстановление происходит быстрее, чем отказы. Благодаря восстановлению все структуры сетей не деградируют. Стационарные вероятности различны, но нигде вероятность неисправного состояния не приближается к единице. Из приведенных графиков следует, что она находится в интервале [0.1, 0.4]. С точки зрения качества лучше всех структур оказываются избыточная сетевая единица и «соты». Здесь качество сохраняется долго, либо не теряется вообще.

Итоги анализа удобно представить в виде таблицы.

Наименование структуры	Число узлов	Момент ремонта	Момент деградации	Р0
Сетевая единица	Без восстановления	4	11	44	0.99
«Звезда»		4	3	39	0.99
«Кольцо»		5	6	42	0.99
«Общая шина»		5	3	46	0.99
«Соты»		6	7	44	0.99
Сетевая единица	С поочередным восстановлением маршрутов	4	11	0	0.4
«Звезда»		4	5	0	0.35
«Кольцо»		5	10	0	0.35
«Общая шина»		5	4	0	0.25
«Соты»		6	12	0	0.1
Сетевая единица	С возможным восстановлением всех маршрутов сразу	4	0	0	0.4
«Звезда»		4	5	0	0.37
«Кольцо»		5	0	0	0.32
«Общая шина»		5	4	0	0.22
«Соты»		6	0	0	0.2

Таким образом, разные структуры локальных сетей ведут себя с точки зрения качества и надежности похожим образом. Небольшие отличия в лучшую сторону можно отметить у сетевой единицы и близкой к ней структуре «сот».

В четвертом разделе разработана система моделирования качества и надежности локальных сетей. Выполнение расчетов качества и надежности локальных сетей даже при четырех узлах сетей потребовало использования математического пакета MatLab. Если речь пойдет об исследовании реальных сетей с большим числом узлов, то целесообразно разработать систему моделирования. Она позволяет

· формировать матрицу рекуррентных уравнений марковского процесса переходных вероятностей для большого числа узлов сети,

· рассчитывать коэффициент качества для большого числа состояний сети,

· определять моменты ремонта и деградации сети,

· получать графики моделирования.

При разработке системы моделирования качества и надежности локальных сетей были выполнены следующие требования:

1. Локальная сеть состоит из узлов, соединенных каналами связи.

2. Локальная сеть является системой с n состояниями.

3. Первое состояние S₀ соответствует полностью неисправной сети, все узлы которой недоступны.

4. Последнее состояние S_n соответствует полностью исправной сети, все узлы которой полностью доступны.

5. Промежуточное состояние S_i соответствует частично исправной (работоспособной) сети, в которой из-за отказов каналов связи не все узлы оказываются доступными.

6. Ввод данных моделирования осуществляется в простой и удобной форме.

7. Вывод результатов моделирования понятен и нагляден.

Процесс переходов состояний S₀ > S₁ > …> S_n при появлении отказа канала связи с вероятностью p может быть описан как марковский процесс. Вектор переходных вероятностей в дискретный момент времени t обозначим p(t). Его длина n+1.

В уравнении переходных вероятностей p(t+1)=A_n+1(p)p(t) матрицу A_n+1(p) следует вычислять на основе графа переходов. Но в тех случаях, когда число узлов и число состояний сети велико, построение графа переходов становится проблемой. Поэтому необходимо пойти другим путем.

Матрицу A_n+1(p) можно вычислить рекуррентно, зная матрицу A_n(p). Формула вычисления матрицы A_n+1(p) имеет не математический, а, скорее, системотехнический вид: A_n+1(p)=[ A_n(p);0, a(p)]. Начальное значение матрицы A₂(p) очевидно и соответствует процессу «гибели-размножения»:

.

Вектор a(p) имеет длину n+1. Его составляющие вычисляются по формуле

.

Для того чтобы определить качество локальной сети, необходимо ввести в рассмотрение вектор коэффициентов качества k. Его длина n+1. Средний по переходным вероятностям коэффициент сети k_c(t)=k^Tp(t) является функцией времени.

В тот момент времени t₀, когда k_c(t₀)=0, локальная сеть требует ремонта. А в тот момент времени t_д, когда k_c(t_д) достигает минимального значения, локальная сеть деградирует (состояние S₀ ).

Процесс переходов состояний S₀ - S₁ - …- S_n при появлении отказа канала связи с вероятностью p и при восстановлении его с вероятностью q тоже может быть описан как марковский процесс с вектором переходных вероятностей p(t). Его длина по-прежнему равна n+1.

В уравнении переходных вероятностей p(t+1)=A_n+1(p, q)p(t) матрицу A_n+1(p,q) также следует вычислять на основе графа переходов. Но в тех случаях, когда число узлов и число состояний сети велико построение графа переходов сложно. Поэтому матрицу A_n+1(p,q) можно вычислить рекуррентно, зная матрицу A_n(p,q). Формула вычисления матрицы A_n+1(p,q) имеет не математический, а, скорее, системотехнический вид:

A_n+1(p,q)=[ A_n(p,q);0, a(p)]. Начальное значение матрицы A₂(p,q) соответствует процессу «гибели-размножения»:

Вектор a(p) имеет длину n+1. Его составляющие вычисляются по формуле

.

Все эти формулы дают возможность построить систему моделирования сложных ситуаций в локальных сетях, когда число состояний достаточно велико.

Система моделирования реализована в математическом пакете MatLab. Она состоит из программы-сценария, реализованного с помощью графического пользовательского интерфейса, и ряда функций для вычисления матрицы A_n(p), назначения коэффициентов качества состояний и др.

Для представления технологии моделирования целесообразно воспользоваться IDEF3 моделями. Выполнено формализованное описание IDEF3-технологии, основанное на теоретико-множественных положениях.

В соответствии с формализованным описанием IDEF3-технологии построены диаграммы описания последовательности этапов моделирования локальной сети. Процесс моделирования представлен в виде совокупности диаграмм, которые построены на основе принципа декомпозиции.

В пятом разделе с помощью разработанной системы моделирования качества и надежности локальных сетей выполнено исследование конкретной сети предприятия «Kelly Services», осуществляющего обслуживание клиентов. Для автоматизации многопрофильных задач предприятия, расположенного в самых разных регионах мира, создана корпоративная информационная система. Российские филиалы предприятия используют систему класса ERP2, основанную на платформе Microsoft Axapta. Техническое обеспечение системы предполагает использование корпоративной сети.

Схема моделирования локальной сети Северо-Западного региона имеет вид:

Узлы 1 - 5 образуют структуру «соты» из двух сетевых единиц, узлы 6 - 9 образуют структуру «звезда» с центром в узле 5. Выполнено моделирование представленной сети предприятия при различных соотношениях между вероятностями отказов и восстановления.

В том случае, когда восстановление происходит на порядок быстрее, чем отказ, сеть не требует ремонта и не деградирует. Хотя вероятность деградации существует, но в стационарном режиме не превосходит 0,2. Коэффициент готовности - 0,9. Это говорит о том, что непрерывная профилактика сети не приведет к проблемам в работе корпоративной информационной системы.

Таким образом, моделирование сети предприятия показывает устойчивую работу корпоративной информационной системы предприятия, так как вероятности деградации сети при правильной организации профилактики достаточно малы. Таких результатов удалось добиться благодаря использованию избыточных сетевых единиц.

Вследствие высокой надежности локальной сети корпоративной информационной Kelly Services удалось повысить качество предоставления IT-сервисов:

· электронная почта,

· Интернет,

· работа в корпоративной информационной системе,

· терминальный доступ к выделенным программам,

· работа с файловым сервером.

В случае выхода из строя локальной вычислительной сети все указанные сервисы становятся недоступными. Это останавливает работу офиса и приносит большие убытки предприятию.

Таким образом, построение локальной сети корпоративной информационной системы предприятия на основе избыточной сетевой единицы согласно дереву декомпозиции бизнес-процесса увеличивает качество управления информационными ресурсами, по крайней мере, в 2-5 раз, так как вероятность деградации сети при сколь угодно большом времени работы не превосходит 0.2-0.4.

Предположим, нарушается маршрут 7-5, обеспечивающий работу расчетного отдела. При этом должна произойти остановка функционирования ERP-системы Axapta, которая обеспечивает оформление сотрудников, расчет заработной платы и т.д. Значит, не будут выполнены обязательства по договорным отношениям с сотрудниками и временным персоналом, работающим в большом количестве различных организаций. Это приведет к выплате пенни.

Благодаря использованию избыточной сетевой единицы 7-5-6-7 деградации сети не произойдет, и связь нарушена не будет. ERP-система Axapta будет находится в рабочем состоянии.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключении отмечается, что в процессе работы были получены основные результаты:

1. Показано, что корпоративные информационные системы являются сложными объектами, включающими различные технические и программные средства и требующими надежного их функционирования в течение длительного времени.

2. Выполненное по IDEF0-технологии функциональное моделирование корпоративной информационной системы, показывает, что основная задача системы - управление информационными ресурсами - должна решаться с высокой надежностью.

3. Проведенный анализ методов повышения надежности локальных сетей приводит к выводу о том, что во всех случаях передачи, хранения и обработки информации необходимо вводить и правильно использовать избыточность. Показано, как можно это сделать для предложенной структуры сетевой единицы. Оценки вероятностей ошибок в избыточной сетевой единице при передаче, хранении и обработке информации в виде графиков Джона фон Неймана дают области эффективного использования избыточности в сетевой единице.

4. Надежность локальных сетей следует анализировать, используя аппарат марковских процессов. Графики переходных вероятностей состояний сети показывают, как во времени происходит изменение надежности сети. Полученные переходные вероятности позволяют получить коэффициент готовности и средний коэффициент качества сети. С помощью последнего определяются моменты ремонта и деградации сети.

5. Проведенный структурный анализ качества и надежности локальных сетей позволяет сделать вывод о том, что для обеспечения требуемой надежности сети должно выполняться восстановление каналов, согласованное по своим вероятностным характеристикам с вероятностными характеристиками отказов.

6. Создана система моделирования качества и надежности локальных сетей для того, чтобы быстро и наглядно получать требуемые вероятностные характеристики отказов и восстановления сети. Она построена на основе графического интерфейса GUI пакета MatLab.

7. Вычислительная модель, положенная в основу системы моделирования, использует рекуррентный способ расчета матрицы коэффициентов уравнений переходных вероятностей.

8. Моделирование локальной сети корпоративной информационной системы предприятия Kelly Services показывает работоспособность созданной системы моделирования. Полученные результаты не противоречат здравому смыслу и соответствуют реальной эксплуатации сети предприятия.

9. Промоделирована локальная сеть Северо-Западного региона корпоративной информационной системы предприятия Kelly Services.

10. При моделировании локальной сети Северо-Западного региона корпоративной информационной системы предприятия Kelly Services получены варианты с отсутствующими моментами ремонта и деградации сети.

ПУБЛИКАЦИИ

1. Бритов А.Г. IDEF - технологии разработки и реализации корпоративных информационных систем // Шестая научная сессия аспирантов ГУАП. Часть I. Технические науки. - СПб, 2003 - СС 147-151.

2. Бритов А.Г. Локальная вычислительная сеть корпоративной информационной системы // Вестник экономического научного общества студентов и аспирантов. №4 - СПб.:МБИ, 2003 - СС 13 - 20.

3. Бритов А.Г. Модель бизнес-процесса управления информационными ресурсами локальной вычислительной сети // III международная научно-практическая конференция - СПб, 2004 - СС 252 - 253.

4. Бритов А.Г. Анализ методов повышения надежности локальных сетей в корпоративных информационных системах // Седьмая научная сессия аспирантов ГУАП. Часть I. Технические науки. - СПб, 2004 - СС 159-163

5. Бритов А.Г. Анализ качества локальной сети корпоративной информационной системы // IV международная научно-практическая конференция - СПб, 2005 - СС 160 - 162

6. Бритов А.Г. Качество и надежность локальных сетей корпоративных информационных систем // Восьмая научная сессия аспирантов ГУАП. Часть I. Технические науки. - СПб, 2005 - СС 265-268

7. Бритов А.Г. Надежные транзакции в базах данных корпоративных информационных систем // Девятая научная сессия аспирантов ГУАП. - СПб, 2006

8. Бритов А.Г. Система моделирования надежных локальных сетей корпоративных информационных систем // V международная научно-практическая конференция - СПб, 2006 - СС 139 - 140

9. Бритов А.Г., Мирончиков Е.Т. Избыточность в информационных процессах систем обработки и защиты данных // Проблемы информационной безопасности. Компьютерные системы. №2, 2006.

Размещено на Allbest.ru