Методы оценки надежности информационных систем Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

УДК 621.038 (075.8)

Баранова А.В., Ямпурин Н.П.

Арзамасский политехнический институт (филиал) НГТУ им. Р.Е. Алексеева, Арзамас, Россия

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ НАДЁЖНОСТИ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИСТЕМ

Введение

Информационные системы получили в настоящее время столь широкое распространение, что ни одна организация или предприятие не обходится без них. Они позволяют быстро решать многие задачи. Информационная система или вычислительная сеть (ВС) -это сеть обмена, распределённой обработки ин-

формации, образуемая множеством взаимосвязанных абонентских систем и средств связи. Средства передачи и обработки информации в ВС ориентированы на коллективное использование ресурсов (аппаратных, программных). Для качественной работы ВС необходимо, что бы эта система была надёжной. Надёжность ВС - это совокупная надёжность как аппаратной части, так и программных средств.

Надёжность аппаратной части может быть определена традиционными методами электронных средств. В статье предлагается расчёт надёжности аппаратной части окончательным методом выполнять по физической топологии сети в отличие от окончательного метода надёжности электронных средств. Для оценки надёжности программного продукта можно также считать, что отказы и сбои, возникающие в программе, вызывают неисправность ВС и их можно рассматривать как один из элементов, влияющих на интенсивность отказов сети и рассчитывать традиционным методом.

Основная часть

Информационные системы (ИС) являются аппаратно-программными комплексами и относятся к восстанавливаемым системам, надёжность обоих частей оценивается показателями, приведёнными в таблице 1 [3] .

Таблица 1.

Показатели безотказности ИС Обозначение показателя

Аппаратной части Программной части

Интенсивность отказов А Ап

Среднее время наработки на отказ То Т0 . п

Среднее время восстановления Тв Тв п

Коэффициент готовности А Ап

Вероятность безотказной работы R(t) Rn(t)

Коэффициент оперативной готовности Ког Ког.п

Надёжность ИС определяется как надёжностью аппаратной части, так и надёжностью программных средств, которые можно рассматривать независимо друг от друга.

Рассмотрим методы оценки надёжности аппаратной части ИС, которую в большинстве случаев можно считать вычислительной сетью (ВС) . Применяя метод изоморфизма, распространим методы расчёта надёжности электронных средств, т.е. аппаратной части на расчёт надёжности ИС. К ним применимы три вида расчёта: прикидочный, ориентировочный и окончательный [1].

Прикидочный расчёт выполняется на этапе формирования технического задания и выбора аппаратных средств. Расчёт выполняется по усреднённой интенсивности отказов в следующем порядке [1]:

- задаётся, исходя из мощности сети, среднее количество серверов, необходимых для построения ВС №);

- исходя из статистических данных, находится среднее количество единиц оборудования, приходящегося на один сервер (No) ;

- определяется общее количество единиц оборудования N, необходимого для построения ВС по формуле;

N = Nc + N0 ■ Nc ;

- находится усреднённая интенсивность отказов оборудования 1 :

m

1 =

i=1

m

где m - количество разновидностей; Аі - интенсивность отказов i-ой разновидности; - находится интенсивность отказов ЛВС по формуле

1с = N1 ;

- рассчитывается среднюю наработку на отказ и вероятности безотказной работы за требуемое время t для экспоненциального закона изменения надёжности:

1с

і

Ус (0 = ; (1)

- рассчитывается коэффициент

А

вс

Т0.вс

Т0.вс + Тв

(2)

готовности ВС

где Тв - время восстановления ВС, определяемое по формуле:

1 n

T =1- Е (t0 + л-1; (3)

1с i=l

где То - время ожидания ремонта, выбираемое из условия эксплуатации ВС; іві - среднее время восстановления і-го элемента; - рассчитывается коэффициент оперативной готовности ВС по формуле:

Ког = R(t)вс ■ А . (4)

Ориентировочный расчёт выполняется после выбора аппаратных средств ВС среднегрупповым методом в следующем порядке:

- всё оборудование разбивается на группы с примерно одинаковыми интенсивностями отказов и заносится в таблицу 2;

- подсчитывается ориентировочное число элементов в каждой группе и заносится в ту же таблицу. Таблица 2.

№ Тип оборудования Количество элементов Ni > н о £5 У н о

1 Сервер

2 Компьютер

3 Коммутатор

- определяется произведение Ni-Xi, характеризующее долю отказов, вносимых аппаратными средствами данной группы в общую интенсивность отказов;

- рассчитывается интенсивность отказов ВС путём суммирования интенсивностей отказов Ni-Xi по всем группам

1с = £ Nil; i=і

- определяется средняя наработка ВС на отказ и вероятность безотказной работы по формуле (1),

коэффициенты готовности и оперативной готовности по формулам (2), (4).

Окончательный расчёт выполняется после выбора топологии ВС по структурной модели надёжности ВС и структурной модели работоспособности. Структурная модель надёжности строится по физической топологии сети, что является косвенным методом оценки надёжности [б].

Рассмотрим пример ВС с топологией «звезда», схема которой представлена на рис. 1,а [4], а

структурная модель надёжности представлена на рис.1,6.

б)

Рис. 1. Схема ВС с топологией «звезда» (а) и её модель надёжности (б)

По структурной схеме определяется вероятность безотказной работы ВС по формуле:

Ус = R

c

і-(і - у У

где Rc - вероятность безотказной работы сервера; RK - вероятность безотказной работы компьютера .

Затем вычисляется среднюю наработку на отказ ВС по формуле:

Т0.вс = J Rc

і-(і - У)

m

dt

0

При вычислении считаем, что Rc и RK подчиняются экспоненциальному закону надёжности. Коэффициент готовности при расчёте окончательным методом можно определить исходя из ботоспособности вычислительной системы. Для ВС с топологией «звезда» (рис. 1,а) схема

имеет вид, приведённый на рис.2.

схемы ра-состояний

Рис. 2. Схема состояний ТВС типа «звезда»

Данная сеть работоспособна, если работает хотя бы один компьютер при работающем сервере. При выходе всех компьютеров либо сервера она неработоспособна.

Обозначим возможные состояния системы при работающем сервере:

0 -работают все компьютеры, сервер и система исправна Ro;

1 -отказал один компьютер, но ВС функционирует Ri;

2 -отказало два компьютера, но система работает;

J -отказало j компьютеров, но система работает; j =0, m -1;

m -отказали либо все компьютеры, либо сервер, в обоих случаях система не работает.

Определение коэффициента готовности для стационарного состояния выполняется с помощью системы алгебраических уравнений

-тЩ -ЛсК0 + m(R + Rm) = 0; шШ0 - [(т - Щ + HRj + pR2 = 0;

[т - (j - 1)]Щ-і - [(т - j)X + HR- + mRj+i = 0;

A-R-l + R0) 2MRm = 0;

m

Z Rj=1

j=1

Из систем алгебраических уравнений находим коэффициент неготовности «U» равный Rm и коэффициент готовности А=1-и.

Такая схема работоспособности позволяет считать вычислительную систему сложной системой. При большом числе элементов в сети определение коэффициента готовности получается сложной задачей. Для упрощения решения задачи можно рассматривать вычислительную систему как простую и определять коэффициент готовности так же как в прикидочном и ориентировочном методе, после чего можно вычислить Ког.

Согласно ГОСТ Р53111-2008 коэффициент готовности вычислительной сети должен быть не менее 0,99, а коэффициент оперативной готовности £ 0,8

Программное обеспечение информационных систем включает в себя прикладные и сервисные программы, операционные системы, компиляторы и т. д.

Надёжность программного обеспечения (ПО) - это способность безотказно выполнять определённые

функции при заданных условиях в течении заданного периода времени с достаточно большой вероятностью. Надёжность ПО проявляется во времени, т.е. является динамическим понятием, хотя сама программа сугубо статична и построена на основе операторов, наборов алгоритмов и фрагментов.

Зависимость интенсивности отказов программного обеспечения, используемого для обработки информации и управления имеет вид, представленный на рис. 3, где Ад - характеристика программного продукта аналогично такой же характеристике для аппаратных средств [1]. Но ввиду того, что программный продукт не имеет физического старения, и подвержен только моральному износу, то участок III отсутствует, поэтому изображён пунктиром. На участке эксплуатации (II) можно считать для программного продукта l = const и минимально, поэтому расчёт показателей надёжности ПО, приведённых в таблице 1 проводится по формуле:

T0. п =1 и Rn(t) = є1 ;

1

А =_TLn_

Т0.п + Ап

где Тв.п - время восстановления программного продукта. Коэффициент оперативной готовности определяется по формуле

(4) .

Когп = R (t) ■ An

Заключение

1. Предложено оценивать надёжность ИС по аппаратной и программной частям, рассматривая их независимо друг от друга.

2. Для оценки надёжности аппаратной части ИС на основе метода изоморфизма предложено использовать методы расчёта надёжности электронных средств: прикидочный, ориентировочный и окончательный. Определены области использования вышеуказанных методов и особенности применения к расчёту аппаратной части ИС.

3. Показано, что оценку надёжности программных средств целесообразно проводить теми же методами и с применением таких же показателей, что и аппаратной части.

ЛИТЕРАТУРА

1. Ямпурин, Н.П. Основы надёжности электронных средств: Учебное пособие./ Н.П. Ямпурин; А.В. Баранова; под ред. проф. Ямпурина Н.П. - М.: Академия, 2010. - 240 с.

2. ГОСТ Р 53111-2008. Устойчивость функционирования сети связи общего пользования.

3. ГОСТ Р 53480-2009. Термины и определения.

4. Баранова, А.В., Ямпурин, Н.П.Оценка надёжности аппаратной части типовой телекоммуникационной вычислительной сети / А.В. Баранова, Н.П. Ямпурин// Труды НГТУ «Радиоэлектронные телекоммуникационные системы и устройства». - Н.Новгород, Изд. НГТУ, 2004. - С. 111-113.

5. Ковалёв, А.И. Надёжность систем связи по линии электропередачи/ А.И. Ковалёв, Н.П. Ямпурин // Труды Международного симпозиума «Надёжность и качество - 2011» в 2-х томах. Том2 / Под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. - С. 172-175.

6. Дедков В.К., Северцев Н.А. Причинно следственные основы косвенного метода прогнозирования показателей надёжности/ ВК Дедков, Н.А. Северцев. Труды Международного симпозиума «Надёжность и качество -2010» в 2-х томах. Том 1/ Под ред. Н.К. Юркова. - Пенза: изд-во ПГУ, 2010. - С. 3-4.