Ващенко Г.В., Добронец Б.С. Надежность информационных систем

Подождите немного. Документ загружается.

Надежность информационных систем 41

Параллельное соединение элементов

1. Из определения параллельного соединения элементов вероятность от-

каза системы

Q(t) = Π

i=1

(t).

2. Вероятность безотказной работы системы

P (t) = 1 − Q(t) = 1 − Π

i=1

(t) = 1 − Π

i=1

(1 − P

(t)) ≈ 1 − (λt)

Допустим, что все элементы одинаковы, находятся в одинаковых усло-

виях эксплуатации и λ

(t) = λ

= const. Тогда

Q(t) = (1 − e

−λ

)

P (t) = 1 − (1 − e

−λ

)

λ(t) =

f(t)

P (t)

(t)

P (t)

n(1 − e

−λ

)

n−1

−λ

1 − (1 − e

−λ

)

t = (

i=1

(1/i))/λ

Эти выражения позволяют сделать вывод о том, что при параллельном

соединении элементов надежность системы выше, чем надежность составля-

ющих ее элементов.

Пример 1.2. Система состоит из n параллельно соединенных равнона-

дежных подсистем, вероятность безотказной работы каждой из которых P

= 0,9.

Определить потребную кратность резервирования, чтобы вероятность

безотказной работы системы была не ниже P = 0, 99.

Решение.

P (t) = 1 − (1 − P

)

При параллельном соединении элементов 1 − (1 − P

)

≥ 0.99, откуда 1 −

0, 1

≥ 0, 99 или 0.01 ≥ 0, 1

. Но 0, 01 = 0, 1

, следовательно n ≥ 2.

Выводы

1. Чем большее число показателей надежности системы определяется

при анализе ее надежности, тем более подробным становится этот анализ.

Вместе с тем перечень используемых показателей надежности должен быть

не просто максимально полным, но и целесообразным, т. е. отвечающим за-

даче объективной характеристике требуемых свойств объекта.

2. В системе показателей надежности необходимо выделять основные и

вспомогательные. Для объектов, сложных по своей структуре, многофункци-

ональных по решаемым задачам, используемых в различных рабочих режи-

мах, основными показателями надежности являются комплексные показате-

ли надежности.

42 Общие положения теории надежности

3. Количественные значения показателей надежности следует задавать

с учетом двух противоречивых требований: с одной стороны, показатель на-

дежности должен быть не ниже уровня, обеспечивающего требуемую эффек-

тивность, с другой стороны, он не должен превышать уровня, который может

быть обеспечен возможностями производства.

Задача проектирования системы заключается в том, чтобы выбором прин-

ципиальной схемы, алгоритма и средств обеспечения надежности выполнить

эти два противоречивых требования. Для этого необходим всесторонний ана-

лиз возможных вариантов решения поставленной задачи с привлечением мо-

делирования и численных методов расчета.

4. Дальнейшее совершенствование показателей надежности современ-

ных сложных систем продолжает оставаться актуальной задачей. Важней-

шими направлениями совершенствования являются внедрения показателей

надежности, учитывающих индивидуальную надежность конкретных объек-

тов; показателей надежности, учитывающих влияние надежности на эффек-

тивность, влияние программного обеспечения, человеческого фактора, живу-

чести и достоверности.

Контрольные вопросы

1. Дайте определение понятию качество и перечислите характеристики

качества промышленных изделий.

2. Перечислите основные понятия надежности.

3. Как классифицируются объекты по надежности?

4. Назовите причины возникновения отказов.

5. К какому типу отказов относится отказ работы ПК в связи с активи-

зацией компьютерного вируса, например “Чернобыль”?

6. К какому типу отказов относится сбой файловой системы.

7. К какому типу отказов относится отказ, устраняемый после переза-

грузки ОС?

8. Приведите примеры внезапного, функционального, параметрическо-

го, независимого отказов ПК.

9. В каких случаях применяются вероятностная и статистическая фор-

мы представления показателей надежности?

10. Перечислите способы повышения надежности ИС.

11. Дайте общую характеристику дублирования информации в компью-

терных системах

12. Назовите пути повышения надежности и отказоустойчивости ИС.

13. Какие преимущества имеют адаптивные системы по сравнению с

другими отказоустойчивыми системами

14. По каким направлениям происходит оптимизация взаимодействия

Надежность информационных систем 43

человека с ИС?

15. Каким образом достигается блокировка ошибочных операций в ком-

пьютерных системах?

Глава 2

Факторы, влияющие на надежность

2.1. Факторы, влияющие на снижения надежности ИС

Часть отказов ИС обусловлено отказами различных технических устройств

(ТУ), входящих в ИС. Эти отказы происходят вследствие воздействия раз-

личных факторов, к которым относятся физические, физико-химические и

химические, биологические и эксплуатационные факторы.

Физические причины возникновения отказов

Физические причины или факторы возникновения отказов представляют

собой физические явления, процессы и свойства среды, воздействующие на

ИС и наносящие им вред и тем самым ухудшающие их состояния.

Физические факторы делятся на внешние и внутренние.

Внешние физические факторы являются совокупностью свойств внеш-

ней окружающей среды, оказывающих влияние на работоспособность ИС.

К ним относятся чрезмерно высокая или низкая окружающая температу-

ра, осадки, высокая влажность воздуха, низкое давление, наличие в воздухе

взвешенной пыли, аномальные электромагнитные проявления окружающей

среды.

Внутренние физические факторы представляют собой те явления и про-

цессы, которые, развиваясь в ИС во время их функционирования, одновре-

менно влияют на состояние и рабочие режимы этих же ИС и их составных

элементов, а также ТУ, взаимосвязанных с ними. Сюда можно отнести виб-

рацию, внутренний перегрев и другие факторы.

Под влиянием длительного воздействия на ИС физических факторов

происходит износ элементов (деталей сложных ИС) и старение материалов,

из которых они выполнены.

Износ характеризуется постепенным изменением формы и размера от-

дельных элементов системы, что приводит к ухудшению работы систем.

Старение характеризуется постепенным структурным изменением мате-

риалов, из которых изготовлены ТУ. Это, в свою очередь, ведет к ухудшению

Надежность информационных систем 45

их рабочих характеристик.

Физико-химические и химические причины возникновения от-

казов

К физико-химическим факторам, снижающим надежность работы ТУ,

относятся такие процессы внешней среды и процессы, происходящие в са-

мих ТУ, в результате физического действия которых происходят химические

реакции или изменение физических свойств ТУ. К таким явлениям можно от-

нести вредные химические примеси в атмосфере, действие лучистой энергии,

электроэрозию, чрезмерное выделение тепла, например, в результате корот-

кого замыкания.

К химическим факторам относятся химические реакции, приводящие к

изменению молекулярного состава материалов. К наиболее распространенной

реакции такого типа относится окисление железа. Появляющиеся в резуль-

тате этого процесса окислы имеют отличные от первоначальных материа-

лов физико-химические свойства. Другой распространенной медленнотеку-

щей химической реакцией является полимеризация изоляционных материа-

лов в электрических проводах. Полимеризация ведет к отвердеванию изоля-

ции, потере упругости и изолирующих свойств и дальнейшему разрушению.

Вследствие этого происходят короткие замыкания, приводящие к большим

разрушениям и даже человеческим жертвам.

Биологические факторы, влияющие на ухудшение эксплуата-

ционных свойств технических объектов

К биологическим факторам относится воздействие животных и расти-

тельных организмов, наносящее вред ТУ. Наиболее часто биологические фак-

торы проявляются при хранении ТУ. В этот период, если не соблюдены необ-

ходимые при хранении профилактические меры, хранящееся устройство мо-

жет подвергнуться воздействию термитов, уничтожающих изоляционные ма-

териалы, каучуки, полимеры. Аналогичным образом воздействуют на ТУ и

мелкие грызуны. Большой вред для электрических и электронных систем

могут принести тараканы. Они становятся причиной короткого замыкания в

электрических и электронных схемах.

Многие ТУ в холодное являются источником тепла. Поэтому мелкие жи-

вотные через различные отверстия могут проникнуть внутрь и стать причи-

ной замыканий, несрабатывания, поломок и разрушений отдельных деталей.

Эксплуатационные факторы возникновения отказов

К эксплуатационным факторам относятся технические возможности са-

мих ТУ, технологического оборудования для профилактических работ, а так-

же объективные и субъективные возможности специалистов, задействован-

ных в процессе эксплуатации ТУ. К причинам, по которым могут возникать

46 Факторы, влияющие на надежность

отказы в процессе эксплуатации и проведения профилактических работ, чаще

всего относят:

несоблюдение требований эксплуатации, чрезмерно высокая интенсив-

ность эксплуатации;

невыполнение требуемого объема ремонта;

отсутствие технологического оборудования и приспособлений;

слабое крепление деталей;

постановка нестандартных деталей;

отклонение от установленных размеров;

отступление от технологических требований;

неудовлетворительный осмотр;

личные качества исполнителей.

Первый из перечисленных факторов определяется неудовлетворитель-

ной работой специалистов или созданием сложных условий эксплуатации,

как климатических, так и режимных.

Невыполнение требуемого объема ремонта большого перечня типов ТУ

является причиной более четверти отказов от их общего количества, т. е.

возникают такие отказы достаточно часто.

На выявление скрытых дефектов тратится много времени, отведенного

для выполнения ремонтных операций. Поэтому трудно переоценить значе-

ние средств технической диагностики. Отсутствие необходимого оборудова-

ния приводит к низкой распознаваемости скрытых дефектов.

Дефекты, возникающие из-за слабого крепления деталей и узлов, харак-

терны для многих типов ТУ. Отказы, возникающие по этой причине, проис-

ходят, во-первых, из-за отсутствия или неприменения необходимых средств

контроля и, во-вторых, из-за несоблюдения правил сборки.

Нестандартными деталями называются такие, которые производятся не

предприятиями-изготовителями ТУ, а эксплуатирующими организациями.

В основном это детали механических узлов и агрегатов. Их изготовление

характеризуется большим разнообразием технологических операций и непо-

стоянством исполнителей. Вследствие этого на ТУ могут быть установлены

детали низкого качества. Они могут отказывать сами и быть причиной отказа

других деталей.

Дефекты по отклонению от установленных размеров возникают в местах

соединения проводов, деталей и узлов между собой, в их расположении по

отношению друг к другу и корпусу ТУ. Основными причинами возникнове-

ния отказов из-за этих дефектов при исполнении монтажных работ являются

несоблюдения исполнителями конструктивных размеров, определяющих вза-

имное расположение деталей, а также изменение этих размеров в процессе

Надежность информационных систем 47

эксплуатации из-за ослабления вследствие агрессивных воздействий внешней

среды.

Отступления от технологических требований проявляются, прежде все-

го, в том, что на ремонтируемое ТУ, вопреки требованиям нормативно-технической

и ремонтной документации, устанавливается некондиционное оборудование.

При неудовлетворительном осмотре в период профилактических работ

не выявляются скрытые дефекты, что приводит к отказам оборудования в

период эксплуатации ТУ.

Уменьшение влияния названных и ряда других факторов должно обес-

печить поддержание надежности работы ТУ.

2.2. Факторы, определяющие надежность информацион-

ных систем

Для построения надежных ИС можно использовать различные виды

обеспечения:

экономическое,

временное,

организационное,

структурное,

технологическое,

эксплуатационное,

социальное,

эргатическое,

алгоритмическое,

синтаксическое,

семантическое.

Обеспечение можно характеризовать как совокупность факторов, спо-

собствующих достижению поставленной цели. Организационное, экономиче-

ское и временное обеспечения, обуславливаемые необходимостью материаль-

ных и временных затрат, используется для поддержания достоверности ре-

зультатов работы ИС. Они включают:

правовые и методические аспекты функционирования ИС;

нормативы достоверности информации по функциональным подсисте-

мам и этапам преобразования информации;

методики выбора и обоснования оптимальных структур, процессов и про-

цедур преобразования информации.

Назначение структурного обеспечения состоит в повышении надежности

функционирования технических комплексов и эргатических звеньев, а так-

48 Факторы, влияющие на надежность

же ИС в целом. Здесь обосновывается рациональное построение структуры

ИС, зависящее от выбора структуры технологического процесса преобразо-

вания информации, обоснования взаимосвязи между отдельными звеньями

системы, резервирования функциональных звеньев системы и использования

устройств, осуществляющих процедуры контроля.

Технологическое обеспечение предназначено для повышения надежно-

сти работы ТУ и технологических комплексов, входящих в состав системы.

Это обеспечение включает в себя выбор схемных и конструктивных реше-

ний отдельных ТУ, технологий и протоколов реализации информационных

процессов.

Эксплуатационное обеспечение связано с выбором режимов работы уст-

ройств, технологий обслуживания, профилактик и ремонтов.

К социальному обеспечению относятся такие факторы, как создание здо-

ровой психологической обстановки в коллективе, повышение ответственности

за выполненную работу, повышение квалификации специалистов, повышение

моральной и материальной заинтересованности в правильности выполнения

работы. Особо важно обеспечить единство целей субъекта с целями управле-

ния: лишь когда работник заинтересован в получении объективных, досто-

верных данных, они могут быть получены.

Эргатическое обеспечение включает в себя комплекс факторов, связан-

ных с рациональной организацией работы человека в системе. Это правиль-

ное расположение функций между людьми и техническими средствами, обя-

занность норм и стандартов работы, оптимальность интенсивности и ритмич-

ности, построение рабочих мест в соответствии с требованиями эргономики.

Алгоритмическое обеспечение применяется для обеспечения высокого

качества и безошибочности алгоритмов и программ преобразования инфор-

мации и для реализации контроля достоверности информации.

Синтаксическое и семантическое обеспечение заключается во введении

специальной информационной избыточности, избыточности данных и смыс-

ловой избыточности, обусловливающих возможность проведения контроля

достоверности информации. Подробнее об избыточности речь пойдет в по-

следующих главах.

2.3. Дестабилизирующие факторы надежности ПО

При создании информационных систем неизбежны ошибки. В общем слу-

чае под ошибкой подразумевается дефект, погрешность или неумышленное

искажение ПО ИС или процесса в ней. При этом предполагается, что известно

правильное, эталонное состояние ПО ИС. Для предотвращения ошибок необ-

Надежность информационных систем 49

ходимы исследования факторов, влияющих на надежность ИС со стороны

случайных, существующих и потенциально возможных дефектов в конкрет-

ных программах. Это позволит целенаправленно разрабатывать комплексы

методов и средств обеспечения надежности сложных ИС различного назна-

чения при реально достижимом снижении уровня дефектов проектирования

[18].

При строго фиксированных исходных данных программы исполняются

по определенным маршрутам и выдают совершенно определенные резуль-

таты. Многочисленные варианты исполнения программ при разнообразных

исходных данных представляются для внешнего наблюдателя как случай-

ные. В связи с этим дефекты функционирования программных средств, не

имеющие злоумышленных источников, проявляются внешне как случайные,

имеют разную природу и последствия. В частности, они могут приводить к

последствиям, соответствующим нарушениям работоспособности, и к отка-

зам при использовании ИС.

Анализ надежности ИС базируется на взаимодействии основных компо-

нент, представленных далее объектами уязвимости, влияющими на надеж-

ность ИС. К ним относятся:

динамический вычислительный процесс обработки данных, автоматизи-

рованной подготовки решений и выработки управляющих воздействий;

информация, накопленная в базах данных, отражающая объекты внеш-

ней среды, и процессы ее обработки;

объектный код программ, исполняемых вычислительными средствами в

процессе функционирования ИС;

информация, выдаваемая потребителям и на исполнительные механиз-

мы, являющаяся результатом обработки исходных данных и информации,

накопленной в базе данных.

На эти объекты воздействуют различные дестабилизирующие факторы,

которые можно разделить на внутренние, присущие самим объектам уязви-

мости, и внешние, обусловленные средой, в которой эти объекты функциони-

руют.

Внутренними источниками угроз надежности функционирования слож-

ных ИС можно выделить следующие дефекты программ:

системные ошибки при постановке целей и задач создания ИС, при фор-

мулировке требований к функциям и характеристикам решения задач, опре-

делении условий и параметров внешней среды, в которой предстоит приме-

нять ИС;

алгоритмические ошибки разработки при непосредственной специфика-

ции функций программных средств, определении структуры и взаимодей-

50 Факторы, влияющие на надежность

ствия компонент комплексов программ, а также при использовании инфор-

мации баз данных;

ошибки программирования в текстах программ и описаниях данных, а

также в исходной и результирующей документации на компоненты и ИС в

целом;

недостаточную эффективность используемых методов и средств опера-

тивной защиты программ и данных от сбоев и отказов и обеспечения надеж-

ности функционирования ИС в условиях случайных негативных воздействий.

Внешними дестабилизирующими факторами, отражающимися на на-

дежности функционирования перечисленных объектов уязвимости в ИС, яв-

ляются:

ошибки оперативного и обслуживающего персонала в процессе эксплуа-

тации ИС;

искажения в каналах телекоммуникации информации, поступающей от

внешних источников и передаваемой потребителям, а также недопустимые

для конкретной информационной системы характеристики потоков внешней

информации;

сбои и отказы в аппаратуре вычислительных средств;

изменения состава и конфигурации комплекса взаимодействующей аппа-

ратуры информационной системы за пределы, проверенные при испытаниях

или сертификации и отраженные в эксплуатационной документации.

Полное устранение перечисленных негативных воздействий и дефектов,

отражающихся на надежности функционирования сложных ИС, принципи-

ально невозможно. Проблема состоит в выявлении факторов, от которых они

зависят, в создании методов и средств уменьшения их влияния на надежность

ИС, а также в эффективном распределении ресурсов на защиту для обеспече-

ния необходимой надежности комплекса программ, равнопрочного при всех

реальных воздействиях.

Современные достижения микроэлектроники значительно снизили влия-

ние сбоев и отказов вычислительных средств на надежность функционирова-

ния ИС. Однако ошибки персонала, искажения данных в каналах телекомму-

никации, а также случайные (при отказах части аппаратуры) и необходимые

изменения конфигурации вычислительных средств остаются существенными

внешними угрозами надежности ИС. Негативное влияние этих факторов мо-

жет быть значительно снижено соответствующими методами и средствами

защиты и восстановления программ и данных. Внешние дестабилизирующие

факторы имеют различную природу и широкий спектр характеристик, ко-

торые представлены во многих публикациях. Поэтому далее внимание ак-

центируется на внутренних дестабилизирующих факторах, различного рода