Аналіз надійності інформаційних систем на етапі їх проектуванні

 

СХІДНОУКРАЇНСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

ІМЕНІ ВОЛОДИМИРА ДАЛЯ

Інститут, факультет	математики та інформатики
	(повне найменування інституту,  факультету)
Кафедра	Інформатики
	(повна назва кафедри)

 

ПОЯСНЮВАЛЬНА ЗАПИСКА

до кваліфікаційної роботи бакалавра
напряму підготовки	6.040302 «Інформатика»
	(шифр і назва напряму підготовки)
на тему	«Аналіз надійності інформаційних  систем
на етапі їх проектуванні»

 

 

 

 

 

 

Виконав	студент(а) групи			МТ-191
Кохановського М.І.
(прізвище та ініціали)								(підпис)
Керівник			Пожидаєв В.Ф.
			(прізвище та ініціали)					(підпис)
Завідувач кафедри			проф. Пожидаєв В.Ф.
			(прізвище та ініціали)					(підпис)
Рецензент		доц. Дегтярьова Л.М.

реферат

 

Робота містить: 77 сторінок основного тексту, 25 рисунків, 8 таблиць, 40 використаних джерела та додатки.

Бакалаврська робота складається  з чотирьох розділів, вступу, висновків  і додатків. Об’єктом дослідження  даної роботи є аналізу та розрахунків  інформаційних систем та їх узагальнені функції розподілу. Метою роботи є створення аналізу інформаційних систем у якому лежить математичні моделі. Результат − готова до використання система розрахунків, реалізована у вигляді програми на мові С++. В ході виконання даної дипломної  роботи були досліджені сучасні методи розрахунків функції розподілу.

Ключові слова: ІНФОМАЦІЙНА СИСТЕМА, ВІДМОВА,ЗАКОН розподілу , СЕРВІР, РОЗРАХУНОК, СБЕРІГАЄМІСТЬ, СХЕМА.

 

 

зміст

 

вступ

Бурхливий розвиток інтернет–комунікацій на початку XXI століття породило нові види web–ресурсів, що мають наступні відмінності: десятки і сотні мільйонів користувачів, величезні бази даних з таблицями в мільярди записів займаючи терабайти дискового простору, великі об'єми графічної, аудіо і відео інформації. Ці кількісні зміни навантаження на ресурси мережі зажадали якісно нового підходу до проектування і моніторингу їх (ресурсів) технічних і програмних засобів. Як правило, ці нові сайти - це соціальні мережі, сайти знайомств, файлообмінники, пошукові системи, ігрові портали і ін., спілкування (чати, форуми, обмін миттєвими повідомленнями), що надають засоби, а також можливості переглядати і прослуховувати відео і аудіо файли, збирати учасників вебинаров і відео конференцій для живого спілкування з будь-яких куточків землі. Збільшення навантаження на технічні і програмні засоби вузлів глобальної мережі привело до збільшення потужності серверів, проте це не могло задовольнити зростаючі потреби. Необхідно було шукати рішення в зміні самої структури технічних засобів web–ресурсів, і ці зміни були прийняті у формі створення кластерної конфігурації, призначеної для балансування навантаження між декількома серверами web–вузла. Причому кластери стали створюватися як для перерозподілу web–навантаження так і sql–навантаження. Здавалося, що знайдено остаточне рішення, проте тепер на одне з провідних місць вийшло питання про способи попередження відмов і збоїв систем, що ускладнилися. З одного боку збільшення кількості елементів в структурі web–вузла (наприклад, поява послідовно приєднаних засобів балансування навантаження і систем зберігання інформації) неминуче призводило до зниження параметрів відмовостійкості схеми. З іншого боку було зрозуміло, що збільшення кількості паралельно встановлених серверів що розподіляють між собою навантаження повинно позитивно позначатися на тих же параметрах, призводячи до зниження вірогідності появи відмови за певний час. Де ж знайти золоту середину і як кількісно оцінити будь-які зміни складних схем з'єднання серверів у високонавантажених ресурсах глобальної мережі і в складних схемах великих корпоративних інформаційних систем? Адже не секрет, що частенько рішення про придбання і установку нового устаткування приймаються особами, що не мають достатніх знань про те, до яких якісних змін приведе оновлення, не кажучи вже про хоч би грубі кількісні оцінки. Адже йдеться про витрати в десятки і сотні тисяч доларів, які можуть бути просто викинуті на вітер.

Навіть у разі, коли йдеться про  типові схеми тих, що містять балансер web–навантаження, два-три web–сервера, сервера баз даних і System Storage – системи зберігання даних на дисках, складна структура зв'язків між елементами схеми не дозволяє однозначно оцінити зміну продуктивності системи і її надійності при додаванні усього одного додаткового елементу схеми. А якщо в структурі вузла є присутніми ще і поштовий сервер, сервер конвертації відеоінформації і ін., то складність оцінки зростає багаторазово. Слід зауважити, що найбільші сучасні високонавантажені web–ресурсі, такі як vkontakte.ru, mail.ru, facebook.com, google.com і подібні до них складаються з сотень і навіть тисяч серверів, причому їх кількість і зв'язки постійно змінюються. Зрозуміло, що для них оцінки параметрів відмовостійкості мають величезне значення, як на стадії проектування вузла, так і в моменти зміни його схеми в період експлуатації. Те ж саме торкається і великих корпоративних систем зберігання та обробки даних.

Далі ми розглянемо способи отримання  оцінок цих параметрів для деякої структури зв'язків між елементами вузла і запропонуємо спрощену методику їх визначення.

розділ 1

Аналіз стану питання по математичній теорії

надійності  технічних і інформаційних мереж

Постановка  завдання дослідження

1. Технічні схеми
1. Загальні стани і визначення

Надійність будь-якого елементу або системи тісно пов'язана  з поняттям відмови, очевидно, що чим  частіше виникає відмова, тим  нижче надійність. З розвитком  і ускладненням техніки, з появою усе більш універсальних пристроїв, машин і механізмів гостро постали питання глибокого вивчення причин виникнення поломок і відмов техніки, залучення математичних і імовірнісних методів для опису параметрів об'єктів пов'язаних з надійністю. Адже відмови не завжди такі нешкідливі, іноді від їх тяжкості залежить і життя людей, і збереження продукції, і умови транспортування і інші чинники. Наприклад, відмова двигуна танка на полі бою перетворює грізну зброю в нерухому мішень, відмови ліній електропередач ускладнюють умови життя у багатьох населених пунктах, зміни умов зберігання швидкопсувних продуктів і медикаментів, пов'язані з відмовами холодильних пристроїв, призводять до псування цих продуктів. А за відмовами у фінансових і банківських системах слідують потрясіння не лише в економічній сфері, виникаючі народні хвилювання частенько призводять не лише до зміни урядів, але можуть впливати і на політичний устрій суспільства. Недавні події в Португалії, Греції, на Кіпрі тому підтвердження.

"Зламалися  відразу 2 потяги "Хюндай"", "Потяг  "Hyundai" спалив цілу станцію:  збитки на мільйон гривен.", "Потяг Hyundai стоїть під Полтавою  без світла і опалювання" –  ці і подібні повідомлення  заповнили ЗМІ України у кінці  2012 – початку 2013 року. Стало зрозуміло, що умови експлуатації цих засобів в нашій країні не були враховані при їх проектуванні і виготовленні, що привело до різкого збільшення інтенсивності відмов. Залізниця і пасажири зазнали величезних втрат.

Усе сказане вище пояснює важливість побудови строгих основ теорії, і почати його слід було з визначень деяких параметрів надійності. Приведемо тут ті, які в літературі визнані якнайповнішими [1-8], і які ми використовуватимемо надалі.

Теорія  надійності вивчає процеси виникнення відмов технічних об'єктів і способи боротьби з відмовами. Технічними об'єктами можуть бути вироби, системи і їх елементи, зокрема споруди, установки, пристрої, машини, апарати, прилади і їх частини, агрегати і окремі деталі.

Розрізняють два основні стани об'єктів: працездатне і непрацездатне. Стан об'єкту, при якому він здатний виконувати задані функції, зберігаючи значення заданих параметрів в межах, встановлених нормативно технічною документацією, називають працездатним.

Стан  об'єкту, при якому значення хоч  би одного заданого параметра, що характеризує здатність виконувати задані функції, не відповідає вимогам, встановленим нормативно-технічній документації, називають непрацездатним. Стан об'єкту, при якому значення хоч би одного заданого параметра, що характеризує здатність виконувати задані функції, не відповідає вимогам, встановленим нормативно-технічній документації, називають непрацездатним.

Відмова – подія, що полягає в порушенні  працездатності, тобто в переході в непрацездатний стан.

Зазвичай  непрацездатність – стан, при якому не можна починати застосування об'єкту (наприклад, випускати літак в повітря). Проте можливі завдання, в яких непрацездатність – стан, при якому об'єкт не може продовжувати виконувати своє призначення.

Коли  об'єкт призначений для виконання  декількох функцій, часто знаходять значення показників надійності по кожній з функцій.

Можливий  і інший шлях: оцінюють властивості  об'єкту виконувати усі потрібні від  нього функції. Відмовою вважається невиконання хоч би однієї з функцій  незалежно від того, чи виникла випадкова ситуація в якій потрібно виконання цієї функції, чи ні.

Класифікація  об'єктів за показниками і методами оцінки надійності приведена на рис 1.1

Рис.1.1 - Групи об'єктів, що розрізняються показниками надійності

Відповідно  до визначення, надійність є складною властивістю. Саме завдяки надійності, технічний пристрій виконує певні функції, роблячи це впродовж деякого терміну, із заданою якістю. Це відбувається внаслідок наявності таких складових надійності, як безвідмовність, ремонтопридатність, довговічність і зберігаємість.

Безвідмовність  – це здатність технічного пристрою працювати без відмови впродовж деякого часу.

Довговічність – ця властивість технічного пристрою зберігати працездатність з необхідними перервами для технічного обслуговування і ремонту до граничного стану, обумовленого в технічній документації.

Зберігаємість – ця властивість  технічного пристрою зберігати працездатність при зберіганні до початку експлуатації, в перервах між періодами експлуатації і після транспортування.

Ремонтопридатність – властивість  конструктивної пристосованості технічного пристрою до виявлення, усунення і попередження в них несправностей.

Ця складова розділяє усі технічні пристрої на відновлювані (ремонтовані) і невідновні (що не ремонтуються). До останніх відносяться такі технічні пристрої, ремонт яких у разі відмови не передбачений і не робиться. Вони складають досить велику частину технічних пристроїв, оскільки у більшості випадків є елементами складних технічних систем.

Названі властивості відносяться так званим одиничним показникам надійності, об'єднаним в комплексне поняття власне надійності. Наслідуючи загальноприйняте визначення під надійністю системи (елементу) розумітимемо властивість об'єкту зберігати в часі у встановлених межах значення усіх параметрів, що характеризують здатність виконувати необхідні функції в заданих режимах і умовах застосування, технічного обслуговування, зберігання і транспортування.

2. Початок становлення теорії надійності

Однією з найважливіших властивостей теорії надійності є її економічний напрям. Проте доки ще мало розробок в цьому напрямі і вони, як правило, обмежуються збором і обробкою статистичних даних про збиток, що наноситься недостатньою увагою до надійності виробів [1]. Наявні матеріали переконливо показують, що прагнення до збільшення кількості випущених виробів за рахунок їх якості у ряді випадків призводить не до ліквідації голоду на них, а до ще більшої їх нестачі. У цьому напрямі заслуговує згадки робота Арроу [9]. Цей автор розглядає оптимальну політику капіталовкладень, враховуючи надійність устаткування. Для обчислення економічного показника, що характеризує швидкість амортизації устаткування, Арроу використав апарат теорії процесів відновлення. Цікавий підхід є і в роботі Бозинова [10]. Програма забезпечення надійності виробу повинна включати усі етапи створення і експлуатації: проектування, здійснення випробування, збір і обробку статистичних даних. На кожному з цих етапів виникають численні своє образні математичні завдання, рішення яких нині ще далеко від завершення. У 50–х роках минулого століття у пресі з'явилося велике число робіт, в яких систематично викладаються програми забезпечення надійності різного типу продукції. Декілька доповідей цього напряму опубліковані в працях національних симпозіумів США по теорії надійності (см, наприклад, роботи Клемента [11], Моррісона [12]). У статті Райерсона [13] дається цікаве розчленовування історії розвитку робіт по теорії надійності на етапи. Таких етапів умовно він відмічає чотири:

1930–1940 рр. – вироблення стандартів, 1940–1950 рр. – розробка статистичних методів поточного і приймального контролю за якістю продукції; 1950-1960 рр. – постановка завдань і систематичне вивчення питань надійності елементів; з 1960 р. намітилася тенденція вивчення надійності систем на всіх стадіях їх створення – від проектування до експлуатації включно. На всіх стадіях вивчення і забезпечення надійності виробів неминуче доводиться стикатися з типово випадковими явищами: тривалість безперебійної роботи елементу або системи, настання моменту відмови, тривалість пошуку несправності, час на її усунення, оцінка якості партії виробів по вибірці, оцінка однорідності двох груп виробів, оцінка запасів для забезпечення безперебійної роботи апаратури впродовж заданого терміну і т. д. Подібного ж роду завдання виникають при оцінці доцільності тих або інших змін в схемі пристрою або ж в плані його використання. Ця обставина добре відома і тому основним методом кількісного дослідження питань теорії надійності визнаного вважаються теорія вірогідності і математична статистика. Організація стендових випробувань, перевірки якості виробів, приймального контролю і призначення експлуатаційного режиму не може, тому обійтися без використання теорії вірогідності і розробки відповідних питань математичної статистики.