Метод повышения надежности и совершенствование архитектуры информационно-телекоммуникационных систем

Актуальность темы

Прогресс в области обработки информации открыл для множества предприятий важнейшие и ставшие сравнительно дешевыми возможности: распределенные в сети вычисления и распределенные информационно-телекоммуникационные системы (ИТС). Последнее дало возможность небольшим фирмам объединить в сети свои управляющие, торговые и производственные структуры на корпоративный манер, а корпорациям — укрепить связи своих подразделений и улучшить управляемость.

В 90х годах в стране появился новый вид сетей связи, так называемые «корпоративные сети». Анализ ряда известных действующих и проектируемых сетей, которые в полной мере могут быть отнесены к разряду корпоративных (ИТКБС ЦБ РФ, сеть ОАО «Газпром», ОАО «Транснефть» и др.) показывает, что такие сети:

— проектируются и строятся с жесткой ориентацией на решение функциональных задач, выполняемых компанией (например, ИТКБС ЦБ РФоперативный и надежный банковский оборот);

— ориентируются преимущественно на собственные системы связи и те л еко м му никаций;

— ресурс сетей связи общего пользования используют главным образом для информационного обмена объектов корпоративной сети с объектами других сетей;

— реализуются на базе оборудования, воплощающего в себе самые современные технологии;

— создаются с учетом обеспечения самых высоких требований по надежности.

ИТС.

Практика проектирования ИТС в настоящее время сталкивается с рядом трудностей [65, 66], обусловленных многими факторами, основными из которых являются:

— жесткие требования к надежности и живучести таких систем, при которых определяющие формы устойчивости носят в основном структурный характер и требуют разработки специальных мер [65]. При этом важна взаимосвязь и согласованность всех составных частей: эффективности функционирования, надежности и структурной целостности, выразившаяся в понятии структурно-функциональной целостности ИТС;

— необходимость быстрой адаптации и коррекции структуры системы в условиях резкого изменения спроса и ресурсов в отдельных звеньях, что приводит к необходимости получения более эффективной, однозначной взаимосвязи иерархий целей ИТС и ее архитектуры [65]. Предлагаемые методы поддержки высокой эффективности и надежности функционирования ИТС опираются на серьезную дополнительную алгоритмическую поддержку, которая предполагает сначала определение места дефекта, а потом соответствующее программно-аппаратное решение. Однако, в ответственных системах, работающих в реальном масштабе времени, необходимо сохранение практически 100% работоспособности при наличии одного и более отказов. В таких системах нет времени на устранение неисправности, т. е. система должна иметь необходимую избыточность и как бы не замечать этих отказов [13−15, 22, 25, 32, 60, 61, 65, 66];

— повышение ответственности за принимаемые решения и вследствие этого усложнение ИТС [60, 65];

— быстрое моральное старение технической базы ИТС, приводящее к серьезным доработкам и соответствующим затратам [65].

Поэтому одной из основных задач становится создание ИТС, которые обеспечивали бы устойчивость системы к программным и аппаратным сбоям, а также обеспечивали катастрофоустойчивое решение, главная задача которогосохранение данных и продолжение работы в условиях массовых и, возможно, последовательных отказов систем и связанных между собой подсистем корпоративной информационной структуры. Технология отработки отказов в этом случае требует учета взаимосвязанности структурных компонент и способности систем специфически реагировать на каждый вариант последовательности развития событий, так называемый, сценарий катастрофы с целью обеспечения максимально возможной сохранности информации.

Все вышесказанное позволяет сформулировать задачу, на решение которой направлена настоящая работа, а именно, формирование оптимального плана развития и повышение надежности информационно-телекоммуникационных систем на основе теории структурно-функциональной целостности, позволяющих сократить сроки и затраты на создание ИТС.

В настоящее время формально решены задачи первого класса задач синтеза систем [60] (синтеза структуры при заданных алгоритмах функционирования) и задачи второго класса (синтеза оптимального поведения, алгоритмов функционирования системы при известной структуре) [13−15, 22, 25, 32, 60, 61, 65, 66]. Так на уровне подсистем эффективно используются логико-алгебраические методы [60, 61], логико-лингвистические модели, методы автоматизации проектирования информационного обеспечения [64, 65], методы оптимальной организации вычислительного процесса и использования ресурсов ЭВМ [1], методы структурного программирования, макетирования, и автоформализации профессиональных знаний [1, 35, 41, 60] и другие, ориентированные на типизацию задач и ситуаций.

Современный уровень развития технической базы позволяет обеспечить необходимый уровень эффективности, надежности и структурной целостности отдельных составляющих ИТС, реализующих выбранную модель решения той или иной функциональной задачи, используя при этом либо готовые серийные модули, либо набирая их из микромодулей программного обеспечения [1, 4, 6]. Это позволяет считать их эффективными элементами в составе ресурсной базы проектирования.

Однако достижение необходимой эффективности, заложенной в основе указанных подходов, сдерживается отсутствием приемлемых математических критериев, определяющих формирование и оценку свойства структурно-функциональной целостности, включая сюда и случай дерева программных модулей в «нисходящем проектировании». В более широком плане это связано с отсутствием разработок общих принципов и методов формального решения задач построения систем при априорно неизвестных структуре и алгоритмах функционирования, и представляющего до настоящего времени открытую проблемную область.

Поэтому разработка методов повышения надежности ИТС на всех стадиях развития системы, оптимизированных по критерию структурно-функциональной целостности при минимальных затратах, является важной и актуальной проблемой, имеющей большое применительное значение. Помимо этого, такое развитие позволило бы получить аппарат быстрой коррекции структуры ИТС в различных ситуациях ее функционирования.

Цели и задачи работы. Цель диссертационной работы — разработка эффективных путей развития и повышение надежности информационно-телекоммуникационных систем на основе теории структурно-функциональной целостности, позволяющих сократить сроки и затраты на создание ИТС.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

— анализ существующих моделей и методов оценки показателей надежности ИТС;

— разработка и исследование моделей и методов определения формально-аналитических объектов проектирования, реализующих функцию «носителей» свойства структурно-функциональной целостности на всех этапах синтеза ИТС;

— формализация задач оптимального формирования и управления развитием надежных структур ИТС;

— разработка методики формирования плана развития сети, обеспечивающего минимум дефицита надежности на всем интервале времени, выделенном на развитие ИТС.

Методы исследований. Решение сформулированных в диссертации задач выполнено на основе теории систем и системного анализа, теории факторного и кластерного анализа^ методов исследования операций, программно-целевого планирования и управления, теории графов, некоторых разделов математической логики и теории больших систем.

Достоверность научных результатов, выводов и рекомендаций подтверждается математическими доказательствами сформулированных положений, расчетами и примерами, подтверждающими повышение надежности ИТС при минимальной стоимости, сопряжением с существующими методами и результатами.

Научная новизна работы заключается в разработке метода формирования и управления развитием архитектуры ИТС, обеспечивающей катастрофоустойчивость при обработке и передаче информации и обоснованность выбора рациональных вариантов развития структуры системы с учетом категории катастрофоустойчивости на всем жизненном цикле. Создан комплекс решений слабо структурированных задач синтеза надежных ИТС, использование которого дает возможность значительно повысить обоснованность выработки эффективных проектных решений, снизить затраты на проектирование и адекватно разрешить актуальные требования практики, направленные на обеспечение надежности. 4.

В плане последовательного достижения цели работы получены следующие основные научные результаты;

1. Разработан метод определения объектов проектируемых подсистем, реализующих функцию «носителей» свойства структурно-функциональной целостности на всех этапах синтеза ИТС, отражающий взаимосвязь и согласованность требований по обеспечению эффективности функционирования, надежности и структурной целостности.

2. Разработан метод надежностного синтеза ИТС на основе теории структурно-функциональной целостности, позволяющий на более ранних стадиях проектирования получить оценки надежности разрабатываемой структуры, реально достижимой эффективности и требуемых затрат, а также, быстрой коррекции информационной инфраструктуры в процессе эксплуатации или при модификации отдельных подсистем.

3. Разработана оптимизационная модель формирования эффективных путей развития надежных структур ИТС, обеспечивающая последовательное поэтапное повышение уровня надежности ИТС, позволяющая реализовать на промышленных предприятиях новую технологию проектирования, сократить сроки проектирования и суммарные затраты на создание информационно-телекоммуникационной системы.

4. Разработана методика совершенствования архитектуры сети, обеспечивающая минимум дефицита надежности на всем интервале времени, выделенном на развитие ИТС, позволяющая решать практические задачи по качественной оценке уровня катастрофоустойчивости и оптимальному развитию структуры системы при адекватной избыточности элементов.

Практическая ценность результатов.

Итогами диссертационной работы являются математические методы, модели и критерии надежностного синтеза информационно-телекоммуникационных систем, позволяющие реализовать на промышленных предприятиях новую кластерную технологию проектирования, сократить сроки проектирования и суммарные затраты на создание ИТС, а также появляется возможность:

— использовать на этапе проектирования модели и методы синтеза ИТС более адекватно, чем существующие, отражающие актуальные требования практики и перспективы развития технологии синтеза систем, в частности, взаимосвязь и согласованность требований по обеспечению эффективности функционирования, надежности и структурной целостности, сокращения сроков всех стадий проектирования, интеграции и эволюционности на модульной основе, разработки требований к системам отдельных видов обеспечения;

— на более ранних стадиях проектирования получить оценки надежности разрабатываемой структуры, реально достижимой эффективности и требуемых затрат — для сравнения их с ожидаемой эффективностью, используя для этого аппарат сравнительно быстрого синтеза комплекса решаемых задач, включая возможность его использования также в качестве аппарата быстрой коррекции информационной инфраструктуры при необходимости в этом в процессе эксплуатации или при модификации отдельных подсистемрешать новые задачи по качественной оценке уровня катастрофоустойчивости (экспресс-анализ кластер-кворума) и оптимальному развитию структуры системы при адекватной избыточности элементов.

Основные научные результаты диссертационной работы, выносимые на защиту:

1. Метод определения объектов проектируемых подсистем, реализующих функцию «носителей» свойства структурно-функциональной целостности на всех этапах синтеза ИТС, отражающий взаимосвязь и согласованность требований по обеспечению эффективности функционирования, надежности и структурной целостности.

2. Метод надежностного синтеза информационно-телекоммуникационных систем на основе теории структурно-функциональной целостности, отражающий взаимосвязь и согласованность требований по обеспечению эффективности функционирования, надежности и структурной целостности.

3. Оптимизационная модель формирования эффективных путей развития инфраструктуры, обеспечивающая последовательное поэтапное повышение уровня надежности ИТС. позволяющая реализовать на промышленных предприятиях новую технологию проектирования, сократить сроки проектирования и суммарные затраты на создание информационно-телекоммуникационной системы.

4. Методика совершенствования архитектуры катастрофоустойчивых ИТС, обеспечивающая минимум дефицита надежности на всем интервале времени, выделенном на развитие ИТС, позволяющая решать практические задачи по качественной оценке уровня катастрофоустойчивости и оптимальному развитию структуры системы при адекватной избыточности элементов.

Реализация результатов. Итогами диссертационной работы являются разработанные и переданные в эксплуатацию в ряд организаций объектно-ориентированные программно-алгоритмические комплексы поддержки и автоматизации формирования высоконадежных кластерных структур ИТС, методики и рекомендации по построению информационно-телекоммуникационных систем с учетом обеспечения катастрофоустойчивости.

При этом за счет автоматизации, сокращения сроков разработки и повышения качества проектных решений получен значительный технико-экономический, организационный и социальный эффект.

Отдельные результаты диссертационной работы находят применение в учебном процессе во Всероссийской государственной налоговой академии Министерства финансов Российской Федерации. Научные результаты использованы при написании учебных пособий по соответствующим курсам.

Отдельные результаты диссертационной работы нашли применение в при выполнении гранта Российского фонда фундаментальных исследований на тему.

Теория оптимизации кластерных структур катастрофоустойчивых информационно-управляющих систем" и при создании систем связи специального назначения («Ладья», «Динамика» и др.) в ФГУП «МНИРТИ» и ООО «НИИСТ».

Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 6 всероссийских и международных симпозиумах и конференциях. В том числе на VII Международном симпозиуме «Интеллектуальные системы» ШТЕЬ8'2006 (Краснодар, 2006), Всероссийской научно-практической конференции «Инженерные системы — 2008» (Москва, 2008), Научно-технической конференции «Современные инженерные технологии- 2008» (Москва, 2008), 3-й Международной научно-практической конференции «Наука и устойчивое развитие общества. Наследие В. И. Вернадского» (Тамбов, 2008), 10-й Международной научно-практической конференции «Проблемы модернизации экономики в России в XXI веке» (Москва, 2008), II Всероссийская научно-практическая конференция «Информационные технологии в науке, бизнесе и образовании» (Москва, 2009).

Кроме того, результаты диссертации докладывались и обсуждались на конференциях, совещаниях и семинарах подразделений МИЭМ и ВГНА Минфина России и в ряде организаций различных ведомств.

Публикации результатов работы. Основные результаты работы опубликованы в 2 монографиях, 3 статьях, 2 из которых в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для публикаций результатов диссертаций, и 4 трудах конференций.

Личный вклад. Все научные идеи и теоретические результаты работы, включая доказательства теорем, примеры и формулировку принципов, принадлежат лично автору Практическая реализация конкретных программных разработок осуществлялась при непосредственном участии автора.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 81 наименования, приложения. Всего 172 страницы текста с иллюстрациями и таблицами.

4.4. Выводы по главе.

1) Полученные результаты проведенных модельных экспериментов подтвердили эффективность использования метода структурно-функциональной целостности для повышения надежности информационно-телекоммуникационной системы при строгих ограничениях на емкость жестких дисков, стоимость и габариты оборудования.

2) Показана эффективность параллельного подключения КАГО-массивов с возможностью «горячей» замены дисков для повышения надежности функционирования ключевых элементов ИТС.

3) Показан экономический эффект от увеличения надежности ИТС, в том числе за счет сокращения времени простоев, что является определяющим фактором функционирования крупных корпоративных сетей.

4) На основе результатов, полученных от проведения модельных экспериментов показано, что в зависимости от конфигурации, требований к полноте и скорости восстановления работоспособности, меры, направленные на обеспечение надежности, должны быть адекватными цене потерь из-за простоев.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

На основе теории структурно-функциональной целостности разработаны модель и метод повышения надежности информационно-телекоммуникационных систем, и методика формирования оптимального плана развития, позволяющие повысить эффективность проектных решений, а также сократить сроки и затраты на создание ИТС.

В ходе последующего достижения поставленной цели были полностью решены следующие задачи диссертационного исследования.

1. Проведен анализ состояния задачи синтеза информационно-телекоммуникационных систем и показаны причины, имеющие принципиальный характер, и не позволяющие обеспечить необходимую надежность при синтезе ИТС.

2. Разработана методика определения формально-аналитических объектов проектирования, реализующих функцию «носителей» свойства структурно-функциональной целостности на всех этапах синтеза ИТС.

3. На основе методологических положений концепции надежностного синтеза ИТС представлена двухэтапная процедура формирования надежных структур, обеспечивающая формирование оптимального плана развития системы с использованием кластеризации, а уровень катастрофоустойчивости>. системы характеризуют текущие требования по надежности на заданном этапе планирования.

4. Разработана методика формирования плана развития сети, обеспечивающего минимум дефицита надежности на всем интервале времени, выделенном на развитие ИТС.

5. Осуществлено проектирование и формирование оптимального плана развития надежной информационно-телекоммуникационной системы с использованием обоснованного метода и показан экономический эффект от увеличения надежности ИТС, подтверждающий, что у новой ИТС надежность выше на 9% и снижение общих расходов в случае отказа на 30% только за первый год эксплуатации.