автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.13, диссертация на тему:Метод повышения надежности и совершенствование архитектуры информационно-телекоммуникационных систем

004601274

На правах рукописи

Савельев Иван Андреевич

Метод повышения надежности н совершенствование архитектуры информационно-телекоммуникационных систем

Специальность 05.12.13 - Системы, сети и устройства телекоммуникаций

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

к.и

Москва 2010

004601274

Работа выполнена на кафедре «Радиоэлектронные и телекоммуникационные устройства и системы» Московского государственного института электроники и математики (технического университета).

Научный руководитель:

доктор технических наук, доцент Царегородцев Анатолий Валерьевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Жданов Владимир Сергеевич

доктор технических наук Петров Борис Сергеевич

Ведущая организация:

Федеральное государственное унитарное предприятие Московский научно-исследовательский радиотехнический институт

Защита состоится « 13 » мая 2010 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.133.06 Московского государственного института электроники и математики по адресу:

109028, Москва, Б. Трехсвятительский пер., 3/12, зал Ученого Совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института электроники и математики (технический университет).

Автореферат разослан « 9^» апреля 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,

профессор

Н. Н. Грачев

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Ашуальность темы. В 90-х годах в стране появился новый вид информационно-телекоммуникационных систем (ИТС), 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 РФ - оперативный и надежный банковский оборот);

- ориентируются преимущественно на собственные системы связи и телекоммуникаций;

- 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.

Однако, практика проектирования таких сетей в настоящее время сталкивается с рядом трудностей, обусловленных многими факторами, основными из которых являются:

- жесткие требования к надежности и структурной целостности таких систем, при которых определяющие формы устойчивости носят в основном структурный характер и требуют разработки специальных мер. 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. 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;

- быстрое моральное старение технической базы ИТС, приводящее к серьезным доработкам и соответствующим затратам.

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 которого - сохранение 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.

Поэтому разработка методов повышения надежности ИТС на всех этапах развития системы является важной и актуальной задачей, имеющей большое практическое значение.

Целью диссертационной работы является 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 основные задачи исследовання:

1) анализ существующих моделей и методов оценю! показателей надежности

ИТС;

2) разработка и исследование методов определения объектов проектируемых подсистем, реализующих функцию «носителей» свойства структурно-функциональной целостности на всех этапах синтеза ИТС;

3) формализация задач оптимального формирования эффективных путей развития надежных структур ИТС;

4) разработка методики совершенствования архитектуры сети, обеспечивающей 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, обеспечивающего 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.

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 падежных 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 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 избыточности элементов.

Практическая ценность результатов.

Итогами диссертационной работы являются разработанные и переданные в эксплуатацию в ряд организаций программно-алгоритмические комплексы поддержки и автоматизации формирования высоконадежных кластерных структур ИТС, методики и рекомендации по построению информационно-телекоммуникационных систем с учетом обеспечения катастрофоустойчивости, которые дают 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 эволюционное™ на модульной основе, разработки требований к системам отдельных видов обеспечения;

- на более ранних стадиях проектирования получить оценки показателей надежности разрабатываемой структуры, реально достижимой эффективности и требуемых затрат - для сравнения их с ожидаемой эффективностью, используя для этого аппарат быстрой коррекции информационной инфраструктуры при необходимости в этом в процессе эксплуатации или при модификации отдельных подсистем;

- решать новые задачи по качественной оценке уровня катастрофоустойчивости (экспресс-анализ кластер-кворума) и оптимальному развитию структуры системы при адекватной избыточности элементов.

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 в МИЭМ и ВГНА Минфина России. Научные результаты использованы при написании учебных пособий по соответствующим курсам.

Отдельные результаты диссертационной работы нашли применение при создании систем связи специального назначения («Ладья», «Динамика» и др.) в ФГУП «МНИРТИ» и ООО «НИИСТ» и при выполнении гранта Российского фонда фундаментальных исследований на тему «Теория оптимизации кластерных структур ката-строфоустойчивых информационно-управляющих систем».

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» INTELS'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, совещапиях 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.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка Л1ггературы из 81 наименования, приложения. Всего 172 страницы текста с иллюстрациями и таблицами.

II. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована аюуальность рассматриваемой проблемы, сформулированы цели и основные задачи исследования, показаны научная новизна и практическая ценность полученных результатов, представлены основные научные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе представлен анализ состояния проблемы надежностного синтеза информационно-телекоммуникационных систем, показана необходимость проведения исследований и разработок по решению данной проблемы, существенно влияющей на повышение отказо- и катастрофоустойчивости, а также эффективности функционирования таких систем на жизненном цикле.

Для построения надежной ИТС обычно используется большое количество не очень надежных компонентов, а высокая надежность всей системы достигается многократным дублированием. Как показывает анализ публикаций, существуют следующие методы увеличения надежности: резервирование, использование неотказоустойчивого дискового массива, зеркалированис, функциональная инерционность, горячая замена, диагностирование, кластеризация и использование катастрофоустойчивых решений.

Катастрофоустойчивое решение, как единство конфигурации программных, аппаратных и организационных мер сможет защитить данные от большинства сбоев. Однако, катастрофоустойчивое решение должно планироваться и проектироваться под конкретную ситуацию на начальном этапе построения информационно-телекоммуникационных систем, что не исключает применения резервного копирования.

Выбор оптимальных проектных решений осложняется еще и тем, что отсутствует возможность количественного измерения свойств системы; а представление об оптимальном решении неоднозначно и противоречиво в связи с изменением требований и роли проектируемого объекта на различных этапах его жизненного цикла.

Необходимость быстрой адаптации и коррекции структуры ИТС в условиях резкого изменения условий функционирования и возросшие требования к эффективности и надежности связей между элементами, создаваемыми на основе модульных технологий, при которых определяющие формы надежности носят в основном структурный характер и диктуются выбором топологии сети, приводят к необходимости получения более эффективной, однозначной взаимосвязи и согласованности состав-

пых частей: эффективности функционирования, надежности и структурной целостности, выразившейся в понятии структурно-функциональной целостности ИТС. Решение всех этих задач приводит к пересмотру традиционных подходов к синтезу информационно-телекоммуникационных систем.

Вторая глава посвящена рассмотрению основных методологических положений, требований и условий реализации концепции надежностного синтеза информационно-телекоммуникационных систем и представлению данного комплекса в виде системы формализации проектирования ИТС, обладающих свойствами отказоустойчивости и катастрофоустойчивости.

Определение и изложение отправных методологических положений подхода к формализации надежностного синтеза информационно-телекоммуникационных систем позволяют сформировать концепцию решения основной задачи как концепцию прямого формализованного синтеза структурно-функциональной целостности.

Общая задача надежностного синтеза информационно-телекоммуникационных систем в третьем классе задач синтеза формулируется в традиционной схеме двух последовательных этапов решения.

На первом этапе - это получение внешних характеристик, назначения каждого функционального модуля, иерархическая структура множества которых должна быть адекватна структурно-функциональной целостности исходного дерева целей - в процессе отождествления с содержанием (функциями) реализуемой каждым модулем отдельной задачи и, соответственно, структурой комплекса решаемых задач. Их состав, число и содержание получаются в результате решения задачи синтеза (выбора) оптимального класса структур, в котором содержание каждой задачи определяется структурно-однозначной связью, взаимозависимостью целей и уровней дерева, слоев подсистем.

Оптимальность синтезируемого класса структур, согласно концепции надежностного синтеза, сопоставляется с его единственностью и структурно-функциональной целостностью среди потенциально возможного множества классов структур, индуцируемого заданными деревом целей и характером альтернативности реализации целей на заданном составе функциональных подсистем. Достижение соответствия условиям надежности, защищенности и эффективности при минимальных затратах, как содержательных критериев оптимальности надежностного синтеза, определяется в рамках

адекватных им одновременно формально-математичесгах критериев структурно-функциональной целостности.

На втором этапе - это определение внутренних характеристик и состава для каждого функционального модуля как средств расчета и реализации им определенной на первом этапе задачи, для чего используется сопоставление с выбранной моделью решения данной задачи, математической или экономико-математической, или иной, а также модели замыкания множества решений в систему решений, определяющих алгоритмы функционирования системы в рамках иерархии модулей ИТС. Решение задачи данного этапа относится к задачам оптимального параметрического синтеза в выбранном классе структур. Существует достаточно развитый арсенал методов их решения, выбора технических и других средств реализации, включая оценку затрат и эффективности.

Для обоснования постановки задачи первого этапа надежностного синтеза, как поиска решения задачи синтеза оптимальной структуры информационно-телекоммуникационной системы, используются следующие допущения и представления о необходимой исходной информации:

а) организационная структура корпоративной сети известна и задана иерархией уровней власти, полномочий и доступа к информации;

б) состав функциональных подсистем либо исходно задан своими макрофункциями, либо может быть получен на основе существующих подходов;

в) информация, требуемая для разработки типовой системообразующей модели - дерева целей - не представляет существенных дополнений сравнительно с традиционно используемой в существующих подходах и с принятым способом укрупнения информационных разрезов при формировании целей на категории функций передачи и обработки информации. Для получения адекватности структуры исходного дерева целей в рамках концепции надежностного синтеза достаточно представлений об общем характере иерархической структуры сети (основных параметров и функций);

г) выбор в качестве критерия оптимальности синтеза свойства структурно-функциональной целостности исходного дерева целей, переносимого с адекватностью на структуру задач передачи, обработки информации и обеспечения надежности, и функциональных модулей, вызван, помимо вышеприведенных, еще рядом причин и соображений, связанных с деревом целей, в частности, с возможностью опираться

при формализации проектирования на какой-либо единый критерий желаемого свойства, также формализуемый; для сложных, открытых систем модель типа дерева целей представляет исключительные преимущества перед другими моделями, включая роль генератора формальных объектов.

Приводимая в диссертации двухэтапная постановка задачи надежностного синтеза позволяет определить характер проектируемой структуры ИТС уже на данном этапе исследования. Синтезируемый класс структур, генерируемый деревом целей (ДЦ), с учетом совместимости свойства "И" по вертикали и свойства "ИЛИ" (альтернативности) по горизонтали, должен представлять собой объемно-пространсгвенное множество декомпозируемых точек, т.е. пирамиду точек, каждая из которых ассоциируется и отождествляется (как образ) с функциональным модулем. При этом не накладывается никаких дополнительных ограничений на характер и класс каждой из моделей и методов их реализации на этапах проектирования и модификации при их эксплуатации.

Подмножества целей и подцелей, образуемых ветвями на первых двух-трех верхних уровнях ДЦ, определяются как сферы функционирования (5/к, к = 1,2,3) (здесь - сфера целей «по эффективности функционирования системы»; 5/,- сфера целей «по обеспечению отказоустойчивости»; 5/"3 - сфера целей «по обеспечению катастрофоустойчивости»). Ветвление данных сфер 5/^ на подсферы на нижестоящем уровне должно отражать характер декомпозиции структуры ИТС. Ветвление «сверху», связанное с реализацией структурно-функционального подхода, известно как структуризация методом «дерева целей».

Для выявления факторов структурно-функциональной целостности и последующей интерпретации их в терминологии (¿/¡, к = 1,2,3) предлагается использование известных методов факторного анализа статистики параметров-показателей состояния системы на период функционирования, предшествующего проектированию, при этом доминирует функционально-структурный подход.

Методологически совмещение структурно-функциональный подход (СФП) и функционально-структурный подход (ФСП), отождествляемых с морфологическим признаком ветвления ()[. (признака стрелки-дуги, ее функции) для каждой цели у^ на у-м уровне, производится в рамках выявленных «сверху» , к = 1,2,3 и на вет-

вях v = 1,2,3 путем интерпретации факторов (Q( ) в терминах данных ветвей Q'^, устойчивых на периоде [0,Г] в силу их определения на категории функций. Реализация принципов продуцирования и структурной интеграции подходов достигается в процессе формально-математического обеспечения совмещения подходов СФП и ФСП в рамках продуцирующего ДС-моноида и определенных трех принципов адекватности и их следствий (в частности, на базе факторизации по классам эквивалентности в каждом «конусе» подцелей как полугруппе с единицей (моноиде).

Унификация информативных признаков, в частности, характер унификации информативных признаков целей и ветвей на широком классе моделей ИТС определяется ориентацией на конечную цель, в данном подходе - ориентацией на содержание любой задачи и соответствующего ей функционального модуля, которое должно быть синтезировано по ДЦ. Следовательно, информативность цели ее признаков должна позволять уже по форме ее задания судить:

1) об основном расчетном показателе или параметре, соотносимом с объектами ИТС, и со степенью его укрупнения во взаимосвязи с другими параметрами из Sf2 и Sf};

2) о характере его определения на параметрическом множестве функции;

3) о характере ее назначения, использования (где, в составе какой подсистемы или функционального блока). В рамках допущения об устойчивости на периоде функционирования каждой функции, сопоставляемой со стрелкой-дугой-ветвью (по принципам адекватности 1 и 2) на каждом из j - const-уровней ДЦ Q'^ (где j е О,S -

текущий индекс ветви и цели у^ ) будем считать множество морфологических признаков ветвей {Q = х} е Q множеством предметных (морфологических) переменных.

Каждая из них для функции конкретной ветви, сопоставимой с парой индексов (j,kj), будет «константой» типа x{j,k^)=Q'tj, т.е. предметной постоянной, что позволяет каждую цель, ассоциируемую с данной ветвью, представить в виде одноместного предиката:

у№)=М)=У1>' (1)

определимого для Sj«тройкой» признаков цели

V/, Vm =X,g и, е Ш p}j, (2)

а для и Б/, сфер целей на дереве - «парой» признаков цели:

V/, К С к,к,\ 6 5/2и5/,)= р^, (3)

, (4)

где > - символ предиката типа «увеличить на ...», «достичь значения...» или содер-л»

жания какой-либо функции обеспечения надежности, обработки и передачи информации; т) - символ вектора частных признаков /7 = {>?,}*,; р] - результат деятельности системы, определяемый на каждом у"-м уровне в 5/, сфере целей как исходный для определения уровня агрегирования показателей-параметров целей в других сферах (8/г и Б/,), при этом каждая последующая слева направо сфера 5/,, как и ее подсфе-ры, аргументно зависит от предыдущей сферы 5/^ ,, т.е. существует зависимость типа

&№№)), (5)

отражающая системообразующий характер необходимого (конечного) продукта-цели у1^ е я. В качестве вектора Г) может быть выбран «вектор потребности» вида

{Л1}6П,=(П(«,/»Х5,^), (6)

где «потребность» обозначена символами: П - для компании в целом; а - для филиала; у[ - для подразделения; £ - для отдела; 41 - личная потребность; вектор Ч = 5.0) = {л,}, служит в качестве «вектора частных признаков» цели, характеризуя частный (/)-характер использования (производимого в процессе реализации цели у{т е с агрегата продукции ря или наличного средства функционирования, каждая цель у'^ при этом может быть задана на параметрической области функции (}1 -[рг(<2()) и ее трех подобластях Д.(>), Вг(;;), Д,(р.) с помощью структурно-высказываемой функции, используемой в дальнейшем при переходе от категории целей к категории задач, Ф^^): где цель у{ «измеряется» параметрами <

х'к1, ю,...; х{г юп,... еОДд) . (7)

Огй ' оЩ ' 4 Вг(н)

При этом собственно для решения задачи надежностного синтеза информационно-телекоммуникационной системы может использоваться призпачно-индексная размерность поля структуризации, допускающая «анонимное» задание (в кодах) исходного множества параметров \х[, <э j , которое лишь на этапе определения модели

решения той или иной задачи может быть расшифровано по идентификатору, хранимому у пользователя.

Для определения правил формирования таких идеализированных объектов-конструкций введем следующие обобщенные понятия-характеристики ИТС Y. ■ Р-^ -

информационное пространство системы; £ - окружение системы (среда); Dz - потенциальное множество критериев (потенциальное пространство состояний); Yt(D) -множество заданных целей - реальное пространство выбора результатов-состояний; Yz{D) - множество дополнительных критериев; А0 и AL - начальное и конечное состояния системы Z; SA - флюктуация области А: за счет неучтенных факторов и влияния среды.

В качестве исходных примем следующие условия:

a) Yz(D)czDzcPx,

b) Yz{D)\jDz = = СЦК-I,

c) Yx(D)= DZ\YZ(D), (8)

d) Ае <^SA, A0dAz, A = Sa\Az,

e) А*ф, j?z(£>)jг0, Аг = G, eSf>, Л = Ш-

Где символы обозначают: с - вложимо; и - объединение в теории множеств; п - пересечение; \ - разность множеств (дополнение); с - несобственная вложи-мость, допускающая ситуацию равенства (множеств); е - принадлежность; ф - пустое множество; СЦК- £ - система целей и критериев проектируемой системы X •

В этой же главе определен состав и характер объектов логической (формальной) цепи проектирования, получаемых в процессе их генерирования данным деревом и играющих роль «носителей» свойства структурно-функциональной целостности. Необходимость их формального определения и соответствующей структуризации (под структурой понимаем уровень, язык и аппарат описания, моделирования и син-

теза структурной целостности как самостоятельного свойства) на этапах проектирования предопределяет их получение в качестве конструктивных объектов.

Отправные положения подхода к надежностному синтезу информационно-телекоммуникационных систем для формирования модели 5(Х)-цепи позволили определить необходимые и достаточные условия.

Необходимые условия надежностного синтеза ИТС связываются с требованиями:

1) конечности числа структур 5у(/1тх = К) и непрерывности взаимосвязи их объектов по у;

2) отождествления каждой структуры только с одной категорией (или подкатегорией) объектов проектирования;

3) рекуррентности структур .V, по у в цепи, являющейся основой определения;

4) отношения «быть моделью друг друга» К'т для каждой пары смежных по у структур, т.е.

5) адекватности каждой синтезируемой структуры исходной структуре. Отношение рекуррентности Иг связано с отображением 5» —> ¿>',>1 ■ Записав алгебраическую модель каждой, пока еще не определенной (неизвестной), структуры в виде

Ъг={Мг,тг), (9)

Иг можно символически отразить как

Кг с Мг хМг.,, =/;(5,),

(/; -< Дг)с <рг^ с <р„ : '-> , (10)

здесь Мг - «носитель» системы (множество объектов - оЬБг); Тг - сигнатура

системы Б, (множество правил структуризации); символом -< обозначено отношение «связан с...».

Достаточные условия надежностного синтеза заключаются:

1) в образовании полугрупп с единицей (моноидов) на каждой структуре

2) в образовании полугруппы Ст (моноида) на цепи {бо }-полугрупп, равносильных упорядоченности по у всех структур Б, и принадлежащих им объектов

3) в получении явной зависимости содержания модулей задачи обработки информации (ЗОИ = ФМ)е (как целостных объектов проектирования и прямого рекуррентного синтеза) от содержания предыдущих структур символически и пока в неявной форме, записанной в виде:

{у = К\ (ЗОИ = ФМ) = | Лт, Кг) = рк | Р,т, Иг, 5,) (11)

и от содержания исходгю-неаналитичсски заданных элементов неформальной структуры ЙТС.

Приведенные выше требования могут рассматриваться в качестве источника для определения необходимых и достаточных условий упорядочения структур 57 по индексу у и получения их объектов ) в процессе их адекватной интерпретации в терминах предметной области структуризации информационно-телекоммуникационных систем и в терминах подкатегорий категории результат функционирования.

В качестве критерия структурно-функциональной целостности -модели ДЦ использовался предикат эмерджентности, обозначаемый как /^(^ч) и имеющий вид

конъюнкции ^(х) = РСд(х)лРфд (х), где х=5\:

Рэ^Ь^Ол^,), 02)

истиной лишь при истинности обоих предикатов, образующих ее. При этом предикат системной целостности ^сд.^1) отражает необходимую целостность носителя систе-

_ Л

мы ¿м, т.е. Л/,=У^, выступая в качестве необходимого условия, а предикат функциональной полноты р£п отражает необходимую функциональную полноту сигнатуры системы 51!, т.е. выступая в качестве достаточного условия достижения свой-

сгва структурно-функциональной целостности на 51 (ДЦ). В частности, достаточно определенных выше отображений и операций, чтобы сформировать формальную структуру ДЦ в виде полугруппы С,(Т,тГ) и вложимых в нее полугрупп б\ с С, для всех к-х сфер на ДЦ. Символически эти требования запишутся для = (А/,,г,) в таком виде:

1о

1.

7=0 7

2. С^.сС^сС.^м)

(13)

О Иначе,

1»

0

2. е г^ | А А}> V/> 0,

4. (Ш.а) _м .

Ч/+1.Л у/с

Иначе.

(14)

Содержательная интерпретация предиката ^(51). наряду с концепцией продуцирования, отражает и другую, основную, концепцию развиваемого подхода - концепцию обеспечения свойства структурно-функциональной целостности, присущего исходному ДЦ в качестве системообразующей модели надежностного синтеза информационно-телекоммуникационной системы.

На основе разработанной системы в третьей главе рассмотрены практические методы и приемы надежностного синтеза кластерных структур информационно-телекоммуникационных систем. Учитывая перспективность задачи обеспечения отка-зо- и катастрофоустойчивости системы и планирования ее дальнейшего развития, предложена двухэтапная процедура формирования кластерных структур системы. Первый этап - этап формирования надежной структуры системы обработки инфор-

мации - предоставляет исходные данные для решения задач второго этапа, обеспечивающего формирование оптимального плана развития системы с использованием кластеризации, а уровень отказо- и катасгрофоустойчивости системы характеризует текущие требования по надежности обработки данных на заданном периоде планирования.

Методы оценки надежности ИТС рассматриваются с позиции оценки параметров надежности на более ранних этапах проектирования, точности этих оценок, взаимосвязи и влияния оценок надежности и трудоемкости.

На основе базовых положений методологической системы надежностного синтеза информационно-телекоммуникационных систем разработан метод оценки надежности системы, позволяющий определять вариант системы, который обеспечивал бы успешное решение всех задач, поставленных перед системой, с вероятностями не ниже заданных, при ограничениях по затратам. Причем, этот метод расчета позволяет не только оценить надежность проектируемой системы, но и повысить ее за счет резервируемых элементов, количество которых, рассчитывается в ходе ее анализа. Это является определяющим фактором для решения задач обеспечения катастрофоустои-чивости системы и планирования ее дальнейшего развития.

Рассматривается информационно-телекоммуникационная система, отказ любой из подсистем которой приводит к отказу всей системы в целом. Каждая из подсистем может быть реализована ui0 ) способами, характеризующимися различными значениями технико-экономических параметров. Возникает необходимость определения варианта системы и0, обеспечивающего успешное решение всех задач

*M=lWw) (!5)

ы

при строго заданных условиях по надежности и технической и экономической эффективности

к

х„(и) = ^х„(ит)<х* , (16)

|»1

где R¡(г/(№)) -надёжность элемента /-й подсистемы /¡-го типа, хп(и,Л))-значение tiro ограничивающего фактора для клиента 1,-го Чипа /-й подсистемы, х„(и)-количество п -го ограничивающего фактора, израсходованного на всю системы, х'„ -макси-

мально возможное количество и-го ограничивающего фактора для всей системы в целом.

Задачи (15)-(16) эквивалентны задаче поиска максимума функции

/(«)=!/;(",<,„)• (17)

Если результат решения задачи оптимального проектирования неудовлетворителен, а используемые ресурсы исчерпаны не полностью, то необходимо прибегнуть к резервированию элементов подсистемы. Т.е. если произведено резервирование в 1-й подсистеме и она содержит Я, +1 элементов (Л, - резервных и один основной), то выход её из строя происходит при выходе из строя всех Я, +1 элементов.

Максимальная кратность резервирования Л.|(1) для каждого элемента, вошедшего во множество 11], определяется по формуле:

Лг'

шш[—я—-3-1. (18)

В этой же главе дается формализация задачи поиска плана, обеспечивающего минимум дефицита надёжности на всём интервале времени, выделенном на развитие кластерной структуры ИТС при высокой размерности, за счет использования графовой формализации, отражающей возможные варианты развития кластерной системы.

В работе использовано понятие кластер-кворумом как минимальная целостность кластера, при которой он остаётся работоспособен. Это процентная характеристика, обозначающая минимальную часть кластера, способную справляться с возложенными на него задачами. Для расчёта значения кластер-кворума каждому узлу кластера экспертным путём присваивались веса. Минимальное работоспособное значение целостности принимается за кластер-кворум.

В работе рассматривалась задача оптимизации управления развитием кластерной ИТС, представляющая собой совокупность N кластеров и номером кластера п = 1,ЛГ. Каждый кластер характеризовался: катастрофоустойчивой категорией (к = \,К), коэффициентом разнесенности У„ и потребностью в кластер-кворуме qnt в момент времени /. На интервале времени Т в каждый период планирования ((= 1, Т) выделялись материальные средства в размере А, на развитие инфраструктуры системы кластеров. А коэффициент разнесенности УП учитывает многократное

увеличение затрат на модернизацию кластера в районах повышенной сложности (сейсмических и т.д.). Каждой категории к соответствовало минимальное работоспособное значение кластер-кворум qk и ресурсы на развитие кластера Ак Пусть: xni¡ = если п "й кластер имеет к-ю категорию в /-й период планирования, хпУ = 0 в противном случае.

Обозначив через Дд = q„, - qk разность между требуемой целостностью п -го кластера в <-й период и кластер-кворумом к-й категории, получили:

í- ci ¡ , если а , < О,

¿i ч*. ч* (19)

[ 0, если qnkt > 0.

- \с1„кп еСШ С1пк< >

: (20) (О, если д„ь<0.

Тогда выражение, характеризующее степень надежности системы к нарушению целостности выглядит следующим образом:

N К Т

' x»kt ■ (21)

n=l Ü=1 (=1

Условие выбора кластера одной категории из допустимого множества представляется в виде:

|>иИ=1, л = l7, ' = 17, (22)

ы

где N — общее количество кластеров.

Условие, ограничивающее набор возможных категорий п -го кластера в каждый t-n период, выглядит следующим образом:

£к-хп1а<К'„,, и = Щ, t = \J, (23)

где К'„ - mmk - минимальная категория, кластер-кворум которой полностью удовлетворяет потребностям п -го кластера в /-й период планирования (k = 1, К).

Учитывая коэффициент разнесенности У„ ограничение на затраты в период времени t формализованы следующим образом:

N К

IXIXto • • - Ак • xBHrí))< А,. (24)

Важным условием являлось обеспечение функционирования системы, и поэтому в качестве критерия оптимальности плана развития было принято выражение (21):

N К Т

(25)

»=1 I <=1

Таким образом, получаем оптимизированный план, обеспечивающий минимум дефицита надёжности, на всём интервале времени, выделенном на развитие системы.

Процедура формирования эффективных путей развития надежных структур заключается в нахождении модели с определенными вариантами развития для л-го кластера и оценкой надежности в виде:

/„, (26)

где /„, ) - значение критерия надежности для определенной части, /„', (хл,) -оценка критерия надежности для неопределенной части кластерной инфраструктуры плана развития, для вычисления которой используется алгоритм на рис. 1.

После вычисления (26), если на первом месте в массиве решений оказывается решение, в котором определены варианты развития для всех кластеров системы, то полученное решение является оптимальным, и алгоритм формирования эффективных путей развития падежных структур прекращается.

Рис. 1. Блок-схемы процедуры формирования эффективных путей развития кластерного пространства

В четвертой главе проведен анализ эффективности реализации методов обеспечения и повышения надежности ИТС, рассмотренных в предыдущих главах; представлены результаты модельных экспериментов, подтверждающих обоснованность выбора метода структурно-функциональной целостности для повышения надежности ИТС, доказывающего эффективность применения ЯАГО-массивов, а также использование процедуры формирования эффективных путей развития кластерного пространства, например, метрокластера с двумя арбитраторами, представленного на рис. 2, разнесение узлов которого на большие расстояния уменьшает вероятность выхода из строя дублирующего узла в результате катастрофы.

Метрокластер предполагает наличие средств синхронизации. Обычно для решения этой задачи используется площадка-арбитратор. Арбитраторы - полнофункциональные системы, являющиеся составными частями кластера, но не подсоединенные к дисковым массивам. В метрокластере поддерживаются конфигурации с одним или двумя арбитраторами, однако конфигурации с двумя арбитраторами более предпочтительны, так как они обеспечивают больший уровень готовности. Площадка-арбитратор содержит дополнительный узел, который состоит из выделенного сервера и выполняет связующую и синхронизирующую роль для всех остальных узлов. Сценарии отказов таких ИТС, представлена в таблице 1.

Сюяюгёгскгаст

ПретшА !1ж®ж8

-сиз-

Репликация и/ипи »врквли^здеамив винных

та

Цапрсбра&говаяш

Реппиюидая авртапиромние /ЗДных

«анивагетеш»

V.

ПрвшеявС Првтаажй

1 г:______

Арбитргтар 1 Арбтригсрг

Цаитробребсмидашж ^датеирйо»

Площадка-арбитратор

Рис 2. Метрокластер с двумя площадками-арбитраторами

Таблица 1

Сценарии отказов в конфигурации с двумя арбитраторами

Сценарии Не работает Отказ Целостность кластера Осталось Последствия

1 Центр А 67% 4 из 6 Приложения А и В запускаются в центре В

2 Центр А Арбитратор 1 75% 3 из 4 Нет

3 Центр А, Арбитратор 1 50% 3 из 6 Кластер остановлен

4 Центр Л Арбитратор 1 УзелЗ 67% 2 из 3 Приложения А, В и С запускаются на другом узле кластера

5 Арбитратор 1 Центр А 60% 3 из 5 Приложения А и В запускаются в центре В

6 УзелЗ Центр А 60% 3 из 5 Приложения А и В запускаются в центре В

7 Центр В 67% 4 из 6 Приложения С и Б запускаются в центре А

8 Площадка-арбитратор 67% 4 из 6 Нет

Из анализа сценариев отказов в данной конфигурации видно, что минимальный ущерб, при котором кластер становится недоступен, - это одновременный выход из строя одного из центров обработки данных и одного арбитратора. Во всех остальных случаях будет произведена реконфигурация и система продолжит работу на оставшихся узлах.

В заключении сформулированы выводы по диссертационной работе в целом.

Ш. ОСНОВНЬШ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИИ

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. Разработан метод определения объектов проектируемых подсистем, 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 эффективных путей развития надежных структур ИТС с использованием кластеризации, а уровень катастрофоустойчивости системы характеризуют текущие требования по надежности на заданном этапе планирования.

4. Разработана методика совершенствования архитектуры сети, обеспечивающей 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.

IV. ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Царегородцев A.B., Савельев И А. Синтез кластерных структур информационно-управляющих систем. // Интеллектуальные системы / Труды VII международного симпозиума Под ред. К.А. Пупкова - М.: РУСАКИ, 2006. - С. 97-102.

2. Царегородцев A.B., Савельев ИЛ. Кластерный подход к повышению надежности информационно-управляющих систем. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - М., 2007. - №2. - С. 18-21.

3. Царегородцев A.B., Савельев И.А. Решение проблемы повышения надежности информационно-управляющих систем кластерным методом. // Вестник РУДН, Сер. Инженерные исследования. - М., 2007. -№ 1. - С. 79-84.

4. Царегородцев A.B., Савельев И.А. Системы обработки информации и управления: методы и модели надежностного синтеза. - М.: Изд-во Радиотехника, 2008. -144 с.

5. Царегородцев A.B., Савельев И.А. Теория надежностного синтеза защищенных телекоммуникационных систем. - М.: ВГНА Минфина России, 2008. -128 с.

6. Савельев И.А. Применение высокопроизводительных кластеров в современных информационно-управляющих системах. // Инженерные системы -2008 / Тезисы докладов всероссийской научно-практической конференции-М.: РУДН, 2008 г. -С. 132.

7. Царегородцев A.B., Савельев И.А. Кластеризация как повышение надежности информационно-телекоммуникационных сетей. // Наука и устойчивое развитие общества Наследие В.И. Вернадского/ Сборник материалов 3 международной научно-практической конференции. - Тамбов, Изд-во Тамбовпринт, 2008 г. - С. 439-440.

8. Царегородцев A.B., Савельев И.А. Повышение надежности телекоммуникационных систем в финансово-кредитной сфере. // Проблемы модернизации экономики в России в XXI веке / Труды 10-ой международной межвузовской научно-практической конференции М.: Изд-во ВГНА Минфина России, 2009. - С. 227-230.

9. Савельев И.А. Повышение надежности и эффективности функционирования информационных систем кредитно-финансовых учреждений. // Вестник ВГНА Минфина России. - М., 2009. - № 1. - С. 46-51.

I

Подписано в печать 06.04.2010. Формат 60x84/16. Бумага типографская № 2. Печать - ризография. Усл. леч. л. 1,6 Тираж 100 экз. Заказ 4067.

Московский государственный институт электроники и математики 109028, Москва, Б.Трехсвятительский пер., 3.

Центр оперативной полиграфии (495) 916-88-04, 916-89-25

Введение.

Глава 1 Состояние проблемы надежностного синтеза информационнотелекоммуникационных систем.

1.1. Системный подход к надежностному проектированию информационно-телекоммуникационных систем.

1.2. Методы обеспечения надежности.

1.3. Методы повышения надежности.

1.4. Катастрофоустойчивые системотехнические решения.

1.5. Выводы по главе.

Глава 2. Методология надежностного синтеза информационнотелекоммуникационных систем.

2.1. Концептуально-методологические положения надежностного синтеза информационно-телекоммуникационных систем.

2.1.1. Отправные методологические положения.

2.1.2. Формально-математические условия.

2.2. Логическая организация этапов и задач формализованной технологии надежностного синтеза информационно-телекоммуникационных систем.

2.3. Принципы построения исходной модели структурно-функциональной целостности.

2.3.1. Выбор формального способа задания критерия структурно-функциональной целостности.

2.3.2. Принципы формирования морфологии дерева целей.

2.4. Определение аналитических объектов надежностного синтеза информационно-телекоммуникационных систем.

2.4.1. Определение исходных конструктивных объектов

2.4.2. Определение аналитических конструктивных объектов.

2.5. Математический аппарат формирования структурно-функциональной целостности.

2.5.1. Классы эквивалентности отображений на уровнях дерева целей.

2.5.2. Определение критерия структурно-функциональной целостности.

2.6. Выводы по главе.

Глава 3. Методы и модели надежностного синтеза информационнотелекоммуникационных систем.

3.1. Методы и модели оценки надежности информационно-телекоммуникационных систем.

3.2. Методы повышения аппаратной надежности на этапе развития катастрофоустойчивой структуры.

3.3. Сценарии отказов кластерной инфраструктуры.

3.4. Управление развитием кластерного информационного пространства.

3.5. Пример формирования оптимального плана развития кластерной ИТС

3.6. Выводы по главе.

Глава 4. Анализ эффективности реализации методов обеспечения и повышения надежности.

4.1. Аппаратное и программное обеспечение.

4.2. Формирования вариантов информационно-телекоммуникационной системы по критерию надежности.

4.3. Анализ экономического эффекта от увеличения надежности ИТС.

4.4. Выводы по главе.

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 РФ -оперативный 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 которого -сохранение 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 подсистем; решать 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.

1. Авен О.И., Турин Н.Н. Оценка качества и оптимизация вычислительных систем. - М.: Наука, 1982. - 464 с.

2. Андреев А., Беззубов Е.И., и др. Microsoft Windows 2000 Server. //Санкт-Петербург. BHV 2001 г.

3. Артемов Д. Microsoft SQL Server 2000. // Русская редакция, 2001 г.

4. Богатырев В.А. К повышению надежности вычислительных систем на основе динамического распределения функций / Изв. вузов. Приборостроение. -1981, №4.

5. Богатырев В.А. Отказоустойчивые многомашинные вычислительные системы динамического распределения запросов при дублировании функциональных ресурсов / Изв. вузов. Приборостроение. 1996, № 4.

6. Боэм Б.У. Инженерное проектирование программного обеспечения: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1985.

7. Боэм Б., Браун Дж., Каспар X., Липов М., Мак-Леод Г., Мерит М. Характеристика качества программного обеспечения / Пер. с англ. М.: Мир, 1981.-208 с.

8. Вахромеев К. Защита данных от катастроф // Открытые системы. 2000,3.

9. Гласе Р. Руководство по надежному программированию: Пер. с англ. -М.: Финансы и статистика, 1982.

10. Ю.Глушков В.М. Введение в АСУ / Изд. 2-е, исправленное и дополненное. Киев: Техника, 1974. - 320 с.

11. Голинкевич Т.А. Прикладная теория надежности. М.: Высш. шк., 1995.

12. Дилон Б., Сингх И. Инженерные методы обеспечения надежности систем. М: Мир, 1984.

13. Дубова Н.А. Интегрированные системы управления распределенной корпорацией // Открытые системы. 1998. - № 1.

14. Дубова Н.А. Управление распределённой средой корпорации // Открытые системы. 1999, № 11-12.

15. Иванов П. Управление информационными системами: базовые концепции и тенденции развития // Открытые системы. 1999, № 4.

16. Исследование операций: в 2-х томах // Пер. с англ. / Под ред. Дж. Моудера, С. Элмаграби. М.: Мир, 1984. -Т.1.-712 с.

17. Като М., Иимура Д. Построение сетей ЭВМ. -М.: Мир, 1988.

18. Ким Дж.-О., Мьюллер Ч.У., Клекка У.Р. Факторный, дискриминантный и кластерный анализ. М.: Финансы и статистика, 1989.

19. Климов A.A. Проектное управление // Экономист. 1998, № 9.

20. Кобринский Н.Е., Майминас Е.З., Смирнов А.Ф. Введение в экономическую кибернетику. М.: Экономика, 1975.

21. Ковалев И.В., Савин C.B. Оптимальное формирование избыточной структуры для отказоустойчивых информационных систем // Электронный журнал «Исследовано в России», 7, 1123-1129, 2004.

22. Ковалев И.В., Стратегия эффективного управления развитием кластерной инфраструктуры корпорации //Вестник НИИ СУВПТ 2003, №12, с.94-110.

23. Коганов A.B., Романюк С.Г. Экономический подход к понятию надежности программы // Открытые системы. 1995, №3.

24. Козленке J1. Проектирование информационных систем // КомпьютерПресс. 2001, №9.

25. Коржов В. Адекватные системы // Открытые системы. 2001, №12.

26. Корпоративные сети и системы. Экономические данные // Компьютерра. -1997.-№42.

27. Краткое практическое руководство разработчика информационных систем на базе СУБД Oracle: Библиотека журнала «Информационные технологии» М.: Машиностроение, 2000.

28. Кузнецов С.Д. Информационная система: как ее сделать? // Computerworld. -1996, №1.

29. Леканов Я.Д., Фокин Ю.Г. Основы живучести технических средств автоматизированных систем управления войсками. -М.: Воениздат, 1980.

30. Липаев В.В. Надёжность программных средств. -М.: СИНТЕГ, 1998.

31. Липаев В.В. Проектирование программных средств. М: Высшая школа, 1990.

32. Локальные вычислительные сети организация функционирования, эффективность, оптимизация / Под ред. C.B. Назарова. - М.: Финансы и статистика, 1995.

33. Майерс Г. Надёжность программного обеспечения. М.: Мир, 1980.

34. Мафтик С. Механизмы защиты в сетях ЭВМ. М.: Мир, 1993.

35. Мамиконов А.Г. Типизация разработки модульных систем обработки данных. -М.: Наука, 1989.6

36. Надежность и живучесть систем связи: Под ред. А.К.Дудника. М.: Радио и связь, 1984.

37. Николаев Ю.И. Проектирование защищенных информационных технологий. С.-Пб.: Изд-во СпбГТУ, 1997.

38. Ope О. Теория графов. -М.: Наука, 1980.

39. Панащук С. Проектирование крупных ИС: от панацей к мастерской методов и моделей // Директору информационной службы. — 1998. —№2.

40. Проскурин В.Г., Крутов C.B., Мацкевич И.В. Программно-аппаратные средства обеспечения информационной безопасности. Защита в операционных системах. -М.: Радио и связь, 2000.

41. Повышение надежности информационной структуры предприятия с помощью кластеризации. www.citforum.ru/database/kbdl87

42. Раинкшкс К., Ушаков И.А. Оценка надежности систем с использованием графов. М.: Радио и связь, 1988.

43. Рыжкин A.A., Слюсарь Б.Н., Шучев К.Г. Основы теории надежности. -Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 2002.

44. Савельев И.А. Применение высокопроизводительных кластеров в современных информационно-управляющих системах. Инженерные системы2008/Тезисы докладов всероссийской научно-практической конференции- М.: РУДН, 2008 г.

45. Савельев И. А. Повышение надежности и эффективности функционирования информационных систем кредитно-финансовых учреждений. // Вестник ВГНА Минфина России. М., 2009. - № 1. - С. 46-51.

46. Савин C.B. Анализ методов управления развитием корпоративных информационных технологий // Вестник НИИ СУВПТ, 2003, №11, с.118-128

47. Саркисян A.A. Повышение качества программ на основе автоматизированных методов. -М.: Радио и связь, 1991.

48. Селезнев МЛ. Информационно-вычислительные системы и их эффективность. М.: Радио и связь, 1986. - 103 с.

49. Татаренко А. Пример расчета рентабельности проекта автоматизации предприятия за счет внедрения пакета бизнес приложений Oracle Applications RI 1. www.oracle.ru.

50. Тоценко В.Г., Александров A.B., Парамонов Н.Б. Корректность, устойчивость, точность программного обеспечения. Киев: Наукова думка, 1990.

51. Тоценко В. Проблемы надежности сетей // Компьютера. -1998, №14.

52. Устенко A.C. Основы математического моделирования и алгоритмизации процессов функционирования сложных систем. -ustenko.fromru.com.

53. Феллер. В. Введение в теорию вероятностей и ее приложения. М.: Мир, 1967.

54. Флинт Д. Локальные сети ЭВМ: Архитектура, принципы построения, реализация. -М.: Финансы и статистика, 1986.

55. Фокс Дж. Программное обеспечение и его разработка: Пер. с англ. М.: Мир, 1985.

56. Хорошевский В.Г. Инженерный анализ функционирования вычислительных машин и систем. М.: Радио и связь, 1987.

57. Царегородцев A.B. Разработка метода распараллеливания каналов для сохранения целостности информации в распределенных информационно-управляющих системах // Вестник РУДН, Сер. Инженерные исследования. М.,2001.-№ 1.-С. 22-33.

58. Царегородцев A.B. Принципы построения защищенных распределенных информационно-управляющих систем // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. М., 2004. - № 3. - С. 1-6.

59. Царегородцев A.B. Теория построения иерархических информационно-управляющих систем. М.: Изд-во РУДН, 2004.

60. Царегородцев A.B. Современные технологии управление в человеко-машинных системах. М.: Радио и связь, 2002. - 184 с.бЗ.Царегородцев A.B., Кислицын A.C. Основы синтеза защищенных телекоммуникационных систем. М.: Радиотехника, 2006.

61. Царегородцев A.B., Савельев И.А. Синтез кластерных структур информационно-управляющих систем. // Интеллектуальные системы / Труды VII международного симпозиума. Под ред. К.А. Пупкова. М.: РУСАКИ, 2006. -С. 97-102.

62. Царегородцев A.B., Савельев И.А. Кластерный подход к повышению надежности информационно-управляющих систем. // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. М., 2007. - №2. - С. 18-21.

63. Царегородцев A.B., Савельев И.А. Решение проблемы повышения надежности информационно-управляющих систем кластерным методом. // Вестник РУДН, Сер. Инженерные исследования. М., 2007. - № 1. - С. 79-84.

64. Царегородцев A.B., Савельев И.А. Системы обработки информации и управления: методы и модели надежностного синтеза. М.: Изд-во Радиотехника, 2008. -144 с.

65. Царегородцев A.B., Савельев И.А. Теория надежностного синтеза защищенных телекоммуникационных систем М.: ВГНА Минфина России, 2008. 128 с.

66. Ширяев Д., Аншелес В., Мочалин В. Выбор оптимальной информационной системы // Открытые системы. 2001, №10.

67. Ширяев Д., Аншелес В., Мочалин В. Сбор и обработка информации для принятия управленческих решений // Открытые системы. — 2001, № 4.

68. Administering a Microsoft SQL Server 2000 Database// Microsoft Training & Certification 2072a.

69. Muralidhar, K. Using the analytic hierarchy process for information system project selection / K. Muralidhar, R. Santhanam, R. Wilson. Information Mgmt 18, 1990.-P. 87-95.

70. Oracle Education. Introduction to Oracle: SQL & PL/SQL, Volume 1: Students Guide, Production 1.1. 2000.

71. Oracle Education. Introduction to Oracle: SQL & PL/SQL, Volume 2: Student Guide, Production 1.1.2000.

72. Oracle University. Enterprise DBA Part 1: Performance and tunning . Volume L: Students Guide, Production 1.0. 2000.

73. Oracle University. Enterprise DBA Part 2: Performance and tunning. Volume 2: Students Guide, Production 1.0. 2000.

74. Programming a Microsoft SQL Server 2000 Database// Microsoft Training & Certification 2073b.J