автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.17, диссертация на тему:Оценка живучести сетевых информационных структур на основе дерева частных характеристик

На правах рукописи

ЕЛИСЕЕВ АЛЕКСЕЙ ИГОРЕВИЧ

ОЦЕНКА ЖИВУЧЕСТИ СЕТЕВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ДЕРЕВА ЧАСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Специальность 05.13.17 Теоретические основы информатики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ТАМБОВ 2013

1 6 ПАВ 2013

005059765

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Информационные системы и защита информации» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет» (ФГБОУ ВПО «ТТТУ»),

Научный руководитель

Иванова Ольга Геннадьевна,

кандидат технических наук, доцент

Официальные оппоненты:

Ведущая организация

Алексеев Владимир Витальевич,

доктор технических наук, профессор, ФГКОУ ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина», начальник 112 кафедры эксплуатации радиотехнических средств (обеспечения полетов)

Душкин Александр Викторович,

доктор технических наук, доцент, ФКОУ ВПО «Воронежский институт ФСИН России», начальник кафедры управления и информационно-технического обеспечения

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет инженерных технологий», г. Воронеж

Защита диссертации состоится 10 июня 2013 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.038.24 при ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет» по адресу: 394006, г. Воронеж, Университетская пл., д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный университет».

Автореферат разослан 29 апреля 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Чеботарев Андрей Сергеевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. В настоящее время происходит интенсивное развитие информационных систем и процессов, приводящее к усложнению сетевых информационных структур (СИС). Массовое использование СИС потребовало решения вопросов повышения качества функционирования на каждом этапе их жизненного цикла, связанном с решением различного типа задач. К показателям качества функционирования относят пропускную способность, время реакции, показатели качества обслуживания (Quality of Service, QoS), оговоренные в соглашении об уровне обслуживания (Service Level Agreement, SLA) и др.

Одним из важнейших факторов, определяющих качество функционирования СИС, является способность СИС выполнять свои основные функции, несмотря на полученные повреждения. Живучесть СИС есть комплексное свойство СИС с заданными показателями функционирования сохранять и восстанавливать выполнение основных функций в заданном объеме и на протяжении заданного времени в случае изменения структуры системы и/или алгоритмов и условий ее функционирования вследствие негативных внешних воздействий (НВВ).

Анализ ситуации в области оценки живучести СИС на базе литературных источников и научно-исследовательских работ позволяет сделать заключение о недостаточной изученности вопросов, связанных с получением оценки высокого уровня полноты и достоверности.

Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в разработку вопросов живучести систем различного назначения внесли работы В.Ф. Крапивина, И.А. Рябинина, Ю.М. Парфенова, Б.С. Флейшмана, А.Г. Додонова, Д.В. Ландэ, ИЛО. Стекольникова, Ю.Ю. Громова, М.Х. Cheng, Y. Li, D.-Z. Du и др. Важное значение научных разработок данных авторов - формирование математических основ анализа живучести. К характеристикам живучести авторы относят: стойкость, отказоустойчивость, готовность, восстанавливаемость, ремонтопригодность, адаптивность и др. Несмотря на комплексный характер проблемы анализа живучести, в работах перечисленных авторов производится оценка живучести на основе показателя одной или малого числа однородных частных характеристик, что говорит о низком уровне полноты получаемой оценки. Большое разнообразие предлагаемых моделей, методов, алгоритмов оценки живучести свидетельствует об отсутствии единого подхода, позволяющего обобщить показатели разнородных частных характеристик для получения достоверной оценки живучести. Поэтому решение задачи получения обобщенного критерия оценки живучести СИС является актуальной.

Решение этой задачи возможно за счет развития методов получения значений показателей частных характеристик живучести СИС. В качестве математической модели СИС используют граф, вершины которого представляют компоненты структуры, а ребра - связи между компонентами СИС. Для оценки живучести СИС, представленной графом, в научных работах используют одно или несколько свойств графа, например: диаметр и минимальная степень вершин, связность, наличие гамильтонова цикла или цепи. Однако добавление или исключение из графа одного или нескольких таких коммуникационных свойств влечет непосредственное изменение живучести сетевой структуры. Поэтому целесообразно создавать СИС, обладающие заданным уровнем живучести, определяемым по обобщенному критерию оценки живучести и учитывающим множество требований к коммуникационным свойствам графа. Наиболее распространенный подход к решению

проблемы синтеза СИС состоит в генерации случайных структур с последующим отсеиванием не отвечающих заданным критериям вариантов. Направление генерации структур с заданными коммуникационными свойствами систематическими методами, исключающими необходимость перебора, практически не исследовано. Связано это, прежде всего, с проблемой формализованного анализа и преобразования графовых представлений СИС.

Таким образом, существующие модели оценки живучести не используют обобщенный критерий и не учитывают значения показателей разнородных частных характеристик, как количественных, так и представленных с помощью лингвистической информации, с учетом неполноты данных о влиянии НВВ, заключающейся в нечеткости сведений о функционировании узла СИС.

Вышесказанное определяет практическую задачу - получение оценки живучести СИС в условиях нечеткости сведений о функционировании узлов в результате действия НВВ на этапе синтеза с высоким уровнем достоверности и обуславливает научную задачу - разработка модели показателей частных характеристик живучести СИС и модели обобщенного критерия оценки живучести СИС в условиях неопределенности, обеспечивающих достоверность и полноту оценки живучести СИС на этапе синтеза.

Объект исследования: структурно-параметрические характеристики СИС.

Предмет исследования: модели оценки частных характеристик и обобщенный критерий живучести СИС.

Цели и задачи исследования. Цель работы состоит в повышении достоверности оценки живучести СИС за счет использования разработанной модели показателей частных характеристик живучести и обобщенного критерия оценки живучести на этапе синтеза СИС.

Для достижения цели были решены следующие задачи:

1. Анализ существующих подходов к оценке живучести СИС.

2. Построение графовой модели показателей частных характеристик живучести СИС на основе классификации этих характеристик.

3. Синтез модели обобщенного критерия оценки живучести СИС в условиях неопределенности.

4. Разработка алгоритма оценки живучести по обобщенному критерию на основе графовой модели показателей ее частных характеристик в условиях неопределенности.

5. Проведение имитационных исследований живучести СИС, оценка достоверности результата, полученного по разработанному алгоритму.

Методология и методы исследования. Методология исследования основывается на принципах системного анализа и общей теории систем. При решении поставленных задач в работе были использованы методы: системного анализа, теории систем, теории нечетких множеств, теории графов, теории цепных дробей.

Результаты, выносимые на защиту, и их научная новизна:

— графовая модель показателей частных характеристик живучести, отличающаяся от существующих использованием авторской классификационной структуры характеристик, скобочного представления графа СИС с введением условий адекватности;

— модель обобщенного критерия оценки живучести СИС, отличающаяся использованием количественной информации о частных характеристиках: неуязвимость, восстанавливаемость, стойкость, отказоустойчивость, временная избы-

точность и качественной информации о частных характеристиках: непоражае-мость, адаптивность и ремонтопригодность; применением аппарата цепных дробей для свертки значений показателей дерева частных характеристик живучести;

— алгоритм оценки живучести СИС, отличающийся использованием обобщенного критерия оценки живучести на основе графовой модели показателей частных характеристик живучести в условиях нечеткости сведений о функционировании узлов СИС в результате действия НВВ.

Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость исследования состоит в повышении достоверности оценки живучести СИС за счет использования разработанной модели показателей частных характеристик живучести и обобщенного критерия оценки живучести на этапе синтеза СИС в условиях неопределенности.

Практическая значимость работы - программное обеспечение, реализующее разработанные модели, позволяет получить оценку живучести СИС по обобщенному критерию в условиях нечеткости сведений о функционировании узлов СИС в результате действия НВВ на этапе синтеза с высоким уровнем достоверности.

Степень достоверности и апробация результатов. Для подтверждения достоверности научных выводов в работе проведена сравнительная оценка живучести СИС с использованием разработанной модели, логико-вероятностного и энтропийного подхода, а также имитационного исследования. Достоверность научных результатов обеспечивается полнотой системного анализа проблемы повышения достоверности оценки живучести СИС и подтверждается корректным применением математического аппарата: теории систем, теории нечетких множеств, теории графов, теории цепных дробей.

Основные результаты работы представлены и обсуждены на следующих конференциях: IV Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 24—25 апреля 2012 г.); VIII Всероссийской научно-практической конференции (г. Краснодар, 22-23 июня 2012 г.); Международной молодежной конференции (г. Белгород, 3-5 октября 2012 г.), XIII Международной конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии» (г. Воронеж, 7-8 февраля 2013 г.), а также на семинарах кафедры «Информационные системы и защита информации» ФГБОУ ВПО «ТГТУ».

По теме диссертации опубликовано 24 работы, из них 7 статей, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 17 докладов в сборниках трудов международных и всероссийских научных конференций.

Внедрение результатов исследования. Основные положения работы диссертации использованы при обучении студентов кафедры «Информационные системы и защита информации» на факультете «Информационные технологии» ФГБОУ ВПО «ТГТУ». Результаты диссертационной работы приняты к внедрению в 1084 межвидовом центре подготовки и боевого применения войск РЭБ, на кафедре «Информационные системы и защита информации» ФГБОУ ВПО «ТГТУ», в ООО «СОВТЕХ», ООО «КОНУС-ИТ», что подтверждено актами о внедрении результатов исследований. В 2012 г. результаты диссертационной работы использованы в прикладной НИР по программе Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере Старт 12 по направлению «Информационные технологии», контракт № 10647р/19106. В 2012 г. результаты диссертационного исследования использованы в заявках 13-08-00285 и 13-07-00118, поданных на конкурс инициативных научно-исследовательских проектов по программе РФФИ.

Объем и структура работы. Диссертация, общий объем которой составляет 143 страницы, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной научной литературы, включающего 156 наименований научных трудов на русском и иностранных языках, и четырех приложений. Диссертация содержит 35 иллюстраций и 12 таблиц. Работа соответствует п. 2 «Исследование информационных структур, разработка и анализ моделей информационных процессов и структур» Паспорта специальности 05.13.17 «Теоретические основы информатики».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель работы, поставлены задачи, решение которых позволит достичь цели исследования.

В первой главе рассмотрены этапы жизненного цикла СИС, определено их содержание и цели. Показано, что уже на этапе синтеза необходимо иметь оценку качества функционирования проектируемой структуры с учетом неполноты информации о возможных условиях функционирования. Далее показано, что одним из важнейших факторов, определяющих качество функционирования СИС, является живучесть. На основе изучения литературных источников в главе проведена систематизация и анализ термина «живучесть», выделены основные свойства, присущие живучести. В первой главе определены частные характеристики живучести, используемые в научных работах. Существующие модели живучести условно поделены на два класса; живучесть по состоянию системы и по результатам выполненного задания. Также выявлены условия неопределенности функционирования СИС, проведена их классификация. В главе представлена обобщенная модель живучести как совокупность частных моделей различного назначения.

Анализ научных работ позволил выяснить, что задача получения комплексного значения живучести авторами примитивизируется: комплексное значение живучести определяется через средневзвешенную сумму оценок показателей частных характеристик. Большое разнообразие предлагаемых характеристик, моделей, методов, алгоритмов оценки живучести свидетельствует об отсутствии единого методологического подхода, позволяющего комплексно оценить живучесть СИС на основе разнородных показателей частных характеристик и их значений. Результаты анализа позволили сделать вывод о том, что для повышения достоверности и полноты оценки живучести СИС необходимо разработать модель обобщенного критерия оценки живучести, использующую как количественные, так и качественные показатели. Задача актуальна на начальных этапах жизненного цикла СИС, когда необходимо иметь оценку качества функционирования будущей системы с учетом неполноты данных о влиянии НВВ на свойства системы, заключающейся в нечеткости сведений о разрушении узла или связи в СИС. Таким образом, требуются дальнейшие исследования в направлении разработки классификации характеристик живучести и установления взаимозависимости между ними; построения модели показателей частных характеристик живучести СИС; разработки подходов к синтезу структур СИС с заданными оценками частных характеристик; построения модели обобщенного критерия оценки живучести СИС.

Во второй главе разработана классификационная система характеристик живучести, построена графовая модель показателей частных характеристик живучести СИС с использованием условий адекватности и скобочной формы представления графа СИС.

Рассмотрены варианты процесса функционирования СИС в условиях влияния НВВ:

1. Пусть НВВ действуют на СИС, но не оказывают деструктивного воздействия, так система им активно противодействует.

2. Допустим, что НВВ произвели деструктивное воздействие на систему, но система продолжает выполнение требуемых от нее функций, не выходя за рамки расчетных условий функционирования.

3. В случае получения повреждений в результате действий НВВ и выхода за пределы расчетных условий система адаптируется, приспосабливается к возникшим условиям и сводит на нет результат полученных повреждений.

4. Если механизмы адаптации не привели к желаемому результату, система может быть восстановлена за счет имеющихся в ее составе ресурсов.

Исходя из возможных вариантов развития событий, после действий НВВ предложена следующая структура характеристик живучести (рис. 1). Часть характеристик живучести СИС (неуязвимость (НУ), восстанавливаемость (ВС), стойкость (СТ), отказоустойчивость (ОТ) и временная избыточность (ВИ)) можно оценить количественно. Однако такие характеристики как непоражаемость (НП), адаптивность (АД) и ремонтопригодность (РМ), выделенные штриховкой на рис. 1, оценить количественно затруднительно. Термины непоражаемость и неуязвимость, успешно применяемые в теории живучести военной техники, но ранее не применяемые в теории живучести СИС, предложено использовать в моделях живучести СИС. Количественная оценка непоражаемости затруднительна, поэтому рекомендуется оценивать характеристику качественно. Неуязвимость количественно оценивается вероятностью выполнения основных функций системы после воздействия на нее НВВ и нерасчетных условий эксплуатации. Свойство адаптивности обеспечивается наличием внутри структуры интеллектуальных механизмов реконфигурации. Ремонтопригодность системы в условиях, созданных действием НВВ, основывается на имеющихся в ее составе средствах диагностического обеспечения и восстановления. Определения ремонтопригодности, восстанавливаемости и временной избыточности даны в ГОСТ Р 27.002-2009, адаптивности — в ГОСТ 34.003-1990.

Использование полного комплекса характеристик увеличивает достоверность получаемой оценки. Исследования свойств СИС противостоять деструктивным последствиям разрушений узлов или связей основаны на использовании графовых моделей.

Живучесть

Непоражаемость

/ /

1..

Неуязвимость

/

/

;;Адаптивность •;.

1.2.2

Отказоустойчивость

Восстанавливаемость

1.4.1,

. Реадонтолригод-.;/

Временная избыточность

Рис. 1. Структура характеристик живучести

Известные способы представления графов не дают возможности формализованно производить их анализ и преобразования. В работе предложено использовать подход, основанный на формализации описания графа СИС Е) его скобочными проекциями Р(у0), у(| е V. На основе использования скобочной формы представления графа разработаны подходы к синтезу СИС, обладающих необходимыми значениями показателей частных характеристик живучести, которые используются в разработанном алгоритме оценки живучести для построения структур с максимально возможным уровнем живучести при заданных ограничениях.

Процесс синтеза СИС состоит в построении базовой проекции остовного дерева, в анализе этой проекции, в выявлении с ее помощью значений коммуникационных показателей (например, наличие гамильтонова цикла, величина обхвата) и в последующем доопределении неизвестных ребер графа СИС другими его проекциями в соответствии с требуемыми значениями показателей (например, степеней вершин). Процедура синтеза графа СИС в предлагаемом подходе достаточно формализована, чтобы не использовать его геометрическое представление.

Этапы синтеза проекции регулярного графа СИС с количеством вершин п = 10 и степенью вершин 5 = 3 с наличием гамильтонова цикла представлены с помощью скобочных проекций:

Р(0) = 0

Р(0) = 0(|

Р(0) = 0(1

)2{3,6)л!6.8]1 ;

Соответствующее графическое представление этапов синтеза графа СИС -рис. 2.

а)

б)

Рис. 2. Этапы синтеза графа СПС порядка и = 10, степени $ = 3 с наличием гамильтонова цикла:

а — начальный; б — промежуточный; в — конечный

Этапы синтеза проекции регулярного графа СИС порядка п -

5 = 3 и обхвата £ = 4 представлены с помощью скобочных проекций:

10, степени

Р(0) = 0

,4(5.»],1!|; ^Ш.,!!!, ,2П! ,413Д| ,Ц.9|. ,з(1.«1.,!8|, „МЛ.,»!, „М.,*2!, ,„{7} ,

,в<2 '.Т10 ,в Ч -М'-5 ¡6' - '>

Р(0) = 0" -5

Р(0) - 0{1'2'361 "7<681'.З'4'3^1'6'2'7'',9!з!2'4' к,4'7! 1 {

Соответствующее графическое представление этапов синтеза графа СИС -

рис. 3.

Т

.1 * 5

а)

б)

Рнс. 3. Этапы синтеза графа СИС порядка п = 10, степени 5 = 3 и обхвата g = 4:

а - начальный; 6 - промежуточный; в - конечный

Добавление или исключение из графа одного или нескольких коммуникационных свойств влечет непосредственное изменение живучести сетевой структуры. Поэтому целесообразно создавать СИС, обладающие известным уровнем живучести. Уровень живучести должен быть основан на обобщенном критерии оценки живучести, учитывающем множество требований к коммуникационным свойствам графа, представленных с помощью оценок частных характеристик.

Вводится ряд понятий, которые в дальнейшем используются в графовой модели показателей частных характеристик живучести СИС. Терминология представлена в табл. 1. В разрабатываемой графовой модели для описания показателей частных характеристик живучести, изображенных на рис. 1, предложено использовать условия адекватности. Сама графовая модель представлена в табл. 2. Полученные значения показателей частных характеристик живучести структур, представленных на рис. 2 и 3, также занесены в табл. 2.

1. Используемая терминология

Определение Формализация

Множество функций, выполняемых СИС ^ = {Я}, = т

Множество подсистем СИС 5 = {£}, |5] = т, = вМ, £,)

Условие адекватности г),- определяет условия адекватности подграфа Е,) требованиям, предъявляемым к подсистеме = й^У,, Е,)

Модель подсистемы 5/ Я/, л.)

Определение Формализация

Модель подсистемы 5, в составе СИС

Условие адекватности Н графа б Условие адекватности Н системы 51, заданное множеством {г|,}, описывает обобщенные для системы условия работоспособности. В работе условие адекватности задается необходимыми коммуникационными характеристиками графа СИС, например, наличием гамильтонова цикла и цепи, связностью, регулярностью и т.д. Н= ПГ|,

Свойство вершинной толерантности графа С(У, Е) е{с(г„ е\ я)}=|{о,}л#|/с;, / = оГу , где |{о;}л//| — число подграфов, адекватных требованиям, заданным условием//; /—число изъятых вершин; С{; —общее число подграфов

Учет всех предложенных частных характеристик и их взаимозависимости в моделях живучести требует разработки модели обобщенного критерия оценки живучести, позволяющего использовать как количественные, так и качественные значения показателей частных характеристик.

2. Графовая модель частных характеристик живучести

№ Хара1сгеристика Графовая модель Знач.

1.1 Непоражаем ость 1 2

Непоражаемость подсистемы СИС 5, бщп = ДМ е [0; 71)30,(0 = С', С*} лть |С,(01> 0), / = 1, т, где Т- время эксплуатации СИС; г - произвольно взятый элементарный временной интервал эксплуатации СИС из промежутка от 0 до Т\ № - предельное количество разрушенных элементов; - граф, соответствующий условиям работоспособности Т),

Непоражаемость СИС 51 6™ = ДМе [0; Т\) 36(0 = ({6°, С1, ..., в") л Н, |С(01> 0), Н= ПТ1„ 1 = 1, т Определить вероятность непоражаемости системы на начальных этапах эксплуатации затруднительно - -

1.2 Неуязвимость

<ч" Стойкость подсистемы СИС 5/ е,ст№- 0 = £")}лТ1,.|/с;, ¿ = 1, т, где {С(К;, £*)} - множество сопоставленных системе подграфов с / разрушенными вершинами; т|; - условие адекватности, определяющее соответствие подграфа условиям работоспособности подсистемы

Стойкость СИС 5 Н= пт),, (' = 1, т 2,6 2,9

№ Характеристика Графовая модель Знач.

1.2.2 Отказоустойчивость подсистемы СИС 5, где - время реализации функции СИС; /¡™х - предельное значение времени реализации функции / - суммарное время реализации всех функций системы; ^ - предельное значение времени реализации всех функций системы

Отказоустойчивость СИС 5 еот№ 1)=\{0(У„Е')}лн\1с'к, 3 3,1

1.3 Адаптивность

Адаптивность СИС 5 Количественная оценка адаптивности системы к условиям НВВ затруднительна из-за сложности выбора соответствующего показателя, рекомендуется оценивать данный показатель качественно - -

1.4 Восстанавливаемость

1.4.1 Ремонтопригодность Количественная оценка ремонтопригодности системы к условиям НВВ затруднительна из-за сложности выбора соответствующего показателя, рекомендуется оценивать данный показатель качественно - -

1.4.2 Временная избыточность подсистемы СИС£ е/ви№,0 = тшс, ' = 1. "». где т(ВС — максимально возможное время проведения работ для восстановления работоспособности подсистемы

Временная избыточность СИС 5 еви(5, /)=твс, где твс - максимально возможное время проведения работ для восстановления работоспособности всей системы 0,2 0,17

Таким образом, во второй главе разработана графовая модель показателей частных характеристик живучести (табл. 2), отличающаяся от существующих использованием авторской классификационной структуры характеристик (структура характеристик представлена на рис. 1, каждая из характеристик представлена в табл. 2 соответствующими выражениями), скобочного представления графа СИС с введением условий адекватности, позволяющая синтезировать СИС с заданными значениями показателей частных характеристик живучести без необходимости перебора вариантов структуры.

В третьей главе построена модель обобщенного критерия оценки живучести СИС, функционирующей в условиях неопределенности, рассмотренных в главе 1.

На основе классификационной структуры характеристик живучести, разработанной в главе 2, построено дерево характеристик - рис. 4. В соответствие каждой концевой вершине дерева на рис. 4 ставится значение показателя 9,- частной характеристики живучести (непоражаемость, стойкость, отказоустойчивость, адаптивность, ремонтопригодность, временная избыточность), г = {НП, СТ, ОТ, АД, РМ, ВИ}. Корень дерева и совокупность дуг, исходящих из него, образуют первый уровень. Второй уровень образуют дуги, исходящие из вершин первого

уровня. Для каждой характеристики первого уровня внесем в схему ее коэффициент значимости Ьр] = {НП, НУ, АД, ВС}. В основу получения оценок коэффициентов значимости должны быть положены методики экспертного оценивания. В случае использования качественных оценок коэффициентов значимости целесообразно использовать аппарат нечетких множеств.

Используем аппарат цепных дробей, который позволит произвести свертку разнородных частных показателей, заданных как количественно, так и качественно с учетом иерархии частных характеристик. В соответствие вершинам и совокупности дуг, изображенных на рис. 4, ставится цепная дробь.

Для частных характеристик (непоражаемость, стойкость, отказоустойчивость, адаптивность, временная избыточность, ремонтопригодность) вводятся соответствующие лингвистические переменные. В соответствие значению лингвистической переменной ставится один из термов ее терм-множесгва. Для каждой частной характеристики величины 9, (значение показателя частной характеристики) и й. (коэффициент значимости характеристики) являются нечеткими числами.

Эксплуатация СИС на временном интервале от 0 до Г влечет за собой изменение характеристик структуры во времени вследствие НВВ. При изменении факторов, влияющих на состояние системы, происходит изменение значений соответствующих функций принадлежности нечетких чисел 0,-. Поэтому функция принадлежности определяется как функция нескольких переменных, одна из которых параметр времени I С учетом воздействия НВВ в дискретные моменты времени получим:

-^-^-=-, (1)

Ьнп . ^НУ | *Д | ^вс

»0 йО.йС) £(<> о(') +0(0

"НП "СТ + "ОТ "АД "РМ + °ви

где б/'* - значение показателя частной характеристики (непоражаемость, стойкость, отказоустойчивость, адаптивность, ремонтопригодность, временная избыточность), представленное нечетким числом, г = {НП, СТ, ОТ, АД, РМ, ВИ};

- коэффициент значимости частной характеристики (непоражаемость, неуязвимость, адаптивность, восстанавливаемость), представленный нечетким числом, у = {НП, НУ, АД, ВС}; б^щ - оценка живучести; 6Ж1В - коэффициент значимости живучести как комплексного показателя (определяется типом исследуемой системы, служит для нормировки комплексного значения живучести систем различного назначения); / - временной интервал, достаточно малый в сравнении с периодом эксплуатации системы, в течение которого функции принадлежности частных характеристик остаются неизменными.

Преобразуя выражение (1) к дробно-рациональному виду, получим:

Ьжив -6дд

Ъот-^. ва

Рис. 4. Дерево характеристик живучести

В случае, если нечеткие числа являются унимодальными числами ¿Л-типа: б, {9;, 9;Х, 9;Л}, 9,- - мода, 9,х, 9,Л - левый и правый коэффициенты нечеткости,

/ = {НП, СТ, ОТ, АД, РМ, ВИ}. Аналогично для bj{bj, bJL, bjR] , для j = {НП, НУ,

АД, ВС}. С использованием известных операций над нечеткими числами LR-типа в свертке цепной дроби (2) получено выражение (3).

®ЯШВ = {^жив0нп(6ст + ®от)®ад(®рм + ®ви)>

¿ЖИВL ®Hni(0CTi +0ОТл)®АД/,(®РМй + 0ВИ/,)> ^ЖИВд0НПд(9сТй +0ОТл)®АДЛ(®РМД +0ВИя)}Х

[{Ьнп(С +С) + ¿нубМ(0РМ +0™) +

+е& )(9« +е« )+^ceW(e« +е«)е«,

¿нп, (вйЛ + 6^)6« £(6W i +6« L) + bmQ^nLQ^L (0« £ +6« L) +

¿НПЯ (0СТЛ + ®ОТя )®АДЯ (®PMR + 0ВИД ) + ¿НУЯ ^НПЛ^АДуг (®РМЛ + 0ВИЛ ) + + 6АДЛ 9НПR (6СТД + еОТ« ) (0РМR

(3)

где 9lLbjL = QfiJL + bfiiL - 9iLbjL, 9tRbjR = Щк + bJ8„ - 9mbjR, / = {НП, СТ, ОТ, АД,

РМ, ВИ},у = {НП, НУ, АД, ВС}.

На рис. 4 вершины графа представляют собой последовательность состояний реакции СИС на действия НВВ, а дуги - переходы между этими состояниями. Тогда состояние СИС в каждый момент времени определяется единственным состоянием из множества возможных и единственной частной характеристикой, что говорит о полноте получаемой оценки живучести.

Таким образом, в главе синтезирована модель обобщенного критерия оценки живучести СИС в условиях неопределенности в виде дробно-рационального выражения (2), частный случай с нечеткими параметрами критерия, являющимися унимодальными числами LR-типа - выражение (3). Применение аппарата цепных дробей совместно с использованием качественной информации позволяет повысить достоверность получаемой комплексной оценки живучести СИС, функционирующих в условиях нечеткости сведений о функционировании узлов СИС в результате действия НВВ, за счет полноты описания состояний СИС ее характеристиками.

В четвертой главе представлен алгоритм оценки живучести СИС по обобщенному критерию на основе графовой модели показателей частных характеристик живучести, позволяющий получить комплексную оценку живучести СИС в условиях неопределенности на этапе синтеза; а также проведены имитационные исследования живучести СИС, оценена достоверность результата, получаемого по разработанному алгоритму.

Структурная схема алгоритма оценки живучести СИС по обобщенному критерию представлена на рис. 5. На рис. 6 представлен фрагмент диаграммы классов разработанного на основе алгоритма программного обеспечения (ПО).

К модулю экспертного оценивания

Рис. 6. Фрагмент диаграммы классов программного модуля представления

Использование нечетких множеств совместно с аппаратом цепных дробей обладает рядом преимуществ по сравнению с общепринятыми моделями получения оценок живучести СИС. К этим преимуществам относятся: возможность моделирования в случаях с неизвестными количественными значениями показателей

характеристик; большая гибкость; возможность ставить и решать оптимизационные задачи с использованием нечетко-интервальных расширений соответствующих детерминированных постановок этих задач.

Результаты экспериментов оценки живучести структуры, представленной на рис. 7, показали, что применение ПО для комплексной оценки живучести СИС на основе разработанного алгоритма повышает достоверность оценки на 12% (рис. 8) за счет полноты описания возможных состояний СИС множеством частных характеристик.

!..... I

Рис. 7. Граф фрагмента Рис. 8. Сравнительная оценка живучести

исследуемой СИС с использованием разработанной модели

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В заключении сформированы основные результаты работы:

1. Выполнен анализ существующих подходов к оценке живучести СИС. Показано, что существующие модели и методы не могут обеспечить высокий уровень достоверности и полноты получаемой оценки живучести, так как используют значения одного или нескольких однородных показателей с учетом накопленной статистики о влиянии НВВ.

2. Разработана графовая модель показателей частных характеристик живучести, отличающаяся от существующих использованием авторской классификационной структуры характеристик, скобочного представления графа СИС с введением условий адекватности, позволяющая синтезировать СИС с заданными значениями показателей частных характеристик живучести без необходимости перебора вариантов структуры.

3. Разработана модель обобщенного критерия оценки живучести СИС, отличающаяся использованием количественной и качественной информации, применением аппарата цепных дробей для свертки значений показателей частных характеристик живучести, позволяющая получить комплексную оценку живучести СИС с учетом значений показателей разнородных частных характеристик в условиях неопределенности.

4. Разработан алгоритм оценки живучести СИС по обобщенному критерию на основе графовой модели показателей частных характеристик живучести, позволяющий получить комплексную оценку живучести СИС в условиях неопределенности на этапе синтеза с высоким уровнем достоверности.

5. Результаты имитационных исследований достоверности оценки живучести СИС по разработанному алгоритму свидетельствуют о повышении ее на 12%. Полнота оценки живучести СИС обеспечивается классификационной структурой характеристик: в каждый момент времени СИС может находиться в одном из четырех состояний (непоражаемости, неуязвимости, адаптивности, восстанавливаемости), в которых живучесть определяется единственной частной характеристикой.

В диссертации решена научная задача - построены модели частных показателей живучести СИС, обобщенного критерия оценки живучести СИС в условиях неопределенности, обеспечивающие высокие достоверность и полноту оценки живучести СИС на этапе синтеза, а поставленная цель достигнута.

Рекомендации и перспективы дальнейшей разработки темы. Разработанные модели целесообразно применять в организациях и учреждениях, занимающихся анализом живучести СИС, а также при разработке интеллектуальных систем исследования живучести сетевых структур в различных областях народного хозяйства.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Синтез структур сетевых информационных систем с наличием регулярного гамильтонова графа / А.И. Елисеев, Ю.Ф. Мартемьянов, А.Ю. Громова, О.Г. Иванова // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. — 2012. — № 3 - С. 16-18.

2. Исследование структур сетевых информационных систем на основе толерантности в отношении достижимости вершин графа / А.И. Елисеев, Ю.Ф. Мартемьянов, В.Е. Подольский, В.Н. Шамкин // Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. - 2012. - № 3 - С. 60 - 62.

3. Елисеев, А.И. К вопросу оценки живучести сетевых информационных систем с использованием аппарата цепных дробей в условиях неопределенности / АИ. Елисеев, Ю.В. Минин // Информация и безопасность. - Воронеж : Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета, 2013. -№ 2 - С. 54-58.

4. Елисеев, А.И. Графовая модель получения значений показателей частных характеристик живучести сетевых информационных структур / А.И. Елисеев, Ю.В. Минин, Г.Г. Ягудаев // Вестник Воронежского института МВД России. -2013. -№ 1.-С. 73-78.

5. Елисеев, А.И. Графовая модель получения значений показателей частных характеристик сетевых информационных структур / А.И. Елисеев, Ю.В. Минин // Вестник ВГТУ. - 2013. - № 1 - С. 22 - 25.

Статьи и материалы конференций:

6. Елисеев, А.И. Аналитический подход к синтезу гамильтоновых графов сетевых информационных систем с заданными значениями порядка и степени / А.И. Елисеев, Ю.В. Минин, Ю.Ф. Мартемьянов // Вестник Воронежского института ФСИН России. - Воронеж : ООО ИПЦ «Научная книга», 2011. - № 1. -С. 60-63.

7. Елисеев, А.И. К вопросу об исследовании графов сетевых информационных систем на толерантность в отношении достижимости вершин / А.И. Елисеев, Ю.В. Минин, Ю.Ф. Мартемьянов // Вестник Воронежского института ФСИН России. - Воронеж : ООО ИПЦ «Научная книга», 2011. - № 2 - С. 55 - 58.

8. Елисеев, А.И. Комплексная оценка живучести сетевых информационных систем / А.И. Елисеев, В.Ф. Калинин, К.А. Набатов // Сборник трудов IV Между-нар. науч.-техн. конф. «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» / Тольяттинский государственный университет. - Тольятти : Изд-во ТГУ, 2012. - Ч. 2. - С. 256 - 283.

9. Елисеев, А.И. Применение распределенных вычислений для оценки живучести систем, обладающих сетевой структурой / А.И. Елисеев, A.A. Долгов, М.А. Хорохорин, // Математические методы и информационно-технические средства : труды VIII Всерос. науч.-практ. конф., 22-23 июня 2012 г. - Краснодар : Краснодарский университет МВД России, 2012. - 278 с. - С. 56.

10. Применение цепных дробей для оценки живучести сетевых информационных систем в условиях неопределенности / А.И. Елисеев, М.П. Аль-Балуши, М. Ауад, Хак Д. Лыонг // Математические методы и информационно-технические средства : труды VIII Всерос. науч.-практ. конф., 22-23 июня 2012 г. - Краснодар : Краснодарский университет МВД России, 2012. - 278 с. - С. 71.

11. Структуризация характеристик живучести сетевых информационных систем / А.И. Елисеев, М.А. Хорохорин, A.A. Долгов, М.П. Аль-Балуши // Математические методы и информационно-технические средства : труды VIII Всерос. науч.-практ. конф., 22-23 июня 2012 г. - Краснодар : Краснодарский университет МВД России, 2012. - 278 с. - С. 72.

12. Системный анализ в обеспечении живучести сетевых информационных систем / А.И. Елисеев, М.А. Хорохорин, A.A. Долгов, М. Ауад // Математические методы и информационно-технические средства : труды VIII Всерос. науч.-практ. конф., 22-23 июня 2012 г. - Краснодар : Краснодарский университет МВД России, 2012.-278 с.-С. 73.

13. К вопросу о показателях живучести сетевых информационных систем / А.И. Елисеев, М.А. Хорохорин, A.A. Долгов, Хак Д. Лыонг // Математические методы и информационно-технические средства : труды VIII Всерос. науч.-практ. конф., 22—23 июня 2012 г. — Краснодар : Краснодарский университет МВД России, 2012.-278 с.-С. 74.

14. Методы обеспечения и повышения живучести сетевых информационных систем / А.И. Елисеев, М.А. Хорохорин, A.A. Долгов, K.M. Копылов // Математические методы и информационно-технические средства : труды VIII Всерос. науч.-практ. конф., 22-23 июня 2012 г. - Краснодар : Краснодарский университет МВД России, 2012. - 278 с. - С. 75.

15. Елисеев, А.И. Применение распределенных систем для оценки живучести сетевых структур в условиях неопределенности / М.А. Хорохорин, A.A. Долгов, А.И Елисеев // Математические методы и информационно-технические средства : труды VIII Всерос. науч.-практ. конф., 22-23 июня 2012 г. - Краснодар : Краснодарский университет МВД России, 2012. - 278 с. - С. 257.

16. К вопросу исследования живучести информационных систем в рамках механики катастроф / А.И. Елисеев, A.A. Долгов, М.А. Хорохорин, М. Аль Балу-ши // Прикладная математика и информатика : сборник трудов Междунар. моло-

дежной конф., Белгород, 3-5 октября 2012 г. В 2 т. - Белгород : ИД «Белгород», 2012.-Т. 1.-572 с.-С. 122.

17. Использование системы X-Com для оценки живучести сетевых структур / A.A. Долгов, А.И. Елисеев, М.А. Хорохорин, М.К. Сила // Прикладная математика и информатика : сборник трудов Междунар. молодежной конф., Белгород, 3-5 октября 2012 г. В 2 т. - Белгород : ИД «Белгород», 2012. - Т. 2. - 632 с. - С. 72.

18. К вопросу оценки живучести сложных систем с использованием распределенных систем на основе графовой модели / М.А. Хорохорин, А.А Долгов, А.И. Елисеев, Лыон Хак Д. // Прикладная математика и информатика : сборник трудов Междунар. молодежной конф., Белгород, 3-5 октября 2012 г. В 2 т. - Белгород : ИД «Белгород», 2012. - Т. 2. - 632 с. - С. 287.

19. Управление информационными процессами в системах при наличии качественной информации / Ю.В. Минин, А.И. Елисеев, Е.В. Пикалов, A.B. Клиши-на, О.И. Горностаева // Информатика: проблемы, методология, технологии : материалы XIII Междунар. науч.-метод. конф., Воронеж, 7-8 февраля 2013 г. В 4 т. -Воронеж : Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета, 2013. - Т. 2. - 379 с. - С. 345.

20. Выбор видов средств парирования негативных внешних воздействий на информационную систему / Ю.В. Минин, А.И. Елисеев, A.A. Долгов, М.А. Хорохорин, Д.В. Поляков // Информатика: проблемы, методология, технологии : материалы XIII Междунар. науч.-метод. конф., Воронеж, 7-8 февраля 2013 г. В 4 т. -Воронеж : Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета, 2013. - Т. 2. - 379 с. - С. 353.

21. Выбор видов средств парирования при различных типах негативных внешних воздействий на информационную систему / Ю.В. Минин, А.И. Елисеев, A.A. Долгов, М.А. Хорохорин, Д.В. Поляков // Информатика: проблемы, методология, технологии : материалы XIII Междунар. науч.-метод. конф., Воронеж, 7-8 февраля 2013 г. В 4 т. - Воронеж : Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета, 2013. - Т. 2 - 379 с. - С. 357.

22. Елисеев, А.И. Обобщенный критерий живучести сетевых информационных структур / А.И. Елисеев, Ю.В. Минин // Информатика: проблемы, методология, технологии : материалы XIII Междунар. науч.-метод. конф., Воронеж, 7-8 февраля 2013 г. В 4 т. - Воронеж : Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета, 2013. - Т. 1. - 472 с. - С. 434.

23. Формализация процесса выбора и распределения ресурсов информационной системы / Ю.В. Минин, А.И. Елисеев, Е.В. Пикалов, A.B. Клишина, О.И. Горностаева // Информатика: проблемы, методология, технологии : материалы XIII Междунар. науч.-метод. конф., Воронеж, 7-8 февраля 2013 г. В 4 т. -Воронеж : Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета, 2013. - Т. 2. - 379 с. - С. 350.

24. Решение задачи оценки живучести локальных вычислительных сетей с целью повышения устойчивости их функционирования / A.A. Долгов, М.А. Хорохорин, А.И. Елисеев, Ю.В. Минин // Информатика: проблемы, методология, технологии : материалы XIII Междунар. науч.-метод. конф., Воронеж, 7-8 февраля 2013 г. В 4 т. - Воронеж : Издательско-полиграфический центр Воронежского государственного университета, 2013. - Т. 1. - 472 с. - С. 387.

Подписано в печать 25.04.2012. Формат 60 х 84/16. 0,93 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 212

Издательско-полиграфический центр ФГБОУ ВПО «ТГТУ» 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, к. 14

Федеральное государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет»

На правах рукописи

ЕЛИСЕЕВ АЛЕКСЕЙ ИГОРЕВИЧ

04201358675

ОЦЕНКА ЖИВУЧЕСТИ СЕТЕВЫХ ИНФОРМАЦИОННЫХ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ ДЕРЕВА ЧАСТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

Специальность 05.13.17 Теоретические основы информатики

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: О.Г. Иванова

ТАМБОВ 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.......................................................................................................3

1 Проблема оценки живучести сетевых информационных структур и ее изложение в научной литературе.......................................................................................12

1.1 Проблема анализа качества функционирования сетевых структур на этапах жизненного цикла............................................................................................12

1.2 Анализ и уточнение понятия живучести.......................................................19

1.3 Анализ и классификация моделей живучести ...............................................25

1.4 Анализ и классификация показателей живучести.........................................35

1.5 Анализ и классификация критериев живучести............................................38

1.6 Выводы по главе 1........................................................................................39

2 Графовая модель показателей частных характеристик живучести....................41

2.1 Классификационная система характеристик живучести................................41

2.2 Графовая модель показателей частных характеристик живучести.................50

2.3 Скобочное представление графов сетевых информационных структур в разрабатываемой модели ..................................................................................56

2.4 Выводы по главе 2......................................................................................70

3 Модель обобщенного критерия оценки живучести сетевых информационных структур, функционирующих в условиях неопределенности................................71

3.1 Построение дерева целей обеспечения живучести на основе классификационной структуры частных характеристик живучести ...................71

3.2 Модель обобщенного критерия оценки живучести сетевых информационных структур...........................................................................................................78

3.3 Выводы по главе 3......................................................................................93

4 Алгоритм оценки живучести сетевых информационных структур по обобщенному критерию на основе графовой модели показателей частных характеристик живучести.................................................................................94

4.1 Алгоритм оценки живучести.......................................................................94

4.2 Анализ языков программирования..............................................................98

4.3 Описание программного обеспечения.......................................................108

4.4 Имитационные исследования.....................................................................112

4.5 Выводы по главе 4.....................................................................................115

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................116

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................................118

Приложение А................................................................................................134

Приложение Б................................................................................................138

Приложение В................................................................................................139

Приложение Г................................................................................................140

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В настоящее время происходит интенсивное развитие информационных систем и процессов, приводящее к усложнению сетевых информационных структур (СИС). Массовое использование СИС потребовало решения вопросов повышения качества функционирования на каждом этапе их жизненного цикла, связанном с решением различного типа задач. К показателям качества функционирования относят пропускную способность, время реакции, показатели качества обслуживания (Quality of Service, QoS), оговоренные в соглашении об уровне обслуживания (Service Level Agreement, SLA), и др.

Одним из важнейших факторов, определяющих качество функционирования СИС, является способность СИС выполнять свои основные функции, несмотря на полученные повреждения. Живучесть СИС есть комплексное свойство СИС с заданными показателями функционирования сохранять и восстанавливать выполнение основных функций в заданном объеме и на протяжении заданного времени в случае изменения структуры системы и/или алгоритмов и условий ее функционирования вследствие негативных внешних воздействий (НВВ).

Анализ ситуации в области оценки живучести СИС на базе литературных источников и научно-исследовательских работ позволяет сделать заключение о недостаточной изученности вопросов, связанных с получением оценки высокого уровня полноты и достоверности их живучести.

Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в разработку вопросов живучести систем различного назначения внесли работы В.Ф. Крапивина, И.А. Рябинина, Ю.М. Парфенова, Б.С. Флейшмана,

А.Г. Додонова, Д.В. Ландэ, И.Ю. Стекольникова, Ю.Ю. Громова, М.Х. Cheng, Y. Li, D.-Z. Du и др. Важное значение научных разработок данных авторов -формирование математических основ анализа живучести. К характеристикам живучести авторы относят: стойкость, отказоустойчивость, готовность,

восстанавливаемость, ремонтопригодность, адаптивность и др. Несмотря на комплексный характер проблемы анализа живучести, в работах перечисленных авторов производится оценка живучести на основе показателя одной или малого числа однородных частных характеристик, что говорит о низком уровне полноты получаемой оценки. Большое разнообразие предлагаемых моделей, методов, алгоритмов оценки живучести свидетельствует об отсутствии единого подхода, позволяющего обобщить показатели разнородных частных характеристик для получения достоверной оценки живучести. Поэтому решение задачи получения обобщенного критерия оценки живучести СИС является актуальной.

Решение этой задачи возможно за счет развития методов получения значений показателей частных характеристик живучести СИС. В качестве математической модели СИС используют граф, вершины которого представляют компоненты структуры, а ребра - связи между компонентами СИС. Для оценки живучести СИС, представленной графом, в научных работах используют одно или несколько свойств графа, например: диаметр и минимальная степень вершин, связность, наличие гамильтонова цикла или цепи. Однако добавление или исключение из графа одного или нескольких таких коммуникационных свойств влечет непосредственное изменение живучести сетевой структуры. Поэтому целесообразно создавать СИС, обладающие заданным уровнем живучести, определяемым по обобщенному критерию оценки живучести и учитывающим множество требований к коммуникационным свойствам графа. Наиболее распространенный подход к решению проблемы синтеза СИС состоит в генерации случайных структур с последующим отсеиванием не отвечающих заданным критериям вариантов. Направление генерации структур с заданными коммуникационными свойствами систематическими методами, исключающими необходимость перебора, практически не исследовано. Связано это, прежде всего, с проблемой формализованного анализа и преобразования графовых представлений СИС.

Таким образом, существующие модели оценки живучести не используют обобщенный критерий и не учитывают значения показателей разнородных

частных характеристик, как количественных, так и представленных с помощью лингвистической информации, с учетом неполноты данных о влиянии НВВ, заключающейся в нечеткости сведений о функционировании узла СИС.

Вышесказанное определяет практическую задачу - получение оценки живучести СИС в условиях нечеткости сведений о функционировании узлов в результате действия НВВ на этапе синтеза с высоким уровнем достоверности и обуславливает научную задачу - разработку модели показателей частных характеристик живучести СИС и модели обобщенного критерия оценки живучести СИС в условиях неопределенности, обеспечивающих достоверность и полноту оценки живучести СИС на этапе синтеза.

Объект исследования: структурно-параметрические характеристики СИС.

Предмет исследования: модели оценки частных характеристик и обобщенный критерий живучести СИС.

Цели и задачи исследования. Цель работы состоит в повышении достоверности оценки живучести СИС за счет использования разработанной модели показателей частных характеристик живучести и обобщенного критерия оценки живучести на этапе синтеза СИС.

Для достижения цели были решены следующие задачи:

1. Анализ существующих подходов к оценке живучести СИС.

2. Построение графовой модели показателей частных характеристик живучести СИС на основе классификации этих характеристик.

3. Синтез модели обобщенного критерия оценки живучести СИС в условиях неопределенности.

4. Разработка алгоритма оценки живучести по обобщенному критерию на основе графовой модели показателей ее частных характеристик в условиях неопределенности.

5. Проведение имитационных исследований живучести СИС, оценка достоверности результата, полученного по разработанному алгоритму.

Методология и методы исследования. Методология исследования основывается на принципах системного анализа и общей теории систем. При

решении поставленных задач в работе были использованы методы: системного анализа, теории систем, теории нечетких множеств, теории графов, теории цепных дробей.

Результаты, выносимые на защиту, и их научная новизна:

- графовая модель показателей частных характеристик живучести, отличающаяся от существующих использованием авторской классификационной структуры характеристик, скобочного представления графа СИС с введением условий адекватности;

- модель обобщенного критерия оценки живучести СИС, отличающаяся использованием количественной информации о частных характеристиках: неуязвимость, восстанавливаемость, стойкость, отказоустойчивость, временная избыточность и качественной информации о частных характеристиках: непоражаемость, адаптивность и ремонтопригодность; применением аппарата цепных дробей для свертки значений показателей дерева частных характеристик живучести;

- алгоритм оценки живучести СИС, отличающийся использованием обобщенного критерия оценки живучести на основе графовой модели показателей частных характеристик живучести в условиях нечеткости сведений о функционировании узлов СИС в результате действия НВВ.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость исследования состоит в повышении достоверности оценки живучести СИС за счет использования разработанной модели показателей частных характеристик живучести и обобщенного критерия оценки живучести на этапе синтеза СИС в условиях неопределенности.

Практическая значимость работы - программное обеспечение, реализующее разработанные модели, позволяет получить оценку живучести СИС по обобщенному критерию в условиях нечеткости сведений о функционировании узлов СИС в результате действия НВВ на этапе синтеза с высоким уровнем достоверности.

Степень достоверности и апробация результатов.

Для подтверждения достоверности научных выводов в работе проведена сравнительная оценка живучести СИС с использование разработанной модели, логико-вероятностного и энтропийного подхода, а также имитационного исследования. Достоверность научных результатов обеспечивается полнотой системного анализа проблемы повышения достоверности оценки живучести СИС и подтверждается корректным применением математического аппарата: теории систем, теории нечетких множеств, теории графов, теории цепных дробей.

Основные результаты работы представлены и обсуждены на следующих конференциях: IV Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» г. Тольятти, 24-25 апреля 2012 г.; VIII Всероссийской научно-практической конференции, г. Краснодар, 22-23 июня 2012 г.; Международной молодежной конференции, г. Белгород, 3-5 октября 2012 г., XIII Международной конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии», г. Воронеж, 7-8 февраля 2013 года, а также на семинарах кафедры «Информационные системы и защита информации» ФГБОУ ВПО «ТГТУ».

По теме диссертации опубликовано 24 работы, из них 7 статей, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 17 докладов в сборниках трудов международных и всероссийских научных конференций.

Внедрение результатов исследования. Основные положения работы диссертации использованы при обучении студентов кафедры «Информационные системы и защита информации» на факультете Информационных технологий ФГБОУ ВПО «ТГТУ». Результаты диссертационной работы приняты к внедрению в 1084-ом межвидовом центре подготовки и боевого применения войск РЭБ, на кафедре «Информационные системы и защита информации» ФГБОУ ВПО «ТГТУ», в ООО «СОВТЕХ», ООО «КОНУС-ИТ», что подтверждено актами о внедрении результатов исследований. В 2012 году результаты диссертационной работы использованы в прикладной НИР по программе Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-

технической сфере Старт 12 по направлению «Информационные технологии», контракт № 10647р/19106. В 2012 году результаты диссертационного исследования использованы в заявках 13-08-00285 и 13-07-00118, поданных на конкурс инициативных научно-исследовательских проектов по программе РФФИ.

Объем и структура работы. Диссертация, общий объем которой составляет 143 страницы, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной научной литературы, включающего 156 наименований научных трудов на русском и иностранных языках, и четырех приложений. Диссертация содержит 35 иллюстраций и 12 таблиц. Работа соответствует п. 2 «Исследование информационных структур, разработка и анализ моделей информационных процессов и структур» паспорта специальности 05.13.17 «Теоретические основы информатики».

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулирована цель работы, поставлены задачи, решение которых позволит достичь цели исследования.

В первой главе рассмотрены этапы жизненного цикла СИС, определено их содержание и цели. Показано, что уже на этапе синтеза необходимо иметь оценку качества функционирования проектируемой структуры с учетом неполноты информации о возможных условиях функционирования. Далее показано, что одним из важнейших факторов, определяющих качество функционирования СИС, 4 является живучесть. На основе изучения литературных источников в главе проведена систематизация и анализ термина «живучесть», выделены основные свойства, присущие живучести. В первой главе определены частные характеристики живучести, используемые в научных работах. Существующие модели живучести условно поделены на два класса: живучесть по состоянию системы и по результатам выполненного задания. Также выявлены условия неопределенности функционирования СИС, проведена их классификация. В главе

представлена обобщенная модель живучести как совокупность частных моделей различного назначения.

Во второй главе разрабатывается классификационная система характеристик живучести, строится графовая модель показателей частных характеристик живучести СИС с использованием предикатов адекватности и скобочной формы представления графа СИС.

В третьей главе разрабатывается модель обобщенного критерия оценки живучести СИС, функционирующей в условиях неопределенности.

В четвертой главе представлен алгоритм оценки живучести СИС по обобщенному критерию на основе графовой модели показателей частных характеристик живучести, позволяющий получить комплексную оценку живучести СИС в условиях неопределенности на этапе синтеза; а также проведено имитационное исследование живучести СИС, оценена достоверность по разработанному алгоритму.

В заключении сформулированы основные результаты исследования:

1. Выполнен анализ существующих подходов к оценке живучести СИС. Показано, что существующие модели и методы не могут обеспечить высокий уровень достоверности и полноты получаемой оценки живучести, так как используют значения одного или нескольких однородных показателей с учетом накопленной статистики о влиянии НВВ.

2. Разработана графовая модель показателей частных характеристик живучести, отличающаяся от существующих использованием авторской классификационной структуры характеристик, скобочного представления графа СИС с введением предикатов адекватности, позволяющая синтезировать СИС с заданными значениями показателей частных характеристик живучести без необходимости перебора вариантов структуры.

3. Разработана модель обобщенного критерия оценки живучести СИС, отличающаяся использованием количественной и качественной информации, применением аппарата цепных дробей для свертки значений показателей частных характеристик живучести, позволяющая получить комплексную �