автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Система анализа надежности клиент-серверной архитектуры распределенной информационно-образовательной среды

На правах рукописи

Амбросенка Николай Дмитриевич

СИСТЕМА АНАЛИЗА НАДЕЖНОСТИ КЛИЕНТ-СЕРВЕРНОЙ АРХИТЕКТУРЫ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ИНФОРМАЦИОННО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ

05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск - 2006

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Красноярский государственный аграрный университет»

Научный руководитель ¡доктор физико-математических наук,

профессор Шлепкин Анатолий Константинович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор Петров Михаил Николаевич

кандидат технических наук, доцент Царев Роман Юрьевич

Ведущая организация: ФГУ Государственный научно-исследовательский институт информационных технологий и телекоммуникаций «Информика» (г. Москва)

Защита состоится 14 декабря 2006 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.249.02 при Сибирском государственном аэрокосмическом университете им. ак. М.Ф. Решетнева по адресу: 660014, г. Красноярск, пр. им. газ. «Красноярский рабочий», 31.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Сибирского государственного аэрокосмического университета.

Автореферат разослан 10 ноября 2006 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

И.В. Ковалев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Реформирование высшего образования Российской Федерации, реализация новой человекоцентристской концепции образования, а также повышение качества высшего образования требуют изменения содержания обучения и обуславливают необходимость поиска новых путей совершенствования учебного процесса в системе высших образовательных учреждений.

За последние три десятилетия дистанционная форма обучения стала глобальным явлением образовательной и информационной культуры, изменив облик образования во многих странах мира. Возникла и бурно развивается целая индустрия образовательных услуг, объединяемых общим названием «дистанционное обучение».

В настоящее время в российской системе образования также происходят сложные процессы перехода к дистанционному образованию, созданию и освоению новой информационно-технологической базы дистанционного образования. Для успешной реализации этих реформ требуется создание единого образовательного пространства, охватывающего всю территорию Российской Федерации и характеризующегося выполнением единых требований к уровню образовательных услуг, предоставляемых различными образовательными учреждениями.

Решение такой задачи заключается в целенаправленном применении информационно-коммуникационных технологий и архитектурных решений с целью создания единой образовательной информационной среды, с помощью которой можно упростить доступ граждан к получению высококачественных образовательных услуг вне зависимости от места жительства, социального положения, финансового состояния, возраста, состояния здоровья и других жизненных обстоятельств.

Концепция дистанционного образования предполагает распределенную информационно-образовательную среду, где обучаемый и преподаватель дистанцированы друг от друга. Участники образовательного процесса взаимодействуют через единую информационную инфраструктуру, реализуемую на основе архитектуры клиент-сервер. Информационное обеспечение большинства процессов, связанных с профессиональным образованием, делает возможным хранение и доступ к базовой информации, необходимой для обеспечения профессионального образования.

Программно-информационные технологии в дистанционном образовании обладают гетерогенностью и распределенной архитектурой, что требует решения задач повышения надежности и обеспечения отказоустойчивости с учетом распределенных ресурсов, анализа трафика и управления пропускной способностью сети, перераспределения серверной нагрузки, отслеживания текущего состояния подсистем серверов приложений и т.д.

Предоставление образовательных услуг предъявляет определенные требования по надежности как к программно-информационному обеспечению, так и к аппаратной платформе информационно-образовательной среды.

Обеспечение заданного уровня надежности данной среды требует комплексного подхода к оценке аппаратного и программно-информационного обеспечения. Поэтому возникает техническая проблема - создание автоматизированных средств оценки и анализа надежности компонент распределенной информационно-образовательной среды. В связи с этим необходимо разработать модели и методы, которые позволили бы выполнить анализ надежности программного обеспечения информационно-образовательной среды и ее аппаратной платформы, что является научной проблемой.

Объектом диссертационного исследования является распределенная информационно-образовательная среда, обеспечивающая поддержку дистанционной формы обучения.

Предмет исследований — клиент-серверная архитектура аппаратно-программных средств информационно-образовательной среды.

Цель диссертационного исследования состоит в повышении эффективности анализа надежности информационно-образовательной среды, используемой при дистанционном форме обучения.

Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:

• анализа и архитектурной декомпозиции распределенной информационно-образовательной среды, обеспечивающей поддержку дистанционной формы обучения;

• анализа существующих моделей и методов оценки надежности аппаратного и программного обеспечения;

• разработки модели оценки надежности аппаратной платформы распределенной информационно-образовательной среды;

• разработки модели оценки клиент-серверной архитектуры программного обеспечения распределенной информационно-образовательной среды;

• разработки комплексной модели оценки и анализа распределенной информационно-образовательной среды, используемой в дистанционном образовании;

• программной реализации системы анализа надежности клиент-серверной архитектуры распределенной информационно-образовательной среды.

Методы исследования. Основные теоретические и прикладные результаты работы получены на основе методологии системного анализа, а также информационных и коммуникационных технологий и методов прикладной математики.

Научная новизна работы:

1. Разработана модель оценки надежности аппаратной платформы информационно-образовательной среды, позволяющая получить значения характеристик надежности аппаратного обеспечения, находящегося в эксплуатации, по найденным экспериментально статистическим эквивалентам функций распределения.

2. Разработана комплексная модель, включающая оценку надежности распределенной информационно-образовательной среды при различном

количестве слоев клиент-серверной архитектуры программно-информационного обеспечения и при различной конфигурации аппаратной платформы.

3. Предложена и реализована процедура анализа архитектуры программного обеспечения клиент-серверных приложений, моделируемых как набор сервисов, предоставляемых сервером клиентским процессам, что позволяет предотвратить потери информации.

4. Разработана и программно реализована система анализа надежности клиент-серверной архитектуры распределенной информационно-образовательной среды.

Значение для теории. Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, имеют существенное значение для развития моделей и методов оценки надежности, качества и эффективности сложных информационных систем и сред, используемых при дистанционном образовании. Разработанные в диссертации модели могут использоваться при оценке м анализе надежности программного и аппаратного обеспечения систем обработки информации и управления.

Практическая ценность. Разработанная в диссертации система анализа надежности распределенной информационно-образовательной среды позволяет оценить надежность клиент-серверной архитектуры программного обеспечения и аппаратной платформы информационных систем. Архитектура клиент-серверных программных приложений, моделируемых как набор сервисов, позволяет предотвратить потери информации, что важно для систем дистанционного образования. Система анализа надежности позволила провести оценку находящейся на этапе эксплуатации информационно-образовательной среды Красноярского государственного аграрного университета.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием методологии системного анализа и теоретических методов оценки надежности информационного и коммуникационного обеспечения дистанционного образования при обосновании полученных результатов, выводов, рекомендаций, а также успешной апробацией и демонстрацией возможностей разработанной системы при проведении экспериментов на базе информационно-образовательной среды в КрасГАУ.

Реализация результатов работы.

Диссертационная работа выполнялась в рамках программы по созданию единой краевой информационной образовательной системы и в рамках межправительственного проекта Россия-Франция «Содействие развитию дистанционной формы обучения в аграрном образовании России».

Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в учебный процесс ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет».

На основе моделей и математических методов была разработана программная система, предназначенная для анализа надежности клиент-серверной архитектуры распределенной информационно-образовательной среды. Программная система прошла экспертизу и зарегистрирована в Отраслевом фонде алгоритмов и программ (ОФАП), что делает ее доступной

широкому кругу специалистов по системному анализу и проектировщиков программного обеспечения сложных информационных систем.

На защиту выносятся:

1. Модель оценки надежности аппаратной платформы информационно-образовательной среды.

2. Комплексная модель оценки надежности клиент-серверной архитектуры распределенной информационно-образовательной среды.

3. Процедура анализа архитектуры программного обеспечения клиент-серверных приложений, моделируемых как набор сервисов, гарантирующих сохранность информации.

4. Система анализа надежности клиент-серверной архитектуры распределенной информационно-образовательной среды.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы прошли всестороннюю апробацию на международных и всероссийских научных, научно-практических и научно-технических конференциях. В том числе, на Всероссийской научной конференции «Красноярский край: освоение, развитие, перспективы» (Красноярск, 2002-2004), на Международной научно-методической конференции «Проблемы модернизации образования» (Красноярск, 2003), на Международной научно-методической конференции «Управление качеством в современном вузе» (Красноярск, 2004), на Всероссийской научной конференции «Студенческая наука - взгляд в будущее (Красноярск, 2005), на Девятой Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы информатизации региона ПИР-2005» (Красноярск,

2005), на VII Всероссийской научно-методической конференции (Красноярск,

2006), на Всероссийской конференции «Инновации в системе непрерывного профессионального образования» (Красноярск, 2006).

Диссертационная работа в целом обсуждалась на научных семинарах Красноярского государственного аграрного университета, Сибирского государственного аэрокосмического университета, а также НИИ Систем управления, волновых процессов и технологий (2002-2006 гг.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 работ, из них 3 без соавторов. Полный список публикаций представлен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы из 93 наименований. Содержание работы изложено на 173 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика проблемы, обоснована актуальность выбранной темы, определены цель и задачи исследования. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

В первом разделе рассмотрены основные проблемы дистанционного образования и характерные особенности данной формы обучения. Отражена актуальность дистанционных образовательных услуг в России.

В ходе исследований были выявлены основные группы потребителей дистанционных образовательных услуг, а также образовательные потребности этих групп. Исследования показали, что существует заинтересованность, как в получении основного высшего' образования, так и второго высшего образования, а также в повышении квалификации и приобретении дополнительных знаний и умений посредством дистанционных образовательных технологий. Можно констатировать, что в существующей системе образования наблюдается недостаточный уровень удовлетворения образовательных потребностей населения, который можно компенсировать при помощи дистанционного обучения граждан.

Конкуренция на рынке образовательных услуг позволяет потенциальпому обучаемому выдвигать требования к качеству предлагаемых услуг. Анализ потребительской оценки эффективности средств обучения и ожидания потребителей образовательных услуг показал, что эффективность средств обучения, традиционно используемых при заочном и корреспондентском обучении, невысока. Реализация дистанционных образовательных услуг во многом зависит от предлагаемых потребителям средств обучения, наибольшая эффективность которых достигается при обеспечении интерактивного общения с тьютором и специалистами в изучаемой области знаний.

Результаты исследований приводят к заключению о том, что при формировании учебного процесса дистанционного образования необходимо учитывать реальные возможности его потребителей. Исследования подтвердили, что спрос на образовательные услуги определяется заинтересованностью потребителей в данных услугах и наличием у потребителей необходимой для потребления услуг технической оснащенности.

В первом разделе диссертации приводится обзор практики дистанционного обучения в России и за рубежом. Приведены основные формы дистанционного образования: корреспондентская и трансляционная. Указаны достоинства и недостатки каждой из форм. Здесь же описаны основные типы дистанционных учебных заведений, к которым относятся однопрофильные, многопрофильные и смешанные образовательные учреждения.

Анализ современной структуры дистанционного образования в России показывает, что значительное число российских вузов уделяют внимание созданию и применению в учебном процессе средств обеспечения дистанционного образования.

Красноярский край характеризуется специфическими условиями, к их числу относятся, например, географическое положение и территориальная протяженность. Так можно выделить три зоны, которые определяются плотностью населения и, соответственно, количеством учебных заведений, и расстоянием до центральных коммутационных узлов: центральную, ближнюю (южную) и дальнюю (северную).

Благодаря созданию телекоммуникационной образовательной

инфраструктуры на базе волоконно-оптических магистральных линий, центрального телекоммуникационного узла и распределительных телекоммуникационных узлов, обеспечивающих связь между вузами, развитие дистанционного образования в Красноярском крае является перспективным и своевременным.

Широкое применение средств вычислительной, а также телекоммуникационной техники и специализированных программно-технических средств обеспечения и управления учебным процессом позволяет говорить о формировании информационно-образовательной среды, обеспечивающей поддержку дистанционного образования. В первом разделе приводится общее описание электронных учебно-методических комплексов как основных средств организации и поддержки учебного процесса.

Однако программно-информационное обеспечение и аппаратная платформа дистанционного образования требуют гарантированного уровня надежности по функционированию и техническому обеспечению образовательных услуг.

Надежность программно-информационных технологий является одной из важнейших проблем дистанционного образования, для решения которой необходим комплекс мер, включающих в первую очередь средства оценки и анализа надежности.

Развивающаяся сфера дистанционного образования, ее распределенность, модульность, взаимодействие между элементами посредством интерфейсов и прочие характерные особенности требуют разработки новых комплексных моделей и методов оценки надежности аппаратной и программной архитектуры информационно-образовательной среды дистанционного образования.

Второй раздел посвящен распределенной информационно-образовательной среде, обеспечивающей поддержку дистанционного образования, и вопросам, связанным с ее архитектурой.

Рассмотрена образовательная среда Красноярского государственного аграрного университета (КрасГАУ), предложена модель информационного пространства КрасГАУ.

Основу информационно-образовательной среды КрасГАУ составляет развивающаяся корпоративная информационно-вычислительная сеть университета, имеющая высокоскоростной выход в Интернет (рис. 1). Информационно-вычислительная сеть КрасГАУ содержит:

• 25 серверов общеуниверситетского и факультетского назначения;

• 720 подключенных ПК (включая ПК учебных классов и кафедр);

• 10 единиц централизованно сопровождаемого сетевого оборудования.

Кабельная система имеет протяженность более 50 км.

Большинство подключений осуществлены на скорости 100 Мбит/с, и постепенно осуществляется переход на гигабитные линии связи в основном между опорными коммутаторами и серверами. Ежемесячный объем Интернет-трафика составляет около 25-30 Гб.

Основным наполнением информационно-образовательной среды являются электронные библиотечные ресурсы и интерактивные средства поддержки учебного процесса, с помощью которых организуется обучение. Прежде всего, это программные средства учебного назначения (компьютерные учебники, тренажеры, справочники, средства контроля качества усвоения учебного материала). Для обеспечения функционирования среды также должны быть разработаны специализированные программно-технические комплексы поддержки информационной инфраструктуры университета.

Во втором разделе диссертации рассмотрены организационные принципы работы и управления сетью, такие как управление доступом, аутентификация и авторизация пользователей, обеспечение информационной безопасности.

Отдельный подраздел посвящен корпоративной компьютерной сети Красноярского государственного аграрного университета, которая представляет собой сеть филиалов и представительств, распределенных по территории Красноярского края. Затронуты вопросы планирования доставки учебных ресурсов, администрирования учебного процесса в дистанционных образовательных технологиях, а также использования новых аппаратных средств и программно-информационных технологий.

Решена задача выбора программно-аппаратной платформы для дистанционного образования. Выбор платформы для дистанционного обучения является многомерной организационно-экономической задачей, которую необходимо решить еще на этапе проектирования технологии дистанционного обучения.

Функционально полная платформа дистанционного образования включает в себя:

1. Средства создания контента.

2. Средства управления контентом.

3. Средства управления и поддержки процесса обучения.

Выбор программно-аппаратной платформы дистанционного образования, ее приобретение, наполнение контентом и проведение обучения с ее применением кардинально меняет организационно-технологическую оснастку процесса обучения, заставляет изменить сложившиеся учебные процессы, унифицировать стадии от создания до использования обучающего курса, вовлекает новых субъектов процесса.

Распределенная информационно-образовательная среда, используемая при дистанционном обучении, реализуется на основе клиент-серверной архитектуры, которая определяется программно-аппаратной платформой.

На сегодняшний день сложились типовые клиент-серверные архитектуры и соответствующие структуры корпоративных компьютерных сетей. Примером клиент-серверной архитектуры является трехуровневая архитектура (рис. 2).

Рабочая станция

Интерфейс пользователя

О

Сервер приложений

Приложение

Рис. 2. Трехуровневая архитектура клиент-сервер

Рассмотрение проблемы клиент-серверной организации информационно-образовательной среды показывает, что архитектура клиент-сервер наиболее точно соответствует структуре образовательного пространства при дистанционной форме обучения.

В третьем разделе сформулированы основные понятия, применяемые в работе при оценке и анализе надежности распределенной информационно-образовательной среды, используемой при дистанционном образовании, такие как «сбой», «отказ», «надежность», «безотказность». Даны определения основных харакгеристик надежности, включая вероятность безотказной работы, интенсивность отказов, коэффициент готовности, среднее время работы между отказами.

Проведен анализ ряда существующих методов оценки надежности. Показано, что универсального метода оценки надежности систем обработки информации и управления не существует, обусловлено это неоднородностью исходной информации, а также отсутствием механизма описания архитектуры любой вычислительной системы.

В третьем разделе предлагается комплексная модель оценки надежности распределенной информационно-образовательной среды, включая программно-информационное обеспечение архитектуры клиент-сервер с различным количеством слоев и аппаратной платформы различной конфигурации.

При оценке надежности информационно-образовательной среды данная модель позволяет получить значения характеристик надежности аппаратного и программного обеспечения по найденным экспериментально статистическим эквивалентам функций распределения.

В рамках информационно-образовательной среды выделим аппаратные и программные средства, реализующие следующие основные функции: обработку, хранение, передачу и защиту данных. Среда включает следующие элементы:

• сервер — это элемент, включающий в себя систему хранения данных со своими системой передачи данных и системой безопасности;

• клиент — элемент системы, содержащий систему обработки данных со своими системой передачи данных и системой безопасности;

• концентратор — элемент, который служит для связи клиентов и сервера и состоит из системы передачи данных и системы безопасности.

Можно выделить следующие виды отказов системы безопасности: скрытый и ложный. Скрытым назовем отказ, при котором система безопасности не парирует отказы остальных подсистем; ложный отказ возникает, когда система безопасности самопроизвольно вырабатывает защитные функции при нормальной работе систем хранения, обработки или передачи данных и приводит к останову системы.

Аварией назовем потерю данных, т. е. реальное уничтожение или утечку данных либо невозможность в течение достаточно длительного интервала времени получить к ним доступ.

На рис. 3 приведена графическая модель функционирования распределенной информационно-образовательной среды, отражающая отказы ее подсистем и дальнейшие развития ситуаций. Сплошными стрелками обозначены переходы элементов, штриховыми - развитие ситуаций отказов элементов.

¡Клиент (Л* штук)

Сервер

у^у Состояния среды (2^ (25

11Н—(10)—И 12

15)—К16)

О—©

Концентратор (Л'+ 1 портов)

Рис. 3. Графическая модель функционирования распределенной информационно-образовательной среды

Вершинам графа соответствуют следующие состояния среды:

1 — нормальная работа системы обработки данных;

2 - отказ системы обработки данных;

и '

3 — нормальная работа системы передачи данных клиента;

4 — отказ системы передачи данных клиента;

5 — нормальная работа системы безопасности клиента;

6 - ложный отказ системы безопасности клиента;

7 - скрытый отказ системы безопасности клиента;

8 - нормальная работа системы передачи данных порта концентратора, к которому подключен клиент;

9 - отказ системы передачи данных порта концентратора, к которому подключен клиент;

10 — нормальная работа порта системы безопасности концентратора, к которому подключен клиент;

11 — ложный отказ системы безопасности порта концентратора, к которому подключен клиент;

12 — скрытый отказ системы безопасности порта концентратора, к которому подключен клиент;

13 — нормальная работа системы передачи данных порта концентратора, к которому подключен сервер;

14 — отказ системы передачи данных порта концентратора, к которому подключен сервер;

15 - нормальная работа порта системы безопасности концентратора, к которому подключен сервер;

16 - ложный отказ системы безопасности порта концентратора, к которому подключен сервер;

17 - скрытый отказ системы безопасности порта концентратора, к которому подключен сервер;

18 - нормальная работа системы хранения данных;

19 - отказ системы хранения данных;

20 - нормальная работа системы передачи данных сервера;

21 — отказ системы передачи данных сервера;

22 — нормальная работа системы безопасности сервера;

23 - ложный отказ системы безопасности сервера;

24 — скрытый отказ системы безопасности сервера;

25 - состояние аварии информационно-образовательной среды;

26 - состояние сниженной эффективности среды;

27 - состояние останова среды.

Будем рассматривать поведение распределенной информационно-образовательной среды на интервале [0, /]. Введем необходимые обозначения. Пусть \р - наработка на отказ системы обработки данных, имеющая распределение = Р(ф ^ 5 - наработка на отказ системы хранения

данных, имеющая распределение = Р(8 </); 7ь Ъ> 7з ~ наработки на отказ клиента порта концентратора и сервера соответственно, имеющие распределения:

F-p.it) = Р(уг <0, Ы0 = Р(Ъ

Обозначим через рь р2, и рз наработки на скрытые, а через 7?ь Чг и т?з наработки на ложные отказы системы безопасности клиента, порта концентратора и сервера соответственно с распределениями:

Гр1(0 = Р(р1 = <*),Гр3(0 = Р(р3 </),

Модель оценки надежности информационно-образовательной среды позволяет получить значения показателей надежности, под которыми подразумеваются вероятности перехода среды в состояния останова и аварии, а также интенсивности этих переходов.

Рассмотрим показатели надежности, относящиеся к переходам в состояние останова. Останов среды наступит, если в состояние останова перейдут все клиенты или все порты концентратора, к которым подключены клиенты, либо сервер или порт концентратора, к которому он подключен.

Вероятность того, что на интервале [0, /] произойдет останов, можно записать следующим образом:

ро(/) = 1-м(^1(0?да2(0^з(0яое(0), (1)

где РокгО) — вероятность останова всех клиентов к моменту времени V,

Рок2(0 - вероятность останова всех портов концентратора, к которым подключены клиенты, к моменту времени

Рок3(0 - вероятность останова порта концентратора, к которому подключен сервер, к моменту времени V,

^ос(О) ~ вероятность останова сервера к моменту времени Пусть £ — время до останова г-го клиента, где тогда вероятность

того, что на интервале [0, /] произойдет останов всех клиентов, определяется выражением

N

где = тах(£1(£2»—>£лг) •

Используя свойства индикаторов и математического ожидания, получим:

1-1

где Р1ок(0 — вероятность того, что останов г-го клиента не произойдет к моменту времени

- функция-индикатор (1$ = 1 при £ и <¿ = 0 при > Вероятность того, что 2-й клиент к моменту времени / не перейдет в состояние останова:

Рюо (0 = Р(1рМиУ, Л ?и А л» + /р,,<¥,ЛГиТ11/ > 0).

где \|/, л у,,. = гшп(у,.,71,0- Или же вероятность РьсО) можно записать, как Р,оо(0 = (')((! - Рри (¥Л^р„(Ги)) х Рщ ти (0 ■+ (г., ))•

Аналогично получаются вероятности Рок2(0, РОкз(0> Рос(0). что позволяет определить вероятность останова среды Ро(0 согласно формуле (1), а также интенсивность остановов среды а0(0 на интервале времени [0, /]:

в ' 1-^(0

Графики зависимости вероятности останова среды от времени и зависимости интенсивности останова от времени, полученные при помощи реализованной в диссертации системы анализа надежности распределенной информационно-образовательной среды, приведены на рис. 4 и 5.

Зависимость вероятности останова ВС от времени____

Рис.

О 200000 600000 1000000 1400000 1800000 Ь ч

4. Зависимость вероятности останова среды от времени

Зависимость интенсивности остановов ВС от времени

0,00009 0,00008 0,00007 0,00006 0,00005 0,00004 0,00003 0,00002 0,00001 0

=Г=Р

1000000 2000000

Рис. 5. Зависимость интенсивности останова среды от времени

Кроме этого, как уже отмечалось, модель оценки надежности информационно-образовательной среды позволяет получить значения показателей надежности, относящиеся к переходам системы в состояние аварии.

Авария произойдет, если в аварийное состояние перейдет хотя бы один клиент, порт концентратора или сервер. Подсистема переходит в аварийное состояние, если после скрытого отказа системы безопасности происходит отказ контролируемых ею подсистем.

Вероятность того, что на интервале [0, 7] произойдет авария, можно записать следующим образом:

(2)

где Рак\(?) - вероятность аварии одного из клиентов к моменту времени V,

Рак2(1) - вероятность аварии одного из портов концентратора к моменту времени

РаА.0 — вероятность аварии сервера к моменту времени t.

Пусть т,— время до перехода /-го клиента в аварийное состояние, где ¿ецу, тогда вероятность того, что на интервале [0, *] ни один клиент не перейдет в аварийное состояние, определяется выражением

Или же

где вероятность того, что авария г-го клиента не произойдет к моменту

времени Г, которая определяется, как

Рак! (О=1- Р(.Ри А I < V, А т„ ^ о-

Отсюда

Таким же образом получаются вероятности Роа(0 и Рас{1\ что позволяет, в свою очередь, определить вероятность перехода среды в состояние аварии Рал(0 согласно формуле (2), а также интенсивность аварий среды аа(г) на интервале времени [0, /]:

ад/л,

Следует отметить, что данная модель оценки надежности позволяет без каких-либо предположений о законах распределения случайных величин и числе элементов среды получить значения показателей надежности. Вместо функций распределения, выраженных в аналитическом виде, можно пользоваться их статистическими эквивалентами, найденными экспериментально, что было особенно полезно при расчете показателей надежности распределенной информационно-образовательной среды КрасГАУ, которая уже находится в эксплуатации.

Клиент-серверная организация распределенной информационно-образовательной среды предполагает оценку надежности архитектуры клиент-сервер, поэтому вторым аспектом комплексной модели, предлагаемой в диссертации, является оценка надежности данной архитектуры с различным числом слоев.

Архитектуру информационно-образовательной среды можно, в частности, рассматривать как состоящую из следующих слоев:

• слой интерфейсов (клиентская часть информационно-образовательной среды);

• слой бизнес-логики (серверная часть среды);

• слой БД (серверная часть СУБД).

Для анализа надежности клиент-серверных приложений информационно-образовательной среды используются формулы для определения среднего времени простоя системы и среднего времени появления сбоя, которые используются при анализе характеристик надежности архитектуры программного обеспечения.

Среднее время простоя 77? зависит как от условных и безусловных вероятностей сбоев на всех уровнях архитектуры, так и от среднего времени доступа, анализа и восстановления сбойных компонент. В предлагаемой модели время устранения сбоя на архитектурном уровне СУБД равно времени, которое

требуется для доступа, анализа, восстановления, а это означает, что время восстановления меньше, чем время устранения сбоя.

Среднее время простоя вычисляется дня всех архитектурных уровней и всех компонентов на каждом уровне. Для каждого выделенного уровня в архитектуре программного обеспечения вероятность использования каждого компонента умножается на вероятность сбоя компонента и на сумму средних времен анализа, доступа и восстановления для этого компонента.

Дополнительно сбойный компонент может вызывать сбои в зависящих от него компонентах, как на других уровнях архитектуры, так и на том же самом уровне. Поэтому для каждого отдельного. уровня архитектуры и для всех компонентов условная вероятность появления сбоя умножается на сумму относительных времен доступа, анализа и восстановления этих компонентов. Также, для одного уровня и для всех компонентов, условная вероятность появления сбоя умножается на сумму относительных времен доступа, анализа и восстановления этих компонентов.

Таким образом, среднее время простоя может быть определено по формуле:

F Г

тя = X Щ х [ТА, + X \ТЛ} ]]]] +

+ Р1/СУБД * РРСУШ х [(Т-Лсувд + ГСсуцц + ТЕоущ ) +

+ [Р^СУВД * [(Т^СУДЦ + ТСсУБД + ^сувдХШ.

где М — число уровней архитектуры программного обеспечения;

Т7 — общее число компонент в архитектуре ПО;

РЦ- — вероятность использования компонента /', /е {;

РГ{ — вероятность сбоя в компоненте /, ге {1,..^};

РЬу — условная вероятность сбоя в компоненте г при сбое в компоненте

ТА{ — относительное время доступа к компоненту г, ге {1,..,^};

ТС1 — относительное время анализа сбоя в компоненте г, /е {1,..^};

ТЕ{ - относительное время устранения сбоя в компоненте г, ге .

Среднее время появления сбоя А/77У зависит как от условных и безусловных вероятностей сбоев во всех компонентах на всех архитектурных уровнях, так и от относительного времени использования компонентов, в которых сбой не происходит.

Среднее время сбоя вычисляется для всех архитектурных уровней и всех компонентов на каждом архитектурном уровне. Для каждого архитектурного уровня ПО вероятность использования компонента умножается на вероятность того, что каждый компонент будет работать без сбоев в течение относительного времени его использования. Вдобавок, для каждого отдельного архитектурного уровня и для всех компонентов условная вероятность работы без сбоев умножается на относительное время использования этих компонентов.

Таким образом, в архитектуре ПО среднее время появления сбоя определим по формуле:

мпрш^ри, *(\-рр()*[ти, +

(»1 /=1,;*/

где - относительное время использования компонента г, /е

Используя среднее время появления сбоя и среднее время простоя, можно вычислить коэффициент готовности системы:

3 = МПТ / (МПТ+ТЛ).

Коэффициент надежности клиент-серверной архитектуры программного обеспечения может быть оценен согласно следующей формуле:

Л"

¡-1

где /?/ — коэффициент надежности компонента г, /е {1,..,/Г}.

Анализ архитектуры программного обеспечения клиент-серверных приложений, которые моделируются как набор сервисов, предоставляемых сервером клиентским процессам, обеспечивает предотвращение потерь информации, что крайне важно для информационно-образовательной среды. Сбор и хранение данных — дорогостоящая процедура (часто данные стоят больше, чем система, на которой они обрабатываются). Предлагаемая процедура анализа надежности позволяет уже на этапе проектирования предотвратить излишнее дублирование данных (для предотвращения их потери вследствие ненадежности системы), гарантируя при этом их сохранность.

В четвертом разделе приводится описание реализованной системы анализа надежности клиент-серверной архитектуры распределенной информационно-образовательной среды, созданной для автоматического расчета параметров надежности програхммного обеспечения и аппаратной платформы дистанционного обучения.

Данная система является \Утс1о\¥8-приложе1шем (рис. 6), в котором пользователь задает для расчета количество клиентов распределенной информационно-образовательной среды, значения характеристик систем обработки, хранения и передачи данных, а также максимальпое время расчета показателей надежности.

. ■■ ,,,

¡шаг .—--— и

, ......................1Ц ' 111.11

V , , | . - Г 1 * - Т 7 13 р»

—1—?—1—|—з—?—:—!—| 1 * ¡-1 ! I ' 1-! ...

Рис. 6. Основное окно системы анализа надежности Результатом проведения расчетов являются графики: - зависимости вероятности останова среды от времени;

- зависимости интенсивности останова среды от времени;

- зависимости вероятности аварии от времени;

- зависимости интенсивности аварии от времени;

- зависимости вероятности аварии и вероятности останова от числа клиентов;

- зависимости вероятностей останова от интенсивностей отказа подсистем;

- зависимостей вероятностей аварии от интенсивностей отказа подсистем.

На рис. 7 показана структура компонента системы анализа надежности клиент-серверной архитектуры распределенной информационно-образовательной среды, который отвечает за расчет указанных зависимостей.

В диссертации был проведен анализ надежности клиент-серверных программных приложений информационно-образовательной среды. В среде были выделены следующие архитектурные уровни: уровень процессов, функций, примитивов, данных, структур, сообщений. Были проанализированы два варианта архитектур, значения параметров которых представлены в табл. 1 и 2.

Таблица 1

Значения параметров варианта архитектуры А

Уровень архитектуры Число комп. Вероятн. сбоя комп. Условная вероятность сбоя на разных уровнях Время доступа, анализа, восстановления Время использования компонента

Процессы 7 0,1 0,0 5 100

Функции 399 0,2 0,8 7 80

Примитивы 138 0,05 0,4 12 90

Данные 202 0,12 0,5 12 25

Структуры 49 0,05 0,2 11 40

Сообщения 34 0,05 0,1 14 60

Таблица 2

Значения параметров варианта архитектуры В

Уровень архитектуры Число комп. Вероятн. сбоя комп. Условная вероятность сбоя на разных уровнях Время доступа, анализа, восстановления ; Время использования компонента

Процессы 7 0,1 0,0 5 100

Функции 215 0,35 0,9 12 90

Примитивы 63 0,1 0,5 18 110

Данные 278 0,1 0,4 10 20

Структуры 49 0,05 0,2 11 40

Сообщения 34 0,05 0,1 14 60

Рис. 7. Структура компонента системы анализа надежности

С помощью системы анализа надежности были получены такие показатели надежности клиент-серверного программного обеспечения, как среднее время простоя, среднее время появления сбоя, коэффициент готовности, что позволило провести сравнительный анализ этих двух вариантов архитектуры. На рис. 8 (а и б) показаны диаграммы показателей надежности архитектур АкВ.

3400000

3000000

2600000

2200000

1800000

1400000

1000000

600000

200000 О

_ 13218975,89-8 ]•---•---------- —

— ----- 12741465.6561

Е |||||

.ти ^ххюбооо

__ ___ _______

и

и — ¡Ш11

а б

Рис. 8. Диаграммы показателей надежности архитектур А я В: а — среднее время простоя; б — среднее время появления сбоя

Непосредственно по диаграммам сложно сказать, какой из двух предложенных вариантов архитектуры более надежен. Однако, расчет коэффициента готовности показывает, что несмотря на высокое время простоя (т.е. большое количество времени требуется для восстановления функционирования) вариант архитектуры А оказывается более надежным.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы, полученные в диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

• На основе проведенного анализа и архитектурной декомпозиции распределенной информационно-образовательной среды, обеспечивающей поддержку дистанционной формы обучения, показано, что клиент-серверная организация среды предполагает программно-информационное обеспечение и аппаратную платформу для реализации взаимодействия всех участников образовательного процесса.

• Выполнен анализ существующих моделей и методов оценки надежности аппаратного и программного обеспечения. Анализ показал, что для оценки надежности программно-аппаратного обеспечения распределенной информационно-образовательной среды применимы модели и методы на основе статистических оценок.

• Разработанная модель позволяет на основе индикаторов случайных событий без знания законов распределения случайных величин

осуществлять оценку надежности аппаратной платформы распределенной информационно-образовательной среды.

• Разработана модель оценки надежности клиент-серверной архитектуры программного обеспечения распределенной информационно-образовательной среды, позволяющая провести анализ надежности среды при различном количестве слоев.

• Разработана комплексная модель оценки надежности распределенной информационно-образовательной среды, используемой в дистанционном образовании, которая позволяет выполнить как анализ надежности программно-информационного обеспечения, так и анализ надежности аппаратных средств различной конфигурации.

• Программно реализована система анализа надежности клиент-серверной архитектуры распределенной информационно-образовательной среды, что позволило автоматизировать процесс оценки надежности и визуализировать зависимости показателей надежности программно-аппаратной архитектуры.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Амбросенко, Н.Д. Создание информационно-консультационной и информационно-коммерческой системы АПК Красноярского края [Текст] / Н.Д. Амбросенко, Р.Н. Амбросенко, А.П. Байкалова // Красноярский край: освоение, развитие, перспективы: мат-лы всерос. науч. конф. - Красноярск, 2002. - С. 97-98.

2. Амбросенко, Н.Д. Компьютерные сети Красноярского государственного аграрного университета [Текст] / Н.Д. Амбросенко, Р.Н. Амбросенко, Д.В. Добровольский, А.М. Каменева, Н.В. Титовская // Красноярский край: освоение, развитие, перспективы: мат-лы всерос. науч. конф. - Красноярск,

2002.-С. 118-119.

3. Амбросенко, Н.Д., Анализ состояния электронных разработок в корпоративной сети КрасГАУ [Текст] / Н.Д. Амбросенко, Р.Н. Амбросенко., Б.М. Багаев // Красноярский край: освоение, развитие, перспективы: мат-лы II всерос. науч. конф. - Красноярск, 2003. - С. 69-70.

4. Амбросенко, Н.Д. Технология создания электронного учебного ресурса на примере курса «Отечественная история» [Текст] / Н.Д. Амбросенко, А.И. Бердюгин, О.Г. Малышева, С.О. Потапова, В.А. Филькин //Проблемы модернизации образования: сб. науч. тр. международ, науч.-метод, конф. -Красноярск, 2003. - С. 146-149.

5. Амбросенко, Н.Д. Информатизация учебного процесса и материально-техническое обеспечение в КрасГАУ: состояние и направления развития [Текст] / Н.Д. Амбросенко, О.Г. Малышева // Проблемы модернизации образования: сб. науч. тр. международ, науч.-метод. конф. - Красноярск,

2003. - С. 145-146.

6. Амбросенко, Н.Д. Computer network of Krasnoyarsk state agrarian university [Текст] / Н.Д. Амбросенко, P.H. Амбросенко, H.B Антонова // Красноярский край: освоение, развитие, перспективы: мат-лы III всерос. науч. конф. - Красноярск, 2004. - С. 133-134.

7. Амбросенко, Н.Д. Использование дистанционных образовательных технологий в системе аграрного образования [Текст] / Н.Д. Амбросенко, О.Г. Малышева, В.А. Филькин // Управление качеством в современном вузе: мат-лы международ, науч.-метод. конф. — Красноярск, 2004. -С. 32-38.

8. Амбросенко, Н.Д. Этапы становления дистанционной формы обучения в КрасГАУ [Текст] / Н.Д. Амбросенко, Р.Н. Амбросенко, Б.М. Багаев // Студенческая наука — взгляд в будущее: мат-лы всерос. науч. конф. -Красноярск, 2005. - С. 254-255.

9. Амбросенко, Н.Д. Программно-аппаратное обеспечение ДО в КрасГАУ [Текст] / Н.Д. Амбросенко, Р.Н. Амбросенко, Б.М. Багаев // Студенческая наука - взгляд в будущее: мат-лы всерос. науч. конф. - Красноярск, 2005.

- С. 253-254. •

10. Амбросенко, Н.Д. Электронные учебно-методические комплексы — основа электронного обучения [Текст] / Н.Д. Амбросенко // Проблемы информатизации региона ПИР-2005: IX всерос. науч.-практ. конф. — Красноярск, 2005. - Т. 2. - С. 114-120.

11. Амбросенко, Н.Д. Программное обеспечение ДОТ - контроль знаний [Текст] / Н.Д. Амбросенко, А.К. Шлепкин // Управление образовательным процессом в современном вузе: труды VII всерос. науч.-метод. конф. — Красноярск, 2006. - С. 95-98.

12. Амбросенко, Н.Д. Электронный учебно-методический комплекс как средство организации и поддержки учебного процесса [Текст] / Н.Д. Амбросенко, О.Г. Малышева // Инновации в системе непрерывного профессионального образования: мат-лы всерос. конф. — Красноярск, 2006.

- С. 142-146.

13. Амбросенко, Н.Д. Единая образовательная информационная среда Красноярского государственного аграрного университета [Текст] / Н.Д. Амбросенко // Вестн. Краснояр. гос. аграр. ун-та. — Красноярск, 2006. -Вып. 13.-С. 63-68

14. Амбросенко, Н.Д. Предпосылки дистанционного обучения в профессиональном образовании [Текст] / Н.Д. Амбросенко // Инновации в системе непрерывного профессионального образования: мат-лы всерос. конф. - Красноярск, 2006. - С. 28-30.

Разработки, зарегистрированные в Отраслевом фонде алгоритмов и программ:

15. Ковалев И.В., Амбросенко Н.Д., Морозов В.А., Богданова О.В. Система надежностного анализа клиент-серверной архитектуры распределенного программного обеспечения (программная система «CSR-Analysis ver.1.0»). М.: ВНТИЦ, 2006. №50200600126.

Санитарно-эпидемиологическое заключение № 24.49.04.953.П. 000381.09.03 от 25.09.2003 г. Подписано в печать 20.09.2006. Формат 60x84/8. Бумага тип. № 1. Офсетная печать. Объем 1,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 675

Издательство Красноярского государственного аграрного университета 660017, Красноярск, ул. Ленина, 117

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОБЛЕМЫ ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ.

1.1. Понятие дистанционного образования.

1.2. Актуальность дистанционных образовательных услуг в России.

1.2.1. Образовательные потребности и уровень их удовлетворения в существующей системе образования.

1.2.2. Заинтересованность в основных свойствах дистанционной формы образования.

1.2.3. Требования к качеству образовательных услуг.

1.3. Формы дистаиционного образования.

1.4. Основные типы дистанционных учебных заведений.

1.4.1. Однопрофильные учреждения.

1.4.2. Двухпрофильпые учреждения.

1.4.3. Смешанные учебные заведения.

1.5. Современная структура дистанционного образования в России.

1.5.1. Предпосылки дистанционного обучения в профессиональном образовании.

1.5.2. Анализ подходов к применению дистанционных образовательных технологий.

1.5.3. Применение технологии дистапдиоипого образования в России.

1.6. Информационно-образовательное обеспечение дистанционного образования.

1.6.1. Концепция комплексной информатизации учебного процесса в ВУЗе.

1.6.2. Электронные учебно-методические комплексы.

1.7. Надежность программно-информационных технологий дистанционного образования.

1.7.1. Зависимость надежности от архитектуры программно-информационных технологий.

1.7.2. Надежностные характеристики программно-информациоппого обеспечения распределенной информационно-образовательной среды.

2. АРХИТЕКТУРА РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ИНФОРМАЦИОННО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ.

2.1. Образовательная среда Красноярского государственного аграрного университета.

2.2. Общие принципы построения единой образовательной информационной среды вуза.

2.2.1. Цели создания среды.

2.2.2. Компоненты среды.

2.2.3. Функциональность.

2.3. Компьютерная сеть КрасГАУ.

2.3.1.Структура сети.

2.3.2.Объемно-временные характеристики и пропускпая способность.

2.3.3.Организационные принципы работы и управления сетью.

2.4. Корпоративная компьютерная сеть КрасГАУ.

2.4.1. Планирование доставки учебных ресурсов.

2.4.2. Использование нового оборудования и технологий.

2.4.3. Администрирование учебного процесса в условиях применения ДОТ.

2.5. Программно-аппаратная платформа для дистанционного образования.

2.5.1. Задача выбора платформы.

2.5.2. Техно-программные ограничения.

2.5.3. Матрица принятия решения.

2.5.4. Используемые программно-аппаратные платформы ДО в КрасГАУ.

2.6. Клиент-серверная архитектура распределенной информационно-образовательной среды.

2.6.1. Особенности клиент-серверной архитектуры распределенной информационно-образовательной среды.

2.6.2. Способы организации программной архитектуры клиент-сервер.

3. НАДЕЖНОСТНЫЙ АНАЛИЗ КЛИЕНТ-СЕРВЕРНОЙ АРХИТЕКТУРЫ.

3.1. Современные методы анализа надежности.

3.1.1. Математические модели надежности.

3.1.2. Исследование надёжности систем без резерва.

3.1.3. Метод коэффициентов.

3.1.4. Исследование надёжности систем с резервом.

3.1.5. Применение марковских процессов для исследования надёжности резервированных систем.

3.1.6. Экспериментальный закон надёжности Хетагурова.

3.2. Математическая модель анализа компьютерных систем клиент-серверной архитектуры.

3.2.1. Описание математической модели.

3.2.2. Показатели надежности.

3.3. Модель архитектурной надежности программных приложений «клиент-сервер».

4. ПРОГРАММНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ НАДЕЖНОСТНОГО АНАЛИЗА КЛИЕНТ-СЕРВЕРНОЙ АРХИТЕКТУРЫ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ИНФОРМАЦИОННО-ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ СРЕДЫ.

4.1. Описание системы.

4.2. Расчет вероятности останова компьютерной системы.

4.3. Расчет интенсивности остановов компьютерной системы.

4.4. Расчет вероятности аварии системы.

4.5. Расчет интенсивностей аварий системы.

4.6. Получение зависимости вероятностей аварии и останова системы от числа клиентов и интенсивностей отказа подсистем.

4.7. Анализ архитектурной надежности программных приложений «клиент-сервер».

4.7.1. Выделение иерархических уровней.

4.7.2. Исходные параметры компонентов уровней архитектуры.

4.7.3. Анализ результатов при сравнении вариантов архитектур.

4.8. Структура системы надежностного анализа.

Реформирование высшего образования Российской Федерации, реализация новой человекоцентристской концепции образования, а также повышение качества высшего образования требуют изменения содержания обучения и обуславливают необходимость поиска новых путей совершенствования учебного процесса в системе высших образовательных учреждений.

За последние три десятилетия дистанционная форма обучения стала глобальным явлением образовательной и информационной культуры, изменив облик образования во многих странах мира. Возникла и бурно развивается целая индустрия образовательных услуг, объединяемых общим названием «дистанционное обучение».

В настоящее время в российской системе образования также происходят сложные процессы перехода к дистанционному образованию, созданию и освоению новой информационно-технологической базы. Для успешной реализации этих реформ требуется создание единого образовательного пространства, охватывающего всю территорию Российской Федерации и характеризующегося выполнением единых требований к уровню образовательных услуг, предоставляемых различными образовательными учреждениями.

Решение такой задачи заключается в целенаправленном применении информационно-коммуникационных технологий и архитектурных решений с целью создания единой образовательной информационной среды, с помощью которой можно упростить доступ граждан к получению высококачественных образовательных услуг вне зависимости от места жительства, социального положения, финансового состояния, возраста, состояния здоровья и других жизненных обстоятельств.

Концепция дистанционного образования предполагает распределенную информационно-образовательную среду, где обучаемый и преподаватель 5 дистанцированы друг от друга. Участники образовательного процесса взаимодействуют через единую информационную инфраструктуру, реализуемую па основе архитектуры клиент-сервер. Информационное обеспечение большинства процессов, связанных с профессиональным образованием, делает возможным хранение и доступ к базовой информации, необходимой для обеспечения профессионального образования.

Программно-информационные технологии в дистанционном образовании обладают гетерогенностью и распределенной архитектурой, что требует решения задач повышения надежности и обеспечения отказоустойчивости с учетом распределенных ресурсов, анализа трафика и управления пропускной способностью сети, перераспределения серверной нагрузки, отслеживания текущего состояния подсистем серверов приложений и .т.д.

Предоставление образовательных услуг предъявляет определенные требования по надежности как к программно-информационному обеспечению, так и к аппаратной платформе информационно-образовательной среды. Обеспечение заданного уровня надежности данной среды требует комплексного подхода к оценке аппаратного и программно-информационного обеспечения. Поэтому возникает техническая проблема -создание автоматизированных средств оценки и анализа надежности компонент распределенной информационно-образовательной среды. В связи с этим необходимо разработать модели и методы, которые позволили бы выполнить анализ надежности программного обеспечения информационно-образовательной среды и ее аппаратной платформы, что является научной проблемой.

Объектом диссертационного исследования является распределенная информационно-образовательная среда, обеспечивающая поддержку дистанционной формы обучения.

Предмет исследований - клиент-серверная архитектура аппаратно-программных средств информационно-образовательной среды.

Цель диссертационного исследования состоит в повышении эффективности анализа надежности информационно-образовательной среды, используемой при дистанционной форме обучения.

Поставленная цель достигается путем решения следующих задач:

• анализа и архитектурной декомпозиции распределенной информационно-образовательной среды, обеспечивающей поддержку дистанционной формы обучения;

• анализа существующих моделей и методов оценки надежности аппаратного и программного обеспечения;

• разработки модели оценки надежности аппаратной платформы распределенной информационно-образовательной среды;

• разработки модели оценки клиент-серверной архитектуры программного обеспечения распределенной информационно-образовательной среды;

• разработки комплексной модели оценки и анализа распределенной информационно-образовательной среды, используемой в дистанционном образовании;

• программной реализации системы анализа надежности клиент-серверной архитектуры распределенной информационно-образовательной среды.

Методы исследования. Основные теоретические и прикладные результаты работы получены на основе методологии системного анализа, а также информационных и коммуникационных технологий и методов прикладной математики.

Научная новизна работы: 1. Разработана модель оценки надежности аппаратной платформы информационно-образовательной среды, позволяющая получить значения надежностных характеристик аппаратного обеспечения, находящегося в эксплуатации, по найденным экспериментально статистическим эквивалентам функций распределения.

2. Разработана комплексная модель, включающая оценку надежности распределенной информационно-образовательной среды при различном количестве слоев клиент-серверной архитектуры программно-информационного обеспечения и при различной конфигурации аппаратной платформы.

3. Предложена и реализована процедура анализа архитектуры программного обеспечения клиент-серверных приложений, моделируемых как набор сервисов, предоставляемых сервером клиентским процессам, что позволяет предотвратить потери информации.

4. Разработана и программно реализована система анализа надежности клиент-серверной архитектуры распределенной информационно-образовательной среды.

Значение для теории. Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, имеют существенное значение для развития моделей и методов оценки надежности, качества и эффективности сложных информационных систем и сред, используемых при дистанционном образовании. Разработанные в диссертации модели могут использоваться при оценке и анализе надежности программного и аппаратного обеспечения систем обработки информации и управления.

Практическая ценность. Разработанная в диссертации система анализа надежности распределенной информационно-образовательной среды позволяет оценить надежность клиент-серверной архитектуры программного обеспечения и аппаратной платформы информационных систем. Архитектура клиент-серверных программных приложений, моделируемых как набор сервисов, позволяет предотвратить потери информации, что важно для систем дистанционного образования. Система анализа надежности позволила провести оценку информационно-образовательной среды Красноярского государственного аграрного университета, находящейся на этапе эксплуатации.

Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием методологии системного анализа и теоретических методов оценки надежности информационного и коммуникационного обеспечения дистанционного образования при обосновании полученных результатов, выводов, рекомендаций, а также успешной апробацией и демонстрацией возможностей разработанной системы при проведении экспериментов на базе информационно-образовательной среды в КрасГАУ.

Реализация результатов работы.

Диссертационная работа выполнялась в рамках программы по созданию единой краевой информационной образовательной системы и в рамках межправительственного проекта Россия-Франция «Содействие развитию дистанционной формы обучения в аграрном образовании России».

Полученные в диссертационной работе результаты внедрены в учебный процесс ФГОУ ВПО «Красноярский государственный аграрный университет».

На основе моделей и математических методов была разработана программная система, предназначенная для анализа надежности клиент-серверной архитектуры распределенной информационно-образовательной среды. Программная система прошла экспертизу и зарегистрирована в Отраслевом фонде алгоритмов и программ (ОФАП), что делает ее доступной широкому кругу специалистов по системному анализу и проектировщиков программного обеспечения сложных информационных систем.

На защиту выносятся: 1. Модель оценки надежности аппаратной платформы информационнообразовательной среды.

2. Комплексная модель оценки надежности клиент-серверной архитектуры распределенной информационно-образовательной среды.

3. Процедура анализа архитектуры программного обеспечения клиент-серверных приложений, моделируемых как набор сервисов, гарантирующих сохранность информации.

4. Система анализа надежности клиеит-серверной архитектуры распределенной информационно-образовательной среды. Апробация работы. Основные положения и результаты работы прошли всестороннюю апробацию на международных и всероссийских научных, научно-практических и научно-технических конференциях. В том числе, на Всероссийской научной конференции «Красноярский край: освоение, развитие, перспективы» (Красноярск, 2002-2004), на Международной научно-методической конференции «Проблемы модернизации образования» (Красноярск, 2003), на Международной научно-методической конференции «Управление качеством в современном ВУЗе» (Красноярск, 2004), на Всероссийской научной конференции «Студенческая наука-взгляд в будущее (Красноярск, 2005), на Девятой Всероссийской научно-практической конференции «Проблемы информатизации региона ПИР-2005» (Красноярск, 2005), на VII Всероссийской научно-методической конференции (Красноярск, 2006), на Всероссийской конференции «Инновации в системе непрерывного профессионального образования» (Красноярск, 2006).

Диссертационная работа в целом обсуждалась на научных семинарах Красноярского государственного аграрного университета, Сибирского государственного аэрокосмического университета, а также НИИ Систем управления, волновых процессов и технологий (2002-2006 гг.).

Выводы

1. Программная реализация системы анализа надежности распределенной информационно-образовательной среды позволяет выполнить оценку надежности систем клиент-серверной архитектуры, в целях создания системы с требуемыми параметрами надежности, а также проанализировать уже существующие системы с целью оценки необходимости их модернизации и повышении показателей надежности.

2. Система анализа надежности распределенной информационно-образовательной среды отражает зависимости вероятностей останова и аварии системы от времени, графиков зависимостей интенсивностей аварии и останова системы от времени, а также графиков зависимости вероятностей от интенсивностей отказа подсистем при фиксированном времени работы системы.

3. При анализе архитектурной надежности программных приложений «клиент-сервер» распределенной информационно-образовательной среды выполняется декомпозиция среды на следующие архитектурные уровни: уровень процессов, функций, примитивов, данных, структур, сообщений, что позволяет провести более детальный анализ с учетом межуровнего обмена данными.

4. В зависимости от количества и величины компонентов, условные и безусловные вероятности сбоя, доступа, анализа и времени восстановления, а также и времени использования компонентов различны. Система анализа надежности может использоваться, чтобы оценить надежность программного обеспечения для возможных архитектурных изменений и выбрать надежную архитектуру из различных вариантов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе проведенного анализа и архитектурной декомпозиции распределенной информационно-образовательной среды, обеспечивающей поддержку дистанционной формы обучения, показано, что клиент-серверная организация среды предполагает программно-информационное обеспечение и аппаратную платформу для реализации взаимодействия всех участников образовательного процесса.

Выполнен анализ существующих моделей и методов оценки надежности аппаратного и программного обеспечения. Анализ показал, что для оценки надежности программно-аппаратного обеспечения распределенной информационно-образовательной среды применимы модели и методы на основе статистических оценок. Разработанная модель позволяет на основе индикаторов случайных событий без знания законов распределения случайных величин осуществлять оценку надежности аппаратной платформы распределенной информационно-образовательной среды. Разработана модель оценки надежности клиент-серверной архитектуры программного обеспечения распределенной информационно-образовательной среды, позволяющая провести анализ надежности среды при различном количестве слоев.

Разработана комплексная модель оценки надежности распределенной информационно-образовательной среды, используемой в дистанционном образовании, которая позволяет выполнить как анализ надежности программно-информационного обеспечения, так и анализ надежности аппаратных средств различной конфигурации. Программно реализована система анализа надежности клиент-серверной архитектуры распределенной информационно-образовательной среды, что позволило автоматизировать процесс оценки надежности и визуализировать зависимости показателей надежности программно-аппаратной архитектуры.

1. Амбросенко, Н.Д. Computer network of Krasnoyarsk state agrarian university Текст. / Н.Д. Амбросенко, Р.Н. Амбросенко, H.B Антонова // Красноярский край: освоение, развитие, перспективы: мат-лы III всерос.науч. конф. Красноярск, 2004. - С. 133-134.163

2. Амбросенко, Н.Д. Этапы становления дистанционной формы обучения в КрасГАУ Текст. / Н.Д. Амбросенко, Р.Н. Амбросенко, Б.М. Багаев // Студенческая паука взгляд в будущее: мат-лы всерос. науч. конф. - Красноярск, 2005. - С. 254-255.

3. Амбросенко, Н.Д. Программно-аппаратное обеспечение ДО в КрасГАУ Текст. / Н.Д. Амбросенко, Р.Н. Амбросенко, Б.М. Багаев // Студенческая наука взгляд в будущее: мат-лы всерос. науч. конф. -Красноярск, 2005. - С. 253-254.

4. Амбросенко, Н.Д. Электронные учебно-методические комплексы -основа электронного обучения Текст. / Н.Д. Амбросенко // Проблемы информатизации региона ПИР-2005: IX всерос. науч.-практ. конф. -Красноярск, 2005. Т. 2. - С. 114-120.

5. Амбросенко, Н.Д. Программное обеспечение ДОТ контроль знаний Текст. / Н.Д. Амбросенко, А.К. Шлепкин // Управление образовательным процессом в современном вузе: труды VII всерос. науч.-метод. конф. -Красноярск, 2006. - С. 95-98.

6. Амбросенко, Н.Д. Единая образовательная информационная среда Красноярского государственного аграрного университета Текст. / Н.Д. Амбросенко // Вести. Краснояр. гос. аграр. ун-та. Красноярск, 2006. -Вып. 13.-С. 63-68

7. М.Амбросенко, Н.Д. Предпосылки дистанционного обучения в профессиональном образовании Текст. / Н.Д. Амбросенко // Инновации в системе непрерывного профессионального образования: мат-лы всерос. конф. Красноярск, 2006. - С. 28-30.

8. Андреев, A.A. Дистанционное обучение форма или метод? Текст. / A.A. Андреев // Дистанционное образование. - 1997. - №4. - С. 5-8.

9. Андреев, A.A. Дистанционное обучение: сущность, технология, организация Текст. / A.A. Андреев, В.И. Солдаткин. М.: МЭСИ. - 1999. -196 с.

10. Андреев, A.A. К вопросу об определении понятия «дистанционное обучение» Текст. / A.A. Андреев. // Дистанционное образование. 1997. -№2.-С. 9-14.

11. Андреев, A.A. Определимся в понятиях Текст. / A.A. Андреев // Высшее образование в России. 1998. - №4. - С. 44-47.

12. Андреев, A.A. Основы открытого образования Текст. / A.A. Андреев [и др.]; Т. 1. Российский государственный институт открытого образования. -М.: НИИЦ РАО. 2002. - 676 с.

13. Андреев A.A. Применение телекоммуникаций в учебном процессе Текст. / A.A. Андреев // В сб.: Основы применения информационных технологий в учебном процессе вузов. М.: ВУ. - 1995. - С. 15-19.

14. Андреев, A.A. Проблемы биоадекватного представления учебного материала в системе дистанционного образования Текст. / A.A. Андреев, Н.В. Маслова//Дистанционное образование. 1998,-№3.-С. 8-12.

15. Андреев, A.A. Современные телекоммуникационные системы в образовании Текст. / A.A. Андреев, В.П. Меркулов, Г.В. Тараканов // Педагогическая информатика. 1995. - № 1. - С. 55-63.

16. Андреев, A.A. Средства новых информационных технологий в образовании: систематизация и тенденции развития Текст. / A.A. Андреев //

17. В сб.: Основы применения информационных технологий в учебном процессе вузов. М.: ВУ. - 1995. - С. 43-48.

18. Информатизация образования: направления, средства, технологии; пособие для системы повышения квалификации Текст. / Ю.В. Арбузов [и др.] М.: МЭИ. - 2004. - 868 с.

19. Башмаков, А.И. Разработка компьютерных учебников и обучающих систем Текст. / А.И.Башмаков, И.А. Башмаков. М.: Информационно-издательский дом "Филинъ". - 2003. - 616 с.

20. Бершадский, A.M. «Детство» систем дистанционного обучения: анализ и тенденции Текст. / A.M. Бершадский, И.Г. Кревский // Дистанционное образование. 1998. - №4. - С. 23-28.

21. Буравлев, А.И. Выбор оптимальной длины педагогического теста и оценка надежности его результатов Текст. / А.И. Буравлев, В.Ю. Переверзев // Дистанционное образование. 1999. - №2. - С. 19-24.

22. Вержбицкий, В.В. Подготовка к созданию системы дистанционного образования в России Текст. / В.В. Вержбицкий // Дистанционное образование. 1997. - №2. - С. 14-19.

23. Гаврилова, E.JI. Семинары с активным участием студентов как неотъемлемая форма системы дистанционного образования (на примере курса «Финансовый менеджмент») Текст. / E.JI. Гаврилова // Дистанционное образование. 1998, - №4. - С. 31-34.

24. Газимагомедов, Г.Г. Коммуникация и образование Текст. / Г.Г. Газимагомедов. Сб. статей. СПб.:Санкт-Петербургское философское общество. - 2004. - С.365-383.

25. Глазунов, Jl. П. Основы теории надёжности АСУ Текст. / Л.П. Глазунов, В. П. Грабовецкий, О. В. Щербаков; под ред. Л.П. Глазунов -Л.: Энергоатомиздат. 1984. - 413 с.

26. Грачев, В.В. Оценка эффективности системы дистанционного обучения Текст. / В.В. Грачев, A.C. Минзов // Дистанционное образование. -1999.-№3.-С. 28-32.

27. Гребенюк, В.А. Учебный процесс и контроль знаний в системе виртуального образования Текст. / В.А. Гребенюк, A.A. Катасопов // Дистанционное образование. 1999.-№1.-С. 19-29.

28. Гречихин, A.A. Вузовская учебная книга: Типология, стандартизация, компьютеризация: Учеб.-метод. пособие в помощь авт. и ред. Текст. / A.A. Гречихин, Ю.Г. Древе. М.: Логос: Московский государственный университет печати. - 2000. - 255 с.

29. Долгоруков, A.M. Методы эффективного самообразования Текст. / A.M. Долгоруков. М.: ЦИТО. - 1999. -196 с.

30. Долгоруков, A.M. Проблемы развития дистанционного образования в России Текст. / A.M. Долгоруков // Вестник МГУ. Сер. 18. Социология и политология. -1999.-№ 1.-С. 29-34.

31. Долгоруков, A.M. Развитие образования в условиях информатизации общества Текст. / A.M. Долгоруков // Вестник МГУ. Сер. 18. Социология и политология. 1999. - № 2. - С. 21-26.

32. Домрачев, В.Г. Об опыте обучения по индивидуальным траекториям Текст. / В.Г. Домрачев, И.В. Ретинская // Дистанционное образование. -1999.-№4.-С. 31-37.

33. Евтюхин, Н.В. Структура знаний и технология разработки компьютерных мастер-тестов Текст. / Н.В. Евтюхин // Дистанционное образование. 1999. - №1. - С. 34-40.

34. Егоршин, А.П. Емкость рынка и качество дистанционных образовательных услуг Текст. / А.П. Егоршин, В.А. Кручинин // Дистанционное образование. 2000. - №2. - С. 33-40.

35. Иыуду, К. А. Надежность контроль и диагностика вычислительных машин и систем Текст. / К. А. Иыуду. М.: Высшая школа. - 1989. - 215 с.

36. Калмыков, A.A. Парадигматика экопсихологии в технологии ДО Текст. / A.A. Калмыков // Дистанционное образование. 2000. - №2. -С. 40-42.

37. Костюкова, Н.И. Уча учимся, или построение обучающей системы Текст. / Н.И. Костюкова, Н.С. Белоглазое, Н.С. Карнаухов, К.В. Казанцев, A.A. Липендин и др.// Дистанционное образование. - 2000. - №3. - С. 37-39.

38. Кривошеев, А.О. Методология разработки компьютерного учебного пособия Текст. / А.О. Кривошеев // Дистанционное образование. 1998. -№2. - С. 36-38.

39. Лазарев, В.Н. Высшее заочное педагогическое образование: состояние, проблемы, перспективы Текст. / В.Н. Лазарев. М.: МГОПУ. -1996.- 144 с.

40. Лактионов, А. Информационное общество Текст. / А. Лактионов. -М.: ООО «Издательство ACT». 2004. - 507 с.

41. Леднев, В.А. Дополнительное образование в системе дистанционного образования Текст. / В.А. Леднев // Дистанционное образование. 1997. -№2. - С. 42-48.

42. Лобачев, С.Л. Дистанционные образовательные технологии: информационный аспект Текст. / С.Л. Лобачев, В.И. Солдаткин. М.: МЭСИ.- 1998.- 104 с.

43. Лобачев С.Л. Корпоративная информационная среда сетевого дистанционного образования основа образовательной среды вуза в условиях рынка Текст. / С.Л. Лобачев // Дистанционное образование. - 1998. - №1. С. 40-44.

44. Марченко, Е.К. Электронная библиотека как системообразующий модуль системы дистанционного образования Текст. / Е.К. Марченко // Дистанционное образование. 1998. - №2. - С. 41-45.

45. Моисеева, М.В. Координатор как ключевая фигура процесса дистанционного обучения Текст. / М.В. Моисеева // Дистанционное образование. 2000. - №1. - С. 43-47.

46. Назаров, А. И. Система дистанционного контроля знаний в сетях ИНТЕРНЕТ и ИНТРАНЕТ Текст. / А.И. Назаров, A.B. Сергеев // Дистанционное образование. 1999. - №1. - С. 52-57.

47. Нейман, Д. Вероятностная логика и синтез надежных организмов из надежных компонент. Автоматы. Текст. / Д. Нейман. М.: Иностранная литература. - 1956. - 315 с.

48. Немцев, О.В. Технология создания учебных материалов для дистанционного обучения Текст. / О.В. Немцев // Дистанционное образование. 1999. - №3. - С. 49-52.

49. Околелов, О. П. Дистанционное обучение: сущность, дидактические особенности, технологии Текст. / О. П. Околелов // Дистанционное образование. 1999. - №3. - С. 56-60.

50. Околелов, О. П. Процесс обучения в системе дистанционного образования Текст. / О. П. Околелов //Дистанционное образование. 2000. -№3. - С. 54-62

51. Пак, Н.И. Компьютерная диагностика знаний в системе дистанционного образования Текст. / Н.И. Пак, A.J1. Симонова // Дистанционное образование. 2000. - №2. - С. 63-72.

52. Печенкин, А. Оценка эффективности e-Learning проектов Текст. / А. Печенкин // e-LearningWorld. 2004. - №2. - С. 16-17.

53. Печенкин, А. Покупное решение: прогнозируемые траты, гарантированный результат Текст. / А. Печенкин // e-LearningWorld. 2004. -№1.-С. 30-34.

54. Полат, Е.С. Дистанционное обучение Текст. / Е.С Полат. М.: Гум. изд. центр "Владос". - 1999. - 192 с.

55. Полат, Е.С. Организация дистанционного обучения иностранному языку на базе компьютерных телекоммуникаций Текст. / Е.С. Полат // Дистанционное образование. 1998. - №1. - С. 82-86.

56. Попов, В.В. Дистанционное образование в свете креативной педагогики Текст. / В.В. Попов //Дистанционное образование. 1997. - №2 -С. 85-92.

57. Пороховник, Ю.М. Активные методы в дистанционном обучении Текст. / Ю.М. Пороховник // Дистанционное образование. 1997. - №1. -С. 80-84.

58. Романов, А.Н. Технология дистанционного обучения в системе заочного экономического образования Текст. / А.Н. Романов, B.C. Торопцов, Д.Б. Григорович. М.: ЮНИТИ-ДАНА. - 2000. - 303 с.

59. Рубин, Ю.Б. Система дистанционного образования в МЭСИ Текст. / Рубин Ю.Б., Самойлов В.А. // Дистанционное образование. 1996, - №1. -С. 86-91.

60. Сапунцов, В.Д. Компьютерные деловые игры и дистанционное образование Текст. / В.Д. Сапунцов // Дистанционное образование. 2000. -№1,-С. 81-89.

61. Скибицкий, Э.Г. Дидактическое обеспечение процесса дистанционного обучения Текст. / Э.Г. Скибицкий // Дистанционное образование. 2000. - № 1. - С. 91 -97.

62. Солдаткин, В.И. Проблемы создания и развития открытого образования в России Текст. / В.И. Солдаткин // Дистанционное образование. 1999. -№5.-С. 81-87.

63. Состояние и перспективы развития дистанционного обучения в системе педагогического образования Текст. / Педагогическое образование без отрыва от производства. Ежегодник №7. М.: - 1999. 126 с.

64. Титарев, Д. Самодельное решение: объективная необходимость Текст. / Д. Титарев // е-Ьеагшп§\Уог1с1. 2004. - №1. - С. 30-34.

65. Тихомиров, В.П. Дистанционное образование в России Текст. / В.П. Тихомиров //Дистанционное образование. 1996. - №1. - С. 89-93.

66. Тихомиров, В.П. Дистанционное образование: к виртуальным средам знаний (чч. 1, 2, 3) Текст. / В.П. Тихомиров, В.И. Солдаткин, С.Л. Лобачев, О.Г. Ковальчук // Дистанционное образование. 1999. - №№2, 3,4.

67. Тихомиров, В.П. Дистанционное обучение: история, экономика и тенденции Текст. / В.П. Тихомиров //Дистанционное образование. 1997. -№2.-С. 81-86.

68. Интернет-образование: не миф, а реальность XXI века Текст. / В.П. Тихомиров [и др.] М.: Изд-во МЭСИ. - 2000. - 189 с.

69. Тихомиров, В.П. Основные принципы построения Системы Дистанционного образования в России Текст. / В.П. Тихомиров // Дистанционное образование. 1998. -№1. - С. 82-89.

70. Открытое образование объективная парадигма XXI века Текст. / В.П. Тихомиров [и др.] - М.: Изд-во МЭСИ. - 2000. - 178 с.

71. Открытое образование: предпосылки, проблемы и тенденции развития / В.П. Тихомиров и др. М.: Изд-во МЭСИ. - 2000. - 178 с.

72. Тихомиров, В.П. Реализация концепции виртуальной образовательной среды как организационно-техническая основа дистанционного обучения Текст. / В.П. Тихомиров // Дистанционное образование. 1997. - №1. - С. 84-89.

73. Тихомиров, В.П. Среда Интернет-обучения системы образования России: проект Глобального виртуального университета Текст. / В.П. Тихомиров, В.И. Солдаткин, СЛ. Лобачев. Международная академия открытого образования. М.: Изд-во МЭСИ. - 2000. - 332 с.

74. Открытое образование стратегия XXI века для России Текст. / В.М. Филиппов [и др.] - М.: Изд-во МЭСИ. - 2000. - 356 с.

75. Хенли, Дж. Надежность технических систем и оценка риска Текст. / Дж. Хенли, X. Кумамото. М.: Машиностроение. - 1984. 287 с.

76. Ширяев, А. Н. Вероятность Текст. / А. Н. Ширяев. М.: Наука. -1980.- 154 с.

77. Шурупов, А.Н. Информационно-технологическая модель управления учебным процессом ДО на основе рейтингов Текст. / А.Н. Шурупов // Дистанционное образование. 2000. - №2. - С. 92-99.

78. Щенников, С.А. Открытое дистанционное образование Текст. / С.А. Щенников. М.: Наука. - 2002. - 527 с.

79. Юнусов, Р.В. Анализ надежности аппаратно-программного информационно-управляющего комплекса Текст. / Р.В. Юнусов // Вестник НИИ СУВПТ: Сб. научн. тр. Красноярск: НИИ СУВПТ, 2003. - Вып. 11.-С.103-106.

80. Юнусов, Р.В. Оценка надежности программного обеспечения клиент-сервер на примере комплексной системы управления предприятием «Галактика» Текст. / Р.В. Юнусов // Вестник НИИ СУВПТ. Красноярск: НИИ СУВПТ, 2001. - Вып.7. - С.107-112.