Методико-алгоритмический аппарат (инструментарий) анализа и оценки системы обеспечения надежности и отказоустойчивости распределенной локальной компьютерной сети

Распределенные локальные компьютерные сети (РЖС) относятся к категории сложных кибернетических человеко-машинных систем (ЧМС), эффективность функционирования которых определяется всеми тремя компонентами: человеком (то — есть управленческим и обслуживающими персоналом сети и пользователями), машиной (программноаппаратными средствами сети и технологиями) и производственной средой. Распределенными такие ЛКС называются потому, что их функциональные части (малые локальные сети с типовой топологией, отдельные персональные компьютеры, серверы, коммутаторы и другое сетевое коммуникационное оборудование) рассредоточены на различных этажах одного и того же здания или в различных зданиях на территории одного и того же предприятия (по периметру это территория может занимать несколько километров). Тем не менее это локальная сеть, так как она имеет свою штатную систему передачи данных (СПД). Для связи функциональных частей сети между собой территориальные сети связи (ТСС) не используются. К услугам ТСС приходится прибегать только в случае необходимости общения с удаленными абонентами.

Для количественной оценки влияния каждого компонента на эффективность функционирования всей сети необходимо иметь соответствующий математический аппарат. Используемые в настоящее время методы анализа надёжности и отказоустойчивости локальных сетей в сущности касаются не всей сети как человеко-машинной системы, а только отдельных её элементов, главным образом оборудования. При этом применяется традиционный и многократно апробированный аппарат. Такой подход, когда каждый вид отказа оборудования ранжируется с учётом двух составляющихвероятности отказа и тяжести его последствий, не позволяет уверенно применять полученные результаты оценки для анализа и обеспечения безопасности всей сети и разработки рекомендаций по обеспечению необходимого уровня надёжности и отказоустойчивости сети.

Кроме того, этот подход не позволяет оценивать вклад рисков неполадок (отказов) элементов сети в общий риск всей сети. В связи с этим настоящая диссертационная работа, посвященная формированию методико-алгоритмического аппарата (МАА) для количественной оценки влияния отказов отдельных элементов и функциональных частей РЖС на надёжность и отказоустойчивость всей сети, является актуальной, необходимой для эксплуатационников локальных компьютерных сетей. Такой аппарат позволяет разработать теоретически обоснованные рекомендации по повышению надежности и отказоустойчивости РЖС до требуемого уровня.

Цель диссертационной работы состоит в постановке и решении актуальной научно-практической задачи по разработке инструментария, то есть методико-алгоритмического аппарата анализа и оценки системы обеспечения надежности и отказоустойчивости распределённой локальной компьютерной сети. Под системой обеспечения надежности и отказоустойчивости (СОНО) локальной сети понимается совокупность взаимосвязанных методов, средств и технологии, предназначенных для решения задач установления и поддержки надежности и отказоустойчивости сети на требуемом уровне. При этом под надежностью РЖС понимается ее способность функционировать не ниже заданного уровня работоспособности в течение определенного времени и в определенных условиях работы. Отказоустойчивость РЖС — это ее способность при отказе отдельных элементов сети функционировать на заданном уровне работоспособности за счет автоматического переключения на использование резервных средств.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие задачи:

• Обоснование актуальности работы;

• оценка влияния комплексной системы обеспечения безопасности локальной сети на её надёжность и отказоустойчивость;

• разработка концептуальных и методических положений оценки надёжности и отказоустойчивости распределённой ЖС;

• формирование системы интегральных и частных показателей для оценки надёжности и отказоустойчивости РЖС и разработка алгоритмов определения их значений;

• выбор и обоснование метода моделирования процессов функционирования системы обеспечения надёжности и отказоустойчивости (СОНО) с целью определения показателей эффективности этой системы;

• разработка математической модели процессов функционирования системы обеспечения надёжности и отказоустойчивости РЖС и её типовых функциональных модулей для определения показателей целевой и экономической эффективности СОНО;

• проведение экспериментальных исследований с целью подтверждения работоспособности предлагаемого инструментария и разработки рекомендаций по совершенствованию объекта исследований. Предметом исследования является совокупность теоретических, методологических, методических и практических положений, определяющих процессы исследования надёжности и отказоустойчивости компьютерных сетей.

Объект исследования — система обеспечения надёжности и отказоустойчивости распределённой локальной компьютерной сети, рассматриваемая как человеко-машинная система (ЧМС), эффективность функционирования которой определяется всеми тремя компонентами: человеком, машиной и производственной средой.

Методы исследования и источники информации. В ходе выполнения диссертационной работы использованы труды отечественных и зарубежных учёных (А. А. Кириченко, А. Олохтонов, П. Б. Храмцов, Пятибратов А. П., Расторгуев С. П., М. Писарев, В. Гайкович, Назаров С. В., Г. JI. Смолян, В. Имери, Губинский А. И., Дмошинский Г. М., Золотов С., Иванова Т. И.,.

Купурман М. Б., Нанс Б., М. Гук, Олифер В. Г., Д. Веттинг, Вакка Д, Шатт С., Таненбаум, Э Блэк Ю., Шиндер Д. JI.) и др., научные обзоры, общегосударственные и отраслевые методические материалы и стандарты, регламентирующие механизмы исследования надёжности, отказоустойчивости и эффективности сложных человеко-машинных систем. Исследование базируется на принципах системного анализа, обобщения, статистической обработке данных, теории вероятностей, теории эффективности функционирования ЧМС, методах математического моделирования.

Научная новизна. В диссертации поставлена и решена актуальная научно-практическая задача разработки методико-алгоритмического аппарата анализа и оценки системы обеспечения надёжности и отказоустойчивости РЛКС, рассматриваемой как человеко-машинная система.

В рамках этого решения получены следующие результаты, обладающие научной новизной:

• разработаны концептуальные положения (методология) и методика оценки надёжности и отказоустойчивости распределённой ЖС;

• предложена совокупность интегральных и частных показателей для оценки эффективности функционирования системы обеспечения надёжности и отказоустойчивости (СОНО) РЛКС и её подсистем, разработаны алгоритмы определения значений этих показателей;

• разработана общая математическая модель формирования алгоритмов определения частных показателей для оценки эффекта, получаемого при функционировании системы обеспечения безопасности РЖС;

• разработана математическая модель процессов функционирования системы обеспечения надёжности и отказоустойчивости РЖС, базирующаяся на использовании обобщённого структурного метода моделирования, и типовые функциональные модули этой модели для определения показателей эффективности СОНО;

• показана работоспособность предложенного методико-алгоритмического аппарата анализа и оценки СОНО PJIKC и разработаны рекомендации по обеспечению необходимого уровня надёжности и отказоустойчивости объекта экспериментального исследования.

Практическая значимость диссертационной работы заключается в том, что полученные результаты могут быть использованы в научно-исследовательских и проектных организациях для разработки системы обеспечения надёжности и отказоустойчивости ЖС, удовлетворяющей заданным требованиям, а также на предприятиях и в организациях, занимающихся эксплуатацией локальных компьютерных сетей, для оценки их уровня надёжности и отказоустойчивости и формирования предложений по совершенствованию СОНО ЖС путём внедрения новой техники и технологий.

Апробация результатов исследования. Основные научные выводы и положения, полученные в ходе диссертационного исследования, прошли апробацию в виде публикаций в печати, в сборниках научных трудов Академического совета и Научно-технологического центра МЭСИ (выпуски 3, 4, 5 и 6, М., 2004, 2005, 2006), а также в журнале «Открытое образование» № 5 2006г. Основные результаты работы по мере их получения докладывались на различных семинарах и совещаниях.

Внедрение результатов исследования осуществлялось в Современной Гуманитарной Академии (СГА).

Достоверность научных результатов и выводов подтверждается корректным использованием научных методов исследования, использованием современного математического аппарата, а также итогами проведенного эксперимента.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. Проведён анализ существующих методов оценки надёжности и отказоустойчивости распределённой ЖС. Показано, что в настоящее время отсутствует методико-алгоритмический аппарат (МАА) для количественной оценки влияния отдельных элементов РЖС на надёжность и отказоустойчивость всей сети, поэтому не представляется возможным разработать теоретически обоснованные рекомендации по повышению надёжности и отказоустойчивости сети до требуемого уровня. Таким образом, обоснована актуальность диссертационной работы.

2. Разработаны концептуальные положения (методология) количественной оценки надёжности и отказоустойчивости РЖС. Ключевым положением методологии является то, что такая оценка должна осуществляться с помощью показателей эффективности (ПЭ) функционирования сети путём определения снижения этой эффективности, обусловленного отказом элементов или функциональных звеньев РЖС.

3. Разработана методика оценки эффективности функционирования системы обеспечения надёжности и отказоустойчивости (СОНО) РЖС или внедрения новой техники и технологий (НТТ) в эту систему с целью её совершенствования. Методика представляет собой совокупность логически и функционально связанных операций, последовательное выполнение которых приводит к определению конкретных значений показателей целевой и экономической эффективности процессов функционирования СОНО РЖС или внедрения НТТ. Методика полностью базируется на концептуальных положениях оценки СОНО.

4. Предложен состав показателей эффективности функционирования всей системы обеспечения надёжности и отказоустойчивости РЖС и её отдельных подсистем. В состав этих показателей входят показатели целевой эффективности (ПЦЭ) функционирования СОНО и показатели экономической эффективности (ПЭЭ), интегральные и частные ПЭ, абсолютные и относительные показатели, разработаны алгоритмы определения значений этих показателей.

5. Разработаны функциональные требования к комплексной системе обеспечения безопасности (КСОБ) локальной сети, которая рассматривается как подсистема СОНО РЖС. Для оценки эффективности функционирования КСОБ предложены система показателей и алгоритмы определения их значений. Разработана общая математическая модель формирования алгоритмов определения частных показателей для оценки эффекта, получаемого при функционирования КСОБ локальной сети.

6. Составлена математическая модель процессов функционирования СОНО РЖС, базирующаяся на использовании обобщенного структурного метода моделирования. Разработаны типовые функциональные модули (ТФМ) этой модели для определения временных показателей эффективности функционирования СОНО.

7. Проведены экспериментальные исследования по оценке надёжности и отказоустойчивости конкретного объекта — КСОБ распределённой локальной компьютерной сети образовательного учреждения. Результаты исследования подтвердили работоспособность предложенного методико-алгоритмического аппарата анализа и оценки надежности и отказоустойчивости РЖС и позволили разработать рекомендации по совершенствованию объекта экспериментального исследования.

Заключение

.