Введение к работе
Актуальность исследований. Современная Экономика опирается па новейшне информационные, телекоммуникационные технологий и технологии связи.
В настоящее время широко нснолцуются компьютерные сети, которые привели к бурному распространению глобальных информационных сетей, открывающих нринцшшалыю новые возможности информационного обмена.
В ту же время, в ннформацноіпіом пространстве потенциально существует угрота использования различных приемов книертерроризма.
Кибернетический терроризмом (кибертеррорнзм, электронный терроризм) преследует основную цель, направленную на несанкционированную модификацию, блокирование или разрушение данных, нарушение заданных режимов функционирования информационно-технических систем и их отдельных элементов, модификацию или разрушение программ, внедрение вредоносных программ. При ЭТОМ преднамеренно или неумышленно создастся опасность для жизни или здоровья людей или наступ линия других тяжких последствий, преследуются цели получения преимуществ при решении политических, жпюиюкеких иод еошялышх преЗпем. Кпйертерроротул пытается одной из опасных преднамеренных угроз государственной и общественной безопасности.
Ьольшую опасноегь представляет электромагнитный терроризм -умышленное создание электромагнитных помех и «выбросов» напряжении электропитания, нарушающих заданные режимы функционирования информационно-технических систем и их элементов, приводящих к выходу из строя оборудования. Выведение из строя телекоммуникационных устройств, в том числе и не предназначенных для приема электромагнитной энергии возможно при воздействии мощного потока радиочастотного электромагнитного излучения (РЧЭМИ).
Одним из перспективных направлений обеспечения работоспособности компьютерных сетей в экстремальных условиях, является разработка адаптивных отказоустойчивых систем, обеспечивающих автоматическое обнаружение, локализацию и исправление возникающих ошибок.
В свою очередь, в рассматриваемой аппаратуре наиболее важное место занимает ЭВМ, предназначенная для управления и координации работы различных функциональных узлов, устройств, получения и обработки информации, систем контроля техішческою сое юннии системы и решения широкого крута других специфических задач поэтому, с точки зрения надежности и достоверное функционирования компьютерных сетей, особую актуаль-
2 кость Приобретает вопрос обеспечения отказоустойчивости функционального ядра данных телекоммуникационных систем.
Объектом исследования являются функциональные умы компьютерных сетей особою назначения (КСОН) - банковских электронны* сетей, систем управления движением транспортных средств, правительственных систем связи, элементов технических систем безопасности и т.д.
При построении отказоустойчивых компьютерных сети особого (КСОИ) назначения существует необходимость обеспечения высоких значе-ішй вероятности безотказной работы, достоверности функционирования и быстродействия рассматриваемой аппаратуры.
Исходя из предъявляемых требований и условий применения КСОН, особую важность приобретает вопрос выбора средеш обеспечения отказоустойчивости (средств обнаружения, локализации и коррекции возникающих ошибок).
Состнинне исследуемого вопроса. Значительный вклад в развитие теории надежности й нашей стране внесли ученые Г.В. Дружинин, A.M. Пи-ловко, И.А, Ушаков, а также другие отечественные ученые.
Структурные методы резервирования дискретных устройств ЭВМ подробно рассмотрены в работах СМ. Доманнцкого. В.Е. Обухова, B.R. Сапож-
никовц, G.M. Каган.
Для обеспечения отказоустойчивости ЭВМ могут использоваться три идентичные вычислительные машины, при возникновении отказа (обнаружения ошибки) о одном вычислителе его функции возлагаются на исправный вычислитель.
Недостатком данною метода является:
воіможності, исправление только одиночной ошибки, (так, например, при резервировании 8 - информационных разрядов трехкяналышм мажоритарным методом будут исправлены 24-однночных ошибок, при этом общее число возможных ошибок составит m=22"=167772l6, тогда отношение корректируемых ошибок к числу возможных ошибок составит: ?>24/ш=0,0иппии11 или 0.000111 \ %:
обеспечивается требуемая отказоустойчивость КСОН при эксплуатации только в нормальных условиях и не обеспечивается отказоустойчивость ЭВМ при работе в экстремальных условиях (при воздействии внешних деста-иилиіируюших факторов, вызывающих появления кратных ошибок);
- требуется трехкратное увеличение аппаратурных затрат.
Наиболее эффективным средством достижения откаюустойчивости
дискретных устройств АСКУ являются корректирующие коды, позволяю-
щис, в отличне от структурных методов резервирования, решать данную задачу при минимальных аппаратурных затратах резервного оборудования.
Предметом исследования является теория и методы обеспечения отказоустойчивости функциональных устройств ЭВМ на основе корректирующих кодов.
Вопросам использования корректирующих кодов для построения отказоустойчивых вычислительных систем посвящены работы A.M. Гаврилова, Н.Д. Путиниева, Ю.Л. Сагаловнча, Е.С. Согомоняна, Я.А. Хетагур011^ Н.С. Щербакова, А.А. Павлова и других ученых.
Среди зарубежных работ в области использования корректирующих кодов для решения вопросов обеспечения надежности дискретных устройств большое значение имеют труды фон І Іеймана, Мура и Шеннона, Ф.Дж. Мак-Внльямс, Э. Перлскэмп, У. Пігісрсон.
При использовании корректирующих кодов в вычислительных каналах к ним предъявляются требования, отличные от требований, предъявляемых к кодам для каналов связи.
Критерием эффективности применения корректирующих кодов в вычислительных каналах служит не максимизация отношения к/и. а получение максимума надежности вычислительного канала с коррекцией ошибок при минимуме аппаратурных затрат.
Это можно осуществить, во-первых, применением НИ1КОПЛОТПЫХ кодов, во-вторых, организацией защиты последних от собственных ошибок.
Анализ данных работ позволяет сделать вывод, что ДЛЯ обеспечения отказоустойчивости рассматриваемых вычислительных систем наиболее целесообразно использовать низкоплотные линейные коды.
Применение циклических кодов нежелательно, так как они реализуют последовательный метод декодирования, требующий больших временных за-Трат и, кроме этого, для исправления кратных ошибок требуется большое число информационных разрядов, что Исключает возможность его использования для обеспечения отказоустойчивости мало разрядных ЭВМ. Например, при исправлении ошибки в восьми разрядном модуле информации код Рила-Соломона требует 2040 информационных разрядов.
В настоящее время для обеспечения отказоустойчивости функциональных узлов ЭВМ наиболее широко используются корректирующие линейные коды, исправляющие одиночную ошибку.
Однако, с увеличением сложности современных КСОН, а также в экстремальных условиях работы (воздействий электромшннтных или радиационных излучений и т.н.). возрастает вероятность появления кратных ошибок.
«
Полому, при построении отказоустойчивых вычислителен КСОН возникает необходимость использования корректирующих кодов, обнаруживающих и исправляющих кратные ошибки.
Однако, в настоящее время, существует проблема использования корректирующих кодов, которая заключается а следующем:
для защиты функционального ядра КСОН, работающего в реальном масштабе времени, >*огуі 6"ть испоіиуіовїмитолкко пикейные колы;
корректирующие коды широко используются только для устройств хранения и передачи информации;
> не известны методы построения линейных кодов, корректирующих больше двукратных ошибок;
неизвестны методы использования корректирующих кодов для обеспечения отказоустойчивости преобразователей информации (сумматоров, регистров сдвига, логических операций И. ИЛИ, НЕ. суммирования по
niod2);
* в настоящее время не известны методы построения корректирующих кодов, обеспечивающих коррекцию ошибок заданной кратности при условии обнаружения максимального количества некорректируемых ошибок.
Кроме этою, осуществление коррекции кратных ошибок на основе линейных кодов привозит it резкому увеошшиию избыточности кода и большим аппаратурным затратам на кодирование и декодирование информации, что не только не позволяет получить требуемый уровень достоверности функционирования отказоустойчивого устройства, но и приводит к снижению данного показателя, т.е. существует противоречие между необходимостью обнаружения и коррекции кратных ошибок КСОН в экстремальных условия* работы (в условиях воздействия вредных факторов) и большими аппаратурными н временными затратами, связанными с обнаружением и исправлением кратных ошибок.
Концептуальным подходом, разрешающим данное противоречие, является разработка корректирующих линейных кодов, исправляющих ошибки заданной кратности при выполнении ограничений на временные и аппаратурные затраты для обеспечения отказоустойчивости и высокой достоверности функиноицровашш іапоминаюших устройств, с адаптацией данных методов кодирования для обеспечения отказоустойчивости и достоверности функционирования t'twe процессора (преобразователей информации).
Цель диссертации: повышение отказоустойчивости функциональных узлов процессора ЭВМ телекоммуникационных КСОН для экстремальных условий работы.
5 Научная задача: Разработка методическою аппарата обеспечения отказоустойчивости процессора ЭВМ телекоммуникационных сетей на основе коррекции ошибок требуемой кратности при заданных временных и аппаратурных затратах на средства обнаружения и коррекции ошибок:
W-
где (Т(/> - отказоустойчивость функционального узла ЭВМ;
Чг*Сад - аппаратурные затрат на обеспечение отказоустойчивости устройства и заданная аппаратурная избыточность;
,о ,
1Х''а# -временные затраты, соответственно, на коррекцию кратной ошибки и заданное время на обнаружение и коррекцию ошибки.
Методы иседс'Н'вания. при решении стоящей научной" задачи использованы теоретические методы исследований, основанные на научных положеннях: теории линейных корректирующих кодов, теории множеств, теории дискретных автоматов.
Результаты, представляемые к-.мшите:
Модифицированный итеративный код повышенной корректирующей способности.
Методический аппарат функционально-кодовой защиты процессора при выполнении арифметических и логических операций.
Новизна научных нсс.іе ніпшініі заключается в выявлении свойств, закономерностей и новых теоретических положений в разработке корректирующего модифицированною итеративного линейного кода повышенной обнаруживающей и корректирующей способности, адаптированно го для защиты преобразователей информации.
Поакі«'«с«аа значимости дедд .-цдацге работы состой в снездтошем:
решение рассматриваемой задачи имеет существенное значение для достижения качественно нового уровня обеспечения отказоустойчивости устройств телекоммуникации при эксплуатации в экстремальных условиях;
в зависимости от правила проведения дополнительных проверок. Предлагаемый метод позволяет корректировать от 50% до 94% обнаруживаемых ошибок, обеспечить отказоустойчивость и достоверность функционирования компьютерных сетей в реальном масштабе времени, практически бел снижения быстродействия исходного устройства.
Достоверность порученных результатов подтверждается использованием математической модели, адекватно отображающей реальные процессы, протекающие в дискретных устройствах, обоснованием и доказательством впервые полученных научных результатов и выводов, применением широко
І.
известных частных научных результатов, результатами опытно-конструкторских разработок, ясной физической интерпретацией полученных результатов и их непротиворечивостью с существующими методами коррекции ошибок отказоустойчивых вычислителей. Апробация работы.
Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 2- х НТК.
Публикации. Результаты работы отражены в 17 научных трудах, в том числе в 9 СПГГЪЯХ Всероссийского издания («Известия Института инженерной физики», «Измерительная техника», «Контроль. Диагностика»); 1 патенте на полезную модель; 4 отчетах о НИР (включая 10 трудов рекомендованных ВЛК). Результаты научных исследований (тсализованы: при разработке отказоустойчивого вычислителя для телекоммуникационных компьютерных сетей: ФГУП «НИИ Авиационного оборудования», і-. Жуковский; ОАО «Воронежский опытный завод программной продукции», г. Воронеж; «Управление прикладных межвидовых исследований и специальных проектов МО РФ», г. Москва; МОУ «Инс-ппуі шіжеигрпой чйтйжил, г. Серпухов.
