Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ методов повышения надежности локальных сетей 7
1.1- Модель локальной сети корпоративной информационной системы 7
1.2. Методы повышения надежности модулей взаимодействия и соединения 13
1.3. Методы повышения надежности модулей обработки информации 19
1.4. Методы повышения надежности хранения информации 28
1.5. Выводы 37
2. Функциональное моделирование корпоративных информационных систем 39
2.1, Основы idef0 моделирования 39
2.2. Оценка качества функциональной модели 43
2,3- Функциональная модель корпоративной информационной системы 45
2а Анализ диаграмм для локальной сети 51
2.5. Задачи повышения надежности локальной сети 52
2.6. Выводы 54
3. Структурный анализ надежности локальных сетей 55
3.1. Метод анализа качества 55
3.2. Надежность и качество сетевой единицы 58
3.2.1. Сетевая единица без восстановления маршрутов 58
3.2.2. Сетевая единица с восстановлением маршрутов 61
3.3. Качество и надежность сетей без восстановления маршрутов 66
3.3.1. Сеть типа «звезда» 66
3.3.2. Сеть типа «кольцо» 68
3.3.3. Сеть типа «общая шина» 69
3.3.4. Сеть типа «соты» 71
3.4. Качество и надежность сетей с восстановлением маршрутов 73
3.4.1. Сеть типа «звезда» с поочередным восстановлением маршрутов 73
3.4.2. Сеть типа «звезда» с возможным восстановлением всех маршрутов 74
3.4.3. Сеть типа «кольцо» с поочередным восстановлением маршрутов 75
3.4.4. Сеть типа «кольцо» с возможным восстановлением всех маршрутов 76
3.4.5. Сеть типа «общая шина» с поочередным восстановлением маршрутов 77
3.4.6. Сеть типа «общая шина» с возможным восстановлением всех маршрутов 79
3.4.7. «Соты» с поочередным восстановлением маршрутов 80
3.4.8. Сеть типа «соты» с возможным восстановлением всех маршрутов 81
3.5. Обсуждение результатов расчетов 82
3.6. Выводы 84
4- Система моделирования качества и надежности локальных сетей 85
4л- Общие требования 85
4.2. Структура системы моделирования 90
4.3. Графический интерфейс 93
4.4, Технология моделирования 94
4.4.1. Технологический процесс моделирования 94
4.4.2. Основы idef3моделирования 95
4.4.3. Диаграммы описания последовательности этапов процесса моделирования локальных сетей 99
4.5, Выводы 105
5, Моделирование локальной сети корпоративной информационной системы предприятия «kelly servfces» 105
5.1. Описание корпоративной сети предприятия «kelly services» 105
5.1.1. Краткая характеристика предприятия 105
5.1.2. Корпоративная информационная система предприятж 107
5.2. Исходные данные моделирования локальной сети северо-западного региона 109
5.3. Результаты моделирования 112
5.3.1. Варианты моделирования 112
5.3.2. Обсуждение результатов 7/5
5.4. Выводы 118
Заключение 118
Список использованных источников 121
- Методы повышения надежности модулей обработки информации
- Качество и надежность сетей без восстановления маршрутов
- Сеть типа «общая шина» с возможным восстановлением всех маршрутов
- Технологический процесс моделирования
Введение к работе
Актуальность работы обусловлена тем, что в настоящее время сетевые технологии составляют основу корпоративных информационных систем современных предприятий, бизнес которых требует непрерывной, надежной работы средств связи и обработки данных. Важной задачей является обеспечение надежности сетевых технологий. При появлении сбоев и отказов в технических и программных средствах корпоративной информационной системы нарушается нормальная работа всех пользователей системы, также очень опасны нарушения в информационных процессах хранения данных, такие как их потеря, либо искажение. Такие нарушения в работе системы приводят к большим убыткам предприятия. Именно поэтому необходимо обращать самое пристальное внимание на информационные процессы, происходящие в системе, отслеживать ее надежность и правильность получаемых результатов обработки информации.
Вопросами оценки надежности систем управления, программного обеспечения и информационных сетевых структур посвящено не мало исследований. Так, в известных работах О.В. Щербакова [1], Г.Н. Черкесова [2], В.А. Смагина [3,4] предложены различные методы оценки надежности систем, исследованы источники потерь информации.
Обеспечение надежности сетевых технологий осуществляется с помощью введения и правильного использования избыточности. Об этом говорил еще Дж. фон Нейман в своей основополагающей работе, посвященной синтезу надежных организмов из ненадежных компонентов [5]. Начиная с 1964 г. в г. Ленинграде проходил симпозиум, на котором регулярно освещались вопросы введения избыточности в информационные системы [6]. В представленных докладах Н.А. Железнова, Б.С. Флейшмана рассматривались информационные системы с общих позиций теории систем. В докладах Е.Т. Мирончикова, В.Д. Колесника избыточность применялась для передачи информации с помощью помехоустойчивых кодов, а в работах М.Б. Игнатьева, Л.А. Мироновского, В.В. Михайлова, Е.И. Перовской избыточность вводилась в алгоритмы и структуры систем обработки информации.
Повышением надежности сетевых технологий занимаются и зарубежные фирмы. Так, компания 3Com разработала технологию XRN (expandable Resilient Networking), которая обеспечивает создание расширяемых отказоустойчивых сетей [7].
Новые информационные технологии требуют новых подходов к обеспечению надежности процессов передачи, хранения и обработки данных в корпоративных информационных системах, в следствии этого целесообразно рассмотреть методы введения избыточности в современные сетевые технологии и исследовать качество, а также надежность избыточных сетевых структур,
Цель работы состоит в разработке и исследовании методов повышения надежности сетевых технологий с помощью введения избыточности в информационные процессы корпоративных систем для повышения качества и надежности получаемых результатов. Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:
• анализ методов повышения надежности информационных процессов,
• моделирование корпоративных систем на основе lDEF-технологии,
• разработка методов повышения структурной надежности локальных сетей на основе вводимой избыточности,
• создание системы моделирования качества и надежности локальных сетей для определения соответствия между избыточностью и надежностью, а также необходимого времени реагирования для предотвращения отказов,
• моделирование локальной сети корпоративной информационной системы конкретного предприятия.
Методы исследования основаны на результатах теории моделирования систем, теории вероятностей, теории марковских процессов и теории информационных процессов и систем.
Научной новизной обладают следующие результаты работы;
• структура разработанной избыточной сетевой единицы, использование которой в локальных сетях обеспечивает повышение ее надежности и качества,
• методы передачи, хранения и обработки информации в разработанноизбыточной сетевой единице, позволяющей получить результаты с требуемыми характеристиками надежности,
• оценка качества и надежности предлагаемых сетевых структур, основанных на предлагаемой сетевой единице,
• вычислительная модель качества и надежности сетевых структур, отличающаяся тем, что для моделирования систем высокого порядка используется рекуррентная схема вычислений.
Практическая ценность работы заключается в том, что в ней предложена структура локальной сети корпоративной информационной системы, использующая избыточные сетевые единицы, которая обладает высокой надежностью, что обеспечивает уменьшение времени простоя и сокращает расходы на обслуживание. Результаты моделирования, полученные с помощью разработанной системы моделирования, подтверждают сказанное.
Апробация результатов работы.
Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на Шестой, Седьмой, Восьмой, Девятой научных сессиях аспирантов ГУАП (г. Санкт-Петербург 2003. 2004, 2005, 2006 г.г.), на III, IV,V Международных научно практических конференциях МБИ (г. Санкт-Петербург 2004,2005, 2006 г.г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ.
Основные положення, выносимые на защиту:
1. Структура предлагаемой избыточной сетевой единицы, обладающей повышенными надежностью и качеством.
2, Методы передачи, хранения и обработки информации в разработанной избыточной сетевой единице, которая обеспечивает повышение надежности сетевых технологий.
3- Структурный анализ, моделирование качества и надежности локальных сетей, в которых используется предлагаемая сетевая единица повышенной надежности.
Структура работы. Диссертация изложена на 140 страницах и состоит из введения, 5-ти глав с выводами, заключения, списка использованных источников, включающего 75 наименования, и 4-х приложений. Основное содержание диссертации включает 71 рисунок и 7 таблиц.
Методы повышения надежности модулей обработки информации
Проблема надежности вычислений рассматривалась еще в работах Дж. фон Неймана, К.Э. Шеннона, IL Винера и многих других. Неоднократно отмечалось, что ее решения основано на введении и использовании избыточности [5]. Методы повышения надежности модулей обработки информации в локальной сети можно разделить на пять следующих групп:
тестирование,
дублирование с тестированием,
мажорирование,
числовое кодирование,
функциональное кодирование.
Тестирование модуля обработки информации позволяет определить исправность его в момент проведения теста- Если после обнаружения неисправности было выполнено восстановление, то комплекс «тестирование -восстановление» обеспечивает повышение надежности модуля. Методы тестирования отличаются
глубиной контроля,
полнотой тестов,
списком неисправностей,
временем тестирования.
Интервал между моментами тестирования связан с такой важной характеристикой надежности, как время наработки на отказ. При приближении к нему времени работы модуля обработки информации необходимо выполнять тестирование,
В тех случаях, когда в модуле обработке информации осуществляется непрерывный вычислительный процесс, определяемый шагом At, то обычно в него включают время обработки Ai0 и время тестирования AtT; At = At0 + Atj. Тогда модуль обработки информации проверяется на каждом шаге вычислений.
Тестирование может сопровождаться восстановлением модуля обработки информации так, как это показано на рис. 1.9.
Положим, что модуль может находиться в двух состояниях: 0 - исправное состояние, 1 - неисправное состояние. Тогда Р0 (t) - 1 - Xt - вероятность исправной работы модуля, Pj(t) = / - at- вероятность неисправного состояния обнаруженного тестами, причем Я - средняя интенсивность отказов, сг -средняя интенсивность восстановления модуля. Известно, что для этих вероятностей существуют стационарные значения:
Х+я J Л+а Значит, можно получить равенство — = —, означающее, что вероятность исправной работы будет тем больше вероятности попадания в неисправное состояние, чем больше интенсивность восстановления по сравнению с интенсивностью отказов. Если обозначить к =— , то по аналогии с каналами передачи данных можно ввести меру верности вычислений в виде S = lg(I+k). Она будет характеризовать качество обработки информации соответствующем модуле. График зависимости S(k) показан на рисЛ.10.
В частном случае, когда время наработки на отказ модуля МОИ составляет 720 часов, а среднее время восстановления его - 10 минут, коэффициент k = 4320, а мера верности обработки информации S = 3,64.
Метод дублирования с тестированием (рис. 1.11) позволяет начинать проверку и восстановление обоих модулей обработки информации МОИ1 и МОИ2 только тогда, когда сравнивающие устройство обнаружит ошибку.
Такой алгоритм экономит процессорное время на тестирование и восстановление, но требует удвоение модулей. Среднее время, требуемое на обработку информации, составляет величину;
Tcp=T0 + Tw(2-p)p, где: То - время обработки информации, Тгв - время тестирования и восстановления ТВ, р - вероятность отказа одного модуля. Доля времени Ттв в среднем времени Тер тем меньше, чем меньше вероятность отказа модуля р. Например, при р = Ю 5 она составит величину 1,99 -10"5. Метод мажорирования позволяет сохранять работоспособность комплекса из трех модулей обработки информации МОИ1, МОИ2, МОИЗ при отказе любого одного модуля (рисЛ .12)
Качество и надежность сетей без восстановления маршрутов
На рис.3,7 показана схема исправной и неисправной сетей с соединением четырех узлов типа «звезда».
Число узлов 4, число состояний 4?
Кратность отказа: 1.
Сеть работоспособна? 1 - да, 0 - нет 0 Число несвязанных узлов = I
Кратность отказа: 2
Сеть работоспособна? 1 - да, 0 - пет О
Число несвязанных узлов = 2
Число шагов 50
Вероятность отказа 0-1
Момент ремонта сети иг 3. Момент деградации сети fo= 39 Коэффициент готовности сети типа «звезда» без восстановления маршрутов равен;
В стационарном режиме он приходит к 0, а в момент ремонта равен 0 А 3.3.2. Сеть типа «кольцо»
На рис.3.9 показана схема исправной и неисправной сетей с соединением четырех узлов типа «кольцо».
Число узлов 4, Число состояний 5, Кратность отказа: 1 Сеть работоспособна? 1 - да, 0 - нет 1 Кратность отказа: 2 Сеть работоспособна? 1 - да, 0 - нет О Число несвязанных узлов = 1 Кратность отказа: 3 Сеть работоспособна? I - да, 0 - нет О Число несвязанных узлов = 2 Число шагов 50 Вероятность отказа 0.1 Момент ремонта сети t/r 6. Момент деградации сети /d= 42.
Сеть типа «общая шина» с возможным восстановлением всех маршрутов
Сеть типа «соты» с возможным восстановлением всех маршрутов
Число узлов 4. Число состояний 6, Кратность отказа; 1, Сеть работоспособна? 1 - да, 0 - нет 1. Кратность отказа: 2, Сеть работоспособна? 1 - да, 0 - нет L Кратность отказа: 3. Сеть работоспособна? 1 - да, 0 - нет 0. Число несвязанных узлов = 1. Кратность отказа: 4. Сеть работоспособна? 1 - да, 0 - нет 0. Число несвязанных узлов = 2. Число шагов 100. Вероятность отказа 0.1. Вероятность восстановления 0.2. Рітс.3-22. Графики результатов расчетов Момент ремонта сети t r 0. Момент деградации сети td- 0. Коэффициент готовности сети типа «соты» с возможным восстановлением всех маршрутов равен;
kr{t)=P4(t)+Ps(0 В стационарном режиме он приходит к значению 0.5.
3.5. Обсуждение результатов расчетов
Выполнен структурный анализ качества и надежности избыточной сетевой единицы и ряда локальных сетей с четырьмя узлами. Это число наиболее близко числу узлов сетевой единицы. Действительно, «звезда» и «общая шина» при трех узлах превращается в минимальную сетевую единицу, «Кольцо» при этом становится избыточной сетевой единицей, а «соты» вообще невозможны. Анализ выполнен для трех случаев эксплуатации сетей:
без восстановления маршрутов,
с поочередным их восстановлением,
с возможностью восстановления всех маршрутов сразу,
В первом случае переходные вероятности состояний сетей стремились к стационарному состоянию, в котором вероятность деградации была близка к единице. В зависимости от структуры сети скорость прихода к такому стационарному состоянию различна. Лучше всего ведет себя здесь избыточная сетевая единица, а хуже всех - «звезда». С точки зрения качества дольше всех сохраняет его избыточная сетевая единица. Хуже всех оказываются здесь «звезда» и «общая шина».
В двух последних случаях вероятность восстановления принималась в два раза большей, чем вероятность потери маршрута. Это значит, что восстановление происходит быстрее, чем отказы. Благодаря восстановлению все структуры сетей не деградируют- Стационарные вероятности различны, но нигде вероятность неисправного состояния не приближается к единице. Из приведенных графиков следует, что она находится в интервале [0.1, 0.4], С точки зрения качества лучше всех структур оказываются избыточная сетевая единица и «соты». Здесь качество сохраняется долго, либо не теряется вообще.
Технологический процесс моделирования
Система моделирования качества и надежности локальных сетей может быть построена на основе трех следующих принципов:
1. Отслеживание работоспособности сети.
2. Имитационное моделирование.
3. Выполнение расчетов.
Отслеживание работоспособности сети позволяет визуализировать процессы контроля и диагностирования сети в реальном времени. Модель сети построена так, что она непрерывно отслеживает ее техническое состояние. Существует множество программ, моделирующих техническое состояние сети. Например, решение HP OpenView Network Node Manager (NNM) обеспечивает функциональное управление сетью, позволяя повысить производительность и эффективность использования сетевых ресурсов- Инструменты, входящие в состав решения HP OpenView NNM, обеспечивают сокращение сроков поиска и устранения неисправностей. Графический интерфейс HP OpenView NNM содержит наглядные сведения о состоянии сети и позволяет быстро перейти к детальным спискам событий или визуальным картам сети. Карты сети наглядно отображают состояние сетевых устройств и места возникновения неполадок, что помогает своевременно обнаружить и устранить проблемы в работе сети. Все это говорит о том, что HP OpenView NNM - это не средство исследования сети, а полезный инструмент для специалистов по обслуживанию сетей.
Системы имитационного моделирования могут быть специализированными и универсальными. Примером первых систем может служить широко известное в мире программное обеспечение человеко-машинного интерфейса InTouch HAH, предназначенное для визуализации и управления производственными процессами. Оно предоставляет удобные в использовании среду разработки и набор графических средств. Версия 9,5 предлагает ряд существенных преимуществ, что позволяет значительно повысить производительность и эффективность производства. Мощные средства разработки и реализация новой технологии Wonderware SmartSymbols предоставляют широкие функциональные возможности для быстрого создания и развертывания специальных приложений автоматизации, которые связываются и передают информацию в реальном времени.
Приложения InTouch достаточно гибкие, чтобы удовлетворить как текущие, так и будущие потребности без необходимости в дополнительных инвестициях и усилиях. Доступ к универсальным приложениям InTouch обеспечивается с различных мобильных устройств, маломощных сетевых клиентов, компьютерных узлов и через Интернет. Кроме того, открытый и расширяемый интерфейс InTouch предлагает широкие возможности взаимодействия с множеством устройств промышленной автоматизации.
Универсальной системой имитационного моделирования является GPSS. Так, система GPSS World - это мощная среда компьютерного моделирования общего назначения, разработанная для профессионалов в области моделирования. Это комплексный моделирующий инструмент, охватывающий области как дискретного, так и непрерывного компьютерного моделирования, обладающий высочайшим уровнем интерактивности и визуального представления информации. Использование GPSS World дает возможность оценить эффект конструкторских решений в чрезвычайно сложных системах реального мира. В ее состав входят:
Объектно-ориентированный интерфейс пользователя, включающий объекты "Модель", "Процесс моделирования", "Отчет" и "Текст".
Высокопроизводительный транслятор моделей.
Ввод/вывод во время выполнения процесса моделирования.
Свыше 20 встроенных вероятностных распределений.
Интегрированный язык программирования PLUS.
Библиотека PLt/5-процедур.
различных графических окон для наблюдения за выполняющимся процессом моделирования.
Автоматические генераторы отсеивающие и оптимизирующие эксперименты.
Диалоговые окна ввода блоков.
Таким образом, GPSS- это чересчур большая система, чтобы использовать ее для моделирования надежности локальных сетей.
Выполнение расчетов качества и надежности локальных сетей, рассмотренных в Разделе 3, даже при четырех узлах сетей потребовало использования математического пакета MatLab. Если речь пойдет об исследовании реальных сетей с большим числом узлов, то целесообразно разработать систему моделирования. Она позволит
формировать матрицу рекуррентных уравнений марковского процесса переходных вероятностей для большого числа узлов сети,
рассчитывать коэффициент качества для большого числа состояний сети,
определять моменты ремонта и деградации сети,
получать графики моделирования. При разработке системы моделирования качества и надежности локальных сетей будем полагать, что должны выполняться следующие требования:
1. Локальная сеть состоит из узлов, соединенных каналами связи.
2. Локальная сеть является системой с п состояниями.
3. Первое состояние S0 соответствует полностью неисправной сети, все узлы которой недоступны.
4. Последнее состояние S„ соответствует полностью исправной сети, все узлы которой полностью доступны.
5. Промежуточное состояние Sj соответствует частично исправной (работоспособной) сети, в которой из-за отказов каналов связи не все узлы оказываются доступными.
6. Ввод данных моделирования должен осуществляться в простой и удобной форме.
7. Вывод результатов моделирования должен быть понятным и наглядным.
Процесс переходов состояний S0 — Sj — ...— Sn при появлении отказа канала связи с вероятностью р может быть описан как марковский процесс. Вектор переходных вероятностей в дискретный момент времени t обозначим p(t). Его длина и+1.
