Введение к работе
Программное обеспечение является неотъемлемой составляющей нашей жизни. Область его применения постоянно расширяется. Оно используется в системах управления и обработки информации и спектр решаемых им задач весьма широк. Без соответствующего программного обеспечения (ПО) невозможно представить космическую и авиационную отрасль, промышленное производство, атомную и химическую промышленность, систему образования и здравоохранения, финансовые и государственные учреждения.
Между тем с расширением сферы использования возросли требования к надежности программного обеспечения. Существует ряд критических областей науки и промышленности, в которых к ПО предъявляются самые высокие требования по надежности, поскольку отказы ПО могут привести к значительным экономическим потерям или угрожать жизни и здоровью людей.
Из-за огромного количества причин чрезвычайно сложно создать программное обеспечение без ошибок, а любая из них может привести к катастрофическим последствиям. Поэтому перед разработчиками ПО встает задача создания таких архитектур и методов разработки программного обеспечения, которые бы обеспечивали устойчивость к программным сбоям. Исследованиям в области обеспечения отказоустойчивости и оценки надежности программного обеспечения посвящены работы как отечественных, так и зарубежных ученых, среди них Майерс Г., Лапри Дж., Луи М., Авижиенис А., Липаев В.В., Ковалев И.В., Царев Р.Ю. и многие другие.
На сегодняшний день существует только один подход для разработки отказоустойчивого программного обеспечения, основанный на применении мультиверсионных методов проектирования. Мультиверсионный подход предполагает введение программной избыточности путем независимой разработки нескольких версий одного и того же программного модуля, что позволяет обеспечить функционирование системы независимо от ошибок отдельных версий. Этот подход является достаточно эффективным для обеспечения отказоустойчивости программного обеспечения, положительно зарекомендовавшим себя на практике.
Для оценки архитектурной надежности отказоустойчивого программного обеспечения разработаны различные методы, однако в качестве исходной информации они используют вероятность безотказной работы версий программного обеспечения. Практика показывает, что показателем надежности может выступать интенсивность отказов программ. Поэтому возникает научная проблема, связанная с необходимостью применения новых подходов к моделированию отказоустойчивого ПО и разработки моделей и алгоритмов для оценки надежности программного обеспечения, учитывающих интенсивность отказов версий.
Для разработки многих технических систем применяются специальные программные продукты, которые позволяют не только спроектировать будущую систему, но и оценить ее надежность. Как правило, такие
программные продукты используются для разработки сложных технических систем. ПО непосредственно связано с техническими системами, и его надежность является необходимым условием обеспечения надежности и безопасности технических систем. Поэтому для проектирования и оценки надежности отказоустойчивого программного обеспечения должна быть разработана соответствующая программная система, что является технической проблемой.
Таким образом, можно утверждать, что совершенствование и разработка новых методов анализа архитектурной надежности программного обеспечения является актуальной научно-технической задачей.
Объектом исследования является программное обеспечение, реализованное с использованием мультиверсионных программных архитектур.
Предмет исследований - архитектурная надежность мультиверсионного программного обеспечения.
Целью диссертационной работы является разработка математической и алгоритмической поддержки сисетемы анализа архитектурной надежности программного обеспечения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
анализ мультиверсионных методов проектирования отказоустойчивых программных архитектур;
исследование существующих методов оценки надежности отказоустойчивого программного обеспечения;
разработка методики для моделирования процесса функционирования программного обеспечение построенного на базе отказоустойчивых программных архитектур с помощью Марковских процессов с целью анализа характеристик надежности;
разработка частных моделей базовых отказоустойчивых программных архитектур, учитывающих особенности архитектур и условия функционирования;
разработка алгоритмов, позволяющих реализовать модели базовых отказоустойчивых программных архитектур с произвольным количеством версий;
реализация разработанных алгоритмов в рамках системы проектирования и анализа архитектурной надежности программного обеспечения.
Методы исследования. При выполнении работы использовались методы прикладного системного анализ, элементы теории вероятностей, теория Марковских процессов и методология мультиверсионного проектирования отказоустойчивого программного обеспечения. Научная новизна работы:
1. Впервые предложена и обоснована возможность применения Марковских процессов с непрерывным временем для моделирования процесса функционирования отказоустойчивых программных архитектур.
Получены частные модели базовых отказоустойчивых программных архитектур, учитывающие особенности архитектур и условия их функционирования.
Разработаны алгоритмы, позволяющие реализовать модели базовых отказоустойчивых программных архитектур с произвольным количеством версий.
На основе разработанных алгоритмов реализована программная система, предназначенная для проектирования и анализа архитектурной надежности программного обеспечения.
Значение для теории. Предложенный в диссертационной работе подход позволяет описать процесс функционирования мультиверсионного программного обеспечения на основе формализмов теории Марковских процессов, что позволяет провести анализ его надежности.
Результаты, полученные при выполнении работы, создают теоретическую основу для развития методов и алгоритмов оценки надежности отказоустойчивого программного обеспечения.
Практическая ценность. Разработанная в работе программная система позволяет при проектировании программного обеспечения использовать мультиверсионные подходы обеспечения отказоустойчивости, а также получить оценку надежности реализуемого в виде конвейерной или монолитной системы программного обеспечения.
Автор за результаты, полученные при выполнении диссертационной работы и представленные на конкурс 2010 года среди аспирантов, удостоен Государственной премии Красноярского края.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректным использованием методологии мультиверсионного проектирования, а также результатами, полученными при тестировании разработанной системы для проектирования и анализа архитектурной надежности программного обеспечения.
Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнена в рамках тематического плана Рособразования «Многоатрибутивные модели и методы мультиверсионного формирования отказоустойчивых архитектур программного обеспечения вычислительных систем» (НИР №1.2.08).
При выполнении диссертационной работы были реализованы две программные системы, предназначенные для исследования мультиверсионных программных архитектур при проектировании отказоустойчивого прграммного обеспечения. Разработанная система «RB-Reliability ver. 1.0» позволяет оценить ряд количественных показателей надежности отказоустойчивого ПО, реализованного на основе метода блоков восстановления. В рамках системы «SA-Analysis ver.l .0.» решена задача проектирования и анализа надежности сложного программного обеспечения.
Программные системы прошли экспертизу и зарегистрированы в Отраслевом фонде алгоритмов и программ, что делает их доступными для широкого круга специалистов в области проектирования отказоустойчивого
программного обеспечения. Также на программную систему «SA-Analysis ver.1.0.» получено Свидетельство Роспатента о государственной регистрации программ для ЭВМ.
На защиту выносятся:
Подход к моделированию отказоустойчивых программных архитектур на базе Марковских процессов с непрерывным временем.
Частные модели базовых отказоустойчивых программных архитектур.
Алгоритмы моделирования базовых отказоустойчивых программных архитектур.
Система анализа архитектурной надежности программного обеспечения.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы прошли всестороннюю апробацию на всероссийских и международных конференциях, научных семинарах и научно-практических конференциях. В том числе: X Международной научной конференции «Решетневские чтения» (Красноярск, 2006), XI Международной научной конференции «Решетневские чтения» (Красноярск, 2007), IX Всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (Улан-Удэ, 2008), V Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» (Красноярск, 2009), X Всероссийской научно-технической конференции «Теоретические и прикладные вопросы современных информационных технологий» (Улан-Удэ, 2009), заседании экспертной комиссии по рассмотрению работ, предоставленных на соискание Государственной премии Красноярского края для поощрения аспирантов и докторантов образовательных учреждений высшего и послевузовского профессионального образования (Красноярск, 2010), на заочной конференции РАЕ «Современные телекоммуникационные и информационные технологии» (2011), VIT Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы авиации и космонавтики» (Красноярск, 2011).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 15 печатных работ, среди которых 5 статей в журналах, входящих в Перечень ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы.
Похожие диссертации на Система анализа архитектурной надежности программного обеспечения
