Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время происходит интенсивное развитие информационных систем и процессов, приводящее к усложнению сетевых информационных структур (СИС). Массовое использование СИС потребовало решения вопросов повышения качества функционирования на каждом этапе их жизненного цикла, связанном с решением различного типа задач. К показателям качества функционирования относят пропускную способность, время реакции, показатели качества обслуживания (Quality of Service, QoS), оговоренные в соглашении об уровне обслуживания (Service Level Agreement, SLA) и др.
Одним из важнейших факторов, определяющих качество функционирования СИС, является способность СИС выполнять свои основные функции, несмотря на полученные повреждения. Живучесть СИС есть комплексное свойство СИС с заданными показателями функционирования сохранять и восстанавливать выполнение основных функций в заданном объеме и на протяжении заданного времени в случае изменения структуры системы и/или алгоритмов и условий ее функционирования вследствие негативных внешних воздействий (НВВ).
Анализ ситуации в области оценки живучести СИС на базе литературных источников и научно-исследовательских работ позволяет сделать заключение о недостаточной изученности вопросов, связанных с получением оценки высокого уровня полноты и достоверности.
Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в разработку вопросов живучести систем различного назначения внесли работы В.Ф. Крапивина, И.А. Рябинина, Ю.М. Парфенова, Б.С. Флейшмана, А.Г. Додонова, Д.В. Ландэ, И.Ю. Стекольникова, Ю.Ю. Громова, M.X. Cheng, Y. Li, D.-Z. Du и др. Важное значение научных разработок данных авторов - формирование математических основ анализа живучести. К характеристикам живучести авторы относят: стойкость, отказоустойчивость, готовность, восстанавливаемость, ремонтопригодность, адаптивность и др. Несмотря на комплексный характер проблемы анализа живучести, в работах перечисленных авторов производится оценка живучести на основе показателя одной или малого числа однородных частных характеристик, что говорит о низком уровне полноты получаемой оценки. Большое разнообразие предлагаемых моделей, методов, алгоритмов оценки живучести свидетельствует об отсутствии единого подхода, позволяющего обобщить показатели разнородных частных характеристик для получения достоверной оценки живучести. Поэтому решение задачи получения обобщенного критерия оценки живучести СИС является актуальной.
Решение этой задачи возможно за счет развития методов получения значений показателей частных характеристик живучести СИС. В качестве математической модели СИС используют граф, вершины которого представляют компоненты структуры, а ребра - связи между компонентами СИС. Для оценки живучести СИС, представленной графом, в научных работах используют одно или несколько свойств графа, например: диаметр и минимальная степень вершин, связность, наличие гамильтонова цикла или цепи. Однако добавление или исключение из графа одного или нескольких таких коммуникационных свойств влечет непосредственное изменение живучести сетевой структуры. Поэтому целесообразно создавать СИС, обладающие заданным уровнем живучести, определяемым по обобщенному критерию оценки живучести и учитывающим множество требований к коммуникационным свойствам графа. Наиболее распространенный подход к решению проблемы синтеза СИС состоит в генерации случайных структур с последующим отсеиванием не отвечающих заданным критериям вариантов. Направление генерации структур с заданными коммуникационными свойствами систематическими методами, исключающими необходимость перебора, практически не исследовано. Связано это, прежде всего, с проблемой формализованного анализа и преобразования графовых представлений СИС.
Таким образом, существующие модели оценки живучести не используют обобщенный критерий и не учитывают значения показателей разнородных частных характеристик, как количественных, так и представленных с помощью лингвистической информации, с учетом неполноты данных о влиянии НВВ, заключающейся в нечеткости сведений о функционировании узла СИС.
Вышесказанное определяет практическую задачу - получение оценки живучести СИС в условиях нечеткости сведений о функционировании узлов в результате действия НВВ на этапе синтеза с высоким уровнем достоверности и обуславливает научную задачу - разработка модели показателей частных характеристик живучести СИС и модели обобщенного критерия оценки живучести СИС в условиях неопределенности, обеспечивающих достоверность и полноту оценки живучести СИС на этапе синтеза.
Объект исследования: структурно-параметрические характеристики СИС.
Предмет исследования: модели оценки частных характеристик и обобщенный критерий живучести СИС.
Цели и задачи исследования. Цель работы состоит в повышении достоверности оценки живучести СИС за счет использования разработанной модели показателей частных характеристик живучести и обобщенного критерия оценки живучести на этапе синтеза СИС.
Для достижения цели были решены следующие задачи:
-
Анализ существующих подходов к оценке живучести СИС.
-
Построение графовой модели показателей частных характеристик живучести СИС на основе классификации этих характеристик.
-
Синтез модели обобщенного критерия оценки живучести СИС в условиях неопределенности.
-
Разработка алгоритма оценки живучести по обобщенному критерию на основе графовой модели показателей ее частных характеристик в условиях неопределенности.
-
Проведение имитационных исследований живучести СИС, оценка достоверности результата, полученного по разработанному алгоритму.
Методология и методы исследования. Методология исследования основывается на принципах системного анализа и общей теории систем. При решении поставленных задач в работе были использованы методы: системного анализа, теории систем, теории нечетких множеств, теории графов, теории цепных дробей.
Результаты, выносимые на защиту, и их научная новизна:
-
графовая модель показателей частных характеристик живучести, отличающаяся от существующих использованием авторской классификационной структуры характеристик, скобочного представления графа СИС с введением условий адекватности;
-
модель обобщенного критерия оценки живучести СИС, отличающаяся использованием количественной информации о частных характеристиках: неуязвимость, восстанавливаемость, стойкость, отказоустойчивость, временная избыточность и качественной информации о частных характеристиках: непоражае- мость, адаптивность и ремонтопригодность; применением аппарата цепных дробей для свертки значений показателей дерева частных характеристик живучести;
- алгоритм оценки живучести СИС, отличающийся использованием обобщенного критерия оценки живучести на основе графовой модели показателей частных характеристик живучести в условиях нечеткости сведений о функционировании узлов СИС в результате действия НВВ.
Теоретическая и практическая значимость работы. Теоретическая значимость исследования состоит в повышении достоверности оценки живучести СИС за счет использования разработанной модели показателей частных характеристик живучести и обобщенного критерия оценки живучести на этапе синтеза СИС в условиях неопределенности.
Практическая значимость работы - программное обеспечение, реализующее разработанные модели, позволяет получить оценку живучести СИС по обобщенному критерию в условиях нечеткости сведений о функционировании узлов СИС в результате действия НВВ на этапе синтеза с высоким уровнем достоверности.
Степень достоверности и апробация результатов. Для подтверждения достоверности научных выводов в работе проведена сравнительная оценка живучести СИС с использованием разработанной модели, логико-вероятностного и энтропийного подхода, а также имитационного исследования. Достоверность научных результатов обеспечивается полнотой системного анализа проблемы повышения достоверности оценки живучести СИС и подтверждается корректным применением математического аппарата: теории систем, теории нечетких множеств, теории графов, теории цепных дробей.
Основные результаты работы представлены и обсуждены на следующих конференциях: IV Международной научно-технической конференции «Проблемы электротехники, электроэнергетики и электротехнологии» (г. Тольятти, 24-25 апреля 2012 г.); VIII Всероссийской научно-практической конференции (г. Краснодар, 22-23 июня 2012 г.); Международной молодежной конференции (г. Белгород, 3 - 5 октября 2012 г.), XIII Международной конференции «Информатика: проблемы, методология, технологии» (г. Воронеж, 7-8 февраля 2013 г.), а также на семинарах кафедры «Информационные системы и защита информации» ФГБОУ ВПО «ТГТУ».
По теме диссертации опубликовано 24 работы, из них 7 статей, в том числе 5 статей в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и 17 докладов в сборниках трудов международных и всероссийских научных конференций.
Внедрение результатов исследования. Основные положения работы диссертации использованы при обучении студентов кафедры «Информационные системы и защита информации» на факультете «Информационные технологии» ФГБОУ ВПО «ТГТУ». Результаты диссертационной работы приняты к внедрению в 1084 межвидовом центре подготовки и боевого применения войск РЭБ, на кафедре «Информационные системы и защита информации» ФГБОУ ВПО «ТГТУ», в ООО «СОВТЕХ», ООО «КОНУС-ИТ», что подтверждено актами о внедрении результатов исследований. В 2012 г. результаты диссертационной работы использованы в прикладной НИР по программе Фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере Старт 12 по направлению «Информационные технологии», контракт № 10647р/19106. В 2012 г. результаты диссертационного исследования использованы в заявках 13-08-00285 и 13-07-00118, поданных на конкурс инициативных научно-исследовательских проектов по программе РФФИ.
Объем и структура работы. Диссертация, общий объем которой составляет 143 страницы, состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной научной литературы, включающего 156 наименований научных трудов на русском и иностранных языках, и четырех приложений. Диссертация содержит 35 иллюстраций и 12 таблиц. Работа соответствует п. 2 «Исследование информационных структур, разработка и анализ моделей информационных процессов и структур» Паспорта специальности 05.13.17 «Теоретические основы информатики».
