Введение к работе
В диссертации разрабатываются математические методы и информационные технологии для исследования процессов внесения, проявления и устранения ошибок программирования и проектирования для обеспечения надежного функционирования аппаратных, программных и организационных компонентов вычислительных систем.
Предлагается объектно-ориентированный подход к построению и наполнению базы знаний в рассматриваемой предметной области, основанный на понятии встроенной надежность. Определение понятия встроенной надежности впервые дано профессором Северцевым Н.А. совместно с автором работы. Под встроенной надежностью понимаются знания о способности облика создаваемой или созданной системы соответствовать своему целевому назначению. Динамика встроенной надежности включает в себя набор источников знаний в виде математических моделей, процедур оценки и практического применения для изучения внесения, проявления и устранения причин отказов.
Актуальность темы
С момента возникновения вычислительных систем сохраняется тенденция роста абсолютных и относительных затрат на устранение и предотвращение ошибок, внесенных в компоненты вычислительных систем; создателей и пользователей "терроризируют" последствия проявления внесенных ошибок (ущерб может достигать десятков миллионов долларов); затраты на устранение ошибок программирования и проектирование составляют 10-20% всех затрат жизненного цикла для аппаратных средств и более 60% для программных средств; остаточные ошибки инструментальных средств влияют на надежность вновь создаваемых систем.
Для обоснованного исследования динамики встроенной надежности необходимы общие концептуальные и математические построения, чтобы активно влиять на качество используемых для создания вычислительной системы информационных технологий; модели роста надежности создавались в течение 20 последних лет на основе широкого спектра допущений и разнородных понятий и не позволяют учесть, например, параллелизм процессов тестирования и отладки, а также- совместно исследовать аппаратный, программный и организационный компоненты вычислительных систем.
имеется практическая потребность сократить цикл исследований надежности аппаратных, программных и организационных средств вычислительных систем для повышения эффективности управления разработкой и сопровождением, что особенно важно для создания и поддержки баз развития проектов систем автоматизации программирования и проектирования; объемы затрат на перепроектирование и перепрограммирование возрастают по степенной зависимости от числа уже проведенных этапов с момента совершения ошибки, следовательно, необходимы обоснованные процедуры оценки завершенности этапов разработки.
Риски потери экономической дееспособности производителей вычислительных систем, сопутствующие разработке, сопровождению и применению вычислительных систем необходимо оценить до начала эксплуатации и по возможности снизить за счет страхования и дополнительного инвестирования; в настоящее время страхование программных продуктов практически не производится из-за отсутствия обоснованных методов оценки рисков.
» Требуются меры защиты от внесения и проявления ошибок проектирования и программирования, что особенно важно для приложений с повышенными требованиями к надежности; N-вариантное программирование и гарантоспособные вычисления требуют определения условий своего возможного применения.
Цель диссертации - создание объектно-ориентированного подхода представления и обработки знаний о процессах проявления, устранения и внесения проектных и программных ошибках, математических методов и информащюнных технологий для повышения надежности аппаратных, программных и организационных средств вычислительных систем.
Главные задачи, решаемые в проведенных диссертационных исследованиях и программных разработках, для достижения поставленной цели:
I. разработка объектно-ориентированного подхода к исследованию и
обеспеченшо надежности аппаратных, программных и организаци
онных средств вычислительных систем для представления и обработки
источников знаний динамики встроенной надежности;
II. создание математических основ для исследования внесения, прояв
ления и устранения причин отказов:
A. построение моделей роста надежности, предназначенных для математи
ческого описания вероятностных и временных особенностей проявле
ния, устранения и внесения причин отказов, а также разработка проце
дур оценки, прогнозирования и оптимизации показателей встроенной
надежности;
B. построение моделей структурной сложности для исследования процесса
внесения первичных ошибок программирования и методов их иденти
фикации;
C. разработка метода построения векторных функций роста надежности и
накопления опорной информации для исследования эффектов взаим
ного влияния роста надежности компонентов;
III. разработка информационных технологий для анализа и синтеза моделей надежности аппаратных, программных и организационных средств вычислительных систем.
Объект диссертационного исследования имеет свои особенности. Функции, встроенные в вычислительную систему, реализуются координированным функционированием трех компонентов: аппаратного, программного и организационного. Потеря дееспособности каждого из компонент может привести к деградации других.
Одной из проблем разработки сложных систем является применение вычислительной техники для автоматизированного исследования и гарантированного обеспечения надежности. Применение информационных технологий здесь требует новой системы понятий, новых математических методов и моделей.
На этапах жизненного цикла имеется неопределенность в облике создаваемой системы, перебирается большое число вариантов проекта, уточняются показатели надежности применяемой элементной базы, вносятся и устраняются дефекты проектирования, программирования и технологии изготовления. Спецификации разработки также могут содержать ошибки. Последствия отказов вычислительных систем, вызванные источниками отказов, внесенными самими разработчиками, носят труднопредсказуемый характер и от них невозможно защититься обычным резервированием. Оставшиеся причины отказов в автоматизированных системах, которые используются в разработках технических и программных средств, могут служить в случае своего проявления источниками внесения новых причин отказов.
Таким образом, важно разработать методологические средства для исследования процессов внесения ошибок в компоненты вычислительной системы и построить структуры, защищенные от проявления этих ошибок.
Методы анализа и синтеза надежности сложных систем разрабатывались в нашей стране Коваленко И.Н., Северцевым Н.А., Судаковым Р.С., Карташевым Г.Д., Тескиным О.И., Королевым В.Ю., Каштановым В.А., Ильичевым А.В., а также зарубежными учеными Шуманом М., Холсте-дом М.Х., Мусой Д.Д., Лигтлвудом В., Трайведи К.С., Липовым М., Ла-при Ж.-К. Наибольшее влияние на формирование методологии данного диссертационного исследования оказали научные идеи Северцева Н.А. и Судакова Р.С.
Практическое значение полученных результатов. Представленные в диссертации методы исследования надежности систем вычислительной техники использованы для разработки программного обеспечения систем анализа и синтеза отказоустойчивых и гарантоспособных структур. Отработка информационной технологии систем исследования и обеспечения надежности, проведенная в рамках научно-исследовательского проекта "Встроенная надежность" в Институте проблем кибернетики РАН, позволяет повысить эффективность разработки соответствующих программных средств и сократить трудоемкость решения задач обеспечения надежности. Результаты работы также использованы для оценки завершенности экспериментальной отработки изделий ракетно-космической техники (ЖРД и спутников связи). Методики проектного и предпроектно-го исследования надежности и сложности программных и аппаратных средств использованы для расчета показателей отказоустойчивости изделий микроэлектронной техники в НПО' "ЭЛАС" и комплексов средств автоматизации управления воздушным движением в НИИ средств автоматизации, а также для формирования требований к показателям надежности программных средств бортового оборудования в ЦНИИ РЭС.
Апробация. Результаты, представленные в диссертации, обсуждались на научных семинарах Института высокопроизводительных вычислительных систем РАН, Института проблем кибернетики РАН, научных семинарах МГТУ нм. Баумана и МГУ им. Ломоносова, на Всесоюзном научном симпозиуме "Комплексное прогнозирование развития науки и техники" (Москва, 1980 г.), на I Всесоюзной научно-техническая конференции "Проблемы создания супер-ЭВМ" (Минск, 1988 г.), на II Всесоюзной научно-технической конференции "Живучесть и реконфигурация
информационно-вычислительных и управляющих систем" (пгт Рыбачье, 1988 г.), на отраслевой научно-технической конференции "Стандартизация контроля систем качества" (Горький, 1989 г.), на II Международной конференции "Надежность и эксплуатации вычислительных систем" RelComex'89 (Польша, Валбжих, 1989 г.), на I Международной конференции SOFTTOOLS'90 (Москва, 1990 г.), на III Международной научно-технической конференции "Программное обеспечение ЭВМ" (Тверь, 1990 г.), на ежегодном Международном научном симпозиуме "Надежность и сопровождение" (Лас-Вегас, Невада, США, 1992), на Международной научно-технической конференция "Отработка и создание сложных систем", посвященной 75-летию академика В.М.Челомея (Москва 1991 г.).
Научная новизна. В диссертации предложен новый объектно-ориентированный подход представления и обработки знаний для исследования и обеспечения надежности вычислительных систем. Введены новые понятия: опорная информация, встроенная надежность, развивающиеся стохастические сети Петри, векторные функции роста надежности. В работе разработаны математические методы исследования и обеспечения надежности экспериментально отрабатываемых систем, которые позволяют исследовать рост надежности с учетом сложного распределенного вероятностного и временного характера отладочных процессов. Предложен новый метод оценки показателей надежности для отладки вычислительной системы в целом. Построены и экспериментально проверены новые модели структурной сложности программных и аппаратных средств, а также модель, описывающая рост сложности разрабатываемой программы и введено понятие безопасных траекторий роста сложности. Предложен метод построения векторных функций роста надежности. Разработаны информационная технология создания автоматизированных систем исследования и обеспечения надежности, а также новые процедуры оптимизации распределения ресурсов экспериментальной отработки.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 26 работ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы, содержащей 124 названия, и приложения. Объем диссертации без списка литературы и приложения составляет 205 страниц печатного текста. Общий объем диссертации - 249 машинописных страниц.
