Основные понятия теории надежности

В результате изучения данной главы студент должен:

знать

• • предмет, цели и задачи изучения дисциплины «Надежность информационных систем»;
• • основные понятия теории надежности;
• • особенности и отличительные признаки надежности информационных систем;
• • основные термины в области надежности технических систем и информационно-вычислительных систем;
• • задачи анализа и обеспечения надежности информационно-вычислительных систем;

уметь

• • классифицировать состояния системы с позиции теории надежности;
• • классифицировать неисправности и отказы системы;

владеть

• навыками выделения состояний информационных систем в процессе их функционирования в условиях отказов и восстановлений.

В данной главе определены основные понятия теории надежности, при изучении материалов рекомендуется знакомство с нормативной и справочной документацией [1 — 11].

Надежность и ее основные составляющие

Теория надежности изучает закономерности отказов технических объектов (к которым, в частности, относятся информационные, вычислительные системы и сети), методы и модели анализа надежности и обеспечения их устойчивого функционирования в условиях отказов.

Под надежностью (dependability) понимается свойство объекта сохранять во времени способность выполнять требуемые функции при заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования [1]. Иначе говоря, надежность объекта — его способность вовремя выполнить то, что требуется.

Информационные, вычислительные и инфокоммуникационные системы и сети имеют следующие особенности.

• 1. Необходимость учета влияния процессов обработки, хранения и передачи информации на способность выполнять требуемые функции. Эти процессы вносят задержки (изучаемые в теории массового обслуживания), которые могут привести к невыполнению функций в требуемые сроки и в результате этого — к отказу выполнения требуемых функций.
• 2. Необходимость учета в компьютерных системах влияния на надежность функционирования программного обеспечения, отказы которого по возникновению и проявлению имеют специфику относительно традиционных технических систем. Эта специфика обусловлена проявлениями в функционировании системы ошибок алгоритмов или программ, не выявленных при тестировании или не учитывающих некоторые редкие события, потенциально возможные в процессе эксплуатации информационных компьютерных систем как программно-аппаратных комплексов.
• 3. Определенная зависимость надежности (как свойства выполнять требуемые функции) информационной системы от обеспечения ее информационной безопасности. Нарушение информационной защиты может проявляться в ухудшении условий работы, увеличении нагрузки, нарушении целостности, в том числе в потере или искажении информации, что может привести к невыполнению требуемых функций системы, их ошибочному выполнению или к нарушению допустимых задержек. Функционирование в условиях нарушения безопасности может, в частности, проявляться в инициализации некоторых не предусмотренных при нормальной эксплуатации процессов, что, помимо невыполнения требуемых функций в установленные сроки и нарушения стационарности режимов работы, может привести к увеличению нагрузки, к перегреву процессоров и в конечном итоге — к увеличению интенсивности их отказов.

Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность, восстанавливаемость, сохраняемость, готовность, а также отказоустойчивость, живучесть или определенные сочетания этих свойств (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Составляющие надежности.

Дадим определения основных понятий, вязанных с надежностью, на основе нормативных документов [1—9].

Безотказность (reliability) — свойство объекта непрерывно сохранять способность выполнять требуемые функции при заданных режимах и условиях применения в течение некоторого времени или наработки. Может достигаться при отсутствии отказов (для систем и элементов) или поддерживаться для систем при их парировании в процессе отказоустойчивого функционирования (например, в результате переключения на резерв или более сложной реконфигурации системы, в том числе сопровождающейся деградацией).

Деградация вычислительных систем, как правило, может в определенной мере управляться при реконфигурации или иной внутренней адаптации системы к отказам ее компонент. Она проявляется в потере ресурсов потенциального обеспечения надежности, снижении показателей качества выполнения запрашиваемых функций (параметрическая деградация) или частичной потере функциональности системы при сохранении основных требуемых функций, возможно при снижении качества их выполнения.

Под требуемой функцией понимается функция или сочетание функций, которые рассматривают как необходимые для выполнения задач, возлагаемых на систему.

Ремонтопригодность (maintainability) — свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния при данных условиях использования, технического обслуживания и ремонта. Зависит от конструкции объекта, от доступности (в том числе географической) средств и специалистов технического обслуживания и ремонта.

Долговечность (durability) — свойство объекта, заключающееся в его способности к выполнению требуемых функций при данных условиях использования и технического обслуживания до достижения предельного состояния.

Сохраняемость (storability) — свойство объекта сохранять способность к выполнению требуемых функций при хранении и (или) транспортировании.

Восстанавливаемость (recoverability) — свойство объекта, заключающееся в его способности восстанавливать работоспособное состояние после отказа.

Восстановление работоспособного состояния может происходить в результате ремонта, в том числе замены элементов или модулей, реконфигурации структуры, перераспределения ресурсов и (или) функций, а также изменения режимов функционирования и других мероприятий.

Следует заметить, что изделие может быть пригодным к ремонту, но не быть восстанавливаемым, например в определенных условиях эксплуатации. Так, бортовой компьютер на самолете, конструкция которого допускает ремонт, во время полета не восстанавливаем, а после приземления (если оно состоится при отказе компьютера) может быть восстановлен. В ряде случаев ремонтопригодные изделия (например, бытовые приборы, зонтики, компьютерные мыши) не восстанавливаются из экономических соображений, так как стоимость их ремонта соизмерима со стоимостью нового изделия.

Существует также толкование восстанавливаемости как свойства объекта, заключающееся в его способности восстанавливаться после отказа без ремонта. Восстановление возможно при внешних воздействиях и без них, в последнем случае говорят о самовосстановлении.

Самовосстанавливаемостъ (self-recoverability) — способность системы компенсировать последствия отказа без внешнего воздействия на систему. Достигается в результате реконфигурации или иной процедуры внутренней адаптации системы к отказам элементов. Самовосстановление может сопровождаться параметрической, функциональной или иной деградацией, в том числе снижением ресурса обеспечения надежности при реконфигурации системы.

Готовность (availability) — свойство объекта, заключающееся в его способности находиться в состоянии, в котором он может выполнять требуемые функции при заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания и ремонта. При этом предполагается, что все необходимые внешние ресурсы обеспечены.

Готовность является комплексным свойством, интегрирующим безотказность, ремонтопригодность, восстанавливаемость. Она зависит от организации технического обслуживания и восстановления объекта после отказов.

К одним из основных составляющих надежности относится отказоустойчивость.

Отказоустойчивость (fault tolerance) — способность изделия сохранять функционирование при возникновении отказов.

Потенциальные возможности поддержки отказоустойчивости системы зависят от видов, числа, комбинаций отказов и их расположения. Понятие отказоустойчивости близко к понятию живучести.

Под живучестью (survivability fail-safe concept) понимают способность системы активно противодействовать отказам, в том числе неординарным (многократным) отказам, возникающим в результате деструктивных целенаправленных или случайных воздействий на систему извне.

Живучесть системы, например, проявляется при ее противостоянии диверсиям или атакам, направленным на нарушение целостности или доступности системы. Основной задачей обеспечения живучести является выполнение требуемых задач даже ценой снижения качества их выполнения и недопущение перехода системы в опасное состояние.

Для информационных систем обеспечение живучести может сопровождаться противодействием деструктивным воздействиям, которые направлены на нарушение целостности и информационной защищенности компьютерных систем и приводят к отказам или снижению эффективности функционирования системы, предоставляющей информационные услуги.

Близкое живучести понятие катастрофоустойчивость (safety) трактуется как свойство системы сохранять функционирование при множественном (одновременном, не ординарном) возникновении отказов в результате природных или техногенных катастроф.

Взаимосвязь частных и комплексных свойств надежности систем поясняется на рис. 1.2, который отражает, что готовность включает безотказность.

Рис. 1.2. Связь свойств системы, относящихся к надежности 14.

и ремонтопригодность, которая необходима для обеспечения восстанавливаемости системы (восстанавливаемое изделие должно быть ремонтопригодным, но ремонтопригодное изделие может быть невосстанавливаемым в зависимости от условий применения или экономических соображений). Долговечность как свойство изделия, заключающееся в его способности к выполнению требуемых функций при данных условиях использования и технического обслуживания, может трактоваться как готовность к достижению предельного состояния.