Проектирование отказоустойчивых систем обработки информации и управления предъявляет высокие требования по надежности, как к техническим, так и программным средствам. Существует ряд критичных областей науки и промышленности, где невыполнение этого требования и, как следствие, сбой работы системы могут повлечь за собой значительные экономические потери в рамках, как предприятия, так и целого региона. Такими областями являются банковская система, финансовые организации, космос, подводные и подземные исследования, атомная промышленность, химическое производство, прогнозирование и т. д. Поэтому одной из основных задач проектировщиков становится создание таких информационных систем (ИС), которые обеспечивали бы устойчивость системы к программным и аппаратным сбоям, а также обеспечивали катастрофоустойчивое решение, главная задача которогосохранение данных и продолжение работы в условиях массовых и, возможно, последовательных отказов систем и связанных между собой подсистем корпоративной информационной структуры. Технология отработки отказов в этом случае требует учета взаимосвязанности структурных компонент и способности систем специфически реагировать на каждый вариант последовательности развития событий, так называемый, сценарий катастрофы с целью обеспечения максимально возможной сохранности защищаемой информации.
Для обеспечения надежности информационных систем предложено множество подходов, включая организационные методы разработки, различные технологии и технологические программные средства, что требует, очевидно, привлечения значительных ресурсов. Однако отсутствие общепризнанных критериев надежности не позволяет ответить на вопрос, насколько надежнее становится система при соблюдении предлагаемых процедур и технологий и в какой степени оправданы затраты на ее дальнейшее развитие. Таким образом, приоритет задачи оценки надежности и оптимизации плана развития отказоустойчивой структуры системы обработки информации должен быть выше приоритета задачи ее обеспечения, что в настоящее время становится общепризнанным.
В работе рассматриваются методы оценки и повышения надежности информационных систем, включая кластеризацию для обеспечения катастрофоустойчивости ИС, предпринят анализ существующих моделей оценки надежности информационной системы, произведен выбор оптимального метода решения.
Одной из целей, на достижение которой направлена данная работа, является надежностное проектирование и оценка отказоустойчивых свойств информационной системы отделения федерального казначейства г. Красноярска. Выполняется оптимизация плана развития кластерных структур катастрофоустойчивой реализации анализируемой системы обработки информации и проведен расчет экономического эффекта от увеличения надежности ИС ОФК по г. Красноярску.
Диссертационное исследование направлено на решение следующей научной проблемы: создание комплексного оптимизационного подхода к надежностной оценке кластерных структур систем обработки информации на основных этапах цикла их проектированияобеспечение согласованности разработанных моделей и алгоритмов на этапах формирования структуры и управления планом развития катастрофоустойчивой системы обработки информации.
Уверенность в успешности решения поставленной проблемы основывается на результатах исследований таких отечественных и зарубежных ученых, как Орлов СЛ., Хорошевский В. Г., Липаев В. В., Ковалев И. В., Движение А. А, Боэм Б. У., Гросспитч К. Е. и др.
Целью диссертационной работы является разработка и реализация формального аппарата оптимизации процессов формирования и управления развитием кластерных структур катастрофоустойчивых систем обработки информации.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: анализ существующих методик, моделей и алгоритмов надежностной оценки систем обработки информацииразработка системотехнических решений при развитии структур кластерных систем обработки информацииформальное описание постановок задач оптимизационного формирования и управления развитием надежных структур кластерных информационных системмодификация математических методов и алгоритмов решения моделей надежностного формирования катастрофоустойчивых структур систем обработки информации в интерактивном режимепрограммная реализация с использованием современных сред и подходов и внедрение разработанных моделей и алгоритмов в составе средств надежностного проектирования и оценки отказоустойчивых свойств информационной системы отделения федерального казначейства г.
Красноярска.
Методы исследования основаны на использовании системного анализа и теории оптимизации. При выполнении работы использовались математическое и вероятностное моделирование параметров сложных систем, методы оценки надежности сложных систем, теория надежности систем обработки информации.
Научная новизна исследований заключается в создании на основе аналитико-оптимизационного моделирования процедур формирования и управления развитием кластерных структур информационных систем, обеспечивающей катастрофоустойчивость при обработке информации и обоснованность выбора рациональных вариантов развития структуры системы с учетом категории катастрофоустойчивости на многоэтапном периоде функционирования.
В частности:
1. Предложена методика надежностного анализа множества вариантов аппаратно-структурной реализации отказоустойчивых систем обработки информации.
2. Впервые разработана оптимизационная модель анализа вариантов развития кластерной инфраструктуры, обеспечивающая последовательное поэтапное повышение уровня катастрофоустойчивости информационной системы.
3. Обосновано применение двухэтапной оптимизационной процедуры для интерактивного формирования и управления развитием кластерных структур катастрофоустойчивых систем обработки информации.
4. Формальный аппарат автоматизации процессов формирования и управления развитием кластерных структур систем обработки информации реализован в виде интерактивной системы с использованием современных сред и подходов.
Значение для теории. Результаты, полученные при выполнении диссертационной работы, создают теоретическую основу для разработки моделей, методов и алгоритмов, направленных на эффективный анализ надежности и оптимальное управление развитием сложных структур систем обработки информации.
Практическая ценность.
Диссертационная работа выполнялась по проектам межотраслевых программ Минобразования России и Минатома России по направлению «Научноинновационное сотрудничество» (проект VII-12), а также в рамках тематического плана СибГАУ (2001;2004 гг.).
Разработанная в диссертации двухэтапная процедура управления процессом формирования и развития кластерных структур позволяет оценивать степень катастрофоустойчивости систем обработки информации, применяемых в различных областях науки и производства, и генерировать оптимальный план развития системы на многоэтапный период.
Достоверность полученных результатов подтверждается тестированием и оценкой результатов применения разработанной системы в реальных проектах, а также согласованностью расчетных и экспериментальных данных.
Реализация результатов работы.
Разработанные в диссертации оптимизационные модели и алгоритмы применены при проектировании высоконадежной кластерной структуры систем обработки информации. Созданные на их базе в составе средств проектирования системы программно-алгоритмической поддержки и автоматизации формирования структур ИС сокращают сроки и снижают стоимость разработки, увеличивают надежность и улучшают сопровождение системы. Надежностное формирование структур кластерных систем позволяет решать новые задачи по качественной оценке уровня катастрофоустойчивости (экспресс-анализ кластер-кворум а) и оптимальному развитию структуры системы при адекватной избыточности компонент. При использовании программного комплекса реализовано формирование системотехнического решения при надежностном проектировании и оценке свойств катастрофоустойчивости информационной системы отделения федерального казначейства г. Красноярска.
Материалы диссертационной работы введены в учебные курсы и используются при чтении лекций студентам кафедры Системного анализа и исследования операций Сибирского государственного аэрокосмического университета по дисциплине «Интеллектуальные информационные технологии».
На защиту выносятся: методика надежностного анализа множества вариантов аппаратно-структурной реализации систем обработки информацииоптимизационная модель анализа вариантов развития кластерной инфраструктуры, обеспечивающая последовательное поэтапное повышение уровня катастрофоустойчивости информационной системыдвухэтапная процедура интерактивного формирования и управления развитием кластерных структур катастрофоустойчивых систем обработки информациикомплекс программно-алгоритмической поддержки надежностного формирования, оценки отказоустойчивых свойств и управления планом развития систем обработки информации.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы прошли апробацию на всероссийских конференциях, научных семинарах и научно-практических конференциях. В том числе: на международной научно-практической конференции И-го Сибирского авиационно-космического салона, Красноярск, 2002 г.- на Всероссийской научно-практической конференции «Экономика и управление в современных условиях», Красноярск, 2002 г.- на межрегиональном научном фестивале «Молодежь и наука — третье тысячелетие», Красноярск, 2002 г.- на 50-й научно-технической конференции «Информатика и проблемы телекоммуникаций» в рамках международного форума «Новые инфокомунникационные технологии: достижения проблемы, перспективы», Новосибирск, 2003 г.- на межрегиональной научно-практической конференции «Молодежь Сибири — науке России», Красноярск, 2003 г.- на 9-й международной открытой научной конференции «Современные проблемы информатизации в технике и технологиях», Воронеж, 2004 г.
Диссертационная работа в целом обсуждалась на научных семинарах кафедры Системного анализа и исследования операций Сибирского государственного аэрокосмического университета (2001;2004 гг.) и кафедры Информационных технологий Красноярской государственной академии цветных металлов и золота (2003;2004 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ. Полный список публикаций представлен в конце автореферата.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.
Выводы по главе 2.
1. В результате анализа методов оценки надежности информационных систем и с учетом требований, предъявляемых к надежности сегодня, обосновано применение метода уменьшения множества вариантов системы с резервированием, позволяющего определить вариант системы, который обеспечивает успешное решение всех задач системы обработки информации с вероятностями не ниже заданных, при этом затраты должны быть ограничены.
2. Учитывая перспективность задач обеспечения катастрофоустойчивости системы и планирования ее дальнейшего развития, предложена двухэтапная процедура формирования кластерных структур системы. Первый этап — этап формирования надежной структуры системы обработки информациипредоставляет исходные данные для решения задач второго этапа, обеспечивающего формирование оптимального плана развития системы с использованием кластеризации, а уровень катастрофоустойчивости системы характеризует текущие требования по надежности обработки данных на заданном периоде планирования.
3. На основе анализа системотехнических решений для кластерных архитектур систем обработки данных показано, что кластер способен к реконфигурации в случае, если число одновременно вышедших из строя узлов строго меньше половины работающих. Далее для различных архитектур при оценке последствий того или иного сценария отказов достаточно рассчитать значение кластер-кворума.
4. Реконфигурация кластерных архитектур, использующих арбитраторы, существенно повышает уровень готовности системы. При введении второго арбитратора более высокий уровень готовности системы позволяет избежать остановки кластера, что неизбежно для аналогичных сценариев отказов в конфигурации с одним арбитратором.
5. Для анализа динамических характеристик целостности кластера в текущий момент времени следует использовать значение кластер-кворума, который определён в работе, как минимальная целостность кластера, при которой он остаётся работоспособен, что представляется в виде процентной характеристики, обозначающей минимальную часть кластера, способную справляться с возложенными на него задачами.
6. Решение задач поиска плана, обеспечивающего минимум дефицита надёжности на всём интервале времени, выделенном на развитие кластерной структуры системы обработки информации, при высокой размерности возможно за счет использования графовой формализации, отражающей возможные варианты развития кластерной системы и обеспечивающей применение схемы «ветвей и границ» для просмотра вариантов решения.
3. СИСТЕМА ПРОГРАММНОЙ ПОДДЕРЖКИ ФОРМИРОВАНИЯ, ОЦЕНКИ И УПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЕМ КЛАСТЕРНОЙ СТРУКТУРЫ ИС. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ.
3.1. Информационно-технологическая характеристика объекта надежностного проектирования.
Отделение федерального казначейства Министерства финансов Российской Федерации по г. Красноярску (сокращенно ОФК по г. Красноярску) является территориальным органом федерального казначейства и выполняет делегированные ему полномочия и функции на территории Центрального района.
ОФК по г. Красноярску является юридическим лицом, имеет самостоятельный баланс и самостоятельную смету расходов, текущие счета в Головном расчетно-кассовом центре Главного Управления Центрального банка Российской Федерации по Красноярскому Краю (далее ГРКЦ ГУ ЦБ) и лицевой счет получателя средств в Отделении федерального казначейства по г. Красноярску, печать с изображением государственного герба Российской Федерации и со своим наименованием.
ОФК по г. Красноярску непосредственно подчиняется Управлению федерального казначейства Министерства финансов Российской Федерации по Красноярскому краю (далее УФК) и его руководителю.
В своей деятельности ОФК по г. Красноярску руководствуется Конституцией Российской Федерации, Законами Российской Федерации, Указами и Распоряжениями Президента Российской Федерации, постановлениями и распоряжениями Правительства Российской Федерации, приказами Главного Управления федерального казначейства Министерства финансов Российской Федерации и приказами Управления федерального казначейства Министерства финансов Российской Федерации по Красноярскому Краю.
Финансирование деятельности ОФК по г. Красноярску осуществляется за счет средств федерального бюджета Российской Федерации.
ОФК по г. Красноярску выполняет следующие функции:
1. Осуществляет исполнение доходов и расходов федерального бюджета на территории Центрального района г. Красноярска.
2. Осуществляет бюджетное и финансовое исполнение республиканского бюджета Российской Федерации, финансовое исполнение государственных (федеральных) внебюджетных фондов, контроль за исполнением и использованием внебюджетных (федеральных) средств.
3. Обеспечивает в соответствии с установленными размерами ассигнований целевое финансирование предприятий, учреждений и организаций за счет средств республиканского бюджета Российской Федерации, государственных внебюджетных фондов и целевое использование внебюджетных (федеральных) средств.
4. Обеспечивает полный учет распорядителей средств республиканского бюджета Российской Федерации, государственных (федеральных) средств.
5. Осуществляет операции со средствами республиканского бюджета Российской Федерации, государственных (федеральных) внебюджетных фондов и внебюджетными (федеральными) средствами.
6. Осуществляет кассовое планирование средств республиканского бюджета Российской Федерации, государственных (федеральных) внебюджетных фондов и внебюджетных (федеральных) средств и направлений их использования.
7. Контролирует своевременность совершения операций со средствами республиканского бюджета Российской Федерации, государственных (федеральных) внебюджетных фондов и внебюджетными (федеральными) средствами, а также целевое направление использования средств республиканского бюджета Российской Федерации и внебюджетных (федеральных) средств.
8. Осуществляет по представлению государственных налоговых инспекций возврат из республиканского бюджета Российской Федерации излишне взысканных и уплаченных налогов и других платежей.
9. Осуществляет контрольные функции во взаимодействии с соответствующими органами исполнительной власти, налоговыми, правоохранительными органами, банками.
10. Осуществляет систематический, полный и стандартизированный учет операций по движению средств республиканского бюджета Российской Федерации, государственных (федеральных) внебюджетных фондов и внебюджетных средств на счетах ОФК по г. Красноярску.
11. Осуществляет сбор, обработку и передачу вышестоящим органам казначейства информации и отчетов об исполнении доходов и расходов республиканского бюджета Российской Федерации, а также о финансовом использовании государственных (федеральных) внебюджетных фондов, поступлений и использовании внебюджетных средств.
12. Проводит работу по контролю за соблюдением действующего законодательства Российской Федерации в части исполнения республиканского бюджета Российской Федерации, финансового исполнения государственных (федеральных) внебюджетных фондов, поступления и использования внебюджетных (федеральных) средств.
13. В процессе выполнения возложенных на отделение функций взаимодействует с учреждениями Центрального банка РФ, банками и иными финансово-кредитными учреждениями, органами государственной налоговой службы Российской Федерации.
14. Ведет в установленном порядке делопроизводство, учет поступающей корреспонденции и бланков документов строгой отчетности.
ОФК по г. Красноярску возглавляет руководитель, который назначается и освобождается от должности руководителем Управления федерального казначейства по Красноярскому краю.
Руководитель ОФК по г. Красноярску имеет двух штатных заместителей.
ОФК по г. Красноярску до 1 марта 2000 года имело 7 счетов открытых в ГРКЦ ГУ ЦБ для исполнения бюджета: 2 счета регулирования доходов № 40 101 для сбора федеральных налогов на территории Центрального района и от налогоплательщиков межрайонной ИМНС № 1 по Красноярскому краю- 2 доходных счета федерального бюджета № 40 102, для перечисления на них федеральных налогов, зачисляемых в доход федерального бюджета- 1 счет средств федерального бюджета № 40 105 для финансирования организаций, состоящих на федеральном бюджете на территории Центрального района- 1 счет № 40 503 «Некоммерческие организации» с признаком «1», для финансирования организаций за счет средств от внебюджетной деятельности, состоящих на федеральном бюджете и открывших счета в ОФК по г. Красноярску- 1 счет 40 503 с признаком «2» для финансирования ОФК за счет средств от внебюджетной и иной хозяйственной деятельности.
В соответствии с приказом Управления федерального казначейства по Красноярскому краю от 09 февраля 2000 года с 29 февраля счета № 40 102 по учету доходов федерального бюджета были переведены в УФК по Красноярскому краю и с 1 марта 2000 года все налоги и платежи перечисляются в федеральный бюджет на единый счет Управления. С 1 января 2002 г. по приказу УФК по Красноярскому краю счета № 40 101 «Налоги и сборы, распределенные органами федерального казначейства» также переведены в УФК и все регулирующие налог и платежи, подлежащие распределению между бюджетами перечисляются на единый счет управления 40 101. В связи с этим 2 счета ОФК по г. Красноярску, (40 102) были закрыты в 2000 г., и 2 счета (40 101) в 2002 г. На сегодняшний день у ОФК по г. Красноярску имеется 3 действующих счета — 40 105, 40 503, 40 204.
Процесс функционирования отделения осуществляется следующим образом: На основании реестров Главного управления федерального казначейства, территориальных управлений федерального казначейства (реестры первого порядка) и разассигнований распорядителей бюджетных средств до подведомственных учреждений управление федерального казначейства подготавливает реестры второго порядка с расшифровкой объемов бюджетных прав по бюджетополучателям, формирует документы на перечисление средств по соответствующим субсчетам.
ОФК, открытых на едином казначейском счете. ОФК, в свою очередь, осуществляют распределение объемов бюджетных прав по лицевым счетам бюджетополучателей.
На уровне ОФК осуществляется предварительный и текущий контроль за использованием средств федерального бюджета с лицевых счетов бюджетополучателей. В течение операционного дня отделения федерального казначейства принимают от бюджетополучателей платежные поручения и доверенности на выдачу денежных чеков, формируют расчетно-платежные документы для отправки в электронном виде в управление федерального казначейства по установленному графику. Перечисление средств по указанным платежным документам осуществляется со счета управления федерального казначейства, открытого в учреждении банка России после проверки их на соответствие установленным требованиям и прикрепления к соответствующим субсчетам ОФК.
По результатам проведения операций управление федерального казначейства, в соответствии с ранее произведенным прикреплением платежных документов, осуществляет расщепление выписки по единому казначейскому счету, по субсчетам ОФК и направляет в электронном виде по каналам связи выписки субсчетов вместе с реестром проведенных платежей в соответствующие ОФК для отражения операций по лицевым счетам бюджетополучателей.
Финансирование бюджетных учреждений производится главными распорядителями бюджетных средств посредством передачи информации через информационную компьютерную систему органов федерального казначейства с отражением объема финансирования и его целевого назначения на лицевых счетах получателей бюджетных средств, открытых в органах федерального казначейства.
Для выдачи учреждениям и организациям наличных денежных средств на выплату заработной платы и другие установленные законодательством расходы в наличной форме используются счета, открытые в банках, расположенных по месту нахождения бюджетополучателей и обслуживающих их территориальных отделений федерального казначейства. Средства на указанные счета поступают с единого расходного счета, по сформированным на уровне отделения платежным поручениям на основании заявок на денежную наличность бюджетополучателей в порядке подкрепления счета. Ежедневно в конце операционного дня неиспользованные остатки средств на счетах отделений для наличных денежных средств, а также возвраты и прочие поступления подлежат перечислению на единый расходный счет.
Суммы средств, поступившие на единый расчетный счет, подлежат идентификации с помощью единого эталонного справочника бюджетополучателей региона и ОФК на уровне управления федерального казначейства с последующим зачислением на соответствующие субсчета. Невыясненные суммы в течение 5 дней отправляются отправителю для уточнения получателя средств.
С введением технологии единого счета федерального казначейства, создающего условия эффективного управления финансовыми ресурсами государства, что создает предпосылки для подконтрольности и прозрачности операций в секторе государственного управления, что позволит получать достоверную и своевременную информацию о состоянии государственного сектора, так необходимую политикам, при разработке адекватного налогового и бюджетного законодательства.
Основные показатели деятельности ОФК по г. Красноярску представлены в таблице 3.1.
Заключение
.
На основе общих тенденций развития технологий проектирования высоконадежных систем обработки информации разработан комплексный оптимизационный подход к надежностной оценке кластерных структур систем обработки информации на этапе проектированияобеспечивающий согласованность разработанных моделей и алгоритмов на этапах формирования структуры и управления планом развития катастрофоустойчивой системы обработки информации.
В ходе выполнения работы были полностью решены следующие задачи диссертационного исследования.
1. В результате анализа существующих методик, моделей и алгоритмов надежностной оценки систем обработки информации разработаны системотехнические решения, обеспечивающие последовательную поэтапную оптимизацию плана развития кластерных структур систем обработки информации.
2. Проведенная формализация постановок задач оптимизационного формирования и управления развитием надежных структур кластерных информационных систем позволила предложить методику надежностного анализа вариантов аппаратно-структурной реализации и построить оптимизационную модель формирования и управления развитием кластерных структур систем обработки информации.
3. Реализована модификация математических методов и алгоритмов решения оптимизационных моделей, позволяющая пользователю в интерактивном режиме осуществлять анализ и надежностное формирование катастрофоустойчивых структур систем обработки информации.
4. Осуществлена программная реализация с использованием современных сред и подходов и внедрение разработанных моделей и алгоритмов в составе средств надежностного проектирования и оценки отказоустойчивых свойств информационной системы отделения федерального казначейства г. Красноярска.
5. В рамках практической реализации системы программной поддержки проектирования обоснован выбор метода оценки надежностных свойств информационной системы с учетом проведенного анализа, специфики организации и объема предоставленных данных.
6. Осуществлено проектирование и формирование оптимального плана развития надежной информационной системы ОФК по г. Красноярску и произведена ее оценка по катастрофоустойчивости с использованием обоснованного метода.
7. Оценен экономический эффект по методике Advisor Client&Server Model (методика подсчета времени простоя) от внедрения информационной системы повышенной надежности.
Результатом работы является построенная информационная система ОФК по г. Красноярску, состоящая из трех независимо выходящих из строя подсистем, методом уменьшения множества вариантов системы с резервированием. Для данных условий реализации и принятых ограничений рассчитанный показатель надежности системы составил 99,9163%, что на 0,72% выше существующего значения в организации. То есть, в случае использования предложенной системы количество ее отказов с 4,58 часов сократится до 36.66 минут.
Результаты экономической оценки подтвердили эффективность и целесообразность внедрения спроектированной информационной системы ОФК по г. Красноярску. Новая система, даже с учетом дополнительных затрат, связанных с приобретением оборудования, снизит общие расходы в случае отказа на 279 861,35 руб.
