Лабораторная работа № 6 Разработка систем с заданными уровнями работоспособности и безотказности.. Отчет по лабораторной работе 6 по дисциплине Системная инженерия
 Скачать 153.61 Kb.
|
|
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М.Ф. Решетнёва» Институт Информатики и телекоммуникаций Кафедра информатики и вычислительной техники Отчет по лабораторной работе № 6 по дисциплине «Системная инженерия» Выполнил: ст. гр. МИМ 21-01 Новокрещенов Андрей Проверил: доцент каф. ИВТ Вдовенко В. В. Красноярск 2021 г. ТЕМА:Разработка систем с заданными уровнями работоспособности и безотказности. Цель работы: Изучение способов повышения надежности информационных систем. Порядок выполнения работы 1. Изучите методы повышения надежности информационных систем. 2. Ответьте на контрольные вопросы. 4. Составьте отчет в электронном варианте, который должен содержать титульный лист, цель лабораторной работы, ответы на контрольные вопросы. Контрольные вопросы и задания Назовите основные направления повышения надежности ИС. В настоящее время, можно выделить несколько основных направлений работ по повышению надежности ИС и микропроцессорных систем. 1) В первую очередь надежность ИС достигается за счет использования в ней высоконадежных элементов. Это достигается применением в устройствах ИС интегральных схем с высокой степенью интеграции (интенсивность отказов в ИС 10-6÷10-8 1/ч), использованием оптических элементов, а также внедрением новых типов печатных плат, контактных соединений, новых технологий ИС и т.д. 2) Вторым направлением повышения надежности являются обеспечение оптимальных режимовработы элементов. Большое значение при этом имеет выбор коэффициента нагрузки по тепловому, механическому и радиационному режиму. Режимы зависят от конструкции устройств, от принятых технических решений, которые необходимо учитывать в процессе проектирования. 3) Эффективным средством повышения надежности технических систем является введение избыточности или резервирования. Резервирование – применение дополнительных средств и возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов. В компьютерах, КС используются различные виды резервирования: структурное, временное, функциональное, информационное и программное. 4) Эффективным методом повышения надежности является восстановлениеотказавших устройств. Здесь необходимо решить задачи, связанные с обнаружением отказа и с поиском отказавших элементов. Эффективность диагностирования повышается при использовании автоматизированных систем контроля. Одним из средств повышения надежности является уменьшение времени восстановления. Время восстановления сокращается за счет обеспечения доступности всех узлов устройства для осмотра, т.е. определяется ремонтопригодностью разрабатываемых конструкций. В настоящее время широко используется модульно-блочный принцип построения устройств, при которых замена отказавших элементов осуществляется путем замены целых блоков. Снятые блоки уже вне изделия подлежат восстановлению на специальных стендах с использованием контрольно-измерительных приборов. 5) Для повышения надежности компьютеров, КС, ИС необходимо обеспечить надежность программного обеспечения. Надежность программного обеспечения может быть увеличена за счет программного резервирования и использования средств автоматического контроля за правильностью выполнения вычислительного процесса. Наличие системы автоматического контроля способствует увеличению готовности и обслуживаемости ИС. 6) Одним из перспективных путей достижения высоких показателей надежности ИС является их построение на базе использования самопроверяемых средств функционального диагностирования, создание самопроверяемых устройств и отказоустойчивых систем. Из всех перечисленных особо можно отметить проблему контроля и диагностирования. Дайте определение понятия «отказоустойчивость». Отказоустойчивость — свойство технической системы сохранять свою работоспособность после отказа одной или нескольких её составных частей. Каковы причины отказов ИС? Отказ — это событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта. Анализ надежности элементов ИС показывает, что примерно 40-45% всех отказов возникает из-за ошибок на этапе проектирования, 20% от ошибок, допущенных при производстве, 30% от неправильной эксплуатации и 5-10% от естественного износа и старения. Причинами отказов объектов могут быть дефекты, допущенные при конструировании, производстве и ремонте, нарушение правил и норм эксплуатации, различного рода повреждения. Какая часть ИС является наиболее слабой в смысле отказоустойчивости? Наиболее "слабой" в смысле отказоустойчивости частью компьютерных систем всегда являлись жесткие диски, поскольку они, чуть ли не единственные из составляющих компьютера, имеют механические части. Данные, записанные на жесткий диск доступны только пока доступен жесткий диск, и вопрос заключается не в том, откажет ли этот жесткий диск когда-нибудь, а в том, когда он откажет. Какие технологии используются для защиты от отказов отдельных дисков? RAID 5 предлагает комбинацию чередования и контроля четности. Информация о данных и четности распределяется по жестким дискам таким образом, что при отказе одного диска находившиеся на нем данные при помощи математической операции «исключающее или» могут быть восстановлены на основании дополнительных сведений о четности, хранящихся на остальных дисках. Поэтому RAID 5 осуществляет непрерывное резервирование всех данных. RAID 6 представляет собой расширение RAID 5. При использовании этой технологии даже отказ сразу двух жестких дисков в одной группе не приведет к потере данных. Что такое репликация данных? Репликация — это процесс, под которым понимается копирование данных из одного источника на другой (или на множество других) и наоборот. При репликации изменения, сделанные в одной копии объекта, могут быть распространены в другие копии. В чем состоят достоинства и недостатки синхронной репликации? Синхронная репликация проходит в реальном времени, информация мультиплицируется на всех серверах. Особенность синхронной репликации в том, что при потере связи между серверами никто не отражает изменения, цикл останавливается и процесс практически не может быть продолжен. Необходимо, чтобы все данные были на 100% одинаковык у всех серверов и клиентов. Этот режим не применяется в реальных торговых системах, т.к. зависим от связи. Какую репликацию называют асинхронной? Асинхронная репликация – это технология, при которой данные сохраняются в локальном сервере, который, со своей стороны, заботится об их передаче к следующему и передает только разницу. Это правильная технология для построения торговой системы, т.к. нет требований к бесперебойной связи, и данные передаются при первой возможности, но не обязательно в реальном времени. Какие информационные системы относят к системам высокой готовности? Кластерная система характеризуется высокой надежностью, производительностью, гибким масштабированием и легкостью в управлении. Высокая надежность достигается путем дублирования всех критически важных для работы компонентов. Высокая производительность и масштабируемость – за счет распределения нагрузки между узлами (серверами) кластера. Легкость управления подразумевает собой возможность управлять как централизованно всем кластером, так и отдельными серверами, входящими в его состав. Какова роль кластеров в повышении надежности ИС? С точки зрения оборудования кластер - это несколько компьютеров, соединенных коммуникационным каналом и разделяющих общие ресурсы (например, дисковые накопители). Кластер имеет общую файловую систему, а для пользователя он выглядит и управляется как единая система. Современные кластеры способны обеспечить надежность до 99,9%. Все это достигается с помощью специального программного обеспечения, регулирующего скоординированное использование общекластерных ресурсов, осуществляющего взаимный контроль работоспособности и обмен специфической “кластерной” информацией между узлами кластера и т. д. При этом различные простые аппаратные способы повышения надежности (RAID, ИБП) также используются. Отдельные компьютеры называются узлами кластера. Отличительной особенностью кластера является то, что каждый его узел выполняет полезную работу в режиме нормального функционирования и может переключить на себя нагрузку отказавшего узла. Кластерные решения разрабатываются многими известными фирмами, такими, как HP, Digital, IBM и др. Эти решения, конечно, отличаются друг от друга. Более того, различаются даже решения одной фирмы в зависимости от требований пользователей. Однако охарактеризовать общие черты кластеров и рассмотреть их с точки зрения перечисленных критериев вполне возможно. Все известные кластерные решения в той или иной степени обеспечивают высокую готовность приложений и возможность наращивания производительности за счет закупки нового оборудования или замены старого на более мощное. Назовите современные методы кластеризации. 1) Дивизимная иерархическая кластеризация Этот вид кластеризации является менее распространенной кластеризацией, он работает аналогично агломерационной кластеризации, но в противоположном направлении. Дивизионная иерархическая кластеризация начинается с одного кластера, содержащего все объекты данных. Начальный кластер делится на два кластера так, что объекты данных в одном кластере далеки от объектов данных в другом, затем метод последовательно разбивает результирующие кластеры до тех пор, пока каждый элемент не будет находится в своем собственном кластере. 2) Неиерархические алгоритмы Неиерархические алгоритмы приобрели большую популярность, ввиду того, что в их основе лежит та или иная задача оптимизации, то есть группирование исходного множества объектов в кластеры является решением некоторой экстремальной задачи. Рассмотрим несколько наиболее популярных методов. 3) Кластеризация Гюстафсона-Кесселя Кластеризация данных с помощью классического метода k-средних не дает удовлетворительных результатов в силу ряда недостатков методов связанных, в первую очередь, с использованием евклидовой метрики и игнорирования статистической зависимости между признаками, по которым осуществляется кластеризация. В случае использования выборок, имеющих несферические классы, применение «классического» метода k-средних приводит к неверным результатам (формируются «лишние» классы либо сливаются априорно различные классы в зависимости от выбора мер точности и грубости), в связи с тем, что в алгоритме используется «сферическое» евклидово расстояние (см. рисунок ниже). На рисунке отражены результаты кластеризации двумерной выборки с тремя сильно вытянутыми кластерами (то есть высокой степенью корреляции между признаками): большие точки – центры кластеров, полученных классическим методом k-средних. 4) Метод DBSCAN. По плотности элементов Идея метода DBSCAN (Density Based Spatial Clustering of Application with Noise) основана на гипотезе, что элементы одного кластера формируют область, плотность объектов внутри которого, по некоторому заданному порогу ε, превышает плотность за его пределами (Martin Ester, Hans-Peter Kriegel, J&g Sander, Xiaowei Xu. A Density-Based Algorithm for Discovering Clusters in Large Spatial Databases with Noise, KDD’96. – Р. 226-231). В кластере должна присутствовать некоторая «непрерывность» данных, другими словами, если точки лежат недалеко друг от друга, то и значения функции в них не должны сильно отличаться. Алгоритм кластеризации DBSCAN является одним из немногих алгоритмов кластеризации, который позволяет находить кластеры внутри кластеров. Алгоритм, по существу, работает как поток жидкостей на местности. Он начинается в точке на местности и течет по рельефу, где есть наименьшее сопротивление. Результирующий кластер — это область, покрытая жидкостью. Можно представить различные жидкости с различной плотностью, которые покрывают рельеф в различных слоях. В чем состоят преимущества кластеризации N+1? Имеет один полноценный резервный узел, к которому в момент отказа переходит роль отказавшего узла. В случае гетерогенной программной конфигурации основных узлов дополнительный узел должен быть способен взять на себя роль любого из основных, за резервирование которых он отвечает. Такая схема применяется в кластерах, обслуживающих несколько разнородных сервисов, работающих одновременно; в случае единственного сервиса такая конфигурация вырождается в Active / passive. В чем состоят особенности программного обеспечения как объекта анализа надежности? Основным математическим инструментом, который используется для определения и прогнозирования показателей надежности, является модель надежности программной системы, которая строится для установления зависимости надежности от заранее известных или вычисленных в ходе создания программного средства параметров. При этом определение показателей надежности следует рассматривать в единстве процессов предсказания, измерения и оценивания. Предсказание представляет собой процесс определения показателей надежности проектируемого программного средства. Измерение — это процесс определения количественных показателей надежности на основе анализа информации о временных промежутках между отказами, которые происходят при выполнении программ в условиях тестирования. Оценивание также представляет собой процедуру определения количественных показателей надежности, но полученными при анализе работы программной системы в реальных условиях эксплуатации. Для решения этих задач можно использовать аналитические или эмпирические модели надежности программных систем. Если аналитические модели позволяют рассчитать количественные показатели надежности на основе информации о поведении системы во время тестирования, то эмпирические модели базируются на знании структурных и поведенческих особенностей ПО. Они описывают зависимость показателей надежности от количества межмодульных связей, числа циклов в модулях, отношения длины последовательных участков кода к количеству точек ветвления и так далее. При этом эмпирические модели часто не дают результирующих значений показателей. Аналитическое моделирование надежности программной системы состоит из четырех основных этапов: 1) определение стратегии и конкретного плана процесса тестирования программного средства исходя из задачи обнаружения ошибок; 2) выбор или создание математической модели, основанной на принятой стратегии и плане тестирования; 3) выбор параметров моделей на основе полученных данных; 4) расчет количественных показателей надежности с использованием построенной модели. Аналитические модели могут относиться к двум типам: динамическим или статическим. Если в динамических моделях надежности ПО поведение программы как процесс появления отказов рассматривается во времени, то в статических моделях появление отказов не связывают со временем, а учитывается только зависимость количества ошибок от числа тестовых прогонов или зависимость количества ошибок от состояния входных данных. Изобразите зависимости изменения надежности программных и аппаратных средств ИС от времени.  Рис.1 – График соотношения надежности программы и аппаратуры Дайте определение понятия «надежность программного обеспечения» в соответствии со стандартом ISO 9126:1991. «Набор атрибутов, которые влияют на способность программного обеспечения поддерживать свой уровень производительности при указанных условиях в течение указанного периода времени». Зрелость Отказоустойчивость Восстанавливаемость Соответствие надежности. Приведите зависимости стоимости исправления ошибок и вероятности правильно исправить ошибки ПО от времени.  Рис.2 – График зависимости стоимости исправления ошибок и вероятности правильно исправить ошибки ПО от времени Назовите основные причины ошибок программного обеспечения. Основными причинами, непосредственно вызывающими нарушения нормального функционирования программы, являются: ошибки, скрытые в самой программе; искажения входной информации, подлежащей обработке; неверные действия пользователя; неисправности аппаратуры установки, на которой реализуется вычислительный процесс. Скрытые ошибки программы. Специфика создания сложных программных средств состоит в том, что в процессе их отладки практически невозможно обнаружить и ликвидировать все ошибки. В результате в программах остается некоторое количество скрытых ошибок. Они могут вызвать неверное функционирование программ при определенных сочетаниях входных данных. Наличие скрытых ошибок программного обеспечения является главным фактором нарушения нормальных условий его функционирования. Можно выделить следующие основные классы ошибок в программах. Ошибки вычислений. Ошибки данного класса содержатся в закодированных математических выражениях или в получаемых с их помощью результатах. Примерами ошибок, относящихся к данному классу, являются неверное преобразование типов переменных, неверный знак операции, ошибка в выражении индекса, переполнение или потеря значимости при вычислениях. Логические ошибки являются причиной искажения алгоритма решения задачи. Такого рода ошибки возникают в связи с неверной передачей управления, неверным заданием диапазона изменения параметра цикла, неверным условием и т. д. Ошибки ввода-вывода, связанные с такими действиями, как управление вводом-выводом, формирование выходных записей, определение размеров записей и т. д. Примерами ошибок ввода-вывода являются неправильная форма ввода (вывода), отсутствие признака конца файла и т. д. Ошибки манипулирования данными. Примерами таких ошибок являются неверно определенное число элементов данных; неверные начальные значения, присвоенные данным; неверно указанные длина операнда, имя переменной и т. д. Ошибки совместимости связаны с отсутствием совместимости с операционной системой или другими прикладными программами, используемыми в данной программе. Ошибки сопряжений вызывают неверное взаимодействие программы с другими программами (подпрограммами), с системными программами, устройствами ЭВМ, входными данными и т. д. В качестве примеров ошибок сопряжения могут быть названы несовместимость аргументов и параметров подпрограммы, отсутствие в системе необходимой подпрограммы, нарушения синхронизации при асинхронном выполнении программ и т. д. Искажение информации, подлежащей обработке, вызывает нарушение функционирования программного обеспечения, когда входные данные не попадают в область допустимых значений переменных программы. В этом случае между исходной информацией и характеристиками программы возникает несоответствие. Причинами искажения вводимой информации могут быть, например, следующие: искажение данных на первичных носителях информации; сбои и отказы в аппаратуре ввода данных с первичных носителей информации; шумы и сбои в каналах связи при передаче сообщений по линиям связи; сбои и отказы в аппаратуре передачи или приема информации; потери или искажения сообщений в буферных накопителях вычислительной системы; ошибки в документации, используемой для подготовки вводимых данных; ошибки пользователей при подготовке исходной информации. Неверные действия пользователя, приводящие к отказу в процессе функционирования ПО, связаны прежде всего с неправильной интерпретацией сообщений, с неправильными действиями пользователя в процессе диалога с ЭВМ и т. д. Отказы ПО, обусловленные ошибками пользователя, называются ошибками использования. Часто эти ошибки являются следствием некачественной программной документации (неверное описание возможностей программы, режимов работы, форматов входной и выходной информации, диагностических сообщений и т. д.). Неисправность аппаратуры. Неисправности, возникающие при работе аппаратуры, используемой для реализации вычислительного процесса, оказывают определенное влияние на характеристику надежности ПО. Появление отказа или сбоя в работе аппаратуры приводит к нарушению нормального хода вычислительного процесса и во многих случаях—к искажению данных и текстов программ в основной и внешней памяти. Каковы источники ошибок (угрозы надежности) программного обеспечения? На объекты уязвимости воздействуют различные дестабилизирующие факторы, которые делятся на внутренние и внешние. Внутренние источники угроз надежности функционирования сложных программных средств присущи самим объектам уязвимости. Ими являются: системные ошибки при постановке целей и задач создания ПС, при формулировке требований к функциям и характеристикам решения задач, определении условий и параметров внешней среды, в которой предстоит применять ПС; алгоритмические ошибки разработки при непосредственной спецификации функций программных средств, при определении структуры и взаимодействия компонент комплексов программ, а также при использовании информации баз данных; ошибки программирования в текстах программ и описаниях данных, а также в исходной и результирующей документации на компоненты и ПС в целом; недостаточную эффективность используемых методов и средств оперативной защиты программ и данных от сбоев и отказов и обеспечения надежности функционирования ПС в условиях случайных негативных воздействий. Внешние дестабилизирующие факторы обусловлены средой, в которой функционируют объекты уязвимости. Ими являются: ошибки персонала при эксплуатации; искажение информации в каналах связи; сбои и отказы аппаратуры; изменение конфигурации аппаратуры информационных систем. На практике полностью исключить дестабилизирующие факторы невозможно, поэтому необходимо разработать средства и методы уменьшения их влияния на надежность ПС. 19. Перечислите общие признаки программных и аппаратных отказов. Конструкционный отказ, вызванный недостатками и неудачной конструкцией объекта; Производственный отказ, связанный с ошибками при изготовлении объекта по причине несовершенства или нарушения технологии; Эксплуатационный отказ, вызванный нарушением правил эксплуатации. Характер устранения; Устойчивый отказ; Перемежающийся отказ (возникающий / исчезающий). К последствиям отказа относятся явления, процессы и события, возникшие после отказа и в непосредственной причинной связи с ним (остановка двигателя, вынужденный простой по техническим причинам); Отказы могут быть связаны с изменением параметров или характеристик системы, т.е. одна из основных функций выполняется плохо (отказ по параметру). |