Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ ЕЕ НАДЕЖНОСТИ

Шлаев Д.В. 1 Резеньков Д.Н. 1 Гайчук Д.В. 1
1 ФГБОУ ВО «Ставропольский государственный аграрный университет»
Надежность информационной системы обеспечивается за счет адекватных целей и масштабов системы в процессе хранения и обработки данных. Одним из наиболее распространенных методов исследования состояний информационной системы является метод интенсивностей переходов, основанный на предположении о пуассоновском потоке редких событий, переводящих информационную систему из одного состояния в другое, т.е. поток событий обладает свойствами ординарности и отсутствия последействия. Для повышения надежности функционирования информационной системы можно использовать резервное копирование встроенных механизмов для расширения защиты данных. В результате вероятность безотказной работы информационной системы с постоянно включенным резервом и замещением может быть рассчитана. Из двух указанных типов резервирования наибольший выигрыш в надежности достигается при резервировании замещением. Однако такое резервирование имеет один существенный недостаток, заключающийся в том, что для его физической реализуемости требуется «идеальная» система мониторинга состояния системы и коммутации при отказе работающей системы.
надежность
информационная система
отказоустойчивость
резервирование
1. Гусева Л.Л., Зайцева И.В. Методы резервирования механизмов защиты для повышения отказоустойчивости системы защиты информации // Информационное противодействие угрозам терроризма. – 2010. – № 14. – С. 102–106.
2. Зайцева И.В. Решение задачи оптимального управления математической моделью сложной экономической системы // Наука. Инновации. Технологии. – 2010. – № 5. – С. 16–21.
3. Зайцева И.В., Курочкина А.И., Таранушенко Ю.В. Развитие моделирования с ориентацией на новые информационные технологии // Модели управления производством и совершенствование информационных технологий. – 2010. – С. 146–147.
4. Зайцева И.В., Романкова М.В., Аверичкин П.А. К Вопросу о надежности информационной системы // Актуальные проблемы информатизации современного общества: сборник заочного международного научно-практического семинара. – 2007. – С. 123–126.
5. Кривошеева В.М., Зайцева И.В. Инновационные подходы управления предприятием с использованием современных информационных технологий // Вестник Северо-Кавказского федерального университета. – 2015. – № 2 (47). – С. 41–44.
6. Лабуренко Е.С., Зайцева И.В., Шаповал А.С. Компьютеризация информационных процессов в бухгалтерском учете // Моделирование производственных процессов и развитие информационных систем. – 2012. – С. 86–87.
7. Половко А.М., Гуров С.В. Основы теории надежности. – 2-е изд., перераб. и доп. – СПб.: БХВ-Петербург, 2006. – 560 с.
8. Шаяхметов О.Х., Зайцева И.В. Защита информации: монография. – Ставрополь, НОУ ВПО СКСИ, 2007. – 392 с.

Для информационной системы важным принципом построения является надежность. Информационная система должна быть максимально защищена от несанкционированного доступа к информации, а также должна полностью отображать информационные и функциональные параметры. Надежность информационной системы обеспечивается с помощью средств адекватных назначению и масштабу системы в процессе хранения и обработки данных. Также следует особо выделить безотказное выполнение функций информационной системой на всех этапах эксплуатации [8].

Комплексный показатель надежности информационной системы обусловлен целым рядом факторов: конструктивных, производственно-технологических, эксплуатационных и др. Многообразие факторов, влияющих на надежность информационной системы, носит случайный характер процессов изменения свойств во времени, приводящий к изменениям характеристик и отказам системы. Поэтому надежность информационных систем описывается вероятностно-статистическими закономерностями [4].

Надежность информационных систем должна решаться на всех стадиях жизненного цикла системы. Надежность является внутренним свойством информационной системы, заложенным при ее создании и проявляющимся во времени при функционировании и эксплуатации.

Таким образом, в процессе функционирования информационная система может находиться в одном из некоторого множества состояний (фаз), причем каждое из состояний характеризуется определенным уровнем надежности, т.е. переход из одного состояния в другое определяется показателями надежности информационной системы, в частности «интенсивностями переходов» – условными плотностями вероятностей переходов [1].

Одним из наиболее распространенных методов исследования состояний информационной системы является метод интенсивностей переходов, основанный на предположении о пуассоновском потоке редких событий, переводящих информационную систему из одного состояния в другое, т.е. поток событий обладает свойствами ординарности и отсутствия последействия [2].

Для пуассоновского потока [7]:

<

1) вероятность появления на интервале времени (0, t) m событий равна

Shlaev01.wmf (m = 0, 1, 2, ...), (1)

где а – математическое ожидание числа событий на участке от t0 до t0 + t, равное

Shlaev02.wmf

l(t) – интенсивность (плотность) потока событий, причем для простейшего потока l(t) = l = const;

2) интервал времени между событиями распределен по экспоненциальному закону.

При таких предположениях можно составить и решить систему дифференциальных уравнений А.Н. Колмогорова [7], построив ориентированный граф, вершинами которого являются состояния информационной системы, а направленные ребра – интенсивности и направления возможных переходов.

Решение дифференциальных уравнений осуществляется с использованием преобразований Лапласа, позволяющих свести их к алгебраическим уравнениям.

Рассмотрим на примере исследование состояний информационной системы, которая может находиться в двух состояниях: работоспособном (S1) и неработоспособном (S2); l – интенсивность простейшего потока отказов информационной системы, m – интенсивность простейшего потока восстановлений работоспособности информационной системы.

Тогда граф состояний рассматриваемой информационной системы имеет вид, представленный на рис. 1

pic_89.wmf

Рис. 1. Граф состояний системы

Дифференциальные уравнения, соответствующие графу состояний на рис. 1, в соответствии с вышеприведенными правилами будут иметь вид

Shlaev03.wmf (2)

Так как состояния S1 и S2 несовместимы, т.е. составляют полную группу событий, то Р1(t) + P2(t) = 1.

Задавая различные начальные условия (при t = 0), с помощью преобразований Лапласа можно получить значения вероятностей P1(t) и P2(t).

а) Пусть Р1(0) = 1 и Р2(0) = 0, т.е. начальное состояние информационной системы работоспособно. Используя преобразования Лапласа, получим

Shlaev04.wmf (3)

Переходя от изображений к оригиналам, получим

Shlaev05.wmf (4)

Shlaev06.wmf (5)

б) Пусть Р1(0) = 0 и Р2(0) = 1, т.е. начальное состояние информационной системы неработоспособно. Тогда аналогично получим

Shlaev07.wmf (6)

Shlaev08.wmf (7)

Таким образом, полученные соотношения позволяют определить вероятности двух состояний информационной системы в произвольный момент времени t из различных начальных состояний.

Расчеты по определению вероятностей состояния информационной системы можно автоматизировать (например, для автоматизации использовать математический пакет MathCAD) [6]. Список характеристик информационной системы может быть расширен. Кроме определения вероятностей состояния информационной системы, могут быть вычислены показатели безотказности: вероятность безотказной работы, вероятность отказа, средняя наработка до отказа, средняя наработка на отказ, интенсивность отказов и т.п. [5].

Для увеличения надежности любой информационной системы применяется резервирование. Любое резервирование основывается на включении в состав системы дополнительных средств. В нашем случае – дополнительных механизмов защиты. Использование в системе защиты дополнительных механизмов можно рассматривать не только с целью расширения функций встроенных механизмов защиты, но и с целью их резервирования.

Аналогично тому, как это выполнено в теории надежности информационных систем, определены следующие показатели: вероятность безотказной работы нерезервированной и резервированной системы [3]. Как показали исследования, исходная нерезервированная система недостаточно надежна и не может обеспечить требуемый риск.

Для повышения надежности функционирования информационной системы исследовали два вида резервирования: с постоянно включенным резервом и по методу замещения.

Приведем пример вычисления вероятности безотказной работы нерезервированной и резервированной информационной системы.

Пусть вероятность того, что в любой момент времени (на рассматриваемом промежутке работы равном 1000 часов) объект защищен нерезервированной системой, равна

Shlaev09.wmf

Далее для определения вероятности безотказной Pc(t) работы резервированной информационной системы составим и решим систему дифференциальных уравнений [7]:

Shlaev10.wmf (8)

В результате преобразований получены значения вероятности безотказной работы информационной системы с постоянно включенным резервом для значения интенсивности восстановления системы ρ = 0,1 время восстановления системы защиты Tv = 8 недель и ρ = 0,01 при Тv = 1 неделя.

Вероятность того, что в момент времени от 0 до 1000 часов информационная система работает безотказно, для ρ = 0,01 выше, чем при ρ = 0,1. Как показывает графическая зависимость, представленная на рис. 2, с увеличением времени непрерывной работы вероятность безотказной работы уменьшается.

pic_90.tif

Рис. 2. Вероятность безотказной работы информационной системы с постоянно включенным резервом

pic_91.tif

Рис. 3. Вероятность безотказной работы информационной системы с постоянно включенным резервом

pic_92.tif

Рис. 4. Зависимость безотказной работы Pc(t) при различных значениях интенсивности λ

Как показывает анализ графических зависимостей представленных на рис. 3, вероятность безотказной работы информационной системы с замещением выше, чем вероятность безотказной работы системы с постоянно включенным резервом.

Анализируя полученные результаты, можно сделать следующие выводы:

– время восстановления (время устранения уязвимостей) должно служить требованием к предприятию разработчику информационной системы;

– с увеличением времени непрерывной работы вероятность того, что информационная система безотказно работает, уменьшается;

– из двух указанных видов резервирования наибольший выигрыш надежности достигается при резервировании замещением.

Однако это резервирование имеет два существенных недостатка:

– для его физической реализуемости требуется автомат контроля состояния системы и коммутации при отказе работающей системы;

– производительность информационной системы уменьшается.

На рис. 4 приведены графики вероятностей безотказной работы информационной системы Pc(t) для случая λ = 0,1; 0,2; 0,5; 1 с использованием автомата контроля и коммутации системы.

Из графиков видно, что автомат контроля и коммутации влияет на вероятность безотказной работы резервированной информационной системы. Причем для случая, когда λ1 = 0,1, вероятность безотказной работы системы наибольшая, а при λ1 = 1 – вероятность безотказной работы наименьшая. Из двух рассмотренных видов резервирования наибольший выигрыш надежности системы защиты достигается при резервировании замещением, если автомат контроля состояния информационной системы и коммутации при отказе работающей системы «идеален» с точки зрения отказоустойчивости.


Библиографическая ссылка

Шлаев Д.В., Резеньков Д.Н., Гайчук Д.В. ИССЛЕДОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СОСТОЯНИЙ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ ЕЕ НАДЕЖНОСТИ // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 10-2. – С. 364-367;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=40861 (дата обращения: 01.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074