Надежность и безопасность

Одной из первоначальных целей создания распределенных систем, к которым относятся и вычислительные сети, являлось достижение большей надежности по сравнению с отдельными вычислительными машинами.

Важно различать несколько аспектов надежности. Для технических устройств используются такие показатели надежности, как среднее время наработки на отказ, вероятность отказа, интенсивность отказов. Однако эти показатели пригодны для оценки надежности простых элементов и устройств, которые могут находиться только в двух состояниях - работоспособном или неработоспособном. Сложные системы, состоящие из многих элементов, кроме состояний работоспособности и неработоспособности, могут иметь и другие промежуточные состояния, которые эти характеристики не учитывают. В связи с этим для оценки надежности сложных систем применяется другой набор характеристик.

Готовность или коэффициент готовности (availability) означает долю времени, в течение которого система может быть использована. Готовность может быть улучшена путем введения избыточности в структуру системы: ключевые элементы системы должны существовать в нескольких экземплярах, чтобы при отказе одного из них функционирование системы обеспечивали другие.

Чтобы систему можно было отнести к высоконадежным, она должна как минимум обладать высокой готовностью, но этого недостаточно. Необходимо обеспечить сохранность данных и защиту их от искажений. Кроме этого, должна поддерживаться согласованность (непротиворечивость) данных, например, если для повышения надежности на нескольких файловых серверах хранится несколько копий данных, то нужно постоянно обеспечивать их идентичность.

Так как сеть работает на основе механизма передачи пакетов между конечными узлами, то одной из характерных характеристик надежности является вероятность доставки пакета узлу назначения без искажений. Наряду с этой характеристикой могут использоваться и другие показатели: вероятность потери пакета (по любой из причин - из-за переполнения буфера маршрутизатора, из-за несовпадения контрольной суммы, из-за отсутствия работоспособного пути к узлу назначения и т. д.), вероятность искажения отдельного бита передаваемых данных, отношение потерянных пакетов к доставленным.

Другим аспектом общей надежности является безопасность (security), то есть способность системы защитить данные от несанкционированного доступа. В распределенной системе это сделать гораздо сложнее, чем в централизованной. В сетях сообщения передаются по линиям связи, часто проходящим через общедоступные помещения, в которых могут быть установлены средства прослушивания линий. Другим уязвимым местом могут быть оставленные без присмотра персональные компьютеры. Кроме того, всегда имеется потенциальная угроза взлома защиты сети от неавторизованных пользователей, если сеть имеет выходы в глобальные сети общего пользования.

Еще одной характеристикой надежности является отказоустойчивость (fault tolerance). В сетях под отказоустойчивостью понимается способность системы скрыть от пользователя отказ отдельных ее элементов. Например, если копии таблицы базы данных хранятся одновременно на нескольких файловых серверах, то пользователи могут просто не заметить отказ одного из них. В отказоустойчивой системе отказ одного из ее элементов приводит к некоторому снижению качества ее работы (деградации), а не к полному останову. Так, при отказе одного из файловых серверов в предыдущем примере увеличивается только время доступа к базе данных из-за уменьшения степени распараллеливания запросов, но в целом система будет продолжать выполнять свои функции.

дипломная работа

6.7 Расчет надежности сети

Проектируемая ЛВС монтируется на основе готовых изделий, и время наработки на отказ берется из данных предоставляемых производителями оборудования.

Под надежностью элемента (системы) понимают его способность выполнять заданные функции с заданным качеством в течение некоторого промежутка времени в определенных условиях. Изменение состояния элемента (системы), которое влечет за собой потерю указанного свойства, называется отказом. Системы передачи относятся восстанавливаемым системам, в которых отказы можно устранять.

Одно из центральных положений - теории надежности состоит в том, что отказы рассматривают в ней как случайные события. Интервал времени от момента включения элемента (системы) до его первого отказа является случайной величиной, называемой "время безотказной работы". Интегральная функция распределения этой случайной величины, представляющая собой (по определению) вероятность того, что время безотказной работы будет менее t, обозначается q(t) и имеет смысл вероятности отказа на интервале 0...t. Вероятность противоположного события - безотказной работы на этом интервале - равна

р(t) = 1 - q(t), % (3)

Мерой надежности элементов и систем, является интенсивность отказов l(t), представляющая собой условную плотность вероятности отказа в момент t, при условии, что до этого момента отказов не было. Между функциями l(t) и р(t) существует взаимосвязь

В период нормальной эксплуатации (после приработки, но еще до того, как наступил физический износ) интенсивность отказов примерно постоянна. В этом случае

Таким образом, постоянной интенсивности отказов, характерной для периода нормальной эксплуатации, соответствует экспоненциальное уменьшение вероятности безотказной работы с течением времени.

Следовательно, среднее время безотказной работы в период нормальной эксплуатации обратно пропорционально интенсивности отказов

Оценим надежность нашей системы, состоящей из множества разнотипных элементов. Пусть p1(t), p2(t),…, pr(t)- вероятности безотказной работы каждого элемента на интервале времени 0...t, r - количество элементов в системе. Если отказы отдельных элементов происходят независимо, а отказ хотя бы одного элемента ведет к отказу всей системы (такой вид соединения элементов в теории надежности называется последовательным), то вероятность безотказной работы системы в целом равна произведению вероятностей безотказной работы отдельных ее элементов

где - интенсивность отказов системы, ч-1;

Интенсивность отказа i-го элемента, ч-1.

Среднее время безотказной работы системы tcр.сист., ч, находится по формуле

К числу основных характеристик надежности восстанавливаемых элементов и систем относится коэффициент готовности

где tср - среднее время восстановления элемента (системы).

Он соответствует вероятности того, что элемент (система) будет работоспособен в любой момент времени.

Методика расчета основных характеристик надежности ЛВС состоит в следующем: расчет интенсивности отказов и среднего времени наработки на отказ тракта.

В соответствии с выражением интенсивность отказов ЛВС, ч-1, определяют как сумму интенсивностей отказов узлов сети (VPN маршрутизатор, три сервера, 10 рабочих станций) и кабеля

где - интенсивности отказов РС, маршрутизатора, сервера, одного метра кабеля соответственно, ч-1;

Количество РС, маршрутизаторов, серверов

L - протяженность кабеля, км.

Определяем по справочникам и условиям эксплуатации значения для отдельных устройств.

В итоге получаем:

4,77*10-5*10+5,26*10-5*1+4,02*10-5*3+4,28*10-7*0,1=2,69*10-4 (11)

Вычислим среднее время безотказной работы ЛВС по формуле

Вероятность безотказной работы ЛВС в течение заданного промежутка времени t1=24 ч (сутки), t2 = 720 ч (месяц) при 2,69*10-4 ч-1 находят по формуле:

При t = 24 ч (сутки)

При t =720 ч (месяц)

Расчет полезной пропускной способности сети

Следует различать полезную и полную пропускную способность. Под полезной пропускной способностью понимается скорость передачи информации, объем которой всегда несколько меньше передаваемой информации, так как каждый передаваемый кадр содержит служебную информацию, гарантирующую его правильную доставку адресату.

Автоматизированная система утверждения электронных документов на основе MS SharePoint 2007

Рассмотрим модель надежности архитектуры системы. Система состоит из следующих компонентов: клиентских машин, Web-сервера и сервера БД. В качестве еще одного компонента будем рассматривать локальную сеть...

Адаптер паралельного обмена

Интенсивность отказов характеризуется отношением числа изделий в единицу времени к числу изделий, продолжающих оставаться исправными к началу рассматриваемого промежутка времени: (4.3) где m - число изделий...

Анализ структурной схемы надежности

По структурной схеме надежности технической системы (рис...

Использование сетевых технологий при проектировании дистанционной информационной системы и компьютерной сети

Модель 1. Правила модели 1 предельно простые: - электрический кабель не должен быть длиннее 100м. Максимальная длина между двумя абонентами (роутер - коммутатор) составляет 81,1 м. Это значит, что длина кабеля меньше 100 м, значит сеть работоспособна...

Надежность на этапе проектирования является новой дисциплиной и относится к процессу разработки надежных изделий. Этот процесс включает в себя несколько инструментов и практических рекомендаций и описывает порядок их применения...

Методы и средства обеспечения надежности автоматизированных ИС

Резервирование -- метод повышения характеристик надёжности технических устройств или поддержания их на требуемом уровне посредством введения аппаратной избыточности за счет включения запасных (резервных) элементов и связей...

Надежность информационных систем

логический операция надежность безотказный Так как система состоит из невосстанавливаемых элементов, то элементами функции надёжности являются вероятности безотказной работы...

Особенности конструирования и производства ЭВМ

Расчет надежности заключается в определении показателей надежности изделия по известным характеристикам надежности составляющих компонентов и условиям эксплуатации...

Охранная система с дистанционным управлением

Расчет надежности производят на этапе разработки объекта для определения его соответствия требованиям. В результате расчета должны быть определены количественные характеристики надежности объектов...

Проектирование вычислительной системы реального времени

Работоспособность системы или отдельных ее частей в процессе эксплуатации может быть нарушена в результате отказа аппаратуры - выхода из строя элементов или соединений между ними...

Разработка Web-интерфейса для АСУ ДНС Ватьеганского месторождения в инструментальном пакете Trace Mode 6

Разработка информационно-поисковой системы для формирования технологического оборудования для сборочно-монтажных работ

В борьбе со сложностью ПО используются две концепции: - иерархическая структура. Иерархия позволяет разбить систему по уровням понимания (абстракции, управления). Концепция уровней позволяет анализировать систему...

Разработка микропроцессорной системы управления на основе микропроцессорного комплекта 1883 роботом СМ40Ц

К572ПВ4 - аналогово-цифровой преобразователь со встроенным коммутатором имеет среднюю наработку на отказ, следовательно интенсивность отказа составляет: БИС управляющей памяти U831-К1883РТ1 имеет среднюю наработку на отказ...

Разработка системы контроля управления доступом с анализом рисунка радужной оболочки глаза

Исходя из технического задания разрабатываемая система должна обеспечивать следующие относящиеся к надёжности показатели: Срок эксплуатации устройства не менее 5 лет. Вероятность безотказной работы в течение срока эксплуатации - не менее 0,95...

Эмулятор контроля АЛУ по модулю 3

Общие положения На основании схемы электрической принципиальной считается надежность при заданных условиях надежности. Надежность - это возможность СВТ сохранять работоспособность в течение некоторого заданного промежутка времени...

Важнейшей характеристикой вычислительных сетей является надежность. Повышение надежности основано на принципе предотвращения неисправностей путем снижения интенсивности отказов и сбоев за счет применения электронных схем и компонентов с высокой и сверхвысокой степенью интеграции, снижения уровня помех, облегченных режимов работы схем, обеспечение тепловых режимов их работы, а также за счет совершенствования методов сборки аппаратуры.

Отказоустойчивость – это такое свойство вычислительной системы, которое обеспечивает ей как логической машине возможность продолжения действий, заданных программой, после возникновения неисправностей. Введение отказоустойчивости требует избыточного аппаратного и программного обеспечения. Направления, связанные с предотвращением неисправностей и отказоустойчивостью, основные в проблеме надежности. На параллельных вычислительных системах достигается как наиболее высокая производительность, так и, во многих случаях, очень высокая надежность. Имеющиеся ресурсы избыточности в параллельных системах могут гибко использоваться как для повышения производительности, так и для повышения надежности.

Следует помнить, что понятие надежности включает не только аппаратные средства, но и программное обеспечение. Главной целью повышения надежности систем является целостность хранимых в них данных.

Безопасность – одна из основных задач, решаемых любой нормальной компьютерной сетью. Проблему безопасности можно рассматривать с разных сторон – злонамеренная порча данных, конфиденциальность информации, несанкционированный доступ, хищения и т.п.

Обеспечить защиту информации в условиях локальной сети всегда легче, чем при наличии на фирме десятка автономно работающих компьютеров. Практически в вашем распоряжении один инструмент – резервное копирование (backup). Для простоты давайте называть этот процесс резервированием. Суть его состоит в создании в безопасном месте полной копии данных, обновляемой регулярно и как можно чаще. Для персонального компьютера более или менее безопасным носителем служат дискеты. Возможно использование стримера, но это уже дополнительные затраты на аппаратуру.

Рис. 5.1. Задачи обеспечения безопасности данных

Легче всего обеспечить защиту данных от самых разных неприятностей в случае сети с выделенным файловым сервером. На сервере сосредоточены все наиболее важные файлы, а уберечь одну машину куда проще, чем десять. Концентрированность данных облегчает и резервирование, так как не требуется их собирать по всей сети.

Экранированные линии позволяют повысить безопасность и надежность сети. Экранированные системы гораздо более устойчивы к внешним радиочастотным полям.

«УДК 621.396.6 НАДЕЖНОСТЬ ЛОКАЛЬНОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ НАДЕЖНОСТЬ ЛОКАЛЬНОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНО СЕТИ НА БАЗЕ ТОНКОГО КЛИЕНТА И РАБОЧИХ...»

Надежность и качество сложных систем. № 4, 2013

УДК 621.396.6

НАДЕЖНОСТЬ ЛОКАЛЬНОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

С. Н. Полесский, М. А. Карапузов, В. В. Жаднов

НАДЕЖНОСТЬ ЛОКАЛЬНОЙ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНО СЕТИ НА БАЗЕ ТОНКОГО КЛИЕНТА И РАБОЧИХ СТАНЦИЙ

НА БАЗЕ ТОНКОГО КЛИЕНТА И РАБОЧИХ СТАНЦИЙ

С. Н. Полесский, М. А. Карапузов, В. В. Жаднов

Развитие локальных вычислительных сетей (ЛВС) стоит перед двумя перспективами: продолжать проектировать ЛВС, где абонентами выступают традиционные «рабочие станции» (РС), или же вместо РС использовать так называемые «тонкие клиенты» (далее по тексту будет использоваться в качестве синонима «терминальные станции»).

В настоящее время все чаще употребляется термин «тонкий клиент», когда под этим термином подразумевается достаточно широкий с точки зрения системной архитектуры ряд устройств и программ, которые объединяются общим свойством: возможность работы в терминальном режиме.

Преимущество РС перед тонким клиентом состоит в независимости от наличия работоспособной сети – обработка информации будет происходить и в момент ее отказа, так как в случае использования РС обработка информации происходит непосредственно самими станциями.

В случае использования работы тонкого клиента необходим терминальный сервер. Но при этом тонкий клиент обладает минимальной аппаратной конфигурацией, вместо жесткого диска для загрузки локальной специализированной операционной системой (ОС) используется DOM (DiskOnModule – модуль с разъемом IDE, флэш-памятью и микросхемой, реализующей логику обычного жесткого диска, который в BIOS определяется как обычный жесткий диск, только размер его обычно в 2–3 раза меньше).

В некоторых конфигурациях системы тонкий клиент загружает операционную систему по сети с сервера, используя протоколы PXE, BOOTP, DHCP, TFTP и Remote Installation Services (RIS). Минимальное использование аппаратных ресурсов является главным преимуществом тонкого клиента перед РС .

В связи с этим возникает вопрос: что лучше использовать для проектирования ЛВС с точки зрения надежности – тонкий клиент или традиционные РС?

Для ответа на этот вопрос проведем сравнение показателей надежности типовой схемы ЛВС, построенной по топологии «звезда» для двух вариантов ее реализации. В первом варианте ЛВС построена на базе тонких клиентов, а во втором – на базе РС. Для упрощения оценки показателей надежности ЛВС рассмотрим небольшую корпоративную сеть отдела (предприятия), состоящую из 20–25 типовых устройств.

Допустим, что исследуемый отдел занимается конструкторскими работами, используя соответствующее программное обеспечение (ПО). Типовая ЛВС такого отдела на базе РС должна содержать рабочие станции, сервер, принтер. Все устройства объединяются в сеть через коммутатор (см. рис. 1).

–  –  –

В состав типовой ЛВС на базе тонкого клиента входят терминальные станции, сервер, принтер, а также терминальный сервер, который обеспечивает доступ пользователей через тонкий клиент к необходимым для работы ресурсам. Все устройства объединены в сеть через коммутатор (рис. 2).

Рис. 2. Схема соединения устройств в ЛВС на базе терминальных станций

Сформулируем критерии отказов . Для этого необходимо определить, какие неисправности элементов являются критичными для выполнения заданных функций сети. Пусть на отдел (предприятие) выделено 20 рабочих мест, и загрузка отдела позволяет оставить два рабочих места в резерве.

Остальные 18 рабочих мест используются непрерывно в течение всего рабочего дня (8 часов в сутки).

Исходя из этого отказ более чем двух РС (терминальных станций) приведет к отказу всей ЛВС. Отказ сервера, отказ одного из терминальных серверов (для ЛВС на основе только тонкого клиента) и отказ коммутатора также приводят к отказу всей ЛВС. Отказ принтера не является критичным, так как задачи отдела напрямую не связаны с непрерывным его использованием и поэтому при оценке надежности он не учитывается. Отказ коммутирующей сети проводов также не учитывается, так как в обеих вариантах реализации ЛВС набор соединений практически одинаковый, а величина интенсивности отказов пренебрежимо мала.

Отказы таких элементов РС, как внешнее запоминающее устройство, монитор, клавиатура, мышь, видеокарта, системная плата, процессор, система охлаждения, блок питания, оперативное запоминающее устройство, являются критичными для РС и ведут к ее отказу.

Принимая во внимание условия функционирования ЛВС и критерии отказов, построим структурные схемы надежности (ССН) для разных уровней разукрупнения .

На верхнем уровне рассматривается совокупность устройств, ССН которой представляет собой группу «последовательное соединение» трех блоков (коммутатор, сервер, коммутирующая сеть) и резервированной группы (рабочая группа из терминальных или рабочих станций).

Структурные схемы надежности приведены на рис. 3 (для ЛВС на базе РС) и на рис. 4 (для ЛВС на базе тонкого клиента).

–  –  –

На следующем уровне разукрупнения рассматривается совокупность рабочих / терминальных станций, ССН которых представляет собой группу «скользящее резервирование n из m» двадцати блоков (18 основных рабочих/терминальных станций резервируется двумя станциями, каждая из которых может заменить любую отказавшую основную).

На нижнем уровне рассматривается совокупность элементов рабочей станции, ССН которых представляет собой группу «последовательное соединение» десяти блоков (монитор, процессор, оперативная память, жесткий диск, клавиатура, мышь, блок питания, системная плата, система охлаждения, видеокарта).

Расчет надежности ЛВС проводится в два этапа:

– во-первых, рассчитывается (определяется) надежность элементов в отдельности,

– во-вторых проводится расчет надежности ЛВС в целом.

Типовая схема проведения расчета надежности ЛВС, выполненная в нотациях IDEF0 , представлена на рис. 5.

–  –  –

На рис. 6 приведена гистограмма , построенная по данным табл. 1, на которой показано распределение средних наработок на отказ элементов РС и коммутатора.

Наработка на отказ, тыс. ч

–  –  –

На рис. 7 приведена гистограмма распределения средних наработок на отказ составных частей ЛВС.

Наработка на отказ, тыс. ч Рис. 7. Гистограмма распределения средних наработок на отказ составных частей ЛВС Технологические основы повышения надежности и качества изделий

–  –  –

Из табл. 3 видно, что коэффициент готовности для ЛВС на базе РС меньше, чем у аналогичной ЛВС на базе тонкого клиента. Среднее время наработки на отказ для ЛВС на базе тонкого клиента больше, чем у схемы ЛВС на базе РС, а среднее время восстановления ниже. Приведенное сравнение показывает, что реализация ЛВС на базе 20 терминальных станций, две из которых находятся в резерве, оказывается надежнее, чем ее реализация на базе рабочих станций.

Подводя итоги проведенного анализа, можно утверждать, что более надежным типом является ЛВС на базе терминальных станций. С практической точки зрения это показывает, что переход к созданию ЛВС на базе тонкого клиента является целесообразным и с позиций надежности.

Внедрение ЛВС, состоящих из терминальных станций в совокупности с «облачным» ПО, может существенно сказаться на повышении уровня автоматизации, качества и надежности функционирования предприятий.

Список литературы

1. ГОСТ 27.009-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. – М. : Изд-во стандартов, 1990. – 37 с.

2. ГОСТ Р51901.14-2005 (МЭК 61078:1991). Метод структурной схемы надежности. – М. : Стандартинформ, 2005. – 38 с.

3. ОСТ 4Г 0.012.242-84. Методика расчета показателей надежности. – М., 1985. – 49 с.

5. Прогнозирование качества ЭВС при проектировании: учеб. пособие / В. В. Жаднов, С. Н. Полесский, С. Э. Якубов, Е. М. Гамилова. – М. : СИНЦ, 2009. – 191 с.

6. Жаднов, В. В. Оценка качества компонентов компьютерной техники. / В. В. Жаднов, С. Н. Полесский, С. Э. Якубов // Надежность. – 2008. – № 3. – С. 26–35.

Локальная вычислительная сеть (ЛВС) обычно включает в свой состав комплект рабочих станций пользователя, рабочую станцию администратора сети (может использоваться одна из пользовательских станций), серверное ядро (комплект аппаратных серверных платформ с серверными программами: файл-сервер, WWW-сервер, сервер БД, почтовый сервер и т.п.), коммуникационное оборудование (маршрутизаторы, коммутататры, концентраторы) и структурированную кабельную систему (кабельное оборудование).

Расчет надежности ЛВС начинают с формирования понятия отказа данной сети. Для этого анализируются управленческие функции, выполнение которых на предприятии осуществляется с использованием данной ЛВС. Выбираются такие функции, нарушение которых недопустимо, и определяется оборудование ЛВС, задействованное при их выполнении. Например: безусловно в течение рабочего дня должна обеспечиваться возможность вызова/записи информации из базы данных, а также обращение к Internet.

Для совокупности таких функций по структурной электрической схеме определяется оборудование ЛВС, отказ которого непосредственно нарушает хотя бы одну из указанных функций, и составляется логическая схема расчета надежности.

При этом учитываются количества и условия работы ремонтно-восстановительных бригад. Обычно принимаются следующие условия:

Восстановление ограниченное – т.е. в любой момент времени не может восстанавливаться более, чем один отказавший элемент, т.к. имеется одна ремонтная бригада;

Среднее время восстановления отказавшего элемента устанавливается или исходя из допустимых перерывов в работе ЛВС, или из технических возможностей доставки и включения в работу этого элемента.

В рамках изложенного выше подхода к расчету схема расчета надежности, как правило, может быть сведена к последовательно-параллельной схеме.

Установим в качестве критерия отказа ЛВС отказ оборудования, входящего в ядро сети: серверов, коммутаторов или кабельного оборудования.

Считаем, что отказ рабочих станций пользователей не приводит к отказу ЛВС, а поскольку одновременный отказ всех рабочих станций – событие маловероятное, сеть при отдельных отказах рабочих станций продолжает функционировать.

Примем, что рассматриваемая локальная сеть включает два сервера (один обеспечивает выход в интернет), два коммутатора и пять кабельных фрагментов, относящихся к ядру сети. Интенсивность отказов и восстановлений для них приведены ниже, по-прежнему К Г =1-l/m.

Значения интенсивности восстановлений максимальны для кабелей, замена которого проводится с использованием запасных и минимальны для коммутаторов, ремонт которых осуществляется специализированными фирмами.

Расчет характеристик подсистем серверов, коммутаторов и кабелей проводится по выражениям для последовательного соединения элементов.

Подсистема серверов:

l С =2*l 1 =4*10 -5 ; К ГС =1-4*10 -4 ; m С = 1/ч.

Подсистема коммутаторов:

l к =2*10 -5 ; К Гк =1-2*10 -3 ; m к = 1/ч.

Подсистема кабелей:

l л =5*10 -6 ; К Гл =1-5*10 -6 ; m л = 1/ч.

Для всей сети:

l s =6,5*10 -5 ; К Г s =1-2,4*10 -3 ; m s =0,027 1/ч.

Результат расчета:

Т=15 тыс. ч., К Г =0,998, Т В »37 ч.