Комплексные модели анализа и обеспечения отказоустойчивости бортовых вычислительных систем

Широкий диапазон применения вычислительных средств приводит к разнообразию задач, возлагаемых на их программное обеспечение (ПО). Для систем реального времени, особенно со строгими требованиями к работоспособности, требуется системная архитектура, обеспечивающая отказоустойчивость вычислительной системы. Примерами систем, которым необходим такой вид системной архитектуры, является самолетные системы, которые должны сохранять работоспособность в течение всего времени полета.

Разработке методов обеспечения отказоустойчивости вычислительных систем (ВС) посвящено достаточно много работ российских и зарубежных исследователей. Большой вклад в развитие этих методов вносят как российские ученые — К. А. Иыуду [1−7], В. В. Липаев [8,9] и др., так и зарубежные — Ж. К. Лапри [10−14], Ж. Д. Мусса [15], А. Авижиенис [11,16], Б. Ранделл [11,17], и др. [18−27].

Результаты анализа методов и средств, развившихся за последнее сорокалетие, показывают, что существующее положение дел в области создания отказоустойчивых вычислительных систем (ОУВС) может быть описано следующим образом.

В настоящее время имеются различные автоматизированные модели прогнозирования надежности, такие как автоматизированная система оценки надежности CARE III — (computer-aided reliability estimation, Version III) и полумарковский алгоритм оценивания диапазона ненадежности ВС как SURE (Semi-Markov Unreliability Range Estimator). Основным недостатком этих моделей является то, что они направлены на исследование оперативных аппаратных неисправностей и не занимаются исследованием программных неисправностей.

В области программного обеспечения (ПО) появились в последнее время различные методики и средства обеспечения надежности ПО на всех этапах разработки. Например, использование формальной математической спецификации и связанной с ней верификации, предотвращение ошибок и улучшение технико-экономических показателей создания ПО обеспечивается применением современных технологий и систем автоматизированного проектирования, объединенных понятиями CASE и языком четвертого поколения (4GL) [8,28]. В этой области применяется, как язык моделирования архитектуры ADL на этапе анализа и проектирования, так и унифицированный язык моделирования UML.

В области программного обеспечения появилось также устройство MAFALDA, предназначенное для внесения неисправностей программным путем и для определения классов отказов исполняющих систем на базе микроядра (таких, как ОСРВ VxWorks фирмы Wind River Systems, Inc и ОСРВ LynxOS фирмы LynxRTS) [29]. Применяются также упаковщики (wrappers) на уровне операционной системы или прикладной программы [30].

Гарантоспособность вычислительных систем реального времени становится актуальным предметом исследования. Так как в современных условиях появились новые угрозы, которые оказывают большое влияние на надежность функционирования вычислительных систем реального времени, расширялось само понятие надежности — было введено понятие гарантоспособности [10,12].

Проведен обзор существующих работ по обеспечению отказоустойчивости ВС, показал, что основные работы посвящены вопросам разработки методов и алгоритмов обеспечения отказоустойчивости либо аппаратурных, либо программных составляющих ВС. Практически отсутствуют работы по совместным эффектам, вызванным одновременными отказами аппаратуры и программного обеспечения. Теоретические исследования, направленные на обеспечение отказоустойчивости ВС сдерживается как отсутствием алгоритмов разработки решающих блоков, так и отсутствием методов для исследования влияния связанных неисправностей между версиями программного обеспечения.

Общая характеристика работы Актуальность темы. Непрерывно возрастающие требования к задачам, решаемым современными комплексами бортового оборудования (КБО) летательных аппаратов (ДА) различного назначения приводят к усложнению комплексов, к необходимости применения в составе этих комплексов сложных современных вычислительных систем, использующих последние достижения электронной промышленности. Усложнение комплексов выдвигает на первый план проблемы создания отказоустойчивых вычислительных систем (ОУВС), способных нормально функционировать при наличии сбоев и отказов аппаратуры, неисправностей в программах и ошибок в исходных данных. Бортовые ОУВС должны выполнить свои функции (согласно FAA Advisory Circular 25.1309.1А) с интенсивностью отказов не больше Ю-9 за 10 ч полета.

Результаты анализа существующих методов обеспечения отказоустойчивости показывает, что модели, учитывающие взаимосвязь поведения аппаратных и программных составляющих вычислительных систем в нештатных ситуациях в настоящее время практически отсутствуют. Кроме того, известные модели не являются полными в связи с тем, что они не учитывают ряд параметров существенно влияющих на корректное поведение ВС.

Теоретические исследования, направленные на обеспечение отказоустойчивости ВС сдерживается, как отсутствием алгоритмов разработки решающих блоков, так и отсутствием методов для исследования влияния связанных неисправностей между версиями программного обеспечения.

Поэтому задача разработки моделей и методов анализа и обеспечения отказоустойчивости вычислительных систем реального времени с учетом аппаратных и программных составляющих ВС является актуальной. Эта актуальность растет по мере расширения сфер применения и повышения требований к уровню отказоустойчивости и защищенности вычислительных систем. Актуальной также является разработка, как алгоритмов для построения решающих блоков, необходимых для обеспечения надежности отказоустойчивых вычислительных систем, так и методов для исследования влияния связанных неисправностей между версиями программного обеспечения. Поскольку доля отказов, обусловленных программными проектными неисправностями, представляет приблизительно 60% неисправностей ВС [10,11].

Целью диссертационной работы является исследование и разработка комплексных методов и моделей анализа и обеспечения отказоустойчивости бортовых вычислительных систем, учитывающих надежность аппаратного и программного обеспечения.

В соответствии с поставленной целью в диссертации были решены следующие задачи:

— Анализ существующих методов обеспечения гарантоспособности вычислительных систем реального времени;

— Разработка моделей надежности мультипроцессорных вычислительных систем, учитывающих различные варианты размещения программных версий;

— Разработка модели и исследование различных вариантов построения решающих блоков (РБ) отказоустойчивых вычислительных систем;

— Анализ методов повышения отказоустойчивости программного обеспечения и оценки их надежностных характеристик;

— Анализ методов и моделей обеспечения отказоустойчивости вычислительных систем;

— Создание комплекса алгоритмов и программ анализа и оценки надежности различных структур отказоустойчивых вычислительных систем, учитывающих надежность аппаратного и программного обеспечения;

— Разработка методов экспериментальной оценки надежностных характеристик программного обеспечения ОУВС.

Методы исследования. В работе использованы методы теории вероятностей и математической статистики, теории марковских процессов, теории графов и теории надежности.

Научная новизна. Разработана комплексная модель надежности.

ОУВС, учитывающая надежностные характеристики аппаратного и программного обеспечения (АЛО) и позволяющая исследовать влияние различных параметров АЛО на отказоустойчивость вычислительной системы.

Разработана модель, учитывающая влияние связанных неисправностей между версиями программного обеспечения, и выработаны рекомендации по повышению отказоустойчивости вычислительных систем в таких ситуациях.

Разработана модель для исследования различных алгоритмов построения решающих блоков, позволяющая обоснованно выбирать структуру РБ и оптимизировать его вероятностные характеристики. Предложены оригинальные алгоритмы построения РБ, упрощающие аппаратную реализацию и обладающие повышенной надежностью.

Получены оценки надежностных характеристик различных вариантов построения программного обеспечения, использующих блоки восстановления, N-вариантное программирование и N-самопроверяемое программирование. Даны рекомендации по построению программного обеспечения, обладающего повышенной отказоустойчивостью.

Практическая ценность. Разработанные модели и методы позволяют адекватно описывать поведение и структуры отказоустойчивых вычислительных систем с учетом надежностных характеристик аппаратного и программного обеспечения.

Предложены инженерные методики, позволяющие обоснованно выбирать структуру и конфигурацию аппаратного и программного обеспечения при проектировании ОУВС с заданными характеристиками.

На основе разработанных моделей и методов обеспечения отказоустойчивости разработан комплекс алгоритмов и программ анализа и оценки надежности различных структур ОУВС, учитывающих надежность аппаратного и программного обеспечения.

Внедрение результатов работы. Полученные в диссертации результаты предназначены для использования при разработке новых ОУВС и использованы в научно-техническом центре и в университете Алеппо (Сирия), а также в учебном процессе при чтении лекции и проведении лабораторных работ и по курсу «управляющие ЭВМ и системы» в Ml ТУим. Н. Э. Баумана.

Полученные в диссертации результаты использованы в Научно-учебном комплексе «Информатика и системы управления» Ml «1'У им. Н. Э. Баумана при выполнении опытно-конструкторской работы по созданию отказоустойчивой цифровой вычислительной системы для бортового Фурье-спектрометра, предназначенного для длительного использования в составе научной аппаратуры космического аппарата «Метеор-М».

Апробация работы и публикации. По материалам диссертации опубликованы три статьи и сделан доклад.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Она изложена на 121 машинописных листах. Содержит 56 рисунков, и 13 таблиц.

Список литературы

включает 92 наименования.

Общие выводы.

Настоящая работа посвящена разработке и исследованию комплексных моделей анализа и обеспечения отказоустойчивости бортовых вычислительных систем. Применение таких моделей представляется весьма перспективным в структуре вычислительных систем, поскольку это позволяет упрощать аппаратную реализацию, обладать повышенной надежностью и учитывать ряд параметров существенно влияющих на корректное поведение ВС.

Основными научными и практическими результатами работы являются:

1. Исследованы методы обеспечения гарантоспособности вычислительных систем реального времени, дана классификация методов достижения гарантоспособности.

2. Разработана комплексная модель надежности ОУВС, учитывающая надежностные характеристики аппаратного и программного обеспечения (АПО) и позволяющая исследовать влияние различных параметров АПО на отказоустойчивость вычислительных системы.

3. Разработана модель, учитывающая влияние связанных неисправностей между версиями программного обеспечения, и выработаны рекомендации по повышению отказоустойчивости вычислительных систем в таких ситуациях. На основе разработанной модели показано, что четвертая версия программы улучшает надежность программы только на 0.01% относительно надежности системы с тремя версиями (ВБР одного из которых R = 0−95).

4. Разработана модель для исследования различных алгоритмов построения решающих блоков (РБ), позволяющая обоснованно выбирать структуру РБ и оптимизировать его вероятностные характеристики. Предложены оригинальные алгоритмы построения РБ, упрощающие аппаратную реализацию и обладающие повышенной надежностью. Предложенные оригинальные алгоритмы построения РБ позволяют уменьшить вес и габарит бортовой ВС, упрощают аппаратную реализацию и обладают повышенной надежностью. ВБР полученного РБ РБВ = 0.9833, а ВБР трех процессорной системы Р^ = 0.972.

5. Получены оценки надежностных характеристик различных вариантов построения программного обеспечения, использующих блоки восстановления, N-вариантное программирование и N-самопроверяемое программирование. Предложен метод для вычисления среднего времени выполнения БВ. Даны рекомендации по построению программного обеспечения, обладающего повышенной отказоустойчивостью.

6. Разработана модель ОУВС, использующая блоки восстановления, N-вариантное программирование и N-самопроверяемое программирование и получены оценки их надежностных характеристик.

7. На основе разработанных моделей и методов обеспечения отказоустойчивости разработан комплекс алгоритмов и программ анализа и оценки надежности различных структур ОУВС, учитывающих надежность аппаратного и программного обеспечения.

8. Предложенные модели использованы при проектировании реальных ОУВС, а научно-исследовательском центре (SSRC — Сирия) и позволили получить 10−15% повышение надежности систем.