Một số thuật toán đánh giá độ tin cậy của hệ thống

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNTT&TT MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG ĐÀO TUẤN HIỆP LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC MÁY TÍNH THÁI NGUN 2015 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành chương trình cao học viết luận văn này, nhận hướng dẫn, giúp đỡ góp ý nhiệt tình q thầy trường Đại học Công nghệ thông tin truyền thông - Đại học Thái Ngun Trước hết, tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến TS Nguyễn Văn Đoàn, TS Lê Quang Minh hướng dẫn thực luận văn Xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy cô giáo, người đem lại cho tơi kiến thức bổ trợ vơ có ích năm học vừa qua Cũng xin gửi lời cám ơn chân thành tới Ban Giám hiệu, Phòng Đào tạo sau đại học, Đại học Công nghệ thông tin Truyền thông Thái Nguyên - Đại học Thái Ngun tạo điều kiện cho tơi q trình học tập Cuối xin gửi lời cám ơn đến gia đình, bạn bè, người ln bên tơi, động viên khuyến khích tơi q trình thực đề tài nghiên cứu Thái Nguyên, ngày tháng MỤC LỤC năm 2015 LỜI NÓI ĐẦU .4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG 1.1 Khái niệm độ tin cậy .6 1.1.1 Ý nghĩa độ tin cậy hệ thống 1.1.2 Định nghĩa độ tin cậy: 1.1.3 Những yếu tố ảnh hưởng độ tin cậy 1.2 Các tiêu độ tin cậy 10 1.2.1 Phần tử không phục hồi .10 1.2.2 Phần tử phục hồi 18 1.2.3 Cường độ hỏng: 21 Độ tin cậy hệ thống qua cấu trúc hệ thống 23 1.4 Các biện pháp nâng cao độ tin cậy hệ thống 30 1.4.1 Phương pháp dự phòng nóng 31 1.4.2 Phương pháp dự phòng lạnh 31 1.4.3 Phương pháp dự phòng hỗ hợp 31 1.4.4 Phương pháp dự phòng tích cực: 31 1.5 Kết luận 31 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY 33 2.1 Tổng quan toán đánh giá độ tin cậy hệ thống 33 2.2 Bài tốn tìm đường đồ thị hệ thống .34 2.2.1 Một số khái niệm: .34 2.2.2 Thuật tốn tìm tất đường ma trận liên kết .35 2.2.3 Thuật tốn tìm tất đường ma trận liên kết lý thuyết đồ thị 39 2.2.4 Kết luận 41 2.3 Bài toán tối thiểu toán tử logic .44 2.3.1 Biến đổi đại số 45 2.3.2 Phương pháp tối thiểu hóa theo thuật toán .46 2.4 Bài tốn xác định trực giao hóa toán tử logic .50 2.4.1 Phương pháp giảm thiểu hàm đại số logic hình thức trực giao trực giao khơng lặp .50 2.4.2 Các quy tắc chuyển đổi sang dạng xác suất dạng chuẩn tắc tuyển 53 2.4.3 Xây dựng chương trìnhtrực giao hóa hàm đại số logic 54 2.4.4 Kết luận: 56 CHƯƠNG 3: BÀI TOÁN TH ỰC NGHI ỆM ĐÁNH GIÁ H Ệ THỐNG 3.1 Phát biểu toán 58 3.2 Mơ hình dự phòng nâng cao độ tin cậy .60 3.2.1 Đặc tả hệ thống 60 3.2.2 Mơ hình tốn dự phòng nhân đơi ( Duplicate): 63 3.3 Kết luận: 68 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 69 Kết luận .69 Hướng phát triển 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 LỜI NÓI ĐẦU Đặt vấn đề: Vai trò quan trọng hệ thống thơng tin số quan, tổ chức hệ thống điều khiển đối tượng bay, hệ thống điều khiển nhà ga, sân bay, hệ thống điều khiển nhà máy điện, hệ thống giao dịch ngân hàng khẳng định, hệ thống thơng tin có cố nguyên nhân dẫn đến tai nạn thảm khốc, tổn thất lớn người của, ngày người áp dụng nhiều biện pháp nâng cao độ tin cậy cho hệ thống thông tin, có biện pháp dự phòng, bổ sung thêm thành phần dư thừa (dự phòng) hệ thống, bổ sung thêm chế quản lý để tăng độ tin cậy, tính sẵn sàng cho hệ thống Để nâng cao độ tin cậy hệ thống thông tin, cách tiếp cận ngày thường xuất phát từ việc bổ sung thêm số thành phần dư thừa, đảm bảo đáp ứng độ tin cậy hệ thống theo phương pháp dự phòng truyền thống nhiều nghiên cứu đề cập đến Với khả cho phép phần cứng chế kiểm tra, quản lý phần mềm, cuối năm kỷ XX đầu kỷ XXI có số nghiên cứu liên quan đến chế dự phòng Với mục tiêu tìm hiểu nghiên cứu việc tính tốn độ tin cậy hệ thống thơng tin, cách thức tổ chức hệ thống, chúng tơi lựa chọn đề tài “Một số thuật toán đánh giá độ tin cậy hệ thống” làm đề tài cho luận văn tốt nghiệp Mục đích nghiên cứu: Mục đích nghiên cứu đề tài tìm hiểu, nghiên cứu chế tổ chức, phương pháp dự phòng, thuật toán đánh giá độ tin cậy hệ thống thông tin Từ kết nghiên cứu áp dụng cho hệ thống thông tin xử lý tin nhắn phân tích, so sánh, đánh giá kết nâng cao độ tin cậy hệ thống Nhiệm vụ nghiên cứu: Xuất phát từ mục đích trên, nhiệm vụ đề tài đặt sau: - Tìm hiểu khái niệm liên quan đến độ tin cậy hệ thống, phương pháp tính độ tin cậy hệ thống tính tốn - Các phương pháp dự phòng, số thuật tốn tính tốn độ tin cậy hệ thống Cơ chế tổ chức hệ thống thơng tin theo phương pháp dự phòng Các thuật toán đánh giá độ tin cậy hệ thống theo cấu trúc hệ thống - Ứng dụng thuật toán đánh giá độ tin cậy hệ thống cho hệ thống thực tế Xây dựng chương trình thử nghiệm, phân tích đánh giá kết Phương pháp nghiên cứu: Sử dụng phối hợp phương pháp: - Phương pháp phân tích, tổng hợp lý luận: Nghiên cứu, tìm hiểu, phân tích tài liệu có liên quan đến độ tin cậy hệ thống phương pháp tính, đánh giá độ tin cậy hệ thống - Phương pháp sử dụng toán học: Sử dụng phương pháp xác suất thống kê, xử lý kết xây dựng đồ thị trực quan Ý nghĩa khoa học: Đề tài đưa phương án dự phòng truyền thơng Đồng thời phân tích, đánh giá thuật toán nhằm nâng cao độ tin cậy hệ thống thông tin giúp cho hệ thống tránh rủi ro cố lỗi xảy Cấu trúc luận văn: Chương - Tổng quan độ tin cậy hệ thống Chương – Thuật toán đánh giá độ tin cậy hệ thống Chương 3– Bài toán thực nghiệm đánh giá hệ thống CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG 1.1 Khái niệm độ tin cậy 1.1.1 Ý nghĩa độ tin cậy hệ thống Những sản phẩm kỹ thuật chế tạo sử dụng thời đại chúng ta, động cơ, máy, thiết bị trình sản xuất khí hóa tự động hóa, máy tính điện tử, người máy, kết cấu cơng trình mặt đất biển, phương tiện giao thông vận tải viễn thông, phương tiện thiết bị bay đảm nhận nhiệm vụ chức ngày cao đứng trước yêu cầu hồn thiện khơng ngừng tính chất khả làm việc chúng Những sản phẩm kỹ thuật thường bao gồm số phần tử điện Trong mối liên kết chặt chẽ ngành sản xuất xã hội với trình độ tự động hóa cao ngày nay, hư hỏng phần tử khơng gây thiệt hại riêng to lớn cho người Việc nâng cao khả làm việc sản phẩm kỹ thuật, khả chịu tải, chịu nhiệt, tốc độ, độ xác, hiệu xuất làm việc, mức độ tự động hóa, tuổi thọ, tính an tồn, đồng thời giảm kích thước, khối lượng v v, điều kiện định, trở thành vấn đề cấp bách cách mạng khoa học kỹ thuật thể giới nước Vấn đề độ tin cậy ngày quan tâm nghiên cứu lý thuyết ứng dụng rộng lớn nhà khoa học, kỹ sư, nhà kinh tế nhà tổ chức quản lý sản xuất lĩnh vực từ điện tử, khí, xây dựng, nghành nơng nghiệp, giao thơng vận tải, tới sinh học y học Giải vấn đề độ tin cậy trở thành nhiệm vụ có ý nghĩ quan trọng hàng đầu, nhằm khai thác nguồn dự trữ lớn lao, nâng cao hiệu lao động, lực sản lao động sức sản xuất xã hội Với đặc thù phương pháp luận mình, nghiên cứu độ tin cậy làm xuất lĩnh vực khoa học kỹ thuật bên cạnh khoa học khác: khoa học độ tin cậy 1.1.2 Định nghĩa độ tin cậy: Độ tin cậy P(t) của hệ thống xác suất để suốt khoảng thời gian khảo sát t hệ thống vận hành an tồn P(t) định nghĩa biểu thức sau: P(t) = P{ ≥ t} Trong đó: (1.1) -  thời gian liên tục vận hành an toàn phần tử Biểu thức phần tử muốn vận hành an toàn khoảng thời gian t giá trị t phải bé giá trị quy định  Đồng thời biểu thức phần tử vận hành an tồn với xác suất (0 ≤ P ≤ 1) suốt khoảng thời gian t Khi bắt đầu vận hành nghĩa thời điểm t = 0, phần tử hoạt động tốt nên P(0)= Ngược lại thời gian kéo dài, khả vận hành an toàn phần tử giảm tới t∞ theo quy luật phát triển vật chất tác động tàn phá thời gian, định phần tử phải hỏng đó P(∞) = 1.1.3 Những yếu tố ảnh hưởng độ tin cậy Phân biệt theo loại: Các yếu tố ảnh hưởng tới độ tin cậy phân thành yếu tố kỹ thuật yếu tố kinh tế-kỹ thuật Các yếu tố Kỹ thuật trình vật lý khác hư hỏng Các trình dẫn tới biến đổi kích thước, hình dạng, trật tự hình học tương đối phận Về chất lượng bề mặt tính chất khác sản phẩm Cơ chế dự phòng nhân đơi: - Với máy chủ chính, xây dựng máy chủ dự phòng kết nối trực tiếp với máy chủ - Các máy chủ dự phòng thay cho máy chủ xác định trước thay cho máy chủ khác hệ thống Như với toán sử dụng máy chủ dự phòng cho cơng ty HOYA sơ đồ máy chủ có dạng: Hình : S đồ dự phòng nhân đơi u cầu củ a tốn : Tính xác su ất đ ể hệ thống ho ạt động t rong kho ảng thời gi an t Trong đó: - X1 , X2: máy chủ - X1 ’, X2 ’: má y chủ d ự phòng Giả sử để máy trạm nhận tín hiệu từ server có trường hợp xảy Máy trạm nhận tín hiệu từ máy chủ x1, x2 Khi máy chủ x1 có máy chủ dự phòng x1’, x2 có máy chủ dự phòng x2’ Khi máy trạm nhận tín hiệu từ máy chủ x1, x2 với hàm đánh giá độ tin cậy có dạng: F(x ) = x x ˅ x x ’ ˅ x ’.x ˅ x ’.x ’ Theo Poreskey mô t ả ch ương , mụ c ch u yển d ạng chu ẩn tắc tu yển sau: F(x) = K1 ˅ K2 ˅ K3 ˅ K4 = K1 ˅ �̅̅1̅ K ˅ �̅̅1̅ �̅̅2̅.K3 ˅ �̅̅1̅ �̅̅2̅ �̅̅3̅ K (* ) Trong đó: K = x x K = x x ’ K = x ’.x K = x ’.x ’ K̅ ̅1̅’ = x̅1 ˅ x1 x̅̅2̅ K̅ ̅2̅ = x̅̅2̅ ˅ x1 x̅̅2̅’ K̅ ̅3̅ = x̅1 ′ ˅ x1 ′ x̅̅2̅ Từ (*) ta có: K̅ ̅1̅.K = ( x̅̅2̅ ˅ x x )(x x ’) = x x̅̅2̅ x2’ K̅ ̅1̅ ˅ x1 x̅̅2̅ )( ˅ x1 x̅̅2̅’ ) x1’.x2 x̅1 K̅ ̅2̅.K3 = ( x̅1 = { [ (x̅1 ˅ x1 x̅̅2̅ ) x̅1 ] ˅ [ ( x̅1 ˅ x1 x̅̅2̅ ).x1 x̅̅2̅’] } x1’ x2 = ( x̅1 ˅ x1 x̅̅2̅ x̅̅2̅′ ).x1’.x2 = x̅1 x1’ x2 K̅ ̅1̅ K̅ ̅2̅ K̅ ̅3̅ K = ( x̅1 ˅ x1 x̅̅2̅ x̅̅2̅′ ).( x̅1 ′ ˅ x1’ x̅̅2̅ ).x1’.x2’ = [ (x̅1 ˅ x1 x̅̅2̅ x̅̅2̅′ ) x̅1 ′ ˅ ( x̅1 ˅ x1 x̅̅2̅ x̅̅2̅′ ).x1’ x̅̅2̅′ ].x1’.x2’ = [x̅1 x̅1 ’ ˅ x1 x̅̅2̅ x̅̅2̅′ x̅1 ’ ˅ x̅1 ’.x1’ x̅̅2̅′ ˅ x1 x̅̅2̅.x1’ x̅̅2̅′ ].x1’.x2’ = x1’ x2’ x̅1 x̅̅2̅′ Vậy: F(x) = x1.x2 ˅ x x̅̅2̅.x2’ ˅ x̅1 x1’ x2 ˅ x1’ x2’ x̅1 x̅̅2̅′ Ta giả định độ tin cậy máy chủ P Khi đó: P(x1) = P(x2) = P(x1’) = P(x2’) = P P(�̅̅1̅) = P(�̅̅2̅) = P( �̅̅1̅′ ) = P( �̅̅2̅′ ) = 1- P Khi độ tin cậy hệ thống là: Psystem = P + P (1 - P) + P (1 - P) + P (1 P) = P + P – 2P + P (1 - P + P ) = P – 2P + P – 2P + P = P – 4P + P (I) Mà theo lý thu yết ch ương – [1 ], q ua sơ đồ hình ta thấy s đồ ho ạt động máy ch ủ cô ng t y HOYA theo mô h ình song song – hệ thống song song thất bại t ất ph ần t ng ừng làm vi ệc, độ t in cho hệ song song s ẽ là: � �� (�) = − �� (�) = − ∏(1 − � −�� � ) ��=1 = − (1 − �1 )(1 − �2 ) … (1 − �� ) = 2P – P2 (II) Ta xử lý tiếp kết thu sau sử dụng hàm trực giao hoá cách thay Pi = exp(-λi *t) Trong λi cường độ hỏng hóc máy chủ thứ i Giả sử: i = 10-5 (1/giờ) Theo Poisson: P =  −�� Vậy ta phải tính xác suất hệ thống hoạt động an tồn máy chủ chưa có dự phòng, kí hiệu P(t) có máy chủ dự phòng kí hiệu P1(t) Hình 3.5 thể giá trị xác suất hệ thống phần trăm giá trị độ tin cậy sử dụng máy chủ dự phòng t(giờ) P(t) P1(t) ((P1(t)P1(t))*100/P(t) Ghi 1.0 1.0 1.0 0% 100 0.998 0.999 0.16% 500 0.994 0.998 0.79% 1000 0.989 0.997 1.57% 4000 0.959 0.992 5.84% 8760 0.909 0.985 11.61% Năm 17520 0.817 0.948 19.00% Năm 26280 0.727 0.896 23.09% Năm 35040 0.642 0.832 24.58% Năm 43800 0.563 0.763 26.32% Năm Hình 3.5 Bảng giá trị xác suất P(t), P1(t) phần trăm giá trị độ tin cậy tăng lên sử dụng phần tử dự phòng Sơ đồ hình 3.6 thể liên quan P(t), P1(t) thời gian t: 1.0 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 P(t) 0.3 P1(t) 0.2 0.1 0.0 1.0 100 500 1000 4000 8760 17520 26280 35040 43800 Hours Hình 3.6: Sự phụ thuộc P(t) vào thời gian t Dựa vào biểu đồ ta thấy sử dụng phần tử dự phòng độ tin cậy hệ thống tăng 11.61% cho năm đầu 26.32% cho năm Điều với thực tế kỳ vọng Theo số nghiên cứu linh kiện điện tử sử dụng để cấu thành lên thiết bị máy tính có chu kì vòng đời khoảng năm, tức sau thời gian đó, thiết bị không hoạt động với hiệu suất mong muốn cần thiết phải thay Với chi phí kinh tế cho việc vận hành thêm máy chủ, kèm theo phí quyền phần mềm máy chủ, lượng điện tiêu thụ cho thiết bị, chi phí vận hành, bảo trì, quản trị việc áp dụng phương án tùy thuộc vào điều kiện yêu cầu đơn vị 3.3 Kết luận: Với việc xây dụng thành cơng tốn tính độ tin cậy ta nghiên cứu độ tin cậy khả sống sót hệ thống, thơng qua kết tốn thấy kết hoàn toàn phù hợp với mong đợi chúng ta, điều có nghĩa tốn ta phát triển làm việc cách xác sở cho việc phát triển phần mềm tính tốn độ tin cậy hệ thống phức tạp Qua ví dụ cụ thể chứng minh điều thành phần hệ thống đóng vai trò vơ quan trọng, độ tin cậy khả sống sót hệ thống phụ thuộc vào chúng Việc loại bỏ bớt thành phần hệ thống làm cho hệ thống hoạt động an toàn KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Luận văn đưa phân tích lý thuyết liên quan đến độ tin cậy hệ thống xây dựng thành cơng tốn ứng dụng giải số liên quan đến độ tin cậy hệ thống, bao gồm việc xây dựng toán, giai đoạn giải toán, thuật toán phát triển trình tìm đường đồ thị, tối thiểu hoá toán tử logic, phương pháp trực giao hoá quy tắc để chuyển đổi hàm xác suất để tính tốn giá trị cần tìm Hướng phát triển Nghiên cứu toán để xây dựng phần mềm giải tốn tính tốn độ tin cậy hệ thống đáp ứng yêu cầu với hệ thống ngày phức tạp cần có đầu tư nghiên cứu sâu Có thể phát triển phần mềm theo số hướng sau: Giao diện phần mềm xây dựng theo hướng đồ hoạ để tăng hiệu tương tác người hệ thống làm việc File liệu output input lớn hệ thống lớn nên nghiên cứu hướng lưu trữ sở liệu SQL, Oracle sở liệu khác TÀI LIỆU THAM KHẢO I.Tiếng Việt Đỗ Đức Giáo (2008), Toán rời rạc, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, tr.492-495, 496-498 Trần Diên Hiển, Vũ Viết Yên (2005), Nhập mơn lý thuyết xác suất thống kê tốn, Nhà xuất Đại học Sư phạm, Hà Nội, tr16, 31 Phạm Thị Thanh Hồng, Phạm Minh Tuấn (2006), Hệ thống thông tin quản lý, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật Hà Nội, tr.23, 24 Phan Văn Khôi (2001), Cơ sở đánh giá độ tin cậy, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, tr9, tr13, tr33-37, tr180-185, tr188-196 Lê Quang Minh, Lê Khánh Dương, Phạm Anh Khiêm (06/2014), “Đảm bảo độ tin cậy hệ thống phương pháp dự phòng truyền thống dự phòng bảo vệ tích cực”, báo cáo tham dự Hội nghị Nghiên cứu ứng dụng công nghệ thông tin (FAIR) 2014 Nguyễn Duy Việt (4/2011), “Tính độ tin cậy hệ thống khơng phục hồi”, tạp chí Khoa học Giao thơng Vận tải, tr2-4 Lê Thị Hải Yến (2012), Các phương pháp đánh giá độ tin cậy hệ thống tính tốn qua cấu trúc hệ thống, Luận văn Thạc sĩ Công nghệ phần mềm, Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội II Tiếng Anh Carlo Kopp (1996), System Reliability and metrics of Reliability, Peter Harding & Associates Pty Ltd, pp.5-7, 8,9 Mahesh Pandey, Mikko Jyrkama (2008), System Reliability Analysis,University of Waterloo, pp.2-5, 23 72 Số hóa Trung tâm Học liệu – ĐHTN http://www.lrc.tnu.edu.vn ... toán đánh giá độ tin cậy hệ thống Chương 3– Bài toán thực nghiệm đánh giá hệ thống CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG 1.1 Khái niệm độ tin cậy 1.1.1 Ý nghĩa độ tin cậy hệ thống Những... Các thuật tốn đánh giá độ tin cậy hệ thống theo cấu trúc hệ thống - Ứng dụng thuật toán đánh giá độ tin cậy hệ thống cho hệ thống thực tế Xây dựng chương trình thử nghiệm, phân tích đánh giá. .. 31 CHƯƠNG 2: MỘT SỐ THUẬT TOÁN ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY 33 2.1 Tổng quan toán đánh giá độ tin cậy hệ thống 33 2.2 Bài tốn tìm đường đồ thị hệ thống .34 2.2.1 Một số khái niệm: