Độ tin cậy có vai trò then chốt trong sự phát triển kỹ thuật, nâng cao độ tin cậy giúp tránh được các sự cố có thể xảy đối với hệ thống. Trong lý thuyết về độ tin cậy của hệ thống đã có nhiều phương pháp khác nhau được đưa ra nhằm giải một bài toán duy nhất – tăng độ tin cậy của một hệ thống từ những thành phần không tin cậy: dự phòng truyền thống, dự phòng bảo vệ tích cực … Trong bài báo này, chúng tôi đưa ra giải pháp kết hợp hai cấu trúc dự phòng để đem lại độ tin cậy cao hơn của hệ thống.
Lê Quang Minh Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CÔNG NGHỆ 122(08): 59 - 66 PHÁT TRIỂN CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰ PHÒNG NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG Lê Quang Minh1, Triệu Xuân Hòa2*, Trần Thanh Thương3 1Viện Công nghệ thông tin – Trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội 2Trường Đại học Nông Lâm – ĐH Thái Nguyên, 3Đại học Thái Ngun TĨM TẮT Độ tin cậy có vai trò then chốt phát triển kỹ thuật, nâng cao độ tin cậy giúp tránh cố xảy hệ thống Trong lý thuyết độ tin cậy hệ thống có nhiều phương pháp khác đưa nhằm giải toán – tăng độ tin cậy hệ thống từ thành phần khơng tin cậy: dự phòng truyền thống, dự phòng bảo vệ tích cực … Trong báo này, đưa giải pháp kết hợp hai cấu trúc dự phòng để đem lại độ tin cậy cao hệ thống Từ khóa: độ tin cậy, dự phòng truyền thống, bảo vệ chủ động tích cực ĐẶT VẤN ĐỀ* Độ tin cậy đặc tính then chốt phát triển kỹ thuật, đặc biệt xuất hệ thống phức tạp nhằm hoàn thành chức quan trọng lĩnh vực khác Dựa vào độ tin cậy hệ thống giúp có kế hoạch bảo trì, dự phòng, nâng cao độ tin cậy tránh cố xảy Hiện nay, hệ thống tính tốn kỹ thuật dần ứng dụng rộng rãi lĩnh vực hoạt động khác đời sốngxã hội.Các hệ thốngnày biết đến nhiều lĩnh vực: hệ thống kiểm soát nhà máy điện hạt nhân, hệ thống máy tính hệ thống ngân hàng, cơng ty chứng khốn, hệ thống máy tính máy bay, hệ thống thơng tin liên lạc vệ tinh, Những hệ thống cần phải có khả phục hồi khả tồn suốt thời gian hoạt động hệ thống Lý thất bại hệ thống gây tổn thất lớn kinh tế, để lại hậu nghiêm trọng Trong lý thuyết độ tin cậy hệ thống có nhiều phương pháp khác đưa nhằm giải toán – tăng độ tin cậy hệ thống từ thành phần không tin cậy Tài liệu [3] [4] xét đến * Tel: 0944 550007 cấu trúc khác hệ thống với thành phần dự phòng, nhằm bổ sung độ tin cậy như: cấu trúc dự phòng truyền thống; cấu trúc dự phòng bảo vệ tích cực – gọi cấu trúc dự phòng bảo vệ chủ động Trong nội dung báo này, nghiên cứu đưa giải pháp kết hợp hai cấu trúc dự phòng đểđem lại độ tin cậy hệ thống cao việc sử dụng cấu trúc dự phòng truyền thống NỘI DUNG Xét mơ hình hệ thống mạng máy tính có cấu trúc dạng gồm cấp: cấp độ có vi xử lý kiểm soát, cấp độ thứ hai có hai vi xử lý điều khiển, cấp độ thứ ba có năm vi xử lý liệu hình Hình 1: Mơ hình hệ thống mạng máy tính Để thuận lợi cho việc quan sát mơ hình máy tính trên, giả định vị trí vi xử lý dự phòng coi node mơ hình thực nghiệm Ký hiệu: : node gốc (vi xử lý hệ thống) : node dự phòng (vi xử lý dự phòng) Chúng ta xem xét ba phương pháp lựa chọn để cải thiện độ tin cậy hệ thống “không phục hồi” [2] trì hiệu nó: 59 Lê Quang Minh Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 122(08): 59 - 66 1) Sử dụng biến thể phần cứng theo phương pháp dự phòng truyền thống 1: khả phát xác xác suất thất bại cặp 2) Lựa chọn với đời chi nhánh bổ sung cấu trúc hệ thống cho việc tổ chức hoạt động bảo vệ: Dự phòng bảo vệ tích cực (Actice Protection - AP) Theo định nghĩa độ tin cậy hệ thống [1] ta có: p = p(t); q = 1-p Với ký hiệu biểu cho khả hệ thống, cặp coi hệ thống gồm hai phần tử độc lập mắc song song X1, X2 với xác suất hoạt động an toàn p Khi ta có độ tin cậy (sơ cấp lưu) [5] cặp vi xử lý Ps: 3) Sử dụng phương pháp lựa chọn kết hợp Mơ hình tốn sử dụng dự phòng truyền thống Với mơ hình tốn hệ thống máy tính trình bày sử dụng mơ hình dự phòng để đánh giá mức độ tin cậy hệ thống máy tính Cấu hình hệ thống tương ứng với tùy chọn nghiên cứu phương pháp dự phòng truyền thống [5] thể hình Giả định tất vi xử lý kiểm soát xử lý hệ thống đồng nhất, trùng lặp tất tải: P(X1vX2) = P(X1) + Q(X1).P(X2) = p + (1 p).p = 2p - p2 = 2p(1 - p) + p2 = 2pq + p2 Với 1 xác suất thất bại cặp nên ta có: Ps=21pq + p2 (1) Sau chuyển đổi (1) ta có: Từ cấu hình hệ thống với vi xử lý dự phòng biểu thị cho khả hoạt động khơng có thất bại hệ thống viết sau: Ký hiệu: p: khả hoạt động khơng có thất bại xử lý q: xác suất thất bại xử lý Hình 2: Cấu hình hệ thống với dự phòng 1: Cấu hình ban đầu; 2-9: Cấu hình với dự phòng 60 Lê Quang Minh Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ Trong đó: Pi - xác suất thất bại phần tử thứ i (bộ xử lý) hệ thống N - số lượng vi xử lý hệ thống d - số lượng cặp vi xử lý hệ thống Từ biểu thức (2), nhận biểu thức xác suất hoạt động khơng có thất bại cấu hình hệ thống cho hình ; 122(08): 59 - 66 khơng bảo vệ chủ động Do đó, xác suất thất bại hệ thống phần – p5 Tính tốn xác suất hoạt động khơng thất bại cho phần bị bắt lớp AP bao gồm bốn vi xử lý Nguyên tắc linh hoạt AP - tức cách AP xác định lại vi xử lý kiểm soát kiểm soát ưu tiên thấp sử dụng Rõ ràng khả hoạt động khơng có thất bại phần hệ thống Рh tổng xác suất hoạt động bốn vi xử lý (р4) xác suất hoạt động ba số bốn vi xử lý Trong đó: α1AP - phát xác suất thất bại tầng AP xảy Biểu thức cuối biểu thị cho khả hoạt động khơng có thất bại hệ thống với cấu hình số 10 viết sau: Tương tự vậy, biểu thức thể cho khả hoạt động thất bại hệ thống với cấu hình số 11: Mơ hình tốn dự phòng bảo vệ tích cực Cùng với mơ hình tốn hệ thống máy tính trên, sử dụng phương án thứ hai – áp dụng dự phòng bảo vệ tích cực (AP) [5] cho hệ thống Các cấu hình hệ thống áp dụng APđược thể hình Chúng ta xem xét cấu hình thể cho khả hoạt động khơng có thất bại cấu hình số 10, thể hình Số xử lý khơng dự phòng hệ thống mà 11 10 14 Giả định α2АP - khả phát xác suất thất bại cho hai cấp AP Hệ thống sau thất bại hai cấp độ AP chuyển thành đơn cấp AP Ngoài ra, giả định đơn cấp AP hệ biến đổi hai cấp AP ban đầu hai cấp AP tạo với việc sử dụng nguyên tắc linh hoạt AP - tức AP xác định lại vi xử lý kiểm soát kiểm soát ưu tiên thấp 12 15 13 16 Hình 3: Cấu hình hệ thống với AP 61 Lê Quang Minh Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 122(08): 59 - 66 Cho giả định ký hiệu nhận biểu thức tính xác suất khả hoạt động hệ thống khơng có thất bại với cấu hình số 12, 13 sau: Giả định α3АP - khả phát xác suất thất bại cho ba cấp AP Hệ thống sau thất bại ba cấp độ AP chuyển thành hai cấp AP, thất bại hai cấp độ AP chuyển thành đơn cấp AP Với giả định ký hiệu trên, ta nhận biểu thức tính xác suất khả hoạt động hệ thống khơng có thất bại cấu hình 14-16 sau: Với ; Đề xuất mơ hình tốn kết hợp dự phòng truyền thống dự phòng bảo vệ tích cực Cấu hình tương ứng với kết hợp xây dựng phương án chịu lỗi hệ thống hiển thị hình 17 20 18 21 19 22 Hình 4: Cấu hình hệ thống với AP nhân Cho giả định ký hiệu viết biểu thức tính xác suất khả hoạt động hệ thống khơng có thất bại với cấu hình số 17-23: Với 62 Lê Quang Minh Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 122(08): 59 - 66 Tương ứng với cấu hình hệ thống số 1-22, ta xác định đượccác biểu thức xác suất hoạt động khơng có thất bại hệ thống P [1] – P[22] Với P[1] – P[9]: biểu thức xác suất hoạt động khơng có thất bại cấu hình hệ thống áp dụng phương pháp dự phòng truyền thống; P[10] – P[16]: biểu thức xác suất hoạt động khơng có thất bại cấu hình hệ thống áp dụng AP P[17] – P[22]: biểu thức xác suất hoạt động thất bại cấu hình hệ thống áp dụng kết hợp dự phòng truyền thống AP Khi tính tốn xác suất P[i] (i = 22) sử dụng đầu vào sau: thời gian hoạt động phân phối xác suất vi xử lý hệ thống tương ứng với theo cấp số nhân P(t) = exp(-λt); tỷ lệ thất bại λ = 7*10-7 h-1 [2]; α1АP =0,8; α2АP =1-(1- α1АP)2=0,96; α3АP =1-(1- α1АP)3= 0,992; α1=0,8; thời gian hoạt động hệ thống - 61.320 (7 năm) Với đầu vào trên, ta có bảng xác suất hoạt động khơng có thất bại hệ thống tương ứng với cấu sau Cấu hình năm năm năm năm năm năm năm Số 0,9521 0,9065 0,8631 0,8218 0,7825 0,7450 0,7094 Số 0,9556 0,9133 0,8728 0,8341 0,7971 0,7618 0,7280 Số 0,9592 0,9200 0,8825 0,8465 0,8120 0,7789 0,7472 Số 0,9627 0,9268 0,8923 0,8591 0,8272 0,7964 0,7668 Số 0,9663 0,9337 0,9023 0,8719 0,8426 0,8143 0,7870 Số 0,9698 0,9406 0,9123 0,8849 0,8584 0,8326 0,8077 Số 0,9734 0,9476 0,9225 0,8981 0,8744 0,8514 0,8290 Số 0,9770 0,9546 0,9327 0,9115 0,8907 0,8705 0,8508 Số 0,9806 0,9617 0,9431 0,9250 0,9074 0,8901 0,8732 Số 10 0,9649 0,9309 0,8978 0,8656 0,8345 0,8042 0,7749 Số 11 0,9732 0,9467 0,9207 0,8950 0,8697 0,8449 0,8205 Số 12 0,9769 0,9541 0,9316 0,9094 0,8876 0,8662 0,8450 Số 13 0,9795 0,9594 0,9395 0,9198 0,9005 0,8814 0,8625 Số 14 0,9805 0,9613 0,9424 0,9237 0,9054 0,8873 0,8696 Số 15 0,9764 0,9524 0,9280 0,9035 0,8788 0,8540 0,8294 Số 16 0,9901 0,9797 0,9686 0,9568 0,9444 0,9313 0,9177 Số 17 0,9758 0,9500 0,9230 0,8951 0,8666 0,8378 0,8089 Số 18 0,9805 0,9611 0,9420 0,9230 0,9042 0,8856 0,8673 Số 19 0,9841 0,9684 0,9529 0,9375 0,9223 0,9073 0,8924 Số 20 0,9877 0,9754 0,9631 0,9507 0,9383 0,9259 0,9135 Số 21 0,9800 0,9594 0,9384 0,9169 0,8952 0,8732 0,8512 Số 22 0,9938 0,9869 0,9794 0,9711 0,9620 0,9523 0,9418 Phân tích giá trị bảng cho thấy ưu điểm việc sử dụng AP so với dự phòng truyền thống với số vi xử lý cần thiết Ví dụ: cấu hình cấu hình 12 sử dụng vi xử lý dự phòng, độ tin cậy cấu hình sau năm 0,7668 cấu hình 12 đạt độ tin cậy 0,8450 Có thể nhận thấy, với số lượng thiết bị dự phòng, AP kiểm soát bao gồm hầu hết phần hệ thống (hoặc phát lỗi nhiều khả năng), làm tăng khả quan sát hệ 63 Lê Quang Minh Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 122(08): 59 - 66 thống cung cấp gọi phòng ảo - phòng vi xử lý với phần tử dự phòng nâng cao khả kiểm sốt hệ thống Với cấu hình số 12, ta áp dụng kết hợp dự phòng truyền thống AP, ta có cấu hình 18, 20 với độ tin cậy tăng lên 0,8673 0,9135 Hình cho thấy đồ thị xác suất khả hoạt động khơng có thất bại hệ thống với cấu hình số 1, số 4, số 12, số 18, số 20 theo thời gian Hình 5: Đồ thị xác suất khả hoạt động khơng có thất bại hệ thống với cấu hình số 1, số 4, số 12, số 18, số 20 theo thời gian Tiếp tục xem xét trường hợp nhân ba cấu hình số 20,thể hình 22 23 24 Hình 6: Cấu hình hệ thống với AP nhân dự phòng chập ba Biểu thị РТР - xác suất vi xử lý ba trường hợp dự phòng chập ba; 2- phát xác suất thất bại vi xử lý trường hợp dự phòngchập ba Chúng tin sau phát thất bại xử lý dự phòng chập ba chuyển đến trùng lặp với khả phát xác thất bại cặp 1 Cho giả định ký hiệu, tương tự: Biểu cho khả hoạt động khơng có thất bại hệ thống với cấu hình số 23-24 tính sau: Cấu hình số 23, 24 cung cấp khả hoạt động khơng có thất bại hệ thống 0,9222 0,9390 Hình cho thấy đồ thị xác suất hoạt động thất bại hệ thống với cấu hình số 1, số 20, số 23, số 24 64 Lê Quang Minh Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 122(08): 59 - 66 Hình 7: Đồ thị xác suất khả hoạt động khơng có thất bại hệ thống với cấu hình số 1, số 20, số 23, số 24 theo thời gian So với cấu hình ban đầu, hệ thống sau dự phòng với AP kết hợp nhân (cấu hình số 20, số 22, số 23, số 24) có độ tin cậy tăng từ 28,78% - 32,77% Hiệu so với việc áp dụng dự phòng truyền thống dự phòng bảo vệ tích cực KẾT LUẬN Bài báo đưa phương pháp tiếp cận hợp lý để nâng cao độ tin cậy hệ thống sử dụng phương pháp dự phòng truyền thống phương pháp dự phòng tích cực (nhân ba) vi xử lý kiểm soát kết hợp với vi xử lý bảo mật liệu hoạt động cấp độ cao Kết đánh giá cho thấy xác suất độ tin cậy hệ thống suốt năm không nhỏ 0,9 đảm bảo độ tin cậy hệ thống:So với cấu hình ban đầu (cấu hình 1, độ tin cậy hệ thống sau năm đạt: 0,7094), hệ thống sau dự phòng (cấu hình số 16, số 20, số 23, số 24, số 22) có độ tin cậy đạt khoảng 0,9177 – 0,9418 (tăng từ 28,78% 32,77%) Hiệu so với việc áp dụng dự phòng truyền thống dự phòng bảo vệ tích cực Việc phân tích hiệu độ tin cậy hệ thống ứng dụng phương pháp bảo vệ chủ động nhằm chống lại thất bại việc kiểm soát phân cấp hệ thống tính tốn thời gian thực - thể cho khả hoạt động khơng có thất bại hệ thống với cấu hình khác TÀI LIỆU THAM KHẢO Phan Văn Khôi (2001), Cơ sở đánh giá độ tin cậy, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật Nguyễn Duy Việt (4/2011), “Tính độ tin cậy hệ thống khơng phục hồi”, tạp chí Khoa học Giao thơng Vận tải, tr2-4 Шубинский И.Б и др «Активная защита от отказов управляющих модульных вычислительных систем» //СПб.:Наука, 1993, -284с Иыуду К.А «Расчет надежности вычислительных и управляющих машин и систем летательных аппаратов» // М.: МАИ, 1978, - 55с Le Quang Minh, Романовский А.С., к.т.н., доц, (2007) “ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТОДОВ АКТИВНОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ОТКАЗОВ В ИЕРАРХИЧЕСКИХ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ” 65 Lê Quang Minh Đtg Tạp chí KHOA HỌC & CƠNG NGHỆ 122(08): 59 - 66 SUMMARY DEVELOPMENT OF PROVISION METHOD TO ENHANCE SYSTEM RELIABILITY Le Quang Minh1, Trieu Xuan Hoa2*, Tran Thanh Thuong3 2College 1College of Engineering and Technology – VNU, of Agriculture and Forestry – TNU, 3Thai Nguyen University Reality plays an important role in technical development, enhancing reality can prevent some problems in the system In theory of system reality, lots of solutions have been proposed to enhance reality of a system from unreality components: traditional standby, active protection standby In this article, both standby solutions are combined to get an optimal reality system Keywords: Reliability, Traditional Standby, Active Protection Ngày nhận bài:12/7/2014; Ngày phản biện:26/7/2014; Ngày duyệt đăng: 25/8/2014 Phản biện khoa học: TS Vũ Đức Thái – Trường Đại học Công nghệ Thông tin & Truyền thông - ĐHTN * Tel: 0944 550007 66 ... 24) có độ tin cậy tăng từ 28,78% - 32,77% Hiệu so với việc áp dụng dự phòng truyền thống dự phòng bảo vệ tích cực KẾT LUẬN Bài báo đưa phương pháp tiếp cận hợp lý để nâng cao độ tin cậy hệ thống. .. truyền thống Với mơ hình tốn hệ thống máy tính trình bày sử dụng mơ hình dự phòng để đánh giá mức độ tin cậy hệ thống máy tính Cấu hình hệ thống tương ứng với tùy chọn nghiên cứu phương pháp dự phòng. .. phương pháp dự phòng truyền thống phương pháp dự phòng tích cực (nhân ba) vi xử lý kiểm soát kết hợp với vi xử lý bảo mật liệu hoạt động cấp độ cao Kết đánh giá cho thấy xác suất độ tin cậy hệ