Nghiên cứu các phương pháp nâng cao độ tin cậy cho hệ thống tính toán qua cấu trúc hệ thống : Luận văn ThS.Công nghệ thông tin : 60 48 01 03

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN ANH KHIÊM NGHIÊN CỨU CÁC PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY CHO HỆ THỐNG TÍNH TỐN QUA CẤU TRÚC HỆ THỐNG LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN Hà Nội – 2014 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ NGUYỄN ANH KHIÊM NGHIÊN CỨU CÁC PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY CHO HỆ THỐNG TÍNH TỐN QUA CẤU TRÚC HỆ THỐNG Ngành: Công nghệ Thông tin Chuyên ngành: Kỹ thuật phần mềm Mã số: 60480103 LUẬN VĂN THẠC SĨ CÔNG NGHỆ THÔNG TIN NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: TIẾN SĨ LÊ QUANG MINH Hà Nội – 2014 LỜI CẢM ƠN Để hồn thành chương trình khóa cao học viết luận văn này,tôi nhận hướng dẫn, giúp đỡ góp ý nhiệt tình q thầy trường Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội Trước hết, tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến TS Lê Quang Minh – người hướng dẫn thực luận văn Thầy cung cấp cho kiến thức, tài liệu, phương pháp nghiên cứu vấn đề mang tính khoa học giúp đưa ý tưởng làm luận văn Xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành tới thầy cô giáo Bộ môn Kỹ thuật phần mềm, Khoa Công nghệ Thông tin, người đem trí tuệ, cơng sức truyền đạt lại cho kiến thức học tập vơ có ích năm học vừa qua Cũng xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban Giám hiệu Nhà trường, Phòng Đào tạo sau đại học, Đại học Công nghệ - Đại học Quốc gia Hà Nội tạo điều kiện tốt cho chúng cho tơi suốt q trình học tập Cuối tơi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, bạn bè, người bên tôi, động viên khuyến khích tơi q trình thực đề tài nghiên cứu Hà Nội,ngày 09tháng 06 năm 2014 Học viên Nguyễn Anh Khiêm LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan nội dung kiến thức trình bày luận văn tơi tìm hiểu tài liệu, nghiên cứu trình bày theo cách hiểu thân dƣới hƣớng dẫn trực tiếp TS.Lê Quang Minh Các nội dung nghiên cứu kết thực nghiệm đề tài hoàn toàn trung thực Trong q trình làm luận văn, tơi có tham khảo đến số tài liệu liên quan tác giả, tôiđã ghi rõ nguồn gốc tài liệu tham khảo đƣợc liệt kê phần tài liệu tham khảo cuối luận văn Học viên Nguyễn Anh Khiêm MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ CHƢƠNG 1: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11 1.1 Khái niệm độ tin cậy 11 1.1.1 Tổng quan độ tin cậy 11 1.1.2 Định nghĩa độ tin cậy 11 1.2Những khái niệm 12 1.2.1 Phần tử không phục hồi 12 1.2.2 Phần tử phục hồi 17 1.3Phƣơng pháp tính giá độ tin cậy hệ thống qua cấu trúc hệ thống 20 1.3.1 Sơ đồ khối tin cậy hệ thống 20 1.3.2 Hệ thống phần tử nối tiếp 21 1.3.3 Hệ thống phần tử song song 23 1.4 Phƣơng pháp đánhgiá độ tin cậy hệ thống qua cấu trúc hệ thống 24 1.4.1Phƣơng pháp đồ thị giải tích 24 1.4.2Bài tốn tìm đƣờng đồ thị hệ thống 25 1.4.2.1 Thuật toán chuyển đổi sơ đồ cấu trúc logic thành sơ đồ khối 25 1.4.2.2Thuật toán chuyển đổi sơ đồ cấu trúc logic sang đồ thị liên kết 26 1.4.2.3 Thuật toán tìm tất đƣờng ma trận liên kết 26 1.4.2.4 Thuật tốn tìm tất đƣờng ma trận liên kết theo lý thuyết đồ thị 29 1.4.3Bài toán tối thiểu phần tử logic 30 1.4.4 Bài tốn xác định trực giao hóa toán tử logic 31 1.4.4.1Các phƣơng pháp giảm thiểu hàm đại số logic hình thức trực giao trực giao khơng lặp 32 1.4.4.2Các quy tắc chuyển đổi hàm logic sang dạng xác suất dạng chuẩn tắc tuyển 34 1.5 Kết luận 34 CHƢƠNG 2: NHỮNG PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY CỦA HỆ THỐNG 36 2.1 Tổng quan phƣơng pháp nâng cao độ tin cậy 36 2.1.1 Ý nghĩa 36 2.1.2 Lĩnh vực ứng dụng 38 2.2 Hệ thống dự phịng có tải 40 2.3 Hệ thống dự phịng khơng tải 42 2.4 Hệ thống dự phòng nhẹ tải 46 2.5 Hệ thống dự phòng bảo vệ tích cực 49 2.6 Phƣơng pháp nâng cao độ tin cậy phần mềm 50 2.6.1 Tổng quan độ tin cậy phần mềm 50 2.6.2 Kỹ thuật cải thiện độ tin cậy phần mềm 52 2.7 Kết luận 55 CHƢƠNG 3: XÂY DỰNG PHƢƠNG PHÁP NÂNG CAO ĐỘ TIN CẬY CHO HỆ THỐNG MÁY CHỦ DỰ PHÒNG 57 3.1 Đặt vấn đề 57 3.2 Phát biểu toán 58 3.3 Mơ hình hệ thống dự phòng nâng cao độ tin cậy 60 3.3.1 Mơ hình tốn dự phòng truyền thống 60 3.3.2 Mơ hình tốn hệ thống dự phịng bảo vệ tích cực: 62 3.3.3 Mơ hình hệ thống kết hợp dự phịng truyền thống dự phịng bảo vệ tích cực 64 3.4 Kết luận 68 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN 70 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 DANH MỤC KÝ HIỆU, TỪ VIẾT TẮT Từ viết tăt Từ tiếng Anh Từ cụm từ AP Active Protection Phƣơng pháp dự phòng chủ động HCS Hierarchical Computing Systems Hệ thống máy tính phân cấp MTTF Mean Time To Failure Thời gian hoạt động an tồn trung bình MTBF Mean Time Between Failure Thời gian trung bình hai lần hỏng MTTR Mean Time To Repair Thời gian trung bình sửa chữa cố RBD Reliability Block Diagrams Sơ đồ khối độ tin cậy DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Hàm mật độ phân phối xác suất theo thời gian 14 Hình 1.2: Biểu diễn độ tin cậy phần tử 14 Hình 1.3: Biểu diễn hàm phân phối xác suất 14 Hình 1.4: Biểu diễn hàm phân phối độ tin cậy 16 Hình 1.5: Biểu diễn cƣờng độ hỏng hóc 16 Hình 1.6 Các khoảng làm việc khoảng phục hồi 17 Hình 1.7: Mơ hình chuyển trạng thái phần tử 18 Hình 1.8: Sơ đồ hệ phần tử nối tiếp 21 Hình 1.9: Sơ đồ hệ phần tử song song 23 Hình 2.1: Cấu trúc hệ thống dự phịng song song (dự phịng nóng) 40 Hình 2.2: Cấu trúc hệ thống dự phịng khơng tải (dự phịng nguội) 42 Hình 2.3: Các khả khơng hỏng hệ hai phần tử 43 Hình 2.4: Các khả không hỏng hệ ba phần tử 44 Hình 2.5 Cấu trúc hệ thống dự phịng bảo vệ tích cực 49 Hình 2.6: Đồ thị điều chỉnh độ tin cậy phần mềm theo thời gian 51 Hình 3.1 Mơ hình hệ thống máy tính phân cấp 59 Hình 3.2 Cấu hình HCS với dự phịng 60 Hình 3.3 Cấu hình hệ thống HCS với AP 62 Hình 3.4 Cấu hình HCS với AP dự phịng tĩnh 64 Hình 3.5 Cấu hình HCS với phƣơng án dự phòng 66 Hình 3.6 Đồ thị xác suất độ tin cậy HCS cấu hình số 1, số 14, số 18, số 20 theo thời gian 67 Hình 3.7 Cấu hình HCS với AP dự phịng nhân ba 67 Hình 3.8 Đồ thị xác suất độ tin cậy HCS cấu hình số 1, số 14, số 21, số 22 theo thời gian 68 MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Cuộc cách mạng bùng nổ khoa học kỹ thuật lĩnh vực cơng nghệ bắt đầu tạo hệ thống tính tốn - hệ thống siêu phức tạp hỗ trợ ngƣời hầu hết lĩnh vực đời sống: khoa học máy tính, giao thơng vận tải, lƣợng ngành khác xã hội, Các hệ thống tính tốn thay hỗ trợ ngƣời kỷ ngun cơng nghệ, tạo hệ thốngsiêu phức tạp lĩnh vực kinh tế Hệ thốngtính tốn khơng đơn hệ thống đơn giản mà hệ thống đƣợc đặc trƣng số lƣợng lớn yếu tố thành phần, có cấu trúc phức tạp với chƣơng trình tính tốn, điều khiển hoạt động Đây hệ thốngcó tính ứng dụng cao, tham gia vào tất lĩnh vực đời sống, toàn sở hạ tầng xã hội đại Tuy nhiên, hệ thống tham gia tất lĩnh vực xã hội nên sản xuất xã hội phải đối mặt với nguy hệ thống, thiết bị khơng sẵn sàng để hoạt động cách xác, với việc thao tác sai sai lầm khơng đáng có q trình thiết kế chế tạo thiết bị, làm cho cấu trúc hệ thống bị phá vỡ, chức hệ thống hoạt động khơng xác Các hệ thống kỹ thuật đại, phức tạp không đảm bảo đƣợc độ tin cậy hệ thống coi nhƣ khơng tồn Từ nguy đối mặt với hệ thống không hoạt động, thiết bị cho kết khơng xác,… thấy đƣợc nguy tiềm tàng xảy hệ thống Vì vậy, việc cần phát triển nhanh chóng phƣơng pháp đánh giá độ tin cậy hệ thống tất giai đoạn thiết kế, thử nghiệm, sản xuất, hoạt động điều quan trọng cần thiết Độ tin cậy khả hoạt động an toàn hệ thống phụ thuộc vào cấu trúc (cấu trúc logic) độ tin cậy thành phần cấu thành nên hệ thống Đối với hệ thống phức tạp, có hai cách để tăng độ tin cậy: tăng độ tin cậy yếu tố thành phần thay đổi chƣơng trình Phƣơng pháp nâng cao độ tin cậy yếu tố thành phần phƣơng pháp đơn giản để tăng độ tin cậy hệ thống Từ số đánh giá độ tin cậy hệ thống xây dựng phƣơng pháp dự phòng nhằm nâng cao độ tin cậy cho hệ thống Xuất phát từ nhu cầu thực tế cần xây dựng biện pháp nâng cao độ tin cậy cho phần tử, hệ thống cấu trúc vấn đề Việt Nam nên nghiên cứu đề xuất đề tài: “Nghiên cứu phương pháp nâng cao độ tin cậy cho hệ thống tính tốn qua cấu trúc hệ thống” Thông qua luận văn tác giả muốn sâu nghiên cứu, tìm hiểu hệ thống lại phƣơng pháp đánh giá độ tin cậy cho phần tử, từ nghiên cứu đề xuất phƣơng pháp dự phòng nâng cao độ tin cậy cho hệ thống quacấu trúchệ thống Mục đích nghiên cứu Luận văn nghiên cứu phƣơng pháp đánh giá độ tin cậy hệ thống, dựa số nghiên cứu phƣơng pháp dự phòng nâng cao độ tin cậy cho hệ thống, đề xuất cải tiến thêm phƣơng pháp dự phịng tích cực chứng minh phƣơng pháp đề xuất cho hiệu cao so với phƣơng pháp truyền thống Giả thuyết khoa học Nếu đánh giá đắn độ tin cậy hệ thống làm sở để xây dựng phƣơng pháp nâng cao độ tin cậy hệ thống cấu trúc đƣa giải pháp xây dựng phƣơng án dự phòng cho hệ thống cấu trúc phức tạp hơn, làm tảng đáng tin cậy cho nhà sản xuất,… cho đời hệ thống, sản phẩm có chất lƣợng, suất hiệu cao kinh tế xã hội Nhiệm vụ nghiên cứu - Nghiên cứu khái niệm bản, số phần tử, hệ thống phƣơng pháp tính độ tin cậy hệ thống - Nghiên cứu đƣa phƣơng pháp dự phòng nâng cao độ tin cậy hệ thống cấu trúc - Áp dụng phƣơng pháp dự phòng cho hệ thống cấu trúc mơ hình hệ thống máy tính phân cấp cụ thể 58 giúp có đƣợc kế hoạch bảo trì, dự phịng, nâng cao độ tin cậy tránh đƣợc cố xảy Sử dụng phƣơng pháp dự phòng cấu trúc nhằm bảo đảm độ tin cậy hệ thống tính toán vấn đề phổ biến hệ thống phức tạp, bên cạnh đó, việc sử dụng hiệu sƣ phối hợp phƣơng pháp vấn đề cần tìm hiểu kỹ có đề xuất Trong chƣơng hai tơi trình bày hệ thống hóa phƣơng pháp đảm bảo độ tin cậy hệ thống dựa cấu trúc khác hệ thống nhƣ: cấu trúc dự phịng nóng, cấu trúc dự phịng lạnh cấu trúc dự phịng bảo vệ tích cực, Trong chƣơng ba đánh giá việc kết hợp hai cấu trúc tạo độ tin cậy cao phƣơng pháp bảo vệ tích cực tăng độ tin cậy hệ thống, đƣa hạn chế nhƣ: việc xác định thời điểm cần phải ngắt bỏ phận để thay phận khác hệ thống; việc lão hóa linh kiện điện tử theo thời gian tạo độ tin cậy khác dẫn đến hỏng hóc hệ thống Trong chƣơng ba tơi đề xuất phƣơng pháp đảm bảo độ tin cậy hệ thống theo yêu cầu để khắc phục sai sót nêu Cuối số thơng số đƣợc đƣa để minh họa cho phƣơng pháp đảm bảo độ tin cậy hệ thống 3.2 Phát biểu toán Khi xây dựng hệ thống điều khiển tập trung, thông tin liên lạc thu thập thơng tin phân phối lớn theo mơ hình hệ thống máy tính phân cấp (HCS_ Hierarchical Computing Systems) Hệ thống đƣợc sử dụng rộng rãi nhờ kiểm soát thành phần theo quy mô nhu cầu thực tế lớn nhƣ kiến trúc mạng nhà cung cấp dịch vụ Internet (Internet Service Provider-ISP) hay phạm vi nhỏ nhƣ doanh nghiệp [21] Trong chƣơng hai tác giả xem xét đƣa cấu trúc dự phòng tĩnh, cấu trúc dự phòng chủ động phần tử không phục hồi, đồng thời phân tích từ thất bại tổng hợp thời gian thực chịu lỗi sở bảo vệ chủ động (AP_ Active Protection) Trên sở lý thuyết [21], ý tƣởng phƣơng pháp tính tốn modul bảo vệ hoạt động, AP đƣợc thiết kế để đạt mức mong muốn hệ thống máy tính phân cấp khả chịu lỗi theo khoảng thời gian dự trữ không đáng kể hạn chế hiệu phát lỗi AP đƣợc thiết kế để giải 59 vấn đề cung cấp mức độ định thích ứng cố thành phần chƣơng trình mà khơng có gia tăng đáng kể thiết bị kiểm sốt chẩn đốn Do đó, việc đánh giá hiệu ứng dụng phƣơng pháp bảo vệ chủ động chống lại từ chối hệ thống máy tính phân cấp thực tế Trong nội dụng chƣơng ba luận văn áp dụng phƣơng pháp dự phịng vào cấu hình hệ thống cụ thể, từ đƣa cấu trúc dự phịng tích cực nhƣ kết hợp từ hai cấu trúc dự phòng nhằm tăng độ tin cậy cho hệ thống so với việc sử dụng cấu trúc dự phòng tĩnh.Cấu trúc dự phòng chủ động (AP) đƣợc thiết kế để hệ thống hoạt động đạt đƣợc mức chịu lỗi với điều kiện số lƣợng thiết bị dự phịng khơng đƣợc vƣợt q số lƣợng thiết bị Do đó, với cấu trúc đảm bảo hệ thống thích ứng với cố mà khơng làm gia tăng đáng kể chi phí thiết bị kiểm soát chuẩn đoán Bài toán thực nghiệm đặt luận văn: thực tế hệ thống máy tính phân cấp (Hierarchical Computing Systems) thƣờng có cấu trúc phức tạp nhiên khuân khổ thực nghiệm luận văn tác giả xét hệ thống máy tính phân cấp khơng an tồnvới ba lớp ban đầu với cấu trúc 1-2-2, tức HCS cấp độ có vi xử lý kiểm sốt, cấp độ thứ hai có Hình Mơ hình hệ thống máy tính phân cấp (Hierarchical Computing Systems) vi xử lý điều khiển, cấp độ thứ ba có vi xử lý liệu [21] Trong mơ hình HCS, cấp độ có xử lý hoạt động song song tức chúng có nhiệm vụ xử lý liệuvà trả kết xử lý lên tầng Ở tầng thứ ba mơ hình có vi xử lý nhiệm vụ vai trị vi xử lý đềukhác nhau, nhiệm vụ vai trị vi xử lý khơng thể hoạt độngthay cho nhiệm vụ vi xử lý Tƣơng tự nhƣ vậy, vi xử lý tầng thứ hai hoạt động song song chúng có vai trị khác vi xử lý hệ thống bị lỗi dẫn đến hệ thống bị lỗi 60 Để thuận lợi cho việc quan sát mơ hình máy tính phân cấp, chúng tơi giả định coi vị trí vi xử lý dự phịng coi node mơ hình thực nghiệm Giả thiết tốn thực nghiệm chúng tơi có mơ hình HCS nhƣ hình 3.1 Chúng tơi xem xét ba phƣơng pháp lựa chọn để cải thiện độ tin cậy hệ thống khơng phục hồi trì hiệu hoạt động nó: 1) Sử dụng phần tử cấu thành làm dự phòng truyền thống 2) Sử dụng phần tử cấu thành làm chi nhánh cấu trúc phân cấp làm dự phòng chủ động 3) Kết hợp hai phƣơng pháp làm dự phịng tích cực 3.3 Mơ hình hệ thống dự phịng nâng cao độ tin cậy 3.3.1 Mơ hình tốn dự phịng truyền thống Với mơ hình tốn hệ thống máy tính phân cấp đƣợc trình bày mục 3.1 sử dụng mơ hình dự phịng để đánh giá mức độ tin cậy tin cậy hệ thống máy tính với mơ hình dự phịng truyền thống Cấu hình HCS tƣơng ứngvới tùy chọn nghiên cứu phƣơng pháp dự phịng truyền thống thể hình 1 Hình 3.2 Cấu hình HCS với dự phịng 1: Cấu hình ban đầu; 2-8: Cấu hình với dự phịng 61 Giả định tất vi xử lý kiểm soát xử lý HCS đồng nhất, trùng lặp đƣợc tất tải: Ký hiệu:p = p(t) khả hoạt động khơng có thất bại xử lý q = 1-p xác suất thất bại xử lý 1 khả phát xác xác suất thất bại cặp Với ký hiệu biểu cho khả hệ thống thời gian hoạt động hai vi xử lý (sơ cấp lƣu), với cặp coi hệ thống gồm hai phần tử độc lập mắc song song X1, X2 với xác suất hoạt động an tồn p Khi ta có độ tin cậy [23] cặp vi xử lý Ps: 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=21pq+p2 (3.1) Sau chuyển đổi (3.1) ta có: Ps=1-(1-p)[1-p(21-1)] Từ cấu hình hệ thống với vi xử lý dự phịng biểu thị cho khả hoạt động khơng có thất bại HCS viết nhƣ sau: 𝑁 𝑃𝑖 = 𝑃𝑁−𝑑 𝑃𝑠𝑑 = 𝑃𝑁−𝑑 (1 − − 𝑝 − 2𝛼1 − )𝑑 𝑃𝐻𝐶𝑆 = (3.2) 𝑖=0 Trong đó: Pi - xác suất thất bại phần tử thứ i (bộ xử lý) HCS N - số lƣợng vi xử lý HCS d - số lƣợng cặp vi xử lý hệ thống Từ biểu thức (3.2), nhận đƣợc biểu thức xác suất hoạt động khơng có thất bại cấu hình HCS cho hình 3.2: 𝑃 = 𝑝7 ; 𝑃 = 𝑝6 𝑝𝑠 = 𝑝6 − − 𝑝 − 2𝛼1 − ; 𝑃 = 𝑝5 𝑝𝑠2 = 𝑝5 − − 𝑝 − 2𝛼1 − ; 62 𝑃 = 𝑝4 𝑝𝑠3 = 𝑝4 − − 𝑝 − 2𝛼1 − ; 𝑃 = 𝑝3 𝑝𝑠4 = 𝑝3 − − 𝑝 − 2𝛼1 − ; 𝑃 = 𝑝2 𝑝𝑠5 = 𝑝2 − − 𝑝 − 2𝛼1 − ; 𝑃 = 𝑝𝑝𝑠6 = 𝑝 − − 𝑝 − 2𝛼1 − 𝑃 = 𝑝𝑠7 = − − 𝑝 − 2𝛼1 − ; ; 3.3.2 Mơ hình tốn hệ thống dự phịng bảo vệ tích cực: Cùng với mơ hình tốn hệ thống máy tính phân cấp sử dụng cấu hình tƣơng ứng với lựa chọn hai - lựa chọn với đời chi nhánh bổ sung cấu trúc hệ thống cho việc tổ chức hoạt động bảo vệ đƣợc xem xét để xây dựng HCSchịu lỗi sử dụng phƣơng pháp bảo vệ chủ động tích cực đƣợc thể hình 3.3 10 11 12 13 14 Hình 3.3 Cấu hình hệ thống HCS với AP Chúng ta xem xét cấu hình thể cho khả hoạt động khơng có thất bại cấu hình số 9, nhƣ thể hình Số xử lý khơng dự phịng hệ thống mà không đƣợc bảo vệ chủ động - năm 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 ba vi xử lý Nguyên tắc linh hoạt AP - tức cách AP xác định lại vi xử lý kiểm soát kiểm soát ƣu tiên thấp đƣợc sử dụng Rõ 63 ràng khả hoạt động khơng có thất bại phần hệ thống Рh tổng xác suất hoạt động ba vi xử lý (р3) xác suất hoạt động hai số ba vi xử lý 𝑃ℎ = 𝑝3 + 3𝛼1𝐴𝑃 (1 − 𝑝)𝑝2 Trong đó: α1AP–khả phát xác suất thất bại tầng AP xảy Biểu thức cuối biểu thị cho khả hoạt động khơng có thất bại HCS với cấu hình số viết nhƣ sau: 𝑃 = 𝑝5 [𝑝3 + 3𝛼1𝐴𝑃 − 𝑝 𝑝2 ] Tƣơng tự nhƣ vậy, biểu thức thể cho khả hoạt động khơng có thất bại HCS với cấu hình số 10: 𝑃 10 = 𝑝3 [𝑝3 + 3𝛼1𝐴𝑃 − 𝑝 𝑝2 ]2 Giả định α2АP - khả phát xác suất thất bại cho hai cấp AP Chúng tin hệ thống sau thất bại hai cấp độ AP đƣợc chuyển thành đơn cấp AP Ngoài ra, giả định đơn cấp AP hệ biến đổi hai cấp AP ban đầu hai cấp AP đƣợc tạo với việc sử dụng nguyên tắc linh hoạt AP - tức AP xác định lại vi xử lý kiểm soát kiểm soát ƣu tiên thấp Cho giả định ký hiệu nhận đƣợc biểu thức tính xác suất khả hoạt động hệ thống khơng có thất bại với cấu hình số 11-14: 𝑃 11 = 𝑝3 𝑝3 + 3𝛼1𝐴𝑃 − 𝑝 𝑝2 [𝑝4 + 4𝛼2𝐴𝑃 − 𝑝 𝑝3 + 6𝛼1𝐴𝑃 (1 − 𝑝)2 𝑝2 ]; 𝑃 12 = 𝑝3 [𝑝4 + 4𝛼2𝐴𝑃 − 𝑝 𝑝3 + 6𝛼1𝐴𝑃 (1 − 𝑝)2 𝑝2 ]2 ; 𝑃 13 = 𝑝[𝑠 + 𝛼1𝐴𝑃 𝐶31 (1 − 𝑠)𝑠 ]; 𝑃[14] = 𝑝[𝑠 + 4𝛼2𝐴𝑃 − 𝑠 𝑠 + 6𝛼1𝐴𝑃 (1 − 𝑠)2 𝑠 ]; 𝐶3𝑖 (1 − 𝑝)𝑖 𝑝3−𝑖 𝑣ớ𝑖 𝑠 = − 𝑖=1 64 3.3.3 Mơ hình hệ thống kết hợp dự phịng truyền thống dự phịng bảo vệ tích cực Ở phần này, chúng tơi tiếp cận theo hƣớng tích cực kết hợp hai phƣơng pháp dự phòng tĩnh dự phòng chủ động Cấu hình tƣơng ứng với kết hợp xây dựng phƣơng án chịu lỗi HCS đƣợc hiển thị hình 3.4 15 16 18 17 19 20 Hình 3.4 Cấu hình HCS với AP dự phịng tĩnh Cho giả định ký hiệu viết biểu thức tính xác suất khả hoạt động hệ thống thất bại với cấu hình số 15-20: 𝑃[15] = 𝑝𝑠 𝑝2 [𝑝3 + 3𝛼1𝐴𝑃 − 𝑝 𝑝2 ]2 ; 𝑃[16] = 𝑝𝑠 𝑝2 [𝑝4 + 4𝛼2𝐴𝑃 − 𝑝 𝑝3 + 6𝛼1𝐴𝑃 (1 − 𝑝)2 𝑝2 ]2 ; 𝑃[17] = 𝑝𝑠2 𝑝[𝑝3 + 3𝛼1𝐴𝑃 (1 − 𝑝)𝑝2 ]2 ; 𝑃 18 = 𝑝𝑠3 [𝑝3 + 3𝛼1𝐴𝑃 (1 − 𝑝)𝑝2 ]2 ; 𝑃[19] = 𝑝𝑠 𝑠 + 3𝛼1𝐴𝑃 − 𝑠 𝑠 ; 𝑃 20 = 𝑝𝑠 [𝑠 + 𝛼2𝐴𝑃 − 𝑠 𝑠 + 6𝛼1𝐴𝑃 − 𝑠 𝑠 ] ; 𝐶3𝑖 (1 − 𝑝)𝑖 𝑝3−𝑖 𝑣ớ𝑖 𝑠 = − 𝑖=1 Để hiểu rõ quan sát đƣợc độ tin cậy phƣơng pháp dự phòng mơ hình hệ thống máy tính phân cấp HCS chúng tơi tính tốn 65 giá trị độ tin cậy phƣơng pháp dự phòng tƣơng ứng với mơ hình máy tính phân cấp cụ thể Từ thơng số đƣa nhận xét, mơ hình so sánh biện pháp hiệu phƣơng pháp sau mốc thời gian thực độ tin cậy bị ảnh hƣởng nhƣ nào? Giá trị xác suất hoạt động khơng có thất bại HCS đƣợc đƣa bảng với cấu hình số 1-20 Khi tính tốn xác suất P[i] (i = 20) đƣợc sử dụng đầu vào sau: thời gian hoạt động phân phối xác suất vi xử lý hệ thống tƣơng ứng với theo cấp số nhân P(t) = exp(-λt); tỷ lệ thất bại λ = 7*10-7h-1; α1АP =0,8; α2АP =1-(1- α1АP)2=0,96; α1=0,8; thời gian hoạt động HCS - 61.320 (7 năm) Bảng xác suất thất bại hệ thống Cấu hình số Số vi xử lý dự năm năm năm năm năm năm năm phòng Số 0,9580 0,9177 0,8792 0,8422 0,8068 0,7729 0,7405 Số 0,9615 0,9244 0,8888 0,8545 0,8215 0,7897 0,7591 Số 0,9650 0,9312 0,8985 0,8669 0,8363 0,8068 0,7783 Số 0,9686 0,9380 0,9083 0,8795 0,8515 0,8243 0,7979 Số 0,9721 0,9449 0,9183 0,8923 0,8669 0,8422 0,8180 Số 0,9757 0,9518 0,9283 0,9053 0,8826 0,8604 0,8386 Số 0,9793 0,9587 0,9385 0,9184 0,8986 0,8791 0,8598 Số 0,9829 0,9658 0,9487 0,9318 0,9149 0,8981 0,8814 Số 0,9779 0,9559 0,9340 0,9121 0,8904 0,8689 0,8476 Số 10 0,9745 0,9493 0,9246 0,9003 0,8765 0,8531 0,8301 Số 11 0,9771 0,9546 0,9324 0,9106 0,8892 0,8681 0,8474 Số 12 0,9798 0,9599 0,9403 0,9210 0,9020 0,8833 0,8649 66 Cấu hình số Số vi xử lý dự năm năm năm năm năm năm năm phòng Số 13 0,9824 0,9641 0,9453 0,9259 0,9061 0,8860 0,8657 Số 14 0,9907 0,9811 0,9710 0,9605 0,9495 0,9381 0,9263 Số 15 0,9780 0,9563 0,9347 0,9134 0,8924 0,8716 0,8511 Số 16 0,9834 0,9669 0,9506 0,9344 0,9184 0,9025 0,8867 Số 17 0,9816 0,9633 0,9450 0,9267 0,9086 0,8905 0,8725 Số 18 0,9852 0,9703 0,9553 0,9402 0,9250 0,9098 0,8945 Số 19 0,9747 0,9479 0,9201 0,8913 0,8619 0,8321 0,8021 Số 20 0,9944 0,9883 0,9816 0,9744 0,9667 0,9585 0,9496 Phân tích giá trị bảng cho thấy ƣu điểm việc sử dụng AP so với dự phòng truyền thống với số vi xử lý cần thiết Với số lƣợng thiết bị dự phịng mà nhân bản, AP kiểm sốt bao gồm hầu hết phần hệ thống (hoặc phát lỗi nhiều khả năng), làm tăng khả quan sát hệ thống cung cấp gọi phòng ảo - phòng vi xử lý với phần tử dự phịng nâng cao khả kiểm soát hệ thống Cấu hình số 18 với năm vi xử lý dự phòng, cung cấp khả thất bại hệ thống: 0,8945 cấu hình hiệu Hình 3.5 Cấu hình HCS với phương án dự phịng Hình 3.6 cho thấy đồ thị xác suất khả hoạt động khơng có thất bại HCS cấu hình số 1, số 14, số 18, số 20 theo thời gian Xem xét trƣờng hợp nhân ba cấu hình số 18 hình 3.5 Cấu hình HCS với ứng dụng dự phịng ba đƣợc thể hình 3.6 67 1.00 0.95 0.90 Số 0.85 Số 14 Số 18 0.80 Số 20 0.75 0.70 năm Hình 3.6 Đồ thị xác suất độ tin cậy HCS cấu hình số 1, số 14, số 18, số 20 theo thời gian 18 21 22 Hình 3.7 Cấu hình HCS với AP dự phịng nhân ba Biểu thị РТР - xác suất vi xử lý ba trƣờng hợp dự phòng ba; 2- phát xác suất thất bại vi xử lý trƣờng hợp dự phòng ba Chúng tin sau phát thất bại xử lý dự phòng ba đƣợc chuyển đến trùng lặp với khả phát xác thất bại cặp 1 Cho giả định ký hiệu, tƣơng tự: 𝑃𝑇𝑃 = − − 𝛼1 𝑝𝑞 − − 𝛼2 𝑝2 𝑞 − 𝑞 Biểu cho khả hoạt động khơng có thất bại HCS với cấu hình số 21-22 tính nhƣ sau: 𝑃[21] = 𝑝𝑇𝑃 𝑝𝑠2 𝑝3 + 3𝛼1𝐴𝑃 − 𝑝 𝑝2 𝑃 22 = 𝑝𝑇𝑃 [𝑝3 + 3𝛼1𝐴𝑃 (1 − 𝑝)𝑝2 ]2 ; ; 68 Hình 3.6 cho thấy đồ thị xác suất hoạt động khơng có thất bại HCS với cấu hình số 1, số 18, số 21, số 22 lần Hình 3.8 Đồ thị xác suất độ tin cậy HCS cấu hình số 1, số 14, số 21, số 22 theo thời gian Cấu hình số 14, số 18, số 20, số 21, số 22, cung cấp khả thất bại hệ thống suốt bảy năm hoạt động không nhỏ 0,9 Do đó, khả thất bại hệ thống mà không sử dụng phƣơng pháp để cải thiện độ tin cậy (số cấu hình - hình 1) 0,7405 Trong khi, độ tin cậy hệ thống mà không sử dụng phƣơng pháp để cải thiện độ tin cậy (cấu hình số - hình 2) 0,7405 (tăng 21,6%) 3.4 Kết luận Trong khuân khổ của chƣơng ba có nhìn khái qt sử dụng phần tử dự phòng để nâng cao độ tin cậy hệ thống máy tính phân cấp Luận văn đƣa phƣơng pháp tiếp cận hợp lý để nâng cao độ tin cậy HCS sử dụng phƣơng pháp dự phòng truyền thống phƣơng pháp dự phịng 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 (61.320 giờ) không nhỏ 0.9 đảm bảo độ tin cậy hệ thống Việc phân tích hiệu độ tin cậy hệ thống ứng dụng phƣơng pháp bảo vệ chủ động nhằm chống lại thất bại việc kiểm sốt phân cấp 69 hệ thống tính tốn thời gian thực - thể cho khả hoạt động khơng có thất bại hệ thống với cấu hình khác Trong lý thuyết độ tin cậy hệ thống có nhiều phƣơng pháp khác đƣợc đƣa nhằm giải toán – tăng độ tin cậy hệ thống từ thành phần không tin cậy Trong chƣơng tơi trình bày xem xét đến cấu trúc khác hệ thống với thành phần dự phòng, nhằm bổ xung độ tin cậy nhƣ: cấu trúc dự phòng truyền thống; cấu trúc dự phòng bảo vệ tích cực – cịn gọi cấu trúc dự phịng bảo vệ chủ động Trong chƣơng đƣa giải pháp kết hợp hai cấu trúc dự phòng đem lại độ tin cậy hệ thống cao việc sử dụng cấu trúc dự phòng truyền thống 70 KẾT LUẬNVÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN Kết luận Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu tài liệu làm luận văn dƣới hƣớng dẫn thầy TS Lê Quang Minh tơi hồn thành luận văn với đề tài ”Nghiên cứu phương pháp nâng cao độ tin cậy cho hệ thống tính tốn qua cấu trúc hệ thống” Luận văn đạt đƣợc kết sau: - Tìm hiểu, nghiên cứu sở đánh giá độ tin cậy hệ thống - Từ kết đánh giá độ tin cậy hệ thống luận văn nghiên cứu phƣơng pháp dự phòng nhằm tăng độ tin cậy cho hệ thống - Dựa lý thuyết phƣơng pháp dự phòng nâng cao độ tin cậy cho hệ thống luận văn áp dụng phƣơng pháp dự phịng vào mơ hình máy tính phân cấp khơng an tồn đƣa đƣợc kết so sánh phƣơng pháp dự phòng với - Từ kết độ tin cậy hệ thống tơi đƣa phƣơng pháp cải tiến so với phƣơng pháp truyền thống đạt đƣợc kết tốt Hƣớng phát triển Với nghiên cứu đề tài áp dụng với mơ hình có độ phức tạp chƣa cao độ phân cấp ba cấp nên hƣớng phát triển đề tài ứng dụng với nhiều mơ hình hệ thống máy tính phân cấp phức tạp với độ phân cấp cao hơn, gần với thực tế để giúp nhà quản lý lựa chọn phƣơng án dự phịng giúp cho hệ thống máy tính phân cấp cơng ty, quan, đảm bảo vận hành an tồn Do thời gian nghiên cứu có hạn cộng với lực thân hạn chế, luận văn chắn khơng tránh khỏi số sai sót định Tơi mong nhận đƣợc ý kiến đóng góp Thầy Cơ, bạn đồng nghiệp cá nhân quan tâm để nội dung luận văn đƣợc hoàn thành với chất lƣợng tốt 71 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Đỗ Đức Giáo (2008), Toán rời rạc, Nhà xuất Đại học Quốc gia Hà Nội, tr.492-495, 496-498 [2] Trần Diên Hiển, Vũ Viết Yên (2005), Nhập môn lý thuyết xác suất thống kê toán, Nhà xuất Đại học Sƣ phạm, Hà Nội, tr16, 31 [3] PGS.TS Phan Văn Khôi (2001), Cơ sở đánh giá độ tin cậy, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, tr169-174, tr188-195 [4] Trần Đình Long, Trần Việt Anh (2007) ,”Sử dụng phương pháp cố phân tích đánh giá độ tin cậy hệ thống điều khiển bảo vệ hệ thống điện”, tạp chí Khoa học Cơng nghệ, tập 45 số 2, tr19-21 [5] TS Lê Quang Minh, ThS Phan Đăng Khoa, Vũ Thị ThủyĐảm (06/2011), “Bảo độ tin cậy hệ thống phương pháp dự phòng truyền thống ngắt luân phiên”, báo tham dự FAIR, tr2-5 [6] TS Nguyễn Duy Việt (4/2011), “Tính độ tin cậy hệ thống khơng phục hồi”, tạp chí Khoa học Giao thông Vận tải, tr2-4 [7] TS Nguyễn Duy Việt (8/2009), “Độ tin cậy hệ thống điều khiển tín hiệu”, Tạp chí Giao thơng vận tải, tr5-7 Tiếng Anh [8] Carlo Kopp (1996), System Reliability and metrics of Reliability, Peter Harding & Associates Pty Ltd, pp.5-7, 8,9 [9] Dana Crowe, Alec Feiberg, Design for Reliability, CRC Press, 2001 [10] Gary Marshall , David Chapman (2002), Resilience, Reliability and Redundancy, WSP Communications Ltd and Copper Development Association- United Kingdom, pp 35-48 [11] Irene Eusgeld, Falk Fraikin, Matthias Rohr, Felix Salfner, Ute Wappler, (2008), Software Reliability, pp 106-107, 110-111 [12] Malte Lenz & Johan, (2011), Reliability calculations for complex systems, pp 34-36 72 [13] Mahesh Pandey, Mikko Jyrkama (2008), System Reliability Analysis,University of Waterloo, pp.2-5, 23 [14] MIL-STD-756B, Military Standard, (Nov, 1981),Reliability Modeling and Prediction,Department of Defense Washington DC,pp 102-6 [15] Thoft-Christensen, (March1984), Reliability of Structural Systems, University of Aalborg, Denmark, pp 214-216 [16] Ramakumar.R, (2000), Reliability Engineering,CRC Press LLC, pp 4-9 [17] Roy Billiton, Ronald N.Allan, (2002), Reliability Evaluation of Engineering Systems, University of Manchester Institure of Sclence Technology, United Kingdom, pp 82-87, 90-94 Tiếng Nga [18] Александр Майер, Разработка методов повышения надежности процесса эксплуатации вычислительных систем, 2008 -31c, (Xây dựng phƣơng pháp nâng cao độ tin cậy q trình vận hành hệ thống máy tính) [19] Шубин, Р.А, Надёжность технических систем и техногенный риск,2012 15-18c, (Độ tin cậy hệ thống kỹ thuật nguy công nghệ) [20].LeQuangMinh(2007),“Анализ отказоустойчивости и методов живучести обеспечения вычислительных систем”, Естественные науки и технологии- №5 (Phântíchcácphƣơngphápbảo đảm độtincậyvà độhoạt độngcủahệthốngtínhtốn, Tạpchí “Khoahọctựnhiênvà cơngnghệ”, số – 2007) [21].LeQuangMinh (2007),“Анализ эффективности применения методов повышения отказоустойчивости ИВС реального времени”, Микроэлектроники и информатики, Тез докл Всероссийской конференции (Phântíchhiệuquảcủaviệcứngdụngcácphƣơngphápnângcao độtincậychohệthốngthờigianthựccó cấutrúcdạngcây Hội thảo khoa học toàn LB Nga, Mátxcơva)