Основы теории надежности информационных систем

ОСНОВЫ ТЕОРИИ 
НАДЕЖНОСТИ 
ИНФОРМАЦИОННЫХ 
СИСТЕМ

С.А. Мартишин, B.Л. Симонов, М.В. Храпченко

Допущено Учебно-методическим объединением вузов по университетскому 
политехническому образованию в качестве учебного пособия для студентов 
высших учебных заведений, обучающихся по направлению 09.03.02 
«Информационные системы и технологии»

Москва 
ИД «ФОРУМ» — ИНФРА-М
2020

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

УДК  004.6(075.8) 
ББК 32.973я73 
 
М29

Мартишин С.А.
М29  
Основы теории надежности информационных систем : учебное пособие / С.А. Мартишин, В.Л. Симонов, М.В. Храпченко. — Москва : 
ИД «ФОРУМ» : ИНФРА-М, 2020. — 255 с. — (Высшее образование: 
Бакалавриат).

ISBN 978-5-8199-0757-3 (ИД «ФОРУМ») 
ISBN 978-5-16-013632-5 (ИНФРА-М, print) 
ISBN 978-5-16-106294-4 (ИНФРА-М, online)

Пособие предназначено для получения теоретических и практических 
навыков при изучении дисциплин: «Проектирование информационных 
систем», «Надежность, эргономика и качество АСОИиУ», «Человеко-машинное взаимодействие», «Проектирование программного обеспечения 
АСОИиУ», «Базы данных». Также может быть использовано при изучении 
дисциплин: «Управление данными», «Технологии обработки информации», 
«Инструментальные средства информационных систем», «Методы и средства проектирования информационных систем и технологий».
Для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлениям 09.03.02 «Информационные системы и технологии», 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника», 27.03.04 «Управление в технических 
системах», а также 09.03.04 «Программная инженерия», для аспирантов, 
специалистов в областях проектирования информационных систем, автоматизированной обработки информации и управления и человеко-машинного взаимодействия, а также для лиц, занимающихся само образованием.

УДК 004.6(075.8) 
ББК 32.973я73

Р е ц е н з е н т ы:
доктор технических наук, доцент, директор военного института при 
ФГБОУ ВО г. Москвы «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» В.И. Гончаренко; 
доктор технических наук, профессор кафедры моделирования информационных систем и сетей ФГБОУ ВО г. Москвы «Российский государственный социальный университет» В.А. Сизов; 
доктор технических наук, профессор, научный руководитель 
ОАО «Институт электронных управляющих машин им. И.С. Брука» 
Н.Л. Прохоров

ISBN 978-5-8199-0757-3 (ИД «ФОРУМ») 
ISBN 978-5-16-013632-5 (ИНФРА-М, print) 
ISBN 978-5-16-106294-4 (ИНФРА-М, online)

© Мартишин С.А., Симонов В.Л., 
Храпченко М.В., 2013
© ИД «ФОРУМ», 2013

Stabilitas gravissimus est.
Надежность — превыше всего (лат.)

Предисловие

Интенсивное развитие информационных систем ставит первостепенным вопрос обеспечения надежности их функционирования. Актуальность данного вопроса подтверждается увеличивающимся количеством сбоев (нередко приводящих к человеческим жертвам и техногенным катастрофам) в работе различных информационных систем:
от банкоматов (часто не работающих при сильных морозах) до информационных систем электроснабжения крупными городами и регионами, обеспечения функционированием аэропортов, космических
систем, информационных систем военного назначения и т. д.
При исследовании надежности информационных систем (ИС)
целесообразно выделить три блока: 1) аппаратную часть информационных систем; 2) программную часть информационных систем и
3) блок «человекомашинного взаимодействия» (комплекс «ЧТС»,
«СЧТС»). И если очевидность первых двух блоков не вызывает сомнений, то блок «человекомашинного взаимодействия» также актуален, поскольку с усложнением ИС человекоператор ставится во все
более жесткие условия в смысле контроля и управления информационными системами. При этом изза ограниченных возможностей человекаоператора все больше функций вынужденно отдается информационной системе.
Таким образом, рассмотрение вопроса надежности информационных систем необходимо проводить комплексно в трех направлениях: надежность аппаратной части ИС, надежность программной части

ИС, надежность «человекомашинного взаимодействия». Цель, преследуемая настоящим учебным пособием, и состоит именно в таком
комплексном рассмотрении. Такой подход является актуальным и в
отечественной учебной литературе представлен впервые.
При подготовке специалистов и бакалавров направления «Информационные системы и технологии» вопросы надежности информационных систем освещаются в таких дисциплинах, как «Инструментальные средства информационных систем», «Методы и средства
проектирования информационных систем и технологий» и в ряде
других. Однако в настоящее время отсутствует методическое пособие, которое бы в достаточном объеме и с единых позиций описывало бы понятия надежности информационных систем в указанном
комплексе (аппаратный, программный аспекты и ЧТС). Данное
учебное пособие восполняет указанный пробел и решает задачи логической увязки теоретических и практических аспектов вопросов
надежности при создании, тестировании и эксплуатации информационных систем.
Как работать с пособием. Поскольку в пособии имеются подробно
разобранные примеры решения типовых задач, они могут быть непосредственно использованы как для дипломного (курсового) проектирования, так и при создании профессиональных информационных и
автоматизированных систем обработки информации, включая интернетсайты. С целью облегчения использования математического аппарата в приложении приведены краткие сведения из теории вероятностей. Пособие снабжено списком литературы, состоящим из двух
частей — основной и дополнительной. Основную литературу необходимо использовать для базовой проработки материала курса — здесь
можно найти приведенные в пособии формулы, понять, как они выведены, изучить доказательства теорем и т. п. Литературу из дополнительного списка необходимо использовать для углубленного освоения
материала и изучения истории вопроса. Интернетисточники обеспечивают учащихся постоянно обновляемой информацией (актуальные
статьи, обзоры и пр.), что поможет им быть в курсе современных тенденций и развития мысли. Для ознакомления с иностранной терминологией по теории и практике надежности в приложении приведен
алфавитный справочник соответствия терминов на русском и английском языках.
Учебное пособие снабжено вопросами для самоконтроля и задачами, помогающими освоить достаточно непростой материал. Для

4
Предисловие

некоторых задач (отмеченных символом *) в приложении имеются
решения.
Пособие рассчитано на студентов, обучающихся по направлениям 230400 «Информационные системы и технологии», 230100 «Информатика и вычислительная техника» (специальность 230102 «Автоматизированные системы обработки информации и управления»),
220400 «Управление в технических системах», а также 231000.62
«Программная инженерия», 230100 «Информатика и вычислительная
техника» (специальность 230102 «Автоматизированные системы обработки информации и управления»), 230400 «Информационные системы и технологии», 220400 «Управление в технических системах».
Пособие предназначено для получения теоретических и практических навыков при изучении дисциплин: «Проектирование информационных систем», «Надежность, эргономика и качество АСОИиУ»,
«Человекомашинное взаимодействие», «Проектирование программного обеспечения АСОИиУ», «Базы данных». Также может быть
использовано при изучении дисциплин: «Управление данными»,
«Технологии обработки информации», «Инструментальные средства
информационных систем», «Методы и средства проектирования информационных систем и технологий».
Пособие является самодостаточным. Тем не менее, изучению материала пособия должно предшествовать знание теории вероятностей
и математической статистики, хорошее знание математического анализа, желательно изучение дисциплины «Электротехника и электроника».
Пособие подготовлено на основании курсов, читаемых авторами
(как целиком, так и отдельными темами) более 10 лет с 2001 г. в ряде
столичных государственных университетов. Некоторые из теоретических и практических разработок авторов нашли отражение в электронном учебном издании (Романова Т.Н., Храпченко М.В. Виды
тестирования для обеспечения надежности программных средств.
Учебное пособие по дисциплине «Тестирование и отладка программного обеспечения», электронное учебное издание 2012 г. МГТУ им.
Н.Э. Баумана), приведенном в списке литературы.
Авторы не считают необходимым включение в пособие вопросов,
связанных с применением помехоустойчивого кодирования при передаче данных в информационных системах, поскольку, вопервых,
указанные вопросы стоят несколько особняком от предмета пособия,
вовторых, объем указанных вопросов слишком велик и рассматриваПредисловие
5

ется в отдельных курсах, например, «Теория информации», «Теория
информационных процессов и систем», «Сети ЭВМ и телекоммуникации», «Инфокоммуникационные системы и сети» и др.
Пособие может быть с успехом использовано аспирантами, специалистами в областях проектирования информационных систем, автоматизированной обработки информации и управления и человекомашинного взаимодействия, а также лицами, занимающимися самообразованием.
Пособие не свободно от недостатков. Все замечания и предложения авторы примут с искренней признательностью.
Авторы

6
Предисловие

Список сокращений

АСОИУ
—
автоматизированные системы обработки
информации и управления
АСУ
—
автоматизированная система управления
ГОСТ
—
государственный основной стандарт
ИС
—
информационная система
НТД
—
научнотехническая документация
ОУ
—
орган управления
ПО
—
программное обеспечение
ПС
—
программное средство
СОИ
—
средство отображения информации
СУБД
—
система управления базами данных
СЧТС
—
система «человек—техника—среда»
ЧТС
—
человек—техника—среда
ЭВС
—
электронновычислительное средство

Введение

В настоящее время имеет место переход от индустриального к
постиндустриальному — информационному — обществу. Следовательно, именно на системы обработки информации направлено повышенное внимание всех сторон общественного производства — администрации, проектировщиков, разработчиков, изготовителей, потребителей, спонсоров и т. п.
Одной из важнейших характеристик промышленной продукции,
в том числе АСУ, является такой показатель, как качество. Международная организация по стандартизации определяет качество (стандарт ISO8402) как совокупность свойств и характеристик продукции, которые придают им способность удовлетворять обусловленные
или предполагаемые потребности. Требования к качеству на международном уровне определены стандартами ISO серии 9000. Первая
редакция международных стандартов ISO серии 9000 вышла в конце
1980х годов и положила начало систематической оценке качества
производимой продукции. Тем не менее, задолго до возникновения
международных стандартов качества в различных странах существовали свои внутренние стандарты. В СССР также были приняты государственные стандарты (ГОСТы), в которых были закреплены основные требования к качеству. Некоторые из них не потеряли актуальность до сегодняшнего дня. Термины и определения, используемые в
теории надежности, регламентированы ГОСТ 27.002—89 «Надежность в технике. Термины и определения».
Рассмотрение в комплексе аппаратных и программных средств
требует определения их специфики. Известно, что теория надежности
разрабатывалась первоначально для технических средств, поэтому существуют особенности ее применения к программным средствам.
Так, отсутствует понятие «старение программного обеспечения».
Также очевидно, что понятия и методы теории надежности примени

мы только к программным средствам, функционирующим в реальном
времени и непосредственно взаимодействующим с внешней средой.
В отношении программного обеспечения очень важным является, например, понимание принципов работы СУБД. Так, использование индексирования полей при использовании оператора LEFT JOIN
значительно повышает быстродействие работы запросов. Следовательно, в задачу тестировщиков входит проверка качества реализации
базы данных.
В отношении оборудования тестирование носит характер констатации факта: достаточно ли его характеристик для требуемого быстродействия.

Введение
9

Глава 1
ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ
ТЕОРИИ НАДЕЖНОСТИ

Надежность (reliability, dependability) является фундаментальным
комплексным свойством, входящим в понятие качество, и определяется как свойство объекта сохранять во времени в установленных
пределах значения всех параметров, характеризующих способность
выполнять требуемые функции в данных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования.
Надежность изделия закладывается на этапах его проектирования, производства и ремонта, а определяется (выявляется реальный
уровень надежности) на этапах испытаний и эксплуатации.
Терминология по надежности в технике распространяется на любые технические объекты — изделия, сооружения и системы, а также
их подсистемы, рассматриваемые с точки зрения надежности на этапах проектирования, производства, испытаний, эксплуатации и ремонта.
Под объектом будем понимать техническое изделие определенного целевого назначения, рассматриваемое в периоды проектирования, производства, испытаний и эксплуатации. Под элементом будем
понимать составную часть объекта, рассматриваемую как единое целое, не подлежащее дальнейшему разукрупнению. В зависимости от
цели исследования при определении показателей надежности рассматриваются как объекты, так и отдельные элементы. При этом, например, процессор может являться объектом, для которого рассчитываются показатели, но он может рассматриваться и как элемент в
многопроцессорной ЭВМ.
Возникновение науки о надежности было обусловлено бурным
развитием техники в 50х годах прошлого столетия. Широкое распро