Сравнительный анализ понятий надёжность, отказоустойчивость, безотказность, безопасность и живучесть

Надёжность (Dependability). В самом общем смысле надёжность есть свойство технических объектов сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, необходимых для выполнения требуемых функций в заданных режимах и условиях применения. В данной статье надежность рассматривается в контексте функционирования телекоммуникационных систем и сетей.

Avizienis [1] выделяет два подхода к толкованию надежности. Основным, качественным определением надежности является  способность системы гарантированно предоставлять обещанное пользователю обслуживание заданного качества. Данное определение отражает важность оправдания ожиданий пользователя от сервиса, его доверия к нему.  Количественным определением надежности системы является способность избегать системных отказов, являющихся по своей частости и серьезности неприемлемыми для пользователей.

Основные понятия теории надежности: исправное/неисправное состояние, работоспособное/неработоспособное состояние, дестабилизирующий фактор (Fault), повреждение (Error), отказ (Failure).

B исправном состоянии объект должен соответствовать всем требованиям, установленным для него нормативно-технической и конструкторской документацией. Несоответствие хотя бы одному из требований приводит к неисправности объекта.

Объект считается работоспособным, если значения критичных для функционирования параметров находятся в пределах установленных допусков. В случае несоответствия допуску хотя бы одного из этих параметров объект признается неработоспособным. Неисправный объект может оставаться работоспособным, и, наоборот, неработоспособный объект всегда является и неисправным.

Дестабилизирующий фактор (Fault) – «воздействие на сеть электросвязи, источником которого является физический или технологический процесс внутреннего или внешнего по отношению к сети электросвязи характера, приводящее к выходу из строя элементов сети» [2].

Неисправность (Error) –состояние технического устройства, когда хотя бы один из его основных или дополнительных параметров не соответствует требованиям, обусловленным технической документацией» [3].

Отказ (Failure) – «потеря способности изделия выполнить требуемую функцию» [4].

За три последних десятилетия надёжность системы превратилась в комплексное, всеобъемлющее понятие, включающее в себя следующие элементы:

- готовность (Availability): готовность (Readiness) к нормальному

функционированию;

- безотказность (Reliability): непрерывность нормального функционирования;

- катастрофоустойчивость (Safety): отсутствие катастрофических последствий для пользователя/ей и окружающей среды;

- конфиденциальность (Confidentiality): невозможность несанкционированного доступа  к закрытой информации и её обнародования;

- целостность (Integrity): невозможность внесения несанкционированных изменений в систему;

- ремонтопригодность (Maintainability): возможность изменения системы, а также её модернизации и проведения ремонта.

Количественно атрибуты надежности следует оценивать в относительном, вероятностном смысле, а не в абсолютном, детерминированном, поскольку ввиду неизбежного возникновения дестабилизирующих факторов системы никогда не будут совершенно готовными, безотказными, безопасными или катастрофоустойчивыми [5].

Отказоустойчивость (Fault Tolerance). Это свойство технической системы сохранять свою работоспособность после отказа одного или нескольких компонентов. Определяется количеством любых последовательных единичных отказов элементов системы, после которых сохраняется ее работоспособность в целом. Главное назначение  отказоустойчивости заключается в способности системы скрывать от пользователя отказ отдельных ее элементов. К атрибутам отказоустойчивости относят: готовность, работоспособность (Performability), ремонтопригодность и тестопригодность (Testability).

Отказоустойчивость обеспечивается различными путями. В общем случае используются механизмы обнаружения неисправностей с последующим восстановлением. Также применяется техника маскирования ДФ. Иные методики подразумевают обнаружение, локализацию, диагностику ДФ, а также реконфигурирование системы для удаления неисправного элемента.

Можно сказать, что отказоустойчивость – это свойство, которое система приобретает на этапе проектирования.

Безотказность (Reliability). В отличие от надежности и отказоустойчивости безотказность можно сформулировать в виде математической функции. Безотказность  -  это способность системы или элемента корректно, безотказно  функционировать в заданных условиях в течение установленного периода времени, [6]. Математически безотказность есть условная вероятность того, что система будет выполнять заданные функции без единого отказа в течение времени t при условии, что система полностью работоспособна в начальный момент времени t=0 [6].

Главные отличия безотказности от готовности в том, что в случае безотказности система должна безотказно функционировать на интервале времени, и восстановление системы после ее отказа не допустимо. Напротив, готовность предполагает безотказное функционирование в конкретный момент времени, при этом допускается восстановление системы в случае ее отказа.

К числу атрибутов безотказности относят ремонтопригодность и тестопригодность. Готовность также считается атрибутом безотказности, хотя допустимо рассматривать ее как частный случай безотказности [6].

Безопасность (Security).  Безопасность тесным образом связана с надежностью: они имеют общие атрибуты, но несут разный смысл.  В классическом понимании безопасность подразумевает создание вокруг системы как физической, так и виртуальной защитной оболочки. В широком смысле безопасность – это организация защиты объекта от нежелательных действий. Безопасность системы и информации тесно связана с понятиями конфиденциальности, целостности и готовности. Собственно поэтому безопасность и подразумевает защиту систем, сетей и их элементов от различных неблагоприятных воздействий, а также защиту информации (к примеру, защиту данных и программ). Прерогативой безопасности является и прогнозирование возможных угроз, включая угрозы изнутри системы (превышение полномочий, ошибки персонала), а также угрозы извне - вторжения или взломы.

Иногда безопасность трактуется как живучесть системы при любом типе злонамеренных воздействий. К числу механизмов, обеспечивающих обнаружение, устойчивость к нарушению безопасности и ответные действия на это, относят криптографию, управление доступом, аутентификацию, файерволы, оценки рисков, политики, обнаружение вторжений, а также повышение квалификации персонала. Безопасность отличает то, что первоначально она не учитывалась при проектировании многих систем, однако впоследствии ситуация изменилась в ее пользу.

Касательно атрибутов безопасности мнения специалистов существенно разнятся. В общем случае эти атрибуты рассматриваются как базис для структуры безопасности, а также как факторы, используемые при оценке безопасности системы. Как правило, к ним относят: отчетность, контроль доступа, готовность, аутентичность/подлинность, конфиденциальность, целостность и неотказуемость (Non-repudability).

Ниже представлены некоторые важные отличия безопасности от остальных понятий:

- безопасность главным образом касается преднамерен-ных/вредоносных угроз, в то время как остальные понятия рассматривают случайные отказы (за исключением живучести, которая учитывает оба направления угроз);

- угрозы безопасности главным образом возникают по вине людей, таким образом, их (угрозы) невозможно смоделировать или дать им численную оценку при помощи вероятностных методик;

- для обеспечения безопасности системы используются иные механизмы (криптография, контроль доступа, аутентификация и др.);

- безопасность в отличие от других понятий явным образом не учитывает ремонтопригодность, и редко обращает внимание на задачу восстановления системы или поддержания ее функционирования после атак [6].

Живучесть (Survivability). Живучесть системы характеризует ее способность сохранять полную или частичную работоспособность при действии причин, кроющихся за пределами системы и приводящих к разрушениям или значительным повреждениям некоторой части ее элементов. Подобные причины разделяют на стихийные и умышленные. Под живучестью сети чаще всего понимают свойство сети сохранять связность при массовых разрушениях узлов и линий связи сети и обеспечивать при этом связь между всеми или большинством пунктов хотя бы с пониженным качеством [7].

Живучесть системы имеет ключевой целью своевременное выполнение своей задачи. Согласно одним определениям живучесть может включать полное восстановление системы, в то время как другие исключают такой вариант. Живучесть системы фактически можно обеспечить за три шага: защита, обнаружение и ответные действия наряду с восстановлением.

Подобно концепции надежности живучесть характеризуется минимальным набором атрибутов, таких как безотказность, готовность, катастрофоустойчивость, отказоустойчивость, безопасность и работоспособность.

Концепция живучести применима ко всей системе, предоставляющей определенные сервисы, а не к отдельной ее части или элементам. Основополагающей целью является выполнение системой своей задачи, а не полное их восстановление. Живучая система должна, в первую очередь, реагировать на неисправность и пытаться устранить ее негативное воздействие до момента полного отказа. Другими словами, во враждебной обстановке живучая система может или функционировать с ухудшением характеристик или работать так долго, чтобы этого времени было достаточно на выполнение первостепенных задач [6].

Далее представлена таблица 1, содержащая результаты сравнения понятий.

Таблица 1 – Сравнение структуры рассматриваемых понятий

При тщательном анализе нетрудно заметить, что рассматриваемые понятия тесно перекликаются друг с другом. Конечно, это перекрещивание проявляется в разной степени, и где-то оно менее очевидно и заметно, однако, нельзя отрицать его присутствия. Исключением будет являться только безопасность.

Выводы

Понятия надежность и живучесть – появились сравнительно недавно, с развитием технологий, и используются как комплексные, масштабные понятия. Трудность состоит в том,  что рассматриваемые термины имеют достаточно много общих атрибутов, в числе которых есть также безотказность, отказоустойчивость и безопасность. 
Можно сказать, что данные понятия определяются различным набором атрибутов (таких как готовность, ремонтопригодность и пр.). Определение и характеристика этих атрибутов позволяют точно и верно установить истинное значение каждого из рассматриваемых понятий, найти между ними смысловое отличие. Так, живучесит принципиально разнится с надежностью. Живучесть учитывает аспекты безопасности системы и имеет более широкий спектр угроз: внутренние (дестабилизирующие факторы, старение элементов, отказы) и внешние (атаки, аварии, природные катаклизмы).

Заключение