Лекция 06. Эффективность функционирования вычислительных машин

Лекция 06. Эффективность функционирования вычислительных машин,
систем и сетей телекоммуникаций; пути ее повышения.

Качество и эффективность информационных систем
Надежность информационных систем
Основные показатели надежности
Обеспечение надежности функционирования ИС
Практическая реализация надежных информационных систем
Достоверность информационных систем
Показатели достоверности информации
Обеспечение достоверности информации
Помехозащищенное кодирование информации
Безопасность информационных систем
Защита информации от несанкционированного доступа
Криптографическое закрытие информации
Защита информации от компьютерных вирусов
Эффективность информационных систем
Локальные показатели эффективности
- Показатели прагматической эффективности
- Показатели технико-эксплуатационной эффективности
Показатели экономической эффективности
- показатели экономической эффективности системы,
характеризующие целесообразность произведенных на создание
и функционирование системы затрат.
Эффективность ТВС и пути ее повышения
Эффективность ИС и пути ее повышения
----------------------------------------------------
Эффективность - это свойство системы выполнять поставленную цель в заданных
условиях использования и с определенным качеством. Показатели эффективности
характеризуют степень приспособленности системы к выполнению поставленных перед
нею задач и являются обобщающими показателями оптимальности функционирования ИС,
зависящими от локальных показателей, каковыми являются надежность, достоверность,
безопасность.
Операционная система в наибольшей степени определяет облик всей вычислительной
системы в целом. ОС выполняет по существу мало связанные функции:
- обеспечение пользователю удобств посредством предоставления для него
расширенной виртуальной машины и
- повышение эффективности использования компьютера путем рационального
управления его ресурсами.

Конкретизируя это понятие, можно сказать, что эффективность ТВС - это
характеристика, отражающая степень соответствия сети своему назначению,
техническое совершенство и экономическую целесообразность. Понятие эффективности
связано с получением некоторого полезного результата - эффекта использования ТВС.
Эффект достигается ценой затрат определенных ресурсов, поэтому эффективность сети
часто рассматривается в виде соотношения между эффектом (выигрышем) и затратами.
Показатель эффективности (ПЭ) сети - количественная характеристика ТВС,
рассматриваемая применительно к определенным условиям ее функционирования. При
оценке эффективности ТВС необходимо учитывать характеристики трудовой
деятельности человека, взаимодействующего с ЭВМ и другими техническими
средствами сети. Следовательно, сеть рассматривается как система
"человек-машина" (СЧМ).
Показатель эффективности ТВС определяется процессом ее функционирования, он
является функционалом от этого процесса. В общем виде W=W(t,Lп,Lтп,Lа,Lд,Lу).
где W - множество ПЭ сети; t - время;
Lп, Lтп, Lа, Lд, Lу - множества параметров соответственно входящих
потоков запросов на обслуживание пользователей (Lп), технических и программных
средств сети (Lтп), алгоритмов обработки и передачи информации в сети (Lа),
деятельности пользователей (Lд), условий функционирования сети (Lу).
В свою очередь Lд ={Lт, Lв, Lн}, где Lт, Lв, Lн - множества выходных
показателей деятельности пользователей ТВС соответственно точностных (Lт),
временных (Lв), надежностных (Lн). Значения компонентов множеств Lт, Lв, Lн
определяются конкретными процессами деятельности пользователей в рассматриваемой
ТВС, средствами, которые имеются в их распоряжении для выполнения своих функций,
и условиями работы.
В соответствии с конкретизацией понятия эффективности показатели множества W
можно разделить на три группы: W=(Wц, Wф, Wэ),
где Wц- показатели целевой эффективности ТВС, или эффективности использования
(целевого применения) ТВС, это количественная мера соответствия сети своему
назначению; Wт- показатели технической эффективности ТВС, это количественная
мера, отражающая техническое совершенство сети; Wэ - показатели экономической
эффективности ТВС, это количественная мера экономической целесообразности сети.
Показатели целевой эффективности ТВС. Выбор показателей целевой
эффективности сети определяется ее назначением, в связи с чем имеет место
большое многообразие показателей группы Wц. С помощью этих показателей
оценивается эффект (целевой результат), получаемый за счет решения тех или иных
прикладных задач на ЭВМ сети (с использованием общесетевых ресурсов -
аппаратных, программных, информационных), а не вручную (если эти задачи вообще
могут быть решены вручную в приемлемые сроки) или с использованием других,
малоэффективных средств. Для количественной оценки этого эффекта могут
применяться самые различные единицы измерения.
Примеры показателей целевой эффективности:
точностные (Wт), надежностные (Wн) и временные (Wв) показатели, применяемые
в системах специального назначения для оценки эффективности использования в них
сетевых структур. Например, прирост вероятности выполнения некоторого задания,
сокращение времени на выполнение этого задания, повышение точности решения
некоторой задачи;
временные показатели целевого использования сетевых структур в управлении
народным хозяйством на различных его уровнях, характеризующие повышение
оперативности управления;
показатели целевой эффективности ТВС при решении задач планирования народного
хозяйства на различных его уровнях (отрасль, подотрасль, объединение,
организация, фирма, предприятие и т.д.). Здесь могут быть две группы этих
показателей:
а) показатели эффективности использования ресурсов ТВС для составления
краткосрочных, текущих планов. Эффект определяется тем, что разработка планов
при этом осуществляется быстрее, точнее и полнее, с учетом большего количества
факторов;
б) показатели эффективности использования сетевых структур для составления
долгосрочных (перспективных) планов. В этом случае эффект определяется не
только тем, что разработанный с применением ТВС перспективный план будет
получен быстрее и окажется точнее и полнее, но что он вообще стал возможным
благодаря использованию сетевых ресурсов;
показатели, характеризующие повышение качества продукции, технология
производства которой включает использование ТВС (например, использование ЛВС
на предприятиях);
показатели, характеризующие экономику производства продукции с применением
сетевых структур (например, повышение производительности труда, увеличение
объема выпускаемой продукции, снижение ее себестоимости, увеличение доли
экспортируемой продукции и т.д.), если цель использования ТВС заключается
именно в улучшении характеристик производственно-хозяйственной деятельности
предприятия или организации. В этом случае показатели целевой эффективности
одновременно являются и показателями экономической эффективности.
Показатели технической эффективности ТВС. С помощью этих показателей
оценивается эффективность ТВС как сложной аппаратно-программно-информапионной
кибернетической СЧМ при работе ее в различных режимах. При этом не принимается
во внимание эффект, получаемый за счет реализации результатов решения задач
(удовлетворения запросов) пользователей ТВС. Показатели группы WТ могут
использоваться для количественной оценки эффективности всей сети, ее отдельных
систем и подсистем, звеньев и узлов сети.
Для оценки технической эффективности сети целесообразно использовать
следующие показатели:
Vпд - пропускная способность сети, т.е. средний поток данных, фактически
передаваемых через сеть (измеряется в Мбит/с). Этот показатель может
использоваться для оценки как многомагистральной ТВС, так и одномагистральной
(например, локальной сети, где данные передаются по моноканалу). Следует
отличать фактическую пропускную способность канала или линии связи от
физической пропускной способности VК, которая определяется возможностями и
свойствами передающей среды и является одним из главных ее параметров. Очевидно,
что величина VПД существенно зависит от физической пропускной способности
канала или линии связи. Но она определяется и многими другими факторами:
используемыми методами доступа в передающую среду, загрузкой канала, способами
управления сетью, качеством и возможностями сетевой операционной системы и т.д.
Все эти факторы обусловливают потоки передаваемых данных и фактическую
скорость их передачи, т.е. фактическую (а не физическую) пропускную способность
канала;
Тзс - задержка в сети, вносимая в передачу данных пользователя, т.е. время
доставки сообщения от отправителя к получателю;
Vф - скорость передачи фреймов (коротких сообщений длиной 1000-2000 бит),
т.е. количество фреймов, передаваемых за единицу времени по сети. Это
дополнительный показатель, используемый в случае, когда поток данных (трафик)
содержит в основном только короткие фреймы;
Тзс =f(Vпд) - зависимость времени задержки сообщения в сети от ее средней
пропускной способности. Описание эффективности сети с помощью такой зависимости
имеет большое значение, так как при увеличении загрузки сети (увеличении
фактического потока данных) пользователь должен ожидать больше времени для
начала передачи своих данных.
Для оценки технической эффективности отдельных звеньев ТВС (узлов обработки
информации, узлов связи, центров коммутации пакетов и т.д.), обслуживающих
запросы пользователей сети, удобными оказываются следующие показатели.
1. Интегральная пропускная способность звена сети на отрезке времени [0,t]:
(15.2)
где n0(0,t), nП(0,t) - число запросов, соответственно обслуженных звеном сети
на отрезке времени [0,t] и поступивших на этом же отрезке.
Она показывает, как в среднем звено сети справляется с обслуживанием входящего
потока запросов от момента начала отсчета работы до некоторого момента t
(например, за смену, сутки, месяц).
2. Динамическая пропускная способность d Д(D t, t), представляющая собой
отношение числа запросов n0(D t, t), обслуженных звеном сети на сравнительно
небольшом интервале D t к моменту времени t, к числу запросов nП(D t, t),
поступивших в звено на том же интервале D t и к тому же моменту t:
. (15.3)
Динамическая пропускная способность позволяет судить о том, как звено сети
справляется с обслуживанием входящего потока запросов на любом заданном
(наиболее характерном) отрезке времени к любому текущему моменту. Она дает
возможность отслеживать работу звена сети в динамике и вырабатывать
рекомендации по обеспечению ритмичности его функционирования.
3. Среднее время реакции звена сети на запрос пользователя - Tр. Оно
складывается из времени ожидания обслуживания запроса и времени собственно
обслуживания. Этот показатель очень важен для оценки эффективности системы
обслуживания при работе в интерактивном режиме.
4. Максимально возможное число активных абонентов, т.е. абонентов, обращающихся
с запросами на обслуживание в данный момент.
5. Коэффициент задержки обслуживания абонентов; это отношение среднего времени
реакции на запрос абонента при максимальном количестве активных абонентов к
этому же времени при минимальном их количестве.
Возможна ситуация, когда показатели технической эффективности звена сети
одновременно являются и показателями целевой эффективности. Например,
интегральная пропускная способность хозрасчетного звена сети, являющегося
центром обработки информации (ЦОИ) по запросам пользователей. Поскольку
удовлетворение каждого запроса сопровождается оплатой со стороны пользователей,
для ЦОИ главной целью использования своих ресурсов является обеспечение
максимальной пропускной способности. Но для пользователей, которые обращаются
с запросами в ЦОИ, целевая эффективность ЭВМ будет определяться реализацией
результатов решения задач по их запросам, те. тем, что находится за границами
интересов ЦОИ.

Показатели экономической эффективности ТВС. Для оценки экономической
эффективности всей сети или отдельных ее элементов и звеньев могут
использоваться две группы показателей: интегральные показатели и частные
показатели.
С помощью интегральных показателей оценивается общий (суммарный,
интегральный) эффект, а затем и интегральная экономическая эффективность ТВС
(элемента или звена сети) с учетом всех капитальных и текущих (эксплуатационных)
затрат и всей экономии за счет использования ТВС, т.е. по всем источникам прямой
и косвенной экономии и по всем ее видам. Частные показатели необходимы для
оценки частного экономического эффекта, получаемого по отдельным источникам
экономии, которые создаются при внедрении новых аппаратных, программных,
информационных средств или новых технологий работы ТВС.
В качестве интегральных показателей экономической эффективности ТВС можно
рекомендовать давно апробированные показатели:
ЭГ - годовой экономический эффект, руб;
Э~г - среднегодовой экономический эффект, руб;
Эп - полный экономический эффект за расчетный период, руб;
Еэ - коэффициент экономической эффективности капитальных вложений (или
единовременных затрат, имеющих характер капитальных вложений) на создание и
внедрение всей сети или отдельных ее элементов (звеньев) или на
совершенствование и развитие сети, 1/год;
Ток - срок окупаемости этих капитальных вложений, год. Эти показатели могут
быть как ожидаемыми (при априорной оценке), так и фактическими (при
апостериорной оценке).
Величина Эг определяется как разность приведенных затрат, связанных с
созданием, совершенствованием и эксплуатацией некоторой системы (сети в целом,
ее отдельных элементов и звеньев) для базового и рассматриваемого (исследуемого)
вариантов. В качестве базовой выбирается такая система, которая аналогична
(является прототипом) исследуемой системе по назначению, структуре, объему и
характеру выполняемой продукции или предоставляемых услуг и считается лучшей
на данном этапе развития подобных систем. Однако в базовой системе отсутствуют
новейшие средства и технологии, внедрение которых повышает ее эффективность.
Рассматриваемая (исследуемая) система отличается от базовой использованием
новейших средств и технологий, эффективность которых следует оценивать.
Приведенные затраты ЗП представляют собой сумму текущих затрат С и
капитальных вложений К, приведенных к одинаковой размерности с помощью
нормативного коэффициента экономической эффективности капитальных вложений ЕК:
Зп=С+ Ен*К (15.4)
Следовательно,
Эг= Зп1-Зп2=(С1+EнK1) - (С2+ЕнК2)=(С1-С2)- Eн(K2-K1). (15.5)
где Зп1, Зп2- годовые приведенные затраты соответственно для базового и
исследуемого вариантов системы; С1, С2 - годовые текущие затраты для этих же
вариантов системы; K1, K2 - капитальные вложения для базового и исследуемого
вариантов системы.
Величины ЕЗ и ТОК определяются по формулам: Еэ=(С1-С2)/(К2-К1). (15.6)
Ток=1/Еэ. (15.7)
Использование исследуемой системы экономически целесообразно, если
выполняются условия Еэ >= Ен или Ток<=Тн,
где Тн- нормативный срок окупаемости капитальных вложений.
Расчет приведенных затрат по формуле (15.4), а следовательно, и расчет
годового экономического эффекта по формуле (15.5) можно проводить только в
простейшем случае, когда капитальные вложения осуществлены единовременно, а
текущие затраты неизменны по времени. Более сложным и общим является случай,
когда капитальные вложения осуществляются не единовременно, а в течение
определенного периода, а текущие затраты изменяются в течение срока службы
исследуемой системы. Этот случай приводится к простейшему с помощью
коэффициентов приведения (см. об этом в [ 32 ]).
Оценка частного экономического эффекта от внедрения новых аппаратных,
программных, информационных средств или новых технологий работы ТВС проводится
с целью:
обоснования экономической целесообразности их внедрения (особенно тех
средств и технологий, экономическая эффективность которых вызывает сомнение
и которые вместе с тем не дают сколько-нибудь заметного целевого эффекта, ради
которого можно было бы пожертвовать экономическим эффектом);
определения влияния этих средств и технологий на интегральную экономическую
эффективность;
сравнения конкурирующих вариантов внедряемых средств и технологий по частным
показателям, поскольку в ряде случаев именно эти показатели имеют решающее
значение при выборе того или иного варианта. Частные показатели отличаются
большим многообразием. Примеры частных показателей: сокращение численности
обслуживающего персонала всей сети или отдельных ее систем, элементов, звеньев
за счет внедрения новых средств и технологий; годовая экономия на текущих
затратах за счет продления эффективного срока эксплуатации сети, вызванного
совершенствованием профподготовки ее обслуживающего персонала; годовая
экономия на текущих затратах за счет реализации мероприятий, направленных на
улучшение условий труда обслуживающего персонала и, следовательно,
способствующих повышению эффективности их трудовой деятельности, и др.

Методы оценки эффективности ТВС.
Эффективность ТВС оценивается на различных стадиях жизненного цикла сети - от
этапа ее проектирования, когда выполняется априорная (доопытная) оценка с целью
определения ожидаемой эффективности и решения вопроса о целесообразности
реализации проекта, до этапа эксплуатации, когда проводится апостериорная
(послеопытная), на основе конкретного опыта эксплуатации) оценка с целью
определения фактической эффективности, подтверждающей или в какой-то степени
опровергающей прогнозы. Апостериорная оценка обычно проводится методами прямого
счета, с использованием аналитических соотношений, характеризующих влияние
различных факторов и параметров на показатели эффективности.
Гораздо более сложной и трудоемкой задачей является априорная оценка,
которая, как правило, осуществляется с помощью методов математического
моделирования.
К математическим моделям сложных кибернетических человеко-машинных систем (ТВС представляют собой именно такие системы), работающим в диалоговом режиме, когда необходимо учитывать характеристики человека (пользователя, оператора, администратора сети), предъявляется ряд требований. Основные из них следующие: модель должна отражать роль и место человека в системе, поскольку именно она является предметом исследований при оценке эффективности системы; модель должна адекватно отражать деятельность операторов системы (пользователей сети), в ней должны быть идентифицированы их различия и особенности; модель должна охватывать основной и вспомогательный процессы функционирования системы. Под основным процессом понимается совокупность операций, в результате выполнения которых достигается поставленная цель. Вспомогательные процессы - это процессы планирования и обеспечения (последние представляют собой совокупность операций, выполнение которых обеспечивает устойчивость основного процесса или его восстановление); в модели системы должна быть предусмотрена возможность отражения параллельно протекающих процессов; в модели должны сочетаться свойства описательности и оцениваемости процессов функционирования;
язык модели должен быть доступен человеку и ЭВМ, поскольку экспериментальное
исследование модели проводится на ЭВМ;
время, затрачиваемое на экспериментальное исследование математической модели
системы, должно быть в пределах допустимого.

Существуют два класса математических моделей - аналитические и имитационные, отличающиеся принципами построения и методами исследования. В аналитических моделях весь процесс функционирования исследуемой системы и отдельные его части представляются аналитически, в виде функциональных зависимостей (алгебраических и логических соотношений, интегрально-дифференциальных уравнений). В имитационных моделях процесс функционирования описывается (отображается) алгоритмически. Преимущества и недостатки аналитических и имитационных моделей
широко известны. Задача состоит в том, чтобы при исследовании эффективности системы использовать те и другие модели комплексно, в рациональном сочетании.
Аналитическое моделирование системы или отдельных ее подсистем следует использовать для следующих целей: получения информации, с помощью которой можно было бы определить целесообразное направление дальнейших исследований, проводимых методами имитационного моделирования, и тем самым уменьшить объем исследований; уменьшения объема имитационного моделирования за счет предварительного определения некоторых показателей и экстраполяции отдельных результатов моделирования.
Имитационное моделирование позволяет провести исследование системы более полно и глубоко, хотя его использование сопряжено с большей трудоемкостью и значительными затратами машинного времени ЭВМ.