MODEL FOR ENSURING FAULT TOLERANCE OF INFORMATION SYSTEMS BASED ON MULTI-LEVEL STRUCTURES
DOI:
https://doi.org/10.35546/kntu2078-4481.2025.3.2.61Keywords:
information system, model, fault tolerance, multilevel structure, Hoare logic, mathematical modelingAbstract
The article formulates the problem of ensuring fault tolerance in modern dynamic information systems based on multilevel structures as an important condition for their stable functioning. The necessity of a multilevel approach is substantiated, since classical methods of reservation and duplication do not provide comprehensive resilience, especially in cases of interlevel interactions. To solve this problem, an integrative approach is proposed that encompasses the representation of the levels of an information system (physical, network, application, organizational, and virtualization), its functionalities, and the process interpretation that accompanies them in the event of failures and recoveries. Hoare logic, operating with a tuple-based representation of the proposed model, serves as the descriptive apparatus. The basic tuple incorporates dependencies and conditions, including resource shortages within the information system that hinder the maintenance of an acceptable level of process execution and the influence of interlevel interactions. The operability of individual components of the information system and the consistency of processes across elements, including across interlevel planes, can be evaluated within the model using a criteria analysis based on indicators of availability, fault tolerance, isolation, and the resource-cost characteristics of the system. The paper presents experimental studies of the proposed model. In particular, the research examined the correspondence between the structural assumptions and the process description of real system properties and the proposed model. This study examined the validity of the model’s predictions concerning the preservation of critical system functionalities under stochastic failures and controlled recovery policies. The research used the computing resources of the Information and Computing Center of Kharkiv National University of Radio Electronics.The results, presented in the article, demonstrate satisfactory outcomes, confirming the adequacy of the model.
References
Додонов О. Г., Кузнєцова М. Г., Горбачик О. С. Моделювання і оцінювання функціональної стійкості інформаційних систем. Реєстрація, зберігання і обробка даних. 2025. Т. 27, № 1. С. 76–88.
Лейченко К. М., Скоробогатько С. В., Фесенко Г. В., Харченко В. С., Яковлев С. В. Оцінювання надійності бездротових сенсорних мереж систем моніторингу лісових пожеж з урахуванням фатальних комбінацій множин- них відмов сенсорів. Кібернетика та системний аналіз. 2025. Т. 61, № 1. С. 161–173. URL: http://jnas.nbuv.gov.ua/article/UJRN-0001535211 (дата звернення: 19.09.2025).
Tkachov, V., Kovalenko, A., Kharchenko, V., Hvozdetska, K., Hunko, M. An Overlay Network Based on Cellular Technologies for the Secure Control of Intelligent Mobile Objects. ICTERI 2021 Workshops. Communications in Computer and Information Science. Cham 2022. P. 480–490. URL: https://doi.org/10.1007/978-3-031-14841-5_32 (дата звернення: 19.09.2025).
Додонов О. Г., Путятін В. Г., Додонов В. О., Куценко С. А., Германюк А. П., Ізварін І. В., Кравчук К. О. Технологія забезпечення живучості територіально-розподілених інформаційних комп’ютерних систем в єдиному інформаційному просторі. Реєстрація, зберігання і обробка даних. 2024. Т. 26, № 1. С. 121–143. URL: https://doi.org/10.35681/1560-9189.2024.26.1.308659 (дата звернення: 19.09.2025).
Моделювання та оптимізація процесів безпечної та відмовостійкої маршрутизації в телекомунікаційних мережах : монографія / О. В. Лемешко, О. С. Єременко, М. О. Євдокименко, А. С. Шаповалова, Б. Слейман. Хар- ків : ХНУРЕ, 2022. 198 с. URL: https://doi.org/10.30837/978-966-659-378-1 (дата звернення: 19.09.2025).
Кірпічніков Ю., Рибидайло А., Литовченко Г., Бутенко М. Обґрунтування підходу до удосконалення інформаційної інфраструктури Міністерства оборони України для функціонування в умовах збройної агресії. Збірник наукових праць Центру воєнно-стратегічних досліджень НУОУ імені Івана Черняховського. 2023. С. 87–97.
Пaнчeнкo C., Aнтoнюк A., Нoвицький Д., Зaмopcкий C.. Загальні підходи до створення системи управління і контролю функціонування сервісів інформаційних систем у Збройних Силах України. Сучасні інформаційні технології у сфері безпеки та оборони. 2023. Т. 48, № 3. С. 98–106.
Андрощук О., Черевко Р., Петрушен М., Голобородько, М. Актуальні підходи до побудови інформаційної інфраструктури на основі хмарних технологій з використанням референсної архітектури. Сучасні інформаційні технології у сфері безпеки та оборони. 2023. Т. 46, № 1. С. 89–94.
Міхнов Є. Д. Огляд технології балансування навантаження у міксованих VPN-ланцюгах. Радіоелектроніка та молодь у ХХІ столітті : матеріали 28-го Міжнародного молодіжного форуму. 2024. Т. 5. С. 34–37. URL: https://doi.org/10.30837/IYF.PCEIP.2024.034 (дата звернення: 19.09.2025).
Замрій І. В., Собчук А. В., Лаптєв С. О., Лаптєва Т. О., Копитко, С. Б. Алгоритм контролю та прогнозування функціональної стійкості складних інформаційно-технічних систем. Телекомунікаційні та інформаційні технології. 2022. Т. 1. С. 4–14.
Шовкошитний І. Підхід до захисту інформаційно-телекомунікаційних систем на основі автокомпенсаційного принципу адресно-часової селекції аномалій мережевого трафіка. Сучасні інформаційні технології у сфері безпеки та оборони. 2023. Т. 48, № 3. С. 5–10.
Мартовицький В., Свиридов А., Авдєєв О., Гудзинський І., Коротецький О. Дослідження методів виявлення аномалій у api журналах для забезпечення безпеки та надійності програмних систем. Вісник Херсонського національного технічного університету. 2025. Т. 2, № 1(92). С. 142–148.
Tkachov V., Chepurna I., Frolov D. The promising method of secure transmission of inelastic data in peer-to-peer networks. Computer and information systems and technologies: proceedings of seventh international scientific and technical conference. 2024. P. 15−16.
Кузьменко Д. Методи та моделі емуляції негативних впливів на ресурси інформаційних систем. Технічні науки та технології. 2024. Т. 4, № 38. С. 189–196.
Hattab N., Belalem G. Modular models for systems based on multi-tenant services: a multi-level Petri-net-based approach. Journal of King Saud University – computer and information sciences. 2023. P. 101671. URL: https://doi.org/10.1016/j.jksuci.2023.101671 (дата звернення: 19.09.2025).
Kashyap V., Ahuja R., Kumar A. Predictive analysis-based load balancing and fault tolerance in fog computing environment. Cluster Computing. 2025. Vol. 28, № 5. URL: https://doi.org/10.1007/s10586-024-04984-5 (дата звернення: 19.09.2025).
Melo M., Aquino G. FaTEMa: a framework for multi-layer fault tolerance in IoT systems. Sensors. 2021. Vol. 21, № 21. P. 7181. URL: https://doi.org/10.3390/s21217181 (дата звернення: 19.09.2025).
Hoare C. A. R. An axiomatic basis for computer programming. Communications of the ACM. 1969. Vol. 12, № 10. P. 576–580.
Yang S., Tan J., Lei T., Linares-Barranco B. Smart traffic navigation system for fault-tolerant edge computing of internet of vehicle in intelligent transportation gateway. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems. 2023. Vol. 24, № 11. P. 13011–13022. URL: https://doi.org/10.1109/TITS.2022.3232231 (дата звернення: 19.09.2025).
Wang Y., Wang Z. Distributed model free adaptive fault-tolerant consensus tracking control for multiagent systems with actuator faults. Information sciences. 2024. P. 120313. URL: https://doi.org/10.1016/j.ins.2024.120313 (дата звернення: 19.09.2025).
Tkachov V., Hunko M., Volotka V. Scenarios for implementation of nested virtualization technology in task of improving cloud firewall fault tolerance. 2019 IEEE International Scientific-Practical conference Problems of Infocommunications, Science and Technology (PIC S&T). 2019. URL: https://doi.org/10.1109/picst47496.2019.9061473 (дата звернення: 19.09.2025).
Сектор інформаційного забезпечення інформаційно обчислювального центру. Харківський національний університет радіоелектроніки – ХНУРЕ, NURE. https://nure.ua/branch/informatsiyno-obchislyuvalniy-tsentr/struktura-iots/sektor-informatsijnoho-zabezpechennia (дата звернення: 19.09.2025)
