Методи і засоби забезпечення відмовостійкості

Для забезпечення надійного вирішення завдань в умовах відмов системи застосовуються два принципово різні підходи відновлення обчислень після відмови системи (або її компоненту) та запобігання відмови системи (відмовостійкість).

Відновлення може бути прямим (без повернення до минулого стану) і зворотнім.

Пряме відновлення засноване на своєчасному виявленні збою і ліквідації його наслідків шляхом приведення некоректного стану системи в коректний. Тобто таке відновлення можливе тільки для певного набору заздалегідь передбачених збоїв.

При зворотному відновлення відбувається повернення процесу (або системи) з некоректного стану в якийсь з попередніх коректних станів. При цьому виникають наступні проблеми:

- втрати продуктивності, викликані запам’ятовуванням станів, відновленням попередньо збереженого стану і повторенням раніше виконаної роботи, можуть бути дуже високі;

- відсутня гарантія, що збій знову не повториться після відновлення;

- для деяких компонентів системи відновлення до попереднього стану може бути неможливе (торговий автомат).

Для відновлення стану в традиційних ЕОМ застосовуються два методу (та їх комбінацію), які полягають в проміжній фіксації стану або веденні журналу виконуваних операцій. Вони відрізняються об’ємом запам’ятовуваної інформації і часом, необхідним для відновлення.

Застосування подібних методів у розподілених системах наштовхується на наступні труднощі:

- для розподілених систем запам’ятовування узгодженого глобального стану є серйозною теоретичною проблемою;

- методи відновлення після відмов для деяких систем непридатні через переривання нормального функціонування та ін.

Щоб уникнути вищевказаних проблем, створюють системи, стійкі до відмов. Такі системи або маскують відмови, або ведуть себе у випадку відмови заздалегідь визначеним чином.

У міру того як операційні системи реального часу і вбудовані комп’ютери все частіше використовуються в критично важливих додатках, розробники створюють нові ОС реального часу високої готовності. Ці продукти включають в себе спеціальні програмні компоненти, які ініціюють попередження, запускають системну діагностику для того, щоб допомогти виявити проблему, або автоматично перемикаються на резервну систему.

 

Відмовостійкість системи забезпечується застосуванням надлишковості, тобто створенням певних запасів або резервів у системі.

У відмовостійких обчислювальних системах може бути застосована надлишковість:

- параметрична;

- часова;

- алгоритмічна;

- структурна (просторова).

Параметрична надлишковість - використання фізичних методів:

- робота при зниженому живленні: знижене живлення підвищує надійність, але збільшується вплив завад;

- робота при стабільному живленні: використання стабілізаторів;

- використання різних джерел живлення. Приклад: якщо одне джерело відмовляє - інші працюють. Це є різноманітність і незалежність;

- робота при знижених температурах зовнішнього середовища. Робота при знижених температурах приводить до збільшення терміну роботи, підвищується надійність;

- робота при стабільній температурі оточуючого середовища: використання термостатів, що покращує роботу системи.

Параметр надлишковості виявляється у полегшенні режимів роботи елементів та вузлів апаратури з метою підвищення їх надійності.

Для правильно спроектованої апаратури параметри експлуатації є близькими до оптимальних. Тому істотно збільшити надійність за рахунок параметрів надлишковості неможливо. Але можна проектувати нову апаратуру з врахуванням параметричної надлишковості.

   Часова надлишковість - визначається наявністю додаткового часу для розв’язання завдання. Цей час можна використати у разі виникнення збоїв або інших помилок шляхом виправлення їх за допомогою повторення обчислень:

- збільшення часової надлишковості не дає можливість збільшити надійність чи відмовостійкість системи вище певної межі;

- часова надлишковість є тільки передумовою для мобілізації ресурсів і для підвищення відмовостійкості, яку має дана обчислювальна система.

Обчислювальна система при збоях здійснює:

- деконфігурацію;

- повтор обчислення.

Алгоритмічна надлишковість - полягає у застосуванні таких алгоритмів, які забезпечують задовільні результати у випадку наявності або виникненні помилок в процесі обчислення. Алгоритмічна надлишковістьпередбачає наявність часової надлишковості і засобів її реалізації.

Алгоритмічна надлишковість, як і часова надлишковість мало допомагає у випадках відмови апаратури, але вона корисна з точки зору сталості системи до збоїв.

Структурна або просторова надлишковість - це найбільш ефективні види надлишковості.

Основні моделі структурної надлишковості:

- модель з резервуванням;

- ітераційна модель (основоположники Мур і Шенон);

- мажоритарна модель (запропонував в 1952 р фон Нейман, рис.22.2);

- модель логіки з переплетенням (рис.22.3);

- використання коректуючих (ефективних) кодів (рис.22.4, рис.22.5).

 

Модель з резервуванням

Резервування (рис.22.1) це спосіб підвищення надійності апаратури, який передбачає заміну частини апаратури, що відмовила, резервними.

Існує умова, що резервна апаратура входить конструктивно і функціонально у складну апаратуру надійність якої необхідно підвищити.

Розрізняють резервування:

- гаряче (два однакові модулі працюють одночасно);

- холодне (один модуль знаходиться в резерві);

- ковзаюче (декілька працюючих і декілька резервних).

 

 

а)

 

б)

 

 

в)

 

 

г)

 

д)

а) послідовне з’єднання; б) паралельне з’єднання;

в) послідовно-паралельне з’єднання; г) паралельно-послідовне з’єднання; д) змішане з’єднання

Рисунок 22.1 – Моделі з ’ єднання елементів в завадостійких КС

Рисунок 22.2 – Мажоритарна модель

 

 

Рисунок 22.3 – Модель логіки з переплетенням