計算機系統(tǒng)可靠性

1、計算機系統(tǒng)高可靠性研究引言：隨著計算機應用水平的不斷提高，計算機的依賴已經(jīng)成為社會的必然。計算機的依賴即對數(shù)據(jù)的依賴，數(shù)據(jù)已成為社會文明賴以維持的重要條件。不論是在政府機關企事業(yè)單位使用的現(xiàn)代辦公系統(tǒng)中，還是在保證企業(yè)正常生產(chǎn)的大型集散控制系統(tǒng)中，抑或是在代表現(xiàn)代制造業(yè)最新水平的柔性制造系統(tǒng)或計算機集成制造系統(tǒng)中，如何保障數(shù)據(jù)的高可靠、持續(xù)訪問是我們計算機應用者必須面對的主要問題。以計算機應用和數(shù)據(jù)為中心的理論為依據(jù)，建立計算機應用系統(tǒng)高可靠理論與應用推廣技術，保障計算機應用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)高可用，避免數(shù)據(jù)災難對社會正常秩序的嚴重破壞，是計算機應用高可靠性研究的主要內(nèi)容，該研究具有重大的意義。具體來

2、說包括：海量數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理通道高可靠性，數(shù)據(jù)傳輸通道高可靠性等。系統(tǒng)可靠性的定義：在特定時間內(nèi)和特定條件下系統(tǒng)正常工作的相應程度，即(degree of suitability)。系統(tǒng)的可用性(availability)，即利用率。可用性的平均值即平均利用率，其計算方法為： A = MTBF / (MTBF + MTTR)其中：MTBF(MeanTime Between Failures)，故障間隔平均時間；MTTR(MeanTime To Repair)，系統(tǒng)平均修復時間。當前主要容錯技術：提高計算機系統(tǒng)可靠性主要有兩種方法：避錯和容錯。所謂避錯就是采取各種可能的技術措施避免計算機在

3、使用過程中發(fā)生錯誤；所謂容錯就是在系統(tǒng)運行過程中允許某些環(huán)節(jié)發(fā)生某些錯誤，但是計算機給出的最終結果中不包括由于上述環(huán)節(jié)中發(fā)生的錯誤所造成影響。1. 避錯技術。 其實就是追求一種完美性。要求組成系統(tǒng)的各個部件、器件具有高可靠性不允許出錯，或者出錯率降至最低。1.1硬件的可靠性與完美性 指元器件的完美性、部件的完美性、整機與系統(tǒng)的完美性。例如： 電路：規(guī)范設計、電路結構、時序與競爭元器件：制造、篩選、老化、容差、壽命部件：PCB板、布局、位置、結構、布線、焊接、安裝、散熱、機械性能、頻率整機：整體一致、結構合理、干擾屏蔽環(huán)境：布局、強弱電干擾、靜電1.2軟件的可靠性與完美性 指軟件的正確性、可用性

4、、完美性、兼容性。2. 容錯技術即在一定程度上容忍故障的技術。容錯系統(tǒng)，采用容錯技術的系統(tǒng)。當系統(tǒng)因某種原因出錯或者失效，系統(tǒng)能夠繼續(xù)工作，程序能夠繼續(xù)運行，不會因計算機故障而中止或被修改，執(zhí)行結果也不包含系統(tǒng)中故障引起的差錯。容錯技術也稱為故障掩蓋技術(fault masking)。 冗余技術是容錯技術的重要結構，它以增加資源的辦法換取可靠性。由于資源的不同，冗余技術分為硬件冗余、軟件冗余、時間冗余和信息冗余。資源與成本按線性增加，而故障概率則可按對數(shù)規(guī)律下降。冗余要消耗資源，應當在可靠性與資源消耗之間進行權衡和折衷。2.1硬件容錯技術1) 系統(tǒng)級容錯多種系統(tǒng)容錯后備模式l 雙機雙工熱備份(

5、Mutual Backup)兩機同時運行，分不同作業(yè)，各自資源負載，故障、接管、修復、交還。l 主從熱備份(Master/Slave)主從式（M/S），M運行，S后備，M故障，S接管并升級為M,原M修復后作為Sl 熱備份(Hot-Standby)M運行，S后備，M故障，S接管作M，原M修復，S歸還M。2) 部件級容錯l 存儲子系統(tǒng)（最容易發(fā)生故障的地方） 磁盤鏡像：將相同的數(shù)據(jù)分別寫入兩個磁盤 磁盤雙聯(lián)：為鏡像磁盤增加了一個I/O控制器，形成磁盤雙聯(lián)，使總線爭用得到改善。 RAID（獨立磁盤冗余陣列）簡單地解釋，就是將N臺硬盤通過RAID Controller（分Hardware，Softwa

6、re）結合成虛擬單臺大容量的硬盤使用。磁盤陣列中針對不同的應用使用的不同技術，稱為RAID level,而每一level都代表著不同技術，目前業(yè)界公認的標準是RAID 0RAID 5。用哪個level視用戶的操作環(huán)境和應用而定。RAID的采用為存儲系統(tǒng)（或者服務器的內(nèi)置存儲）帶來巨大利益，其中提高傳輸速率和提供容錯功能是最大的優(yōu)點。 l 電源：采用雙電源，DC冗余，AC、DC全冗余。l I/O卡：雙網(wǎng)卡。l PCI總線：三重對等PCI技術。l CPU：多CPU容錯系統(tǒng)。2.2軟件冗錯技術 這里所討論的軟件容錯主要是對計算機應用軟件科技人員為某一個特定的工程設計和開發(fā)的應使用軟件而言。 目前實現(xiàn)

7、軟件設計的冗余通常都采用重版本程序設計法，這如同硬件靜態(tài)容錯一樣，是一種靜態(tài)屏蔽軟件可能造成錯誤的技術。設計思想是用N個具有相同功能的程序同時或先后執(zhí)行某項計算，結果通過多數(shù)表決來選擇。表決程序是N重本程序設計結構的關鍵。以N重版本程序設計的方法來實現(xiàn)軟件設計的冗余是保證軟件可靠性同時也是提高整個系統(tǒng)可靠性的最強有力的措施，但是這種技術措施的采用又反過來要求增加為其運行所需的硬件資源，從而加大了系統(tǒng)的成本和硬件設計的復雜性$另一方面也增加了系統(tǒng)在時間上的開銷，從而使系統(tǒng)運行時間增加用戶等待時間加長。正是由于這種原因，一般情況下，如果不是在超高可靠性要求的實時系統(tǒng)中可以不必考慮采用這些措施。結論 社會各界對計算機系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可靠性問題隨著計算機應用領域的擴大和規(guī)模的增加，還會提出許多新的要求。所以在過去已有基礎上，繼續(xù)開展這方面的研究工作，不僅具有重要的理論意義，同時也有廣泛的應用價值。 多年來廣大計算機科技工作者為提高計算機系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、可維護性而采取硬、軟冗余技術來增強系統(tǒng)的避錯、糾錯、容錯等辦法，未來將仍是我們