【正文】 2022/2/1 1 2022/2/1 2 第三章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 容錯(cuò)系統(tǒng)的概念 硬件冗余 軟件冗余 磁盤(pán)陣列的編碼容錯(cuò)方案 2022/2/1 3 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 ? 可靠性：系統(tǒng)在規(guī)定的條件下，完成規(guī)定的功能的能力。 ? 可靠性用可用度來(lái)度量。 ? 可用度：系統(tǒng)在 t時(shí)刻處于正常狀態(tài)的概率。 ? 可用度計(jì)算： A(t)=平均無(wú)故障時(shí)間 / (平均無(wú)故障時(shí)間 +平均修復(fù)時(shí)間 ) ? 平均無(wú)故障時(shí)間： MTBF ? 平均修復(fù)時(shí)間： MTRF 2022/2/1 4 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 可用性的定量表現(xiàn)： ? 可靠性的測(cè)度方法：抗毀性，生存性，有效性。 ? 可靠性表現(xiàn)為硬件可靠性，軟件可靠性，人員可靠性，環(huán)境可靠性等。 ? 可維護(hù)性：平均修復(fù)時(shí)間： MTRF ? 維修保障：后勤支援能力 2022/2/1 5 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 ? 浴盆曲線(xiàn) 2022/2/1 6 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 ? 電子元器件的質(zhì)量等級(jí)； ? 電子元器件的選用： ? 對(duì)元器件性能的掌握； ? 降額使用； ? 熱設(shè)計(jì)； ? 抗輻射設(shè)計(jì)； ? 防靜電損傷； ? 防操作過(guò)程中的損傷； ? 儲(chǔ)存與保管問(wèn)題。 2022/2/1 7 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 熱設(shè)計(jì)技術(shù) ? 熱交換途徑，熱環(huán)境影響因素 (電能、機(jī)械能轉(zhuǎn)換為熱量 )； ? 冷卻方法：自然冷卻、強(qiáng)迫風(fēng)冷、冷板式冷卻； ? “ 軟件冷卻 ” ? 風(fēng)道 ? 水冷，液氮冷卻 ? 熱管，導(dǎo)熱 2022/2/1 8 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 ? 1963年發(fā)明并制造出熱管，是高效傳熱元件。80年代前，熱管用于衛(wèi)星等高端系統(tǒng)。 ? 導(dǎo)管內(nèi)填充了液態(tài)導(dǎo)熱介質(zhì)。熱管兩端產(chǎn)生溫差的時(shí)候，蒸發(fā)端的液體就會(huì)迅速氣化，將熱量帶向冷凝端，速度非?？?。液體在冷凝端凝結(jié)液化以后，通過(guò)毛細(xì)作用，流回蒸發(fā)端。 ? 水 氣之間的相變反應(yīng)，使熱管的熱傳導(dǎo)效率比普通的純銅高許多倍。 ? 熱管傳熱效果好，噪音低，使用壽命長(zhǎng)。 2022/2/1 9 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 2022/2/1 10 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 2022/2/1 11 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 2022/2/1 12 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 2022/2/1 13 2022/2/1 14 2022/2/1 15 2022/2/1 16 2022/2/1 17 2022/2/1 18 2022/2/1 19 2022/2/1 20 2022/2/1 21 2022/2/1 22 2022/2/1 23 2022/2/1 24 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 元器件布局 ? 發(fā)熱元件分散安裝 ? 使熱敏感元件處于低溫區(qū) ? 采用短通路，減少傳導(dǎo)熱阻 ? 較少接觸面熱阻 ? 印刷板熱設(shè)計(jì) ? 機(jī)箱熱設(shè)計(jì) 2022/2/1 25 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 熱分析手段 ? 熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射 ? 美 BETAsoft軟件，可實(shí)現(xiàn)器件級(jí)、電路板級(jí)、系統(tǒng)級(jí)電子產(chǎn)品熱分析和熱設(shè)計(jì)。 2022/2/1 26 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 2022/2/1 27 2022/2/1 28 2022/2/1 29 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 故障、失效和錯(cuò)誤的概念 ? 失效是指硬件物理特性異變。 ? 故障是指硬件或軟件的錯(cuò)誤狀態(tài)，是失效在邏輯上的等效。一個(gè)故障可以用種類(lèi)、值、影響范圍和發(fā)生時(shí)間來(lái)描述。 ? 錯(cuò)誤是指程序或數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的故障表現(xiàn)形式，是故障和失效所造成的后果。 2022/2/1 30 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 故障的分類(lèi) ? 故障可分為邏輯故障和非邏輯故障兩種。 ? 按時(shí)間劃分，故障可分為以下三種： 障。硬件的永久性故障意味著不可逆的物理變異。軟件的永久性故障也是一個(gè)不可自動(dòng)恢復(fù)的錯(cuò)誤狀態(tài)。 、斷續(xù)，它具有偶然性、不定期的重復(fù)性。如一個(gè)處于臨界狀態(tài)的電路輸出時(shí)好時(shí)壞，虛焊點(diǎn)也會(huì)引起這樣的故障。 2022/2/1 31 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 ，且可能是非重復(fù)性的。常因環(huán)境的變化、電源干擾、元器件性能的波動(dòng)、軟件的隨機(jī)變化、電磁干擾等因素而引起。 ? 統(tǒng)計(jì)表明，間歇性故障和偶然性故障占整個(gè)故障的很大比例，成為系統(tǒng)出錯(cuò)的主要根源。早期美國(guó)空軍的一項(xiàng)研究報(bào)告指出，這類(lèi)故障占所有故障的 80%。 IBM公司的一項(xiàng)報(bào)告指出：這類(lèi)故障占所有現(xiàn)場(chǎng)失效的 90%。 2022/2/1 32 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 ? 錯(cuò)誤的根源：錯(cuò)誤是失效和故障所引起的后果，其根源可以歸納為下圖。 2022/2/1 33 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 ? 容錯(cuò)技術(shù)能達(dá)到對(duì)故障的 “ 容忍 ” ， 但并非是“ 無(wú)視 ” 故障的存在 。 ? 它首先能自動(dòng)地適時(shí)地檢測(cè)并診斷出系統(tǒng)的故障 ， 然后采取對(duì)故障的控制或處理的策略 。 ? 根據(jù)錯(cuò)誤的不同情況 ， 一個(gè)容錯(cuò)系統(tǒng)可能分 10個(gè)階段 : (1)故障限制 (2)故障檢測(cè) (3)故障屏蔽 (4)重試 (5)診斷 (6)重組 (7)恢復(fù) (8)重啟動(dòng) (9)修復(fù) (10)重構(gòu) 2022/2/1 34 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 ? 按照系統(tǒng)的這些失效響應(yīng)方式 ， 容錯(cuò)技術(shù)可分成三種：故障檢測(cè) 、 靜態(tài)冗余 、 動(dòng)態(tài)冗余 。 ? 靜態(tài)冗余能容忍故障 ， 但不給出故障警告 。 ? 動(dòng)態(tài)冗余用于糾錯(cuò)碼存儲(chǔ)器或具有固定配置 (即線(xiàn)路器件之間的邏輯連接保持不變 )的多數(shù)表決冗余計(jì)算機(jī)之類(lèi)的系統(tǒng)中 。 2022/2/1 35 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 2022/2/1 36 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 ? 提高系統(tǒng)可靠性的方法： ? 避錯(cuò)：提高軟硬件質(zhì)量，抵御故障。 ? 容錯(cuò)：故障發(fā)生時(shí)系統(tǒng)仍能繼續(xù)運(yùn)行，提供服務(wù)與資源。 ? 美國(guó)容錯(cuò)計(jì)算機(jī)有限公司 :Stratus ? 天騰公司 Tanden Computers， 1974年成立。 2022/2/1 37 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 Stratus容錯(cuò)服務(wù)器采用容錯(cuò)設(shè)計(jì) ? 2022年 3月 29日美國(guó)容錯(cuò)技術(shù)有限公司與微軟在北京宣布 ， Stratus生產(chǎn)的基于 Windows Server2022操作系統(tǒng)的容錯(cuò)服務(wù)器 Ft Server。 ? Ft Server是基于 Intel IA架構(gòu) ， 使用可互相替換的冗余硬件 。 各個(gè)冗余部件工作在時(shí)鐘同步鎖定模式下 ， 以單一的操作系統(tǒng)映像 ， 同時(shí)執(zhí)行相同的應(yīng)用和交易 。 2022/2/1 38 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 HP NonStop HP ? NonStop是 HP工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器系列產(chǎn)品中的高端產(chǎn)品 ， 是一個(gè)開(kāi)放的專(zhuān)用平臺(tái) 。 ? NonStop服務(wù)器的專(zhuān)用性表現(xiàn)在它的核心容錯(cuò)結(jié)構(gòu) ， 可進(jìn)行全面的故障檢測(cè)和隔離 ， 并保護(hù)數(shù)據(jù)的完整性 ， 整個(gè)系統(tǒng)無(wú)任何單點(diǎn)故障 ，其可用性達(dá)到 %， 足以讓最關(guān)鍵和復(fù)雜的應(yīng)用得到滿(mǎn)足 。 2022/2/1 39 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 ? NonStop服務(wù)器的處理性能通過(guò)松散耦合的非共享體系結(jié)構(gòu)得以線(xiàn)性方式進(jìn)行擴(kuò)展 ， 支持 2到 4080個(gè)處理器 ， 并對(duì)用戶(hù)透明 。 ? NonStop服務(wù)器正全面轉(zhuǎn)向安騰平臺(tái) 。 2022/2/1 40 2022/2/1 41 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 容錯(cuò)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用展望 、操作系統(tǒng)容錯(cuò)相結(jié)合的容錯(cuò)設(shè)計(jì)方法將備受重視 2022/2/1 42 什么是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性 容錯(cuò)技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用展望 PC發(fā)展 、標(biāo)準(zhǔn)化 2022/2/1 43 容錯(cuò)系統(tǒng)的概念 ? 容錯(cuò)：系統(tǒng)資源冗余。 ? 硬件容錯(cuò) ? 軟件容錯(cuò) ? 時(shí)間容錯(cuò)：校驗(yàn)、糾錯(cuò) ? 信息容錯(cuò) 2022/2/1 44 容錯(cuò)系統(tǒng)的概念 ? 元器件級(jí)容錯(cuò) ? 部件級(jí)容錯(cuò) ? 分系統(tǒng)級(jí)容錯(cuò) ? 系統(tǒng)級(jí)容錯(cuò) ? 容錯(cuò)：平衡可靠性與資源消耗的關(guān)系。 2022/2/1 45 容錯(cuò)系統(tǒng)的概念 容錯(cuò)系統(tǒng)工作過(guò)程 ? 自動(dòng)偵測(cè) ? 自動(dòng)切換 ? 自動(dòng)恢復(fù) 2022/2/1 46 硬件冗余 、設(shè)備、部件，形成備份 2022/2/1 47 硬件冗余 ? 數(shù)據(jù)備份的目的 ? 為了有效地利用和保護(hù)數(shù)據(jù) ， 存儲(chǔ)備份是必不可少的措施 。 ? 存儲(chǔ)備份的主要目的有兩個(gè)： (1)數(shù)據(jù)共享； (2)用于系統(tǒng)災(zāi)難恢復(fù) 。 2022/2/1 48 硬件冗余 ? 信息存儲(chǔ)系統(tǒng)的可靠性和可用性 、 數(shù)據(jù)備份和災(zāi)難恢復(fù)能力往往是企業(yè)用戶(hù)首先要考慮的問(wèn)題 。 ? 為防止災(zāi)難事件對(duì)數(shù)據(jù)的毀壞 ， 關(guān)鍵數(shù)據(jù)還要考慮 異地備份和容災(zāi) 問(wèn)題 。 ? 數(shù)據(jù)的災(zāi)難恢復(fù)是保證系統(tǒng)安全可靠的基礎(chǔ) 。 2022/2/1 49 硬件冗余 ? 存儲(chǔ)管理和維護(hù)自動(dòng)化 ? 由于存儲(chǔ)系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜 ， 管理維護(hù)人員的出差錯(cuò)的可能性也越來(lái)越大 ， 稍不注意就會(huì)丟失數(shù)據(jù) 。 ? 現(xiàn)代存儲(chǔ)系統(tǒng)要求具有智能化的自動(dòng)管理和維護(hù)功能 。 2022/2/1 50 硬件冗余 ? 備份策略 : ? 備份策略是所要采用的備份方式 ,要根據(jù)自己的實(shí)際情況來(lái)制定。 ? 基本的備份策略有三種。 2022/2/1 51 硬件冗余 ? ? 每次都對(duì)自己的系統(tǒng)進(jìn)行完全備份。 1 2 3 4 5 2022/2/1 52 硬件冗余 ? ? 每次僅對(duì)增加或變更的數(shù)據(jù)進(jìn)行備份。 4 3 5 2 1 2022/2/1 53 硬件冗余 ? 1 2 3 4 5 2022/2/1 54 硬件冗余 ? 按備份介質(zhì)存放位分為本地備份和異地備份； ? 按備份后數(shù)據(jù)是否可改變分為活備份與死備份； ? 按選擇的備份軟件的功能可分為動(dòng)態(tài)備份和靜態(tài)備份。 2022/2/1 55 硬件冗余 2022/2/1 56 硬件冗余 集群 (Cluster) ? 集群技術(shù)可如下定義