容錯(cuò)計(jì)算第2章

1、系統(tǒng)可靠性基本概念北京郵電大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院姚文斌結(jié)構(gòu)n故障的表現(xiàn)及分布n計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性概念n計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性分析基本概念n失效failuren失效是指硬件物理特性的異變n故障faultn故障是硬件或軟件的錯(cuò)誤狀態(tài)，是失效在邏輯上的等效n錯(cuò)誤errorn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，是故障和失效造成的后果故障來源n元器件失效早期失效 中期失效晚期失效tZ(t)電子元件失效率曲線環(huán)境因素n溫度、濕度、沖擊、振動(dòng)、電磁場、核輻射、鹽霧、霉菌等都會(huì)對系統(tǒng)可靠性產(chǎn)生影響n為減少環(huán)境因素產(chǎn)生的故障，要對元器件進(jìn)行環(huán)境應(yīng)力篩選，即進(jìn)行溫度循環(huán)、熱沖擊、機(jī)械沖擊和離心加速度實(shí)驗(yàn)，淘汰失效或

2、惡化器件，同時(shí)進(jìn)行環(huán)境防護(hù)設(shè)計(jì)，如熱設(shè)計(jì)、機(jī)械應(yīng)力防護(hù)設(shè)計(jì)、化學(xué)防護(hù)設(shè)計(jì)、電磁兼容性設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)故障n硬件、軟件設(shè)計(jì)故障n尤其是隨著軟件規(guī)模的擴(kuò)大，設(shè)計(jì)故障發(fā)生的概率顯著上升故障表現(xiàn)n故障的表現(xiàn)千差萬別，可以利用故障模型對故障表現(xiàn)進(jìn)行抽象n故障模型的優(yōu)劣n廣泛性，即故障模型概括了多少故障n易處理性，即在這種故障模型下，易于進(jìn)行故障處理（檢測、診斷或容忍等）的程度n廣泛的模型往往復(fù)雜、難于處理，而簡單、易于處理的模型又往往不能廣泛地反映實(shí)際的故障表現(xiàn)邏輯級的故障模型n固定型故障n電路中元器件的輸入或輸出等線的邏輯值固定為0或?yàn)?。如線接地、電源短路或元件失效等。n短路或開路故障n元件短路是指元件的

3、輸出線邏輯值恒等于輸入線的邏輯值；元件開路是指元件的輸出線懸空，邏輯之可根據(jù)具體電路來決定n橋接故障n兩條（相鄰）不應(yīng)相連的線連接在一起發(fā)生的故障數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)級的故障n故障在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)上的表現(xiàn)稱為差錯(cuò)n獨(dú)立差錯(cuò)：一個(gè)故障的影響表現(xiàn)為一個(gè)二進(jìn)制位發(fā)生改變n算數(shù)差錯(cuò)：一個(gè)故障的影響使一個(gè)數(shù)據(jù)的值增加或減少2in單項(xiàng)差錯(cuò)：一個(gè)故障的影響使一個(gè)二進(jìn)制向量中某些位朝一個(gè)方向（0或1）改變軟件故障和軟件差錯(cuò)n軟件故障是指軟件設(shè)計(jì)過程中造成的與設(shè)計(jì)說明的不一致，軟件故障在數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)或程序輸出的表現(xiàn)稱為軟件差錯(cuò)n非法轉(zhuǎn)移n誤轉(zhuǎn)移n死循環(huán)n空間溢出n數(shù)據(jù)執(zhí)行n無理數(shù)據(jù)系統(tǒng)級的故障模型n故障在系統(tǒng)級上的表現(xiàn)為功能錯(cuò)誤，即

4、系統(tǒng)輸出與系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明的不一致。如果系統(tǒng)輸出無故障保護(hù)機(jī)構(gòu)，則故障在系統(tǒng)級上的表現(xiàn)就會(huì)造成系統(tǒng)失敗n從延續(xù)時(shí)間來考慮，可以把故障或錯(cuò)誤分為永久性的、間歇性的和瞬時(shí)性的三種n永久性是描述連續(xù)穩(wěn)定的失效、故障或錯(cuò)誤n間歇性是描述那些由不穩(wěn)定的硬件或變化著的硬件或軟件狀態(tài)所引起的、僅僅是偶然出現(xiàn)的n瞬時(shí)性是由暫時(shí)的環(huán)境條件引起的概念區(qū)分nAlgirdas Avizienis, Jean-Claude Laprie, Brian Randell, Carl Landwehr. Basic Concepts and Taxonomy of Dependable and Secure Computing,

5、 IEEE Transaction on Dependable and Secure Computing, 2004, 1(1): 11-33IEEE刊物n1954年Trans. of the IRE Professional Group on Reliability and Quality Control, 1955-1962年改名為IEEE Trans. on Reliability and Quality Control,1963年改名為IEEE Trans. on Reliability(三月刊) n2001年創(chuàng)刊IEEE Trans. on Device and Materials

6、Reliability(三月刊)n2003年創(chuàng)刊IEEE Security & Privacy(雙月刊)n2004年創(chuàng)刊IEEE Trans. on Dependable and Secure Computing(三月刊)n2006年創(chuàng)刊IEEE Trans. on Information Forensics(信息鑒別) and Security(三月刊)n2007年創(chuàng)刊IET(the Institution of Engineering and Technology) Information Security(三月刊)ACM刊物nACM 創(chuàng)立于1947年，是全球歷史最悠久和最大的計(jì)算機(jī)教育和

7、科研機(jī)構(gòu)。 n1998年創(chuàng)刊ACM Trans. on Information and System Security(三月刊)n2009年創(chuàng)刊Journal of Data and Information Quality可信定義nDependability: the ability to deliver service that can justifiably be trustednThe dependability of a system is the ability to avoid service failures that are more frequent and more sev

8、ere than is acceptablel Confidentiality: the absence of unauthorized disclosure of information結(jié)構(gòu)n故障的表現(xiàn)及分布n計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性概念n計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性分析系統(tǒng)可靠性分析n可靠性的平均壽命可維修系統(tǒng)MTBFn平均系統(tǒng)失效間隔時(shí)間不可維修系統(tǒng)MTTFn平均無故障運(yùn)行時(shí)間n例：n有一個(gè)系統(tǒng)由4000個(gè)元件組成，元件的失效率為每1000小時(shí)0.02%，則每小時(shí)的平均失效數(shù)為8*10-4個(gè)/小時(shí)。所以系統(tǒng)的MTBF為1/（8*10-4）小時(shí)，即1250小時(shí)。單位要統(tǒng)一10dteMTBFtn可改寫可靠度公式

9、n當(dāng)t=MTBF，則R(t)=36.8%MTBFtteetR/)(MTBFn當(dāng) 很小時(shí)，t)(111)(tRtMTBFMTBFtttRn在大量的場合里，要求計(jì)算機(jī)短時(shí)間內(nèi)具備較高的可靠性n例如：一臺(tái)計(jì)算機(jī)由10000個(gè)元件組成，每個(gè)元件的失效率為0.05%每1000小時(shí)，對應(yīng)于99%可靠度的系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間是小時(shí)則小時(shí)為系統(tǒng)失效率210501. 0/10510510N)(01. 001. 099. 013374tMTBFttMTBFsss系統(tǒng)可靠性的數(shù)學(xué)模型n一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是由許多個(gè)子系統(tǒng)組成的，而一個(gè)子系統(tǒng)則由大量的元、器件所組成。為了定量的得出系統(tǒng)的可靠度，一般從元器件的可靠度到子系統(tǒng)的可靠度

10、，進(jìn)而到整個(gè)系統(tǒng)的可靠度。因此根據(jù)系統(tǒng)與系統(tǒng)內(nèi)部的各子系統(tǒng)的相互關(guān)系建立可靠度的數(shù)學(xué)模型十分必要的。n可靠性框圖與邏輯框圖n一、串聯(lián)可靠性系統(tǒng)的可靠性模型niistRtR1)()()()(tRtRisniis1niisMTBF111 可見，串聯(lián)系統(tǒng)平均無故障運(yùn)行時(shí)間小于子系統(tǒng)的平均無故障運(yùn)行時(shí)間n考慮一種特殊情況)()()(.)()(021tRtRtRtRtRninMTBFnMTBFnetRtRsstnns00001)()(0n二、并聯(lián)可靠性系統(tǒng)可靠性模型niiStRtR1)(1 1)()()(tRtRiSn考慮一種特殊情況tnietRtRtRtRtR0)()()(.)()(021ntnset

11、RtR)1 (1)(11)(0001100)1(1)(MTBFiidttRMTBFniniSSn假設(shè)一個(gè)系統(tǒng)由兩個(gè)子系統(tǒng)組成，即n=2nMTBF提高了1.5倍00123)1(MTBFiMTBFniSn三、串、并聯(lián)混合系統(tǒng)可靠性模型可分為三種形式n串-并聯(lián)可靠性系統(tǒng)n并-串聯(lián)可靠性系統(tǒng)n復(fù)雜的可靠性系統(tǒng)n1、串-并聯(lián)可靠性系統(tǒng)minjijStRtR11)(11)(n若各模塊可靠度相等mnSijtRtRtRtR)(11)()()(00n2、并-串聯(lián)可靠性系統(tǒng)njmiijStRtR11)(11)(l若各模塊可靠度相等nmSijtRtRtRtR)(11)()()(00n串并聯(lián)與并串聯(lián)系統(tǒng)的可靠度比較n

12、n=m=2Ra0.70.80.90.95串串-并聯(lián)并聯(lián)Rs0.7390.8700.9630.991并并-串聯(lián)串聯(lián)Rs0.8280.9210.980.995Fault Detection&IsolationFault Detection&IsolationFault Detection&IsolationFault Detection&IsolationRedundantI/ORedundantCPU/Memoryn3、復(fù)雜的可靠性系統(tǒng)nStratus nftserver 2300n可靠性框圖2)1 (1IOCMRRRn邏輯結(jié)構(gòu)Fault Detection&IsolationFault Detection&IsolationFault Detection&I