Методы обеспечения надежности вычислительных систем путем резервирования

Надёжность вычислительных систем

Введение

Целью данного курсового проекта является изучение основ теории надёжности и применение изученного материала при расчёте вероятностей безотказной работы и оптимизации вычислительных систем.

Надежность вычислительных систем (ВС) определяется надежностью ее элементов и аппаратуры, а также надежностью программного обеспечения, управляющего выполнением вычислительного процесса. Пользователя вычислительной техники интересует только получение правильных результатов вычислений за заданное время. Для достижения этой цели необходимо, чтобы все названные составляющие - элементы, аппаратура и программное обеспечение - обладали необходимой надежностью.

Таким образом, надежность вычислительных систем определяется, с одной стороны, отсутствием отказов, сбоев и ошибок в ее работе, с другой - возможностью быстрого восстановления аппаратуры и вычислительного процесса.

Под надежностью понимают свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортировки.

Надежность - сложное свойство, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения состоит из сочетаний свойств: безотказности, долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости.

Безотказность - свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение некоторого времени или некоторой наработки.

Наработка - объем работы объекта.

Установление требований к надежности ЭВМ и ВС представляют собой сложную технико-экономическую задачу, решаемую по критерию минимума суммарных расходов.

Резервирование - способ повышения надежности аппаратуры, предусматривающий замену отказавших частей аппаратуры резервными при условии, что резервная аппаратура входит конструктивно и функционально в состав рассматриваемой аппаратуры.

Программное обеспечение может быть также резервировано. В этом случае под резервом понимается наличие запасных вариантов (версии) всей программы или ее отдельных модулей, которые входят в состав данной программной системы.

В аппаратуре универсальных ЭВМ в настоящее время резервирование встречается на различных уровнях.

1.1.1Резервирование на уровне ЭВМ

На уровне ЭВМ резервирование заключается в наличии большого числа однотипных ЭВМ, чем необходимо для решения поставленных задач. В таком случае надежность системы оценивается как системы со скользящим резервом (см. п. 1.4). Однако, как правило, целесообразно использовать производительность всех имеющихся ЭВМ. Тогда свойства системы удобнее характеризовать через эффективную производительность системы

,

где n - число ЭВМ в системе; П_iK_i - производительность и коэффициент готовности i-ой ЭВМ.

Если отдельные ЭВМ, объединенные через каналы связи, через адаптеры между каналами для периферийных устройств, через общее поле памяти или другим способом, образуют многомашинную (многопроцессорную) ВС, то эффективная производительность такой системы

,

где m - количество состояний системы; pj - вероятность того, что система находится в j-ом состоянии; Пj - производительность системы в j-ом состоянии.

Во многих случаях важно, чтобы ЭВМ, входящие в систему в сетевой организацией самой различной конфигурации, сохраняли связь между собой. Тогда для оценки вероятности сохранения связности системы следует применить методы расчета надежности систем со сложной структурой, например метод минимальных путей и сечений (см. п. 1.3.1).

1.1.2Резервирование на уровне устройств

На более низких уровнях иерархии структуры в универсальных ЭВМ резервирование широко встречается на уровне периферийных устройств (ПУ). В ВС имеется несколько устройств памяти, устройств ввода, печатающих устройств.

Достаточность ПУ целесообразно оценить через эффективную производительность. Надежность ПУ должна быть также выражена через показатели надежности, в данном случае только следует допустить, что для решения задач требуется некоторое минимальное число ПУ, а остальные ПУ являются скользящим резервом (см. п. 1.4).

1.1.3Резервирование на уровне кодов

Кроме названных методов резервирования, в ЭВМ нашли широкое применение коды с обнаружением и исправлением ошибок для повышения надежности ОЗУ и ВЗУ. Применение этих кодов дает возможность исправлять определенное число ошибок в каналах передачи данных или восстановить информацию в случае отказа некоторых ячеек в ОЗУ и ПЗУ или дорожек. Надежность таких устройств оценивается как надежность резервированных систем со скользящим резервом (см. п. 1.4).

1.1.4Резервирование в специализированных и управляющих ЭВМ

В специализированных и особенно управляющих ЭВМ резервирование применяется значительно шире в связи с высокими требованиями, предъявляемыми к надежности таких систем.

На уровне ЭВМ, а иногда и на уровне программного обеспечения применяется троирование (см. п. 1.8).

Встречаются также системы, где используется несколько резервных ЭВМ. В целях повышения надежности часть из них может работать в режиме нагруженного, а часть - в режиме ненагруженного резерва (см. п. 1.2.).

Однако резервирование на уровне ЭВМ не самое экономичное. Для повышения надежности при ограничениях массы, стоимости и габаритных размеров ВС используется резервирование отдельных устройств ЭВМ, троированием или применением одного или нескольких нагруженных и (или) ненагруженных резервов.

Для повышения надежности самых ответственных узлов применяется троирование или логика с переплетениями (см. п. 1.4).

Все рассмотренные методы резервирования в ВС относятся к пассивному резервированию, так как не предусматривают реконфигурацию системы.

Резервированная система может быть просто и наглядно представлена в виде связного графа - графа надежности, где вершины соответствуют подсистемам, а дуги - соединениям между подсистемами. Принимается, что отказу i-ой подсистемы соответствует обрыв i-го ребра графа, а отказу системы - потеря связности между двумя выделенными вершинами графа - полюсами.

Иногда для большей наглядности дуги графа дополняют изображениями устройств в виде прямоугольников. В таком случае говорят о структурной схеме расчета надежности системы (она не всегда соответствует функциональной структуре системы), ее следует составлять, исходя из надежности свойств рассматриваемой системы.

Дата добавления: 2014-01-07