冗余技术及其应用.ppt

第五章 冗余技术及其应用,杨秋伟 湖南大学 计算机与通信学院,冗余技术概述,目的 提高信息的可靠性和安全性 例如：双工、双机技术 分类 功能性冗余 静态功能冗余和动态功能冗余 结构性冗余 硬件冗余、软件冗余和时间冗余,5.1 功能性冗余,功能性冗余的内涵和外延 内容：保证系统在进行信息加工和传输过程中的正确性 目标：主要应用于信息冗余技术，提高信息的抗干扰能力 主要功能避免系统内部及系统之间等混乱、错误和失效 阻止不符合设计要求和规格说明的信息输入 阻止不符合设计要求和规格说明的信息输出 阻止不符合设计要求和规格说明的输入输出关系发生,5.1 功能性冗余静态功能性冗余,输入/输出空间冗余 数字系统的真实输入/输出域是可输入/输出域的子集合 例如：BCD译码器 冗余度的计算 RESI = (|UI| - |DSI|) / |UI|静态输入功能冗余度 RESO = (|UO| - |DSO|) / |UO|静态输出功能冗余度,5.1 功能性冗余静态功能性冗余,输入输出空间关联冗余 RESIO = (|UIO| - |DSIO|) / |UIO|静态输入输出关联功能冗余度 例如：对5个独立自然数(十进制个位数)求最小值的鉴别器 静态输入功能冗余度为0 静态输出功能冗余度为0 静态输入输出关联冗余度 输入输出空间 105 * 101 = 106 输入输出域 105 冗余度 RESIO = (106 - 105) / 106 = 90%,5.1 功能性冗余动态功能性冗余,特征 不仅仅涉及输入向量和输出向量，而且考虑到输入输出向量序列 例如：一个四位(二进制)的向上计数器 静态观点看输入、输出空间与输入、输出域相同 动态观点 只考虑输出序列长度为3 (Qi,Qi+1,Qi+2) 输出序列(0,1,2), (1,2,3), , (14,15,0) 长度为3的输出序列的组合有 15 * 15 * 15 = 3375 冗余度 = （3375 15） / 3375,5.2 结构性冗余,结构性性冗余的内涵和外延 内容：在系统中附加一定的重复部分 目标：提高可信性 主要方面 硬件系统电子元器件、部件，甚至一个完整的硬件系统 软件系统语句、符号、函数、数据以及子程序的冗余 执行时间软件或硬件的执行时间,5.2 结构性冗余软硬件系统的结构性冗余,主动冗余动态冗余 系统中某一部分(或全部)的部件数超过了所需要的数目，删除这些冗余的任何部分，系统将不能正常运行 被动冗余静态冗余 系统中某一部分(或全部)的部件数超过了所需要的数目，删除这些冗余部分系统可以继续正常运行 混杂冗余 结合了被动冗余和主动冗余的优点 成本较高，设计复杂,5.2 结构性冗余主动冗余,目标 检测系统中存在的错误(不试图定位故障)，使系统得以恢复 实例,float total = 0.0; for(int i = 0; i memLength; i+) total = total + MEMi; total = total / (float)memLength; for(int i = 0; i memLength; i+) total = total + MEMi; ,5.2 结构性冗余主动冗余,三个典型的主动冗余例子 带比较器的双机系统 备份系统 留守时标器,5.2 结构性冗余主动冗余,基本的带比较器的双机系统 组成 两个相同的系统和一个比较器,5.2 结构性冗余主动冗余,基本的带比较器的双机系统 不足 输入错误无法检测 同步要求十分苛刻 比较部件的的可靠性是关键,5.2 结构性冗余主动冗余,改进的带比较器的双机系统,5.2 结构性冗余主动冗余,备份系统替换系统 n个相同的模块，由一个模块担任正常运行任务，并输出结果 其它n-1个模块作为备份，或称为替换系统 一个错误检查器用来检测运行模块的错误 一旦发现错误，该运行模块停止运行，替换模块之一取代运行 备份系统分类 热备份n个模块同时运行，由输出选择器选择一个模块作为输出 冷备份只有一个模块运行，当发现错误时激活某一备份,5.2 结构性冗余主动冗余,备份系统,5.2 结构性冗余主动冗余,留守时标器 每个联机模块内嵌一个时标器 每隔一段时间将时标器清零 如果不能在规定时间内清零则说明该模块发生故障 将发生故障的模块切断通常与备份系统联合使用,5.2 结构性冗余被动冗余,目标 屏蔽系统中的故障和错误，将他们屏蔽在一个允许的范围内 两个实例,5.2 结构性冗余被动冗余,N模冗余技术并行系统作为理论基础 N个模块同时平行运行相同任务，将其中一个模块的输出作为系统的输出“N取1”冗余系统 N个模块同时平行运行相同任务，将其中M个模块的输出作为系统的输出“N取M”冗余系统 3模冗余系统(TMR) 三重模块 多数裁决器(majority voter),5.2 结构性冗余被动冗余,N模冗余技术的关键点 多数裁决器的可靠性 三重模块的同步性,5.2 结构性冗余被动冗余,N模冗余技术的关键点提高多数裁决器的可靠性,5.2 结构性冗余被动冗余,N模冗余技术的关键点同步处理,带故障模块指示的TMR系统多数裁决器 fa = b c a + b c a fb = a c b + a c b fc = a b c + a b c,5.2 结构性冗余被动冗余,N模冗余技术的关键点同步处理,5.2 结构性冗余混杂冗余,混杂冗余 主动冗余优点 + 被动冗余优点 主动冗余以检测故障为主，部分技术可以定位故障，发现故障只能报警和停机，无屏蔽故障的能力 被动冗余以屏蔽冗余为主，不能检测故障，更不能定位故障 系统复杂、设计成本高，一般只对可信性要求特别高的应用环境 典型混杂冗余系统 带备份的N模冗余、自清洗冗余、筛选冗余、故障弱化冗余、5取3(5-3)模重构冗余,5.2 结构性冗余混杂冗余,带备份的N模冗余以3模冗余为例 组成 一个TMR系统为核心 + K个相同模块组成的备份系统 原理 K个备份模块作为热备份等待 如果TMR核心模块运行正常，则类似普通TMR 如果核心模块中有一个模块发生故障，则通过输出反馈线送入比较检测器中，对发生故障的模块定位，并切断故障模块的输出，接入一个备份模块来替代鼓掌模块的工作 重复以上工作，直至备份模块使用完毕退化为普通TRM系统,误纠现象：两个以上模块同时发生相同错误，则错误的将正确模块切换为备份模块,5.2 结构性冗余混杂冗余,带备份的N模冗余以3模冗余为例,5.2 结构性冗余时间冗余,技术背景 主动冗余、被动冗余、混杂冗余都是增加一部分软/硬件资源为基础，以提高系统的可信性 在某些环境下，无法提供或不可能增加冗余的软/硬件资源，却同时希望系统具有一定的检错或容错的功能 应用环境 系统对时间因素要求并不高,5.2 结构性冗余时间冗余,基本时间冗余技术核心思想 系统对同样的任务重复进行运算 对多次重复运算的结果进行比较，达到检测故障的目的,5.2 结构性冗余时间冗余,基本的时间冗余技术不足 无法检测永久性故障主要针对瞬时性的故障 改进的时间冗余技术,5.3 编码技术与应用,问题的提出 信息在处理过程中，受到器件质量问题或外界影响等发生间歇性故障甚至是瞬时性故障 元器件、设备老化或损坏 信号线的开路、闭路以及固定型故障 电磁干扰、电器噪声干扰、电源干扰 闪电、打雷等干扰 许多错误以“位”或“字”的形式出现 检/纠错编码 信息冗余技术中实施最有效、应用最广泛的技术之一,5.3 编码技术与应用,编码的核心原理 在有效信息中插入一定的冗余信息以提高信息的可靠性,5.3 编码技术与应用,几个基本概念 码向量空间 原有的固定长(例如：k位)的信息字组成的空间 码向量码字 非法码字 不在码向量空