8.1.Вопросы к разделу 3.1
1.Что понимается под отказом системы?
2. Дать определение отказоустойчивых систем.
3. Как влияет улучшение надежностных характеристик отдельных компонентов ВС?
4. Какие существуют эффективные методы устранения отказов в ВС?
5. Причины появления отказов в системе.
9.Классификация типов отказоустойчивости сложных систем и ее критерии
Сложные технические системы в процессе эксплуатации подвергаются детерминированным и стохастическим внешним воздействиям, приводящим к различного вида повреждениям элементов и связей: износу, поломке, засорению, выгоранию, обрыву и т.п. Накапливаясь, повреждения приводят к отказу - нарушению работоспособности объекта, которое определяется перечнем заданных параметров и допустимыми пределами их изменения. Нарушение работоспособности может произойти при выходе значения хотя бы одного параметра за пределы, установленные требованиями нормативно-технической документации. Признаки, позволяющие установить факт такого нарушения, являются критериями отказа. Для сложных технических систем этот критерий отказоустойчивости не всегда показателен, поскольку нарушение работоспособности отдельного элемента может не сказаться на работоспособности всей системы в целом. В сложных системах возможно большое количество мест повреждений. Вероятность ее безотказной работы может быть оценена статистически в результате проведения серии экспериментов (рисунок 3.2.1), связывающих отказоустойчивость с количеством возникших повреждений, при этом:
р – статистическая оценка вероятности отказа системы;
n – количество отказавших элементов и/или связей между ними;
n1 – максимальное количество отказавших элементов и/или связей, при которых вероятность отказа равна нулю;
n2 – минимальное количество отказавших элементов и/или связей, при которых вероятность отказа равна единице.
Полученное семейство экспериментальных точек условно разбито на три зоны:
зона I: 0 < n < n1; p = 0 – повреждений не больше, чем n1; система абсолютно работоспособна;
зона II: n1 < n < n2; 0 < p < 1 – повреждений больше, чем n1, но меньше, чем n2; система сохраняет работоспособность лишь при некотором наборе этих повреждений;
зона III: n2 < n; p = 1 – повреждений больше, чем n2 - 1; система неработоспособна при любом их наборе.
Рисунок 3.2.1 Результаты экспериментальной статистической оценки вероятности отказа сложной технической системы
Очевидно, что отказоустойчивость системы зависит от значений n1 и n2 и тем выше, чем дольше сохраняется нулевая вероятность отказа (т.е., чем больше n1), и чем больше наклонена к оси абсцисс прямая, аппроксимирующая экспериментальные точки в зоне II, (т.е. чем больше (n2 - n1)).
В зависимости от наличия и протяженности вдоль оси n этих зон, можно классифицировать четыре типа отказоустойчивости системы (см. таблицу 3.2.1).
Таблица 3.2.1
-
№ п/п
Тип
отказоустойчивости
Графическая аппроксимация
Значения границ зон
Характеристика
5.
Абсолютно неустойчива
n1 = 0; n2 = 1
Первое же любое повреждение приводит к отказу
2.
Негарантированная отказоустойчивость
n1 = 0; n2 > 1
Отказоустойчивость пропорциональна р при n >0
3.
Гарантированная отказоустойчивость I
n1 > 0; n2 - n1 = 1
Система отказоустойчива до n< n1.
При n > n1 первое же любое повреждение приводит к отказу
4.
Гарантированная отказоустойчивость II
n1 > 0;
n2 - n1 > 1
Система отказоустойчива до n< n1.
Приведенные типы отказоустойчивости представляют собой условную аппроксимацию экспериментальных точек прямыми.
Первый тип по своим показателям соответствует абсолютно неустойчивой и в этом смысле ненадежной системе, первое же любое повреждение любого элемента (или связи) приводит к отказу. Естественно, такая система не нуждается в критериях оценки отказоустойчивости.
Второй тип соответствует системе с негарантированной отказоустойчивостью, т.к. первое же любое повреждение может привести к отказу.
Третий тип отказоустойчивости также является ненадежным с точки зрения эксплуатационных характеристик системы, поскольку после некоторого количества повреждений вероятность отказа скачком превращается из 0 в 1.
Четвертый тип сочетает в себе свойства второго и третьего.
По способу реализации отказоустойчивость подразделяется на активную и пассивную.
Активная отказоустойчивость базируется на отдельно выделенных процессах обнаружения отказа, локализации отказа и реконфигурации системы. Отказы обнаруживаются средствами контроля, локализуются при помощи средств диагностики и устраняются автоматической реконфигурацией системы. Последняя заключается в перестройке структуры системы таким образом, чтобы ее отказавшие компоненты были устранены от участия в работе.
Пассивная отказоустойчивость заключается в способности системы не потерять свои функциональные свойства в случае отказа отдельных элементов. В таких случаях говорят, что отказ маскируется системой. Пассивная отказоустойчивость связана с увеличением количества аппаратуры в несколько раз; она применяется обычно тогда, когда недопустимы даже кратковременные перерывы в работе ВС, а также для обеспечения отказоустойчивости важнейших блоков или устройств системы.
Применение активной отказоустойчивости характеризуется более экономным расходом аппаратных средств, однако связано с некоторыми потерями времени при восстановлении работы системы после отказа (иногда возможны потери некоторой части данных). Активная отказоустойчивость реализуема только в многопроцессорных системах. В то же время применение пассивной отказоустойчивости гарантирует практически бесперебойную работу ВС и сохранение всей информации. Эти обстоятельства определяют области применения активной и пассивной отказоустойчивости.
Введение отказоустойчивости является одним из способов повышения надежности ВС. Вопрос о построении и применении отказоустойчивых систем возникает тогда, когда другие пути повышения надежности не обеспечивают требуемого ее уровня по техническим или экономическим причинам.
Отказоустойчивость системы обеспечивается введением избыточности, т.е. созданием определенных запасов или резервов. В отказоустойчивых ВС может быть использована избыточность параметрическая, временная, алгоритмическая и структурная.
Параметрическая избыточность выражается в облегчении режимов работы элементов и узлов аппаратуры с целью повышения их надежности. Однако, для правильно спроектированной системы эксплуатационные и другие параметры выбраны близкими к оптимальным, поэтому существенного увеличения надежности за счет параметрической избыточности, достигнуто быть не может.
Временная избыточность заключается в наличии дополнительного времени для решения задачи, с тем, чтобы в случае возникновения сбоев можно было исправлять их путем повторной обработки данных. Временная избыточность создает предпосылки для реализации ресурсов по повышению отказоустойчивости, имеющихся в данной системе (реконфигурация, повторение вычислений), поскольку для этого требуется дополнительное время.
Алгоритмическая избыточность заключается в применении таких алгоритмов, которые обеспечивают удовлетворительные результаты в случае наличия или возникновения ошибок в процессе обработки информации. Алгоритмическая избыточность предполагает наличие временной избыточности и является средством ее реализации. Например, свойствами избыточных алгоритмов обладают итерационные алгоритмы, обеспечивающие сходимость при больших случайных отклонениях промежуточных результатов.
Структурная избыточность является наиболее эффективным видом избыточности. Она выражается в наличии дополнительных элементов, узлов, устройств в структуре системы, предназначенных для автоматической замены отказавших компонентов.
Структура пассивно отказоустойчивых систем основана либо на мажоритарном принципе, либо на резервировании с контролем. Количество резервной и дополнительной аппаратуры в таких системах превышает количество основной аппаратуры.
Структура активно отказоустойчивых систем может быть различной. Активная отказоустойчивость может быть применена в многопроцессорных системах c общей памятью, общей шиной, кольцевой, иерархической или другой структурой.