Классификация методов резервирования. Глава V
Раздел очень прост в использовании. В предложенное поле достаточно ввести нужное слово, и мы вам выдадим список его значений. Хочется отметить, что наш сайт предоставляет данные из разных источников – энциклопедического, толкового, словообразовательного словарей. Также здесь можно познакомиться с примерами употребления введенного вами слова.
Значение слова резервирование
резервирование в словаре кроссвордиста
резервирование
Новый толково-словообразовательный словарь русского языка, Т. Ф. Ефремова.
Энциклопедический словарь, 1998 г.
резервирование
в технике - метод повышения надежности технического объекта посредством введения в его состав дополнительных устройств, узлов и связей, предназначенных для быстрой замены (автоматически или вручную) вышедших из строя аналогичных им элементов основного оборудования. Резервирование используется, напр., в вычислительных системах, в системах управления космических кораблей.
Резервирование
эффективный метод повышения надёжности технических устройств посредством введения дополнительного числа элементов и связей по сравнению с минимально необходимым для выполнения заданных функций в данных условиях работы. Элементы минимизированной структуры устройства, обеспечивающей его работоспособность , называются основными элементами (ОЭ); резервными элементами (РЭ) называются элементы, предназначенные для обеспечения работоспособности устройства в случае отказа ОЭ. Р. классифицируют по ряду признаков, основные из которых ≈ уровень Р., кратность Р., состояние РЭ до момента включения их в работу, возможность совместной работы ОЭ и РЭ с общей нагрузкой, способ соединения ОЭ и РЭ.
По уровню Р. его подразделяют на общее, при котором резерв предусматривается на случай отказа объекта в целом, и раздельное, при котором резервируются отдельные части объекта (блоки, узлы, элементы); возможно также сочетание общего и раздельного Р. ≈ т. н. смешанное Р. Под кратностью Р. понимают отношение числа РЭ к числу ОЭ устройства. Однократное Р. называется дублированием. В зависимости от состояния РЭ до момента включения их в работу различают резерв нагруженный, при котором РЭ нагружены так же, как ОЭ, облегчённый, когда РЭ нагружены меньше, чем ОЭ, и ненагруженный, при котором РЭ практически не несут нагрузки. Возможность совместной работы РЭ и ОЭ с общей нагрузкой определяется способностью элементов, одновременно подключенных к нагрузке, не вызывать отказа резервированной группы. Р. зависит также от способа соединения ОЭ и РЭ в составе резервированной группы. При постоянном способе соединения все элементы ≈ и ОЭ, и РЭ ≈ подключены к общей нагрузке в течение всего времени работы устройства. При полупостоянном соединении соединёнными с общей нагрузкой остаются только исправные элементы, а отказавший элемент отключается от неё. При полузамещении в начале работы соединяют с общей нагрузкой лишь исправные ОЭ, а при отказе одного из них подключается РЭ, но отказавший ОЭ не отключается. При замещении в начале работы к общей нагрузке подключены также только исправные ОЭ; если же один из них отказал, то к нагрузке подключается РЭ, а отказавший ОЭ отключается. Отключение отказавших ОЭ и подключение РЭ осуществляется вручную или автоматически; в последнем случае необходимо соответствующее устройство, надёжность которого должна учитываться при проектировании объекта.
На практике возможности применения Р. ограничиваются допустимыми значениями массы, объёма, стоимости или др. параметров резервируемого устройства. Поэтому приходится решать задачу оптимального Р., имеющую два аспекта: обеспечение максимального значения показателей надёжности при заданном значении ограничивающего фактора и обеспечение заданных значений показателей надёжности при минимальном значении ограничивающего фактора.
Рассмотренные виды Р. относятся к так называемому структурному Р., которое является наиболее распространённым. Существуют и др. виды Р., например по нагрузке, временное и т. д.
Лит.: Козлов Б. А., Ушаков И. А., Краткий справочник по расчету надежности радиоэлектронной аппаратуры, М., 1966.
В. Н. Фомин.
Википедия
Резервирование (значения)
- Резервирование - обеспечение надёжности системы путём дублирования ответственных подсистем.
- Резервирование товара на складе или билета - см. бронирование
- Норма обязательных резервов - доля обязательств коммерческого банка по привлечённым им депозитам, которую банк должен держать в резерве в центральном банке
- Резервные требования в определённом объёме.
Резервирование
Резервирование является универсальным принципом обеспечения надёжности, широко применяемым в природе, технике и технологии, впоследствии распространившимся и на другие стороны человеческой жизни.
Примеры употребления слова резервирование в литературе.
СССР мобильной управляющей многопроцессорной высокопроизводительной вычислительной системой, построенной по модульному принципу, с высокоэффективной системой автоматического резервирования , базирующейся на аппаратном контроле и обеспечивающей возможность восстановления процесса управления при сбоях и отказах аппаратуры, работающей в широком диапазоне климатических и механических воздействий, с развитым математическим обеспечением и системой автоматизации программирования.
Впервые создана машина с автоматическим резервированием на уровне модулей и обеспечивающая восстановление вычислительного процесса при сбоях и отказах аппаратуры в системах управления, работающая в реальном времени.
Щелкайте, чтобы временно запретить резервирование ресурса с использованием почтовых файлов.
ЗАМЕЧАНИЯ, КАСАЮЩИЕСЯ МОДИФИКАЦИЙ Поскольку требования к инсталляции изменяются от одной модификации к другой, единственным постоянным элементом оказывается необходимость производить полное резервирование Вашей системы.
Резервирование системы Такие модификации сделают процесс повторной инсталляции легче, если создавать ограниченное резервирование, которое включает лишь те части корневой файловой системы, которые Вы изменяете ли настраиваете.
Модульное исполнение позволяет реализовывать различные варианты конфигурации систем электропитания используя резервирование , чем достигается высокая степень надежности устройств.
Для обеспечения высокой надежности применяются устройства электропитания использующие резервирование устройств автоматики и защиты.
Преимущества раздела файловых систем: Легче осуществляется резервирование системы.
Возможность автоматического скользящего резервирования машин в системе.
Модификации, требующие такого типа резервирования , производят его автоматически, обычно выдавая приглашение для Вашего устройства.
Темы описывают, как локализовать проблемы с планированием встреч и резервированием ресурсов.
На кабельной привязке с утра прошло плановое обслуживание, пришлось повозиться с резервированием , но сейчас уже все в норме.
СССР мобильный управляющий многопроцессорный комплекс на интегральных схемах с автоматическим резервированием на уровне модулей, производительностью 1,5 млн.
Такое резервирование позволяет не только детектировать их сбои, но и проводить автоматическое восстановление после сбоя, и обеспечивает исключительно высокую степень надежности работы процессоров.
Резервирование. Методы, способы и типы резервирования
Для повышения надежности сложных систем и отдельных объектов имеются четыре основных пути:
1) повышение надежности элементов системы. Это обычный, легкий путь, но, чтобы им воспользоваться, нужны более надежные комплектующие элементы. Но даже если они имеются, они всегда значительно дороже прежних и нужен экономический расчет;
2) конструктивные мероприятия повышения надежности (к примеру, демпфирование возможных вибраций, переход от статически неопределимой конструкции к статически определимой, всевозможные защитные покрытия твердым металлом, полимерами и т.д.). Этот путь связан с технологией машиностроения и также может явиться предметом специального изучения в теории надежности;
3) коренное изменение принципа функционирования системы данного назначения. Связан с созданием новой техники, это качественный скачок в развитии данной отрасли - он возникает из экономической нецелесообразности прежних инженерных решений.
4) введение различного вида избыточности.
Избыточность - это дополнительные средства и возможности сверх минимально необходимых для выполнения объектом заданных функций
Методом повышения надежности объекта введением избыточности является резервирование .
Существует несколько методов повышения надежности за счет избыточности. Различают резервирование:
Структурное (избыточность в структуре - в количестве элементов системы);
Режимное (избыточность в режимах работы - в количестве элементов системы);
Временное,
Функциональное,
Информационное
И ряд других.
Наибольший интерес представляет структурное, или схемное, резервирование, предусматривающее использование избыточных элементов структуры объекта.
1) По способам резервирование может быть общим и раздельным (рисунок 6.1).
Рисунок 6.1 – Классификация способов резервирования
1.1) Общее резервирование - резервируется весь объект, аппарат или система в целом (рисунок 6.2):
Рисунок 6.2 – Общее резервирование
1.2) Раздельное резервирование - резервируются отдельные элементы системы (рисунок 6.3). Раздельное резервирование выгодно при большом числе аппаратов и увеличении кратности.
Рисунок 6.3 – Раздельное резервирование
Кратностью резервирования называется отношение числа резервных элементов к числу основных элементов объекта.
2) Различают резервирование с целой и дробной кратностью:
2.1) резервированием с целой кратностью называется такое резервирование, при котором для нормальной работы соединения достаточно, чтобы исправным был хотя бы один аппарат (т.е. за основным насосом закреплены один или несколько резервных);
| |
| |
| |
Рисунок 6.4 – Резервирование с целой кратностью
2.2) резервированием с дробной кратностью называется такое резервирование, при котором для нормальной работы соединения может быть неисправным только один аппарат (т.е. на несколько насосов имеется только один резервный).
Рисунок 6.5 – Резервирование с дробной кратностью
Число кратности резервирования:
где m - общее число элементов в группе;
r - число элементов, необходимое для нормальной работы системы.
Например, проанализируем схемы (рисунок 6.6).
Рисунок 6.6 - Схемы с резервированием
По схеме рисунка 6.6,а имеем дублирование и число кратности
Целая кратность.
На схеме рисунка 8.6,б представлена схема с кратностью
Целая кратность.
На схеме рисунка 8.6,в показана система «2 из 3»
Дробная кратность.
3.1) При постоянном резервировании резервные аппараты присоединены к основным в течение всего времени работы и работают одновременно с ними.
3.2) При резервировании замещением резервные аппараты замещают основные после их отказа.
4) Различат три типа структурного резервирования : нагруженный резерв, облегченный резерв, ненагруженный резерв.
4.1) Нагруженный резерв - такой резерв, когда резервные элементы работают в том же режиме нагрузки, что и основной элемент, т.е. основной элемент и резервный теряют надежность в равном темпе.
4.1) Облегченный резерв - такой резерв, когда элементы функционируют в более слабом нагрузочном режиме, чем основной элемент, т.е. резервные элементы теряют надежность замедленно в сравнении с основным элементом.
4.1) Ненагруженный резерв - когда резервный элемент практически не несет никакой нагрузки и его надежность не падает вообще. Это запасные части на складе.
На рисунке 6.7 рассматривается надежность при нагруженном, облегченном и ненагруженном резервах для системы из 1 -го основного элемента и 1 -го резервного.
Рисунок 6.7 - Типы резервирования
Нагруженный резерв (рисунок 6.7а). При 0 < t < t 0 функционируют оба элемента и их надежность падает одинаково. После отказа при t > t 0 первый больше не работает, а второй продолжает работать с той же надежностью вдоль той же кривой.
Облегченный резерв (рисунок 6.7б). При 0 < t < t 0 функционируют оба, но основной (кривая 1) теряет надежность быстрее, чем второй (кривая 2) при пониженной нагрузке. При t > t 0 работает 2-й элемент при полной нагрузке, его надежность падает по кривой 2.
Ненагруженный резерв (рисунок 6.7в). При 0 < t < t 0 работает только 1-й элемент (кривая 1), а при t > t 0 только второй (кривая 2), но она начинается не от t = 0, а от t = t 0 .
Таким образом, надежность облегченного резерва выше нагруженного, а ненагруженного - выше, чем облегченного.
Резервирование является универсальным принципом обеспечения надёжности, широко применяемым в природе, технике и технологии, впоследствии распространившимся и на другие стороны человеческой жизни.
Виды
Применяются четыре основных вида резервирования:
- Аппаратное резервирование, например, дублирование
- Информационное резервирование, например - методы обнаружения и коррекции ошибок
- Временное резервирование, например, методы альтернативной логики.
- Программное резервирование, применение независимых функционально равноценных программ
Резервирование в технических системах
Резервирование - метод повышения характеристик надёжности технических устройств или поддержания их на требуемом уровне посредством введения аппаратной избыточности за счет включения запасных (резервных) элементов и связей, дополнительных по сравнению с минимально необходимым для выполнения заданных функций в данных условиях работы.
Резервирование широко применяется на опасных производственных объектах, во многих случаях его необходимость диктуется требованиями промышленной безопасности или государственных правил и стандартов. Некоторые технические устройства изначально в своей конструкции предусматривают резервирование, например предохранительные клапаны непрямого действия - импульсные предохранительные устройства.
Элементы минимизированной структуры устройства, обеспечивающей его работоспособность, называются основными элементами; резервными элементами называются элементы, предназначенные для обеспечения работоспособности устройства в случае отказа основных элементов. Резервирование в технологических системах классифицируют по ряду признаков, основные из которых - уровень резервирования, кратность резервирования, состояние резервных элементов до момента включения их в работу, возможность совместной работы основных и резервных элементов с общей нагрузкой, способ соединения основных и резервных элементов. В резервированном изделии отказ наступает тогда, когда выйдут из строя основное устройство (элемент) и все резервные устройства (элементы). Группа элементов считается резервированной, если отказ одного или нескольких её элементов не нарушает нормальной работы схемы (системы), а оставшиеся исправные элементы выполняют ту же заданную функцию. Такое резервирование называется функциональным резервированием .
- Кратность резервирования
- отношение числа резервных элементов к числу основных элементов устройства. Кратность резервирования принято обозначать m
. Например, если m
=3, то это означает что: основное устройство - одно, число резервных устройств - три, а общее число устройств равно (три плюс один) четырём. Если m
=4/2, то это означает резервирование с дробной кратностью, при котором число резервных устройства равно четырём, число основных - двум, а общее количество устройств - шести.
Однократное резервирование называется дублированием .
- По состоянию резервных элементов до момента включения их в работу различают:
- нагруженный (горячий) резерв - резервные элементы нагружены так же, как и основные;
- облегчённый (ждущий) резерв - резервные элементы нагружены меньше, чем основные;
- ненагруженный (холодный) резерв - резервные элементы практически не несут нагрузки.
Использование облегчённого или ненагруженного резерва даёт возможность снизить расход энергии, потребляемой резервируемой системой и увеличить надежность аппаратуры (T ср р ненагр > T ср р обл > T ср р нагр), так как надёжность резервных устройств выше, чем основных. Однако следует учитывать, что перерыв на переключение с основного устройства на резервное допустим не во всех схемах.
- В зависимости от масштаба и принятой единицы резервирования различают:
- общий резерв , при котором резерв предусматривается на случай отказа объекта в целом, и
- раздельный (поэлементный) резерв
, при котором резервируются отдельные части объекта (блоки, узлы, элементы).
Частным случаем поэлементного резервирования является скользящее резервирование, которое можно использовать, если резервировать группу одинаковых элементов. - Возможно также сочетание общего и раздельного резервирования - так называемое смешанное резервирование .
Целесообразность применения резервирования определяется следующими факторами:
- исходным уровнем надёжности комплектующих изделий;
- заданным временем эксплуатации;
- наличием эффективной системы контроля и периодичностью проведения профилактики;
- возможностями использования менее избыточных методов повышения надёжности.
Анализ резервированных систем показывает, что интенсивность отказов резервированной системы быстро возрастает с течением времени, хотя интенсивность отказов нерезервированной системы от времени не зависит, из чего следует что наступает такой момент времени, после которого использование резервированной системы себя не оправдывает. Поэтому, если не учитывать особенности профилактики систем, то резервирование выгодно применять для систем кратковременного использования, а для критически важных систем и систем длительного использования использовать другие методы повышения надёжности. Методы резервирования, эффективные для цифровых систем непрерывного типа, могут оказаться малопригодными для систем с устройствами аналогового типа, для которых вследствие отсутствия взаимного влияния основного и резервного канала предпочтительна схема резервирования замещением. Таким образом, существующее разнообразие систем обуславливает затруднения построения общих конструктивных подходов и единых требований по надёжности.
Эффективность резервирования принято оценивать при помощи коэффициента повышения надёжности, который определяют по показателям безотказности.
Общее резервирование системы
При общем резервировании резервируется вся система в целом. Общее резервирование, в зависимости от способа включения резервных устройств можно разделить на постоянное резервирование и резервирование замещением, при котором резервные изделия замещают основные только после отказа. При общем постоянном резервировании резервные устройства подключены к основному в течение всего времени работы и находятся в одинаковом с ним режиме работы.
Постоянное резервирование
К преимуществам постоянного общего резервирования относятся:
- относительная простота построения схем;
- отсутствие даже кратковременного перерыва в работе при отказе от одного до m-1 элементов системы;
- отсутствие дополнительных подключаемых элементов, снижающих общую надёжность схемы.
Очевидные недостатки нагруженного резерва, кроме увеличения габаритов и массы системы, - повышенный расход энергии, а также то, что резервные элементы «стареют» одновременно с основными элементами системы. В случае общего резервирования системы, требуется полный состав записанных элементов. При общем постоянном резервировании может использоваться только нагруженный резерв.
Резервирование замещением
При резервировании замещением резервное устройство включается в работу системы при помощи автоматических устройств либо человеком-оператором вручную. При автоматическом включении требуется чрезвычайно высокая надёжность переключающих элементов. При большом количестве и невысокой надёжности этих дополнительных элементов, входящих в резервированную систему, её надёжность может понизиться по сравнению с надёжностью нерезервируемой системы. Кроме того, существует кратковременный перерыв, на время переключения на резервные устройства. При ручной замене отказавших элементов возрастает время переключения, но надежность человека-оператора, производящего переключение, может быть принята в расчётах за единицу.
При использовании нагруженного резерва запасные резервные элементы находятся в том же режиме работы, что и основные элементы (независимо от того, участвуют они в работе схемы или нет) и если при этом основной и резервный элемент идентичны, то интенсивности их отказов совпадают и надёжность основного и резервного устройств одинакова, и поэтому, если не учитывать надёжность автоматических переключающих устройств, характеристики надёжности рассчитываются по тем же формулам, что и для общего постоянного резервирования.
При использовании ненагруженного резерва, запасные резервные элементы до момента их включения в работу системы полностью отключены. В этом случае резервные устройства имеют самую высокую надёжность по сравнению с основными элементами, поэтому общее резервирование замещением с использованием ненагруженного резерва обеспечивают наилучшие показатели надёжности для случая общего резервирования.
Раздельное резервирование
При раздельном способе резервирования вводится индивидуальный резерв для каждой части неизбыточной системы. Раздельное резервирование бывает общим и замещающим. При раздельном замещении отказ системы может произойти только тогда, когда отказ дважды подряд произойдёт в одном и том же устройстве, что маловероятно.
Лекция 6
Тема: Структурное резервирование и его виды
План
1. Классификация структурного резервирования, основные определения.
2. Основные схемы расчета надёжности по способу включения резервных элементов: постоянное, раздельное, замещением, скользящее.
3. Виды резервных элементов и режимы работы при нагруженном, облегченном и ненагруженном резервах.
4. Расчетно-логическая схема структурного резервирования сложной системы.
5. Организация резерва на уровне элементов, устройств и систем ИС.
Ключевые слова
Резервирование, избыточность, схема расчета, цифровое устройство, постоянное резервирование, раздельное резервирование, резервирование замещением, нагруженный резерв, ненагруженый резерв, режимы работы, скользящий резерв, переключающая схема, надёжность, безотказность.
Резервированием называют метод повышения надежности объекта путем введения избыточности. Задача введения избыточности – обеспечить нормальное функционирование системы после возникновения отказов в ее элементах.
Резервирование может быть структурным, информационным, временным, программным. Информационное резервирование предусматривает использование избыточной информации. Временное резервирование – использование избыточного времени. Программное резервирование – избыточных программ.
Структурное резервирование заключается в том, что в минимально необходимый вариант системы, элементы которой называются основными, вводятся дополнительные элементы и устройства, либо вместо одной системы предусматривается использование нескольких идентичных систем. При этом избыточные резервные структурные элементы берут на себя выполнение рабочих функций при отказе основных элементов .
Перечисленные виды резервирования могут быть применены либо к системе в целом, либо к отдельным ее элементам или их группам.
На практике большое распространение получило структурное резервирование (рис. 1).
Рис. 1. Способы резервирования КС
По схеме включения резервных элементов различают постоянное, раздельное резервирование, резервирование с замещением и скользящее резервирование.
Постоянное резервирование – это такое резервирование, при котором резервные элементы участвуют в функционировании объекта наравне с основными (рис. 2).
Для постоянного резервирования в случае отказа основного элемента не требуется специальных устройств, вводящих в действие резервный элемент, так как он вводится в действие одновременно с основными.
Основным параметром резервирования является его кратность (степень избыточности). Под кратностью резервирования m понимается отношение числа резервных объектов к числу резервируемых (основных).
Раздельным резервированием называется метод повышения надежности, при котором резервируются отдельные части объекта (рис. 2.3).
Рис. 2. Общее резервирование и постоянное включение резерва с постоянно включенным резервом.
Рис. 3. Раздельное резервирование с постоянно включенным резервом
Резервирование замещением – это резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного (рис. 4 а, б). При использовании резервирования замещением необходимы контролирующие и переключающие устройства для обнаружения факта отказа основного элемента и переключения его с основного на резервный.
Рис. 4. а) Общее резервирование с включением резерва замещением.
б) Раздельное резервирование с включением резерва замещением.
Скользящее резервирование – это резервирование замещением, при котором группа основных элементов объекта резервируется одним или несколькими резервными, каждый из которых может заменить любой отказавший элемент в данной группе.
Скользящее резервирование всегда является активным, всегда имеется переключающее устройство, определяющее наличие отказа и включающее резервный элемент (рис. 5).
Рис. 5. Схема скользящего резервирования
Виды резервных элементов в зависимости от режима работы
В зависимости от режима работы различают:
Нагруженный резерв – резервный элемент находится в том режиме работы, что и основной. При этом принимается, что характеристики надежности резервных элементов в период их пребывания в качестве резервных и в период использования вместо основных после отказа последних, остаются неизменными.
Облегченный резерв – резервный элемент находится в менее нагруженном режиме, чем основной. Принимается, что характеристики надежности резервных элементов в период их пребывания в качестве резервных выше, чем в период их использования вместо основных после отказа последних.
Ненагруженный резерв – резервный элемент практически не несет нагрузки. Такой резервный элемент, находясь в резерве, отказывать не должен, т.е. обладает в этот период идеальной надежностью. В период же использования этого элемента вместо основного после отказа последнего надежность становится равной надежности основного.
Различают резервирование с целой и дробной кратностью. Для их различия на схеме указывают кратность резервирования m (рис. 6, а, б) .
Рис. 6. Резервирование: а) постоянное резервирование с дробной кратностью (m =4/2);
б) раздельное резервирование с дробной кратностью (m =2/4)
При резервировании с целой кратностью величина m есть целое число, при резервировании с дробной кратностью m есть дробное несокращаемое число. Например, m =4/2 означает наличие резервирования с дробной кратностью, при котором число резервных элементов равно 4, число основных 2, а общее число элементов равно 6. Сокращать дробь нельзя, так как если m =4/2=2, то это означает, что имеет место резервирование с целой кратностью, при котором число резервных элементов равно 2, а общее число 3.
Для резервирования объектов, состоящих из одинаковых элементов, можно использовать небольшое число резервных элементов взамен любых отказавших основных элементов (скользящее резервирование).
Мажоритарное и комбинированное резервирование
Частным случаем резервирования с дробной кратностью является мажоритарное резервирование, часто используемое в устройствах дискретного действия (рис. 7). При мажоритарном резервировании вместо одного элемента (канала) включается три идентичных элемента, выходы, которых подаются на мажоритарный орган М (элемент голосования). Если все элементы этой резервной группы исправны, то на вход М поступают три одинаковых сигнала и такой же сигнал поступает во внешнюю цепь с выхода М .
Рис. 7. Мажоритарное резервирование (выбор по большинству)
Если один из трех резервных элементов отказал, то на вход М поступают два одинаковых сигнала (истинных) и один сигнал ложный. На выходе М будет сигнал, совпадающий с большинством сигналов на его входе, т.е. мажоритарный орган, осуществляет операцию голосования или выбора по большинству. Таким образом, условием безотказной работы группы при мажоритарном резервирование является безотказная работа любых двух элементов из трех и мажоритарного органа в течение заданного времени.
Комбинированный резерв – на рис. 8 представлена резервированная группа, сочетающая преимущества нагруженного резерва (непрерывность работы) и ненагруженного резерва (обеспечение большого выигрыша в надежности). В данном случае два элемента образуют дублирующую группу (нагруженный резерв), а третий находится ненагруженном резерве. Такой резерв называют комбинированным.
В устройствах ИС ответственного назначения могут быть использованы все виды структурного резервирования (рис. 9).
Рис. 8. Комбинированный резерв
Рис. 9. Расчетно-логическая схема структурного резервирования подсистемы сложной ТС
Теоретически введением избыточности в структуру системы и выбором оптимальных режимов можно создать сколь угодно надежную КС. Но не всегда это практически выполнимо. Анализируя все виды резервирования, следует сделать практический вывод: обеспечить высокую надежность КС путем общего нагруженного резерва не представляется возможным по экономическим соображениям. Наибольший эффект дает поэлементное резервирование [ 1, 2, 3, 6].
Сравнивая между собой виды резервирования с нагруженным и ненагруженным резервом, можно заметить, что при прочих равных условиях система с ненагруженным резервом надежнее системы с нагруженным резервом.
Организация резерва на уровне компьютера и КС
Резервирование на уровне компьютера. В аппаратуре универсальных компьютеров резервирование встречается на различных уровнях. На уровне компьютера резервирование заключается в наличии большого числа однотипных машин, что необходимо для решения постановленных задач. В этом случае надежность системы оценивается как для систем со скользящим резервированием. В случае универсальных компьютеров целесообразно использовать производительность всех имеющихся процессоров. Тогда свойство системы удобнее характеризовать через эффективную производительность системы.
где П i – производительность (число задач выполняемых машиной в единицу времени) i -ой машины;
n – число машин в системе;
К i – коэффициент готовности i -ой машины.
Если отдельные системы компьютера, объединенные через адаптеры между каналами для периферийных устройств, через общее поле памяти или другим способом, образуют многомашинную (многопроцессорную) КС, то эффективная производительность такой системы
,
где m – количество состояний системы;
P j – вероятность того, что система находится j -м состоянии;
П j – производительность системы в j -м состоянии.
Вероятность P j определяют методом Марковских цепей. Поскольку конфигурация таких систем может быть самой различной, для оценки вероятности сохранения связности системы следует применять методы расчета надежности систем со сложной структурой, например метод минимальных путей и сечений.
Резервирование на уровне устройств . На более низких уровнях иерархии структуры в универсальных компьютерах резервирование встречается на уровне периферийных устройств (ПУ). Для решения задач требуется некоторое минимальное число ПУ.
Резервирование на уровне кодов – в компьютерах для повышения надежности ОЗУ и ПЗУ применяются коды с обнаружением и исправлением ошибок. Применение этих кодов дает возможность исправлять определенное число ошибок в каналах передачи или восстанавливать информацию в случае отказа некоторых ячеек в ОЗУ и ПЗУ или дорожек (то есть усилителей записи-считывания) в накопителях на магнитных дисках. Надежность таких устройств оценивается как надежность резервированных систем со скользящим резервом.
Резервирование в специализированных и управляющих компьютерах . В специализированных, а особенно в управляющих машинах резервирование применяется значительно шире в связи с высокими требованиями к надежности таких систем.
На уровне компьютера, а иногда на уровне программного обеспечения применяется троирование. Встречаются также системы, где используется несколько резервных машин. В целях повышения надежности часть из них может работать в режиме нагруженного резерва, часть в режиме ненагруженного. Однако резервирование на уровне компьютера не самое экономичное. Для повышения надежности при ограничении массы, стоимости и габаритных размеров КС используется резервирование отдельных устройств машин троированием или применением нескольких нагруженных или ненагруженных резервов. Для повышения надежности самых ответственных узлов применяется троирование или логика с переплетениями (представляется в виде избыточной логической схемы, где ошибки в одном слое корректируются в этом же или следующем слое логических элементов).
Все рассмотренные методы резервирования в КС относятся к пассивному резервированию, так как не предусматривают реконфигурацию системы. Способы резервирования, предусматривающие автоматическую реконфигурацию системы используются в отказоустойчивых компьютерных системах (ОКС). В ОКС используются средства обнаружения, локализации отказа и средства реконфигурации.
Отказы в ОКС обнаруживается при помощи средств контроля, а локализуются при помощи средств диагностики и устраняются автоматической реконфигурацией системы. Реконфигурация заключается в перестройке структуры вычислительных средств таким образом, чтобы ее отказавшие части были устранены от участия в работе.
Контрольные вопросы и задания
1. Что такое резервирование?
2. Какие виды структурного резервирования широко распространены на практике?
3. Что такое постоянное (общее) резервирование?
4. Каково значение кратности резервирования при дублировании?
5. Приведите пример комбинированного резерва элементов КТ?
6. Составьте структурную схему надежности устройства состоящего из четырех основных элементов, включенных по схеме раздельного резервирования с нагруженным резервом (m = 1).
7. Как оценивается ВБР при мажоритарном резервировании?
8. Где чаще всего применяется динамическое резервирование?
9. Составьте структурную надежности устройства КС состоящего из 4-х основных элементов, включенных по схеме общего резервирования с нагруженным резервом при m = 2.
10. При каком способе резервирования устройств ИС всегда присутствуют переключающие устройства (коммутатор)?
Литература: 1,2,3,5,6, 7.
Как было сказано выше, надежность системы зависит от ее структуры (схемотехнического решения) и надежности элементов, входящих в систему. Поэтому для повышения надежности систем необходимо либо повысить надежность элементов, либо изменить схемотехническое решение, либо использовать комбинацию этих двух подходов.
Говоря о повышении надежности элементов, следует помнить, что требования к их надежности формулируются на этапе технического задания. Путем предварительных расчетов по структурной схеме системы (подробнее примеры расчетов будут приведены ниже) можно сформулировать требования к показателям надежности элементов, чтобы вероятность безотказной работы системы удовлетворяла заданным требованиям. Однако на практике не всегда существует возможность использования таких элементов. Это может быть связано, например, с тем, что они являются более дорогостоящими, занимают больший объем или, наконец, такие элементы просто не производятся. Вопросы создания новой элементной базы выходят за рамки данного курса и ниже обсуждаться не будут.
Если изменение структуры системы с целью повышения надежности связано с изменением схемотехнического решения, то при исходных ненадежных элементах это, как правило, не приводит к достижению нужных показателей надежности системы. Кроме того, такого рода изменения структуры требуют достаточно больших затрат ресурсов. Однако если под изменением структуры подразумевается введение в систему избыточных элементов, включающихся в работу при отказе основных, то такое изменение приводит к повышению надежности до требуемого уровня. Таким образом, приходим к понятию резервирования.
Резервирование (redundancy) - способ обеспечения надежности объекта за счет использования дополнительных средств и (или) возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым для выполнения требуемых функций. Таким образом, объект содержит основные, резервируемые и резервные элементы.
Основной элемент (major element) - элемент объекта, необходимый для выполнения требуемых функций без использования резерва.
Резервируемый элемент (element under redundancy) - основной элемент, на случай отказа которого в объекте предусмотрены одни или несколько резервных элементов. Резервный элемент (redundant element) - элемент, предназначенный для выполнения функции основного элемента в случае отказа последнего.
По способу включения в систему резервных элементов различают постоянное резервирование и резервирование замещением. Постоянное резервирование (continuous redundancy) - резервирование, при котором используется нагруженный резерв и при отказе любого элемента в резервированной группе выполнение объектом требуемых функций обеспечивается оставшимися элементами без переключений. Резервирование замещением (standby redundancy) - резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного элемента. Следует заметить, что резервирование замещением требует дополнительных устройств для контроля за состоянием элементов, для выключения отказавших элементов и для включения резервных элементов. Такие устройства называются переключателями.
При постоянном резервировании резервные элементы соединены параллельно с основными элементами и во время функционирования объекта находятся в том же режиме, что и основной элемент. Такой режим работы называют нагруженный резерв. То есть под нагруженным резервом (active reserve, loaded reserve) понимают резерв, содержащий один или несколько резервных элементов, находящихся в режиме основного элемента. Поскольку при постоянном резервировании в случае отказа основного элемента перестройки схемы не происходит, а отказавший элемент не отключается, то в данном случае нет необходимости в переключающих устройствах. К достоинствам постоянного резервирования следует отнести простоту конструкции и отсутствие временных задержек при выходе из строя основного элемента и замене его на резервный. К недостаткам - расход ресурса резервных элементов, поскольку они находятся в нагруженном режиме.
При резервировании замещением основной элемент при выходе из строя отключается и включается резервный элемент. При этом функции основного элемента передаются заранее установленному резервному элементу. Переключение может выполняться автоматически или вручную. В зависимости от способа функционирования резервных элементов до момента их включения в работу различают три типа резервирования: режим нагруженного (горячего) резерва, режим облегченного (теплого) резерва и режим ненагруженного (холодного) резерва.
Как было сказано ранее, при нагруженном резерве резервные элементы находятся в том же режиме функционирования, что и основной элемент. В этом случае показатели надежности резервного элемента такие же, как и у основного элемента.
Облегченный резерв (reduced reserve) - резерв, который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в менее нагруженном режиме, чем основной элемент. Предполагается, что в этом случае надежность резервного элемента выше надежности основного элемента.
Ненагруженный резерв (standby reserve, unloaded reserve) - резерв, который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в ненагруженном режиме до начала выполнения ими функции основного элемента, т. е. резервные элементы до момента их использования находятся в обесточенном состоянии и их надежность до момента включения не изменяется по сравнению с первоначальной.
Кроме того, для проведения расчетов следует иметь в виду, что переключатели, используемые при резервировании замещением, не обладают абсолютной надежностью.
Разновидностью ненагруженного резервирования является скользящее резервирование (sliding redundancy) , при котором группа основных элементов резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой из отказавших основных элементов.
Рассмотрим еще одно понятие - кратность резервирования (redundancy ratio) - отношение числа резервных элементов к числу основных элементов. Резервирование с целой кратностью возникает, когда один основной элемент резервируется одним или несколькими резервными элементами. Резервирование с дробной кратностью возникает, когда два и более однотипных элементов резервируются одним или несколькими резервными элементами. Чаще всего дробная кратность возникает в тех случаях, когда число основных элементов превышает число резервных элементов.
С использованием последовательной и параллельной моделей надежности строятся общее и раздельное резервирование объекта. Общее резервирование (whole system redundancy) - резервирование, при котором резервируется объект в целом. Раздельное резервирование (segregated redundancy) - резервирование, при котором резервируются отдельные элементы объекта или их группы.
Подводя итоги сказанному выше, приведем возможные типы резервирования (рис. 5.6).
Рис. 5.6.
Ниже будут рассмотрены основные способы резервирования объекта.
