نظام الكمبيوتر المتسامح مع الأخطاء، والمعروف أيضًا باسم نظام متسامح مع الأخطاء أو ببساطة نظام FT، هو نوع من بنية الحوسبة المصممة لتوفير درجة عالية من التوفر والموثوقية من خلال الاستمرار في العمل بشكل صحيح حتى عندما تفشل بعض مكوناته. يعود مفهوم تحمل الخطأ إلى الأيام الأولى للحوسبة عندما أصبح من الواضح أن الفشل في مكونات الأجهزة أو البرامج أمر لا مفر منه. للتغلب على هذه التحديات، طور الباحثون والمهندسون تقنيات تتحمل الأخطاء لضمان التشغيل المستمر وتقليل وقت التوقف عن العمل.
تاريخ نشأة نظام الكمبيوتر المتسامح مع الأخطاء وأول ذكر له
يمكن إرجاع أصول تحمل الخطأ إلى أربعينيات القرن العشرين عندما تم تطوير أقدم أجهزة الكمبيوتر الإلكترونية. في تلك الأيام، كانت أنظمة الحوسبة كبيرة وبطيئة وعرضة للفشل المتكرر بسبب طبيعتها الميكانيكية. مع تقدم التكنولوجيا، اكتسبت فكرة التسامح مع الخطأ اهتمامًا كبيرًا، خاصة في التطبيقات المهمة مثل أنظمة التحكم العسكرية والفضاءية والصناعية. يمكن العثور على أول ذكر للتسامح مع الخطأ في الأدبيات الأكاديمية في أعمال جون فون نيومان وزملائه أثناء تطوير الكمبيوتر الآلي المتغير الإلكتروني المنفصل (EDVAC) في أواخر الأربعينيات.
معلومات تفصيلية حول نظام الكمبيوتر المتسامح مع الأخطاء. توسيع الموضوع نظام الكمبيوتر المتسامح مع الأخطاء.
يعتمد نظام الكمبيوتر المتسامح مع الأخطاء على مبدأ التكرار. يتضمن التكرار دمج مكونات مكررة أو ثلاثية داخل النظام، مما يضمن أنه في حالة فشل أحد المكونات، يمكن إجراء نسخة احتياطية بسلاسة. يتم تحقيق التسامح مع الأخطاء من خلال تقنيات مختلفة، والتي قد تشمل الأجهزة الزائدة عن الحاجة، وآليات اكتشاف الأخطاء وتصحيحها، والتدهور اللطيف. غالبًا ما يتم تصميم هذه الأنظمة بهدف تحقيق التوفر العالي والتشغيل المستمر والقدرة على التعافي بسرعة من حالات الفشل.
الهيكل الداخلي لنظام الكمبيوتر المتسامح مع الأخطاء. كيف يعمل نظام الكمبيوتر المتسامح مع الأخطاء.
يمكن أن يختلف الهيكل الداخلي لنظام الكمبيوتر المتسامح مع الأخطاء اعتمادًا على التطبيق المحدد ومستوى التكرار المطلوب. ومع ذلك، غالبًا ما توجد بعض المكونات والآليات المشتركة:
-
الأجهزة الزائدة عن الحاجة: تستخدم الأنظمة المتسامحة مع الأخطاء مكونات أجهزة مكررة أو ثلاثية، مثل المعالجات ووحدات الذاكرة ومصادر إمداد الطاقة وأجهزة التخزين. غالبًا ما تكون هذه العناصر الزائدة مترابطة لتعمل بالتوازي، مما يسمح للنظام بالتبديل بسلاسة إلى النسخ الاحتياطية في حالة اكتشاف فشل.
-
اكتشاف الأخطاء وتصحيحها: يتم استخدام تقنيات مختلفة لاكتشاف الأخطاء، مثل المجاميع الاختبارية وبتات التكافؤ وعمليات التحقق من التكرار الدوري (CRC)، لتحديد الأخطاء في البيانات والتعليمات وتصحيحها. ومن خلال اكتشاف الأخطاء مبكرًا، يمكن للنظام اتخاذ الإجراء المناسب لتجنب انتشار الخطأ والحفاظ على سلامته.
-
آليات التصويت: في الأنظمة ذات المكونات الثلاثية، يمكن استخدام آلية التصويت لتحديد المخرجات الصحيحة. تتضمن هذه العملية مقارنة النتائج من كل مكون زائد واختيار المخرجات التي تطابق الأغلبية. إذا أدى أحد المكونات إلى نتيجة خاطئة، فإن عملية التصويت تضمن استخدام البيانات الصحيحة.
-
تجاوز الفشل والاسترداد: عند اكتشاف خطأ، يبدأ النظام عملية تجاوز الفشل للتبديل إلى المكون الزائد. بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما تحتوي الأنظمة المتسامحة مع الأخطاء على آليات لاستعادة الأخطاء، حيث يتم عزل المكونات المعيبة وإصلاحها أو استبدالها أثناء استمرار النظام في العمل.
تحليل السمات الرئيسية لنظام الكمبيوتر المتسامح مع الأخطاء
الملامح الرئيسية لنظام الكمبيوتر المتسامح مع الأخطاء هي:
-
توافر عالية: تم تصميم الأنظمة المتسامحة مع الأخطاء لتقليل وقت التوقف عن العمل وتوفير التشغيل المستمر، مما يضمن بقاء الخدمات الحيوية متاحة حتى في حالة وجود أعطال.
-
مصداقية: تم تصميم هذه الأنظمة بمكونات زائدة وآليات للكشف عن الأخطاء لزيادة الموثوقية وتقليل احتمالية فشل النظام.
-
اكتشاف الأخطاء واستعادتها: يمكن للأنظمة المتسامحة مع الأخطاء اكتشاف الأخطاء بشكل استباقي وبدء عمليات الاسترداد، مما يضمن بقاء النظام فعالاً ومرنًا.
-
تدهور رشيقة: في بعض الحالات، عندما لا يكون التكرار كافيًا لمعالجة الفشل، يتم تصميم الأنظمة المتسامحة مع الأخطاء لتقليل أدائها بأمان، مما يضمن احتمال تعطيل الوظائف غير الحيوية مؤقتًا للحفاظ على العمليات الأساسية.
-
قابلية التوسع: تم تصميم بعض الأنظمة المتسامحة مع الأخطاء للتوسع أفقيًا عن طريق إضافة المزيد من المكونات المتكررة لاستيعاب أعباء العمل المتزايدة وتحسين مرونة النظام.
-
تصحيح الاخطاء: تضمن آليات اكتشاف الأخطاء وتصحيحها سلامة البيانات، مما يقلل من مخاطر تلف البيانات بسبب الأخطاء العابرة.
-
العزل الخطأ: غالبًا ما تكون الأنظمة المتسامحة مع الأخطاء مجهزة لعزل المكونات المعيبة، مما يمنع انتشار الأخطاء إلى الأجزاء غير المتأثرة من النظام.
أنواع أنظمة الكمبيوتر المتسامحة مع الأخطاء
يمكن تصنيف أنظمة الكمبيوتر المتسامحة مع الأخطاء بناءً على مستوى التكرار والتقنيات المستخدمة. فيما يلي بعض الأنواع الشائعة:
1. تكرار الأجهزة:
| يكتب | وصف |
|---|---|
| التكرار N- وحدات | ثلاث نسخ أو أكثر من وحدات الأجهزة التي تنفذ نفس المهام، مع آليات التصويت لتحديد الإخراج الصحيح. |
| التكرار وحدة الغيار | مكونات أجهزة النسخ الاحتياطي التي يمكن تنشيطها عند فشل أحد المكونات الأساسية. |
| التكرار المعياري المزدوج (DMR) | وحدتان زائدتان تعملان بالتوازي مع التصويت لاكتشاف الأخطاء والتعافي منها. |
2. تكرار البرامج:
| يكتب | وصف |
|---|---|
| التراجع عن البرامج | في حالة الفشل، يعود النظام إلى حالة مستقرة معروفة مسبقًا، مما يضمن استمرار التشغيل. |
| برمجة النسخة N | تعمل إصدارات متعددة من نفس البرنامج بالتوازي، وتتم مقارنة نتائجها لتحديد الأخطاء. |
| كتل الاسترداد | المكونات المستندة إلى البرامج والتي يمكنها استرداد النظام من الأخطاء والفشل دون تعطيل العملية. |
3. تكرار المعلومات:
| يكتب | وصف |
|---|---|
| النسخ المتماثل للبيانات | تخزين نسخ متعددة من البيانات في مواقع مختلفة لضمان الوصول إليها في حالة فقدان البيانات. |
| RAID (مجموعة زائدة من الأقراص المستقلة) | يتم توزيع البيانات عبر أقراص متعددة مع معلومات التكافؤ للتسامح مع الخطأ. |
إن تطبيقات أنظمة الكمبيوتر المتسامحة مع الأخطاء واسعة النطاق وتوجد بشكل شائع في:
-
بنية تحتية حرجة: تُستخدم الأنظمة المتسامحة مع الأخطاء على نطاق واسع في البنية التحتية الحيوية مثل محطات الطاقة وأنظمة النقل والأجهزة الطبية لضمان التشغيل دون انقطاع.
-
الفضاء الجوي: تستخدم المركبات الفضائية والأقمار الصناعية والطائرات أنظمة تتحمل الأخطاء لتحمل الظروف القاسية للفضاء والحفاظ على اتصالات وتحكم موثوقين.
-
مالية ومصرفية: تعتمد المؤسسات المالية على أنظمة متسامحة مع الأخطاء لضمان المعالجة المستمرة للمعاملات وسلامة البيانات.
-
الاتصالات السلكية واللاسلكية: تستخدم شبكات الاتصالات أنظمة تتحمل الأخطاء للحفاظ على الاتصال السلس ومنع انقطاع الخدمة.
-
مراكز البيانات: يعد التسامح مع الأخطاء أمرًا بالغ الأهمية في مراكز البيانات لمنع التوقف والحفاظ على توفر الخدمات عبر الإنترنت.
تشمل التحديات المتعلقة باستخدام الأنظمة المتسامحة مع الأخطاء ما يلي:
-
يكلف: يمكن أن يكون تنفيذ آليات التكرار والتسامح مع الأخطاء مكلفًا، خاصة بالنسبة للتطبيقات صغيرة الحجم.
-
تعقيد: يمكن أن تكون الأنظمة المتسامحة مع الأخطاء معقدة في التصميم والاختبار والصيانة، مما يتطلب معرفة وخبرة متخصصة.
-
تكاليف غير مباشرة: يمكن لآليات تصحيح الأخطاء والتكرار أن تؤدي إلى بعض الحمل الزائد على الأداء، مما يؤثر على سرعة النظام وكفاءته.
تتضمن حلول مواجهة هذه التحديات تحليلًا دقيقًا للتكلفة والعائد، واستخدام أدوات الكشف الآلي عن الأخطاء، واستخدام بنيات قابلة للتطوير ومتسامحة مع الأخطاء.
الخصائص الرئيسية ومقارنات أخرى مع مصطلحات مماثلة
| صفة مميزة | نظام حاسوبي متسامح مع الأخطاء | نظام التوفر العالي | نظام زائدة عن الحاجة |
|---|---|---|---|
| غاية | لتوفير التشغيل المستمر وتقليل وقت التوقف عن العمل في حالة وجود أعطال. | للحفاظ على الخدمات متاحة وفعالة مع الحد الأدنى من الاضطرابات. | للتأكد من وجود مكونات احتياطية أو مكررة للتعامل مع حالات الفشل. |
| ركز | المرونة والتعافي من الفشل. | توافر الخدمة المستمرة. | ازدواجية المكونات الهامة. |
| عناصر | الأجهزة الزائدة عن الحاجة، اكتشاف الأخطاء، آليات الاسترداد. | الأجهزة الزائدة عن الحاجة، وموازنة التحميل، وآليات تجاوز الفشل. | الأجهزة المكررة، والتحويل التلقائي. |
| طلب | الأنظمة الحرجة، والفضاء، والتحكم الصناعي. | خدمات الويب، الحوسبة السحابية، مراكز البيانات. | العمليات الصناعية وأنظمة السلامة الحرجة. |
مع تقدم التكنولوجيا، من المتوقع أن تصبح أنظمة الكمبيوتر المتسامحة مع الأخطاء أكثر تطوراً وقدرة. وتشمل بعض وجهات النظر والتقنيات المستقبلية في هذا المجال ما يلي:
-
الكشف عن الأخطاء بشكل مستقل: أنظمة الإصلاح الذاتي القادرة على اكتشاف الأعطال والتعافي منها تلقائيًا دون تدخل بشري.
-
تصحيح الخطأ الكمي: الاستفادة من مبادئ الحوسبة الكمومية لتطوير أجهزة الكمبيوتر الكمومية المتسامحة مع الأخطاء مع رموز تصحيح الأخطاء.
-
تكامل التعلم الآلي: استخدام خوارزميات التعلم الآلي للتنبؤ بالفشل المحتمل ومنعه، وتحسين التسامح الاستباقي مع الأخطاء.
-
التسامح مع الخطأ الموزع: تطوير أنظمة متسامحة مع الأخطاء بمكونات موزعة لتعزيز قابلية التوسع وعزل الأخطاء.
-
التصميم المشترك للأجهزة والبرمجيات: أساليب التصميم التعاوني التي تعمل على تحسين مكونات الأجهزة والبرامج لتحمل الأخطاء.
كيف يمكن استخدام الخوادم الوكيلة أو ربطها بنظام الكمبيوتر المتسامح مع الأخطاء
يمكن أن تلعب الخوادم الوكيلة دورًا حيويًا في تعزيز تحمل الأخطاء لمختلف التطبيقات. من خلال العمل كوسيط بين العملاء والخوادم، يمكن للخوادم الوكيلة:
-
توزيع الحمل: تقوم الخوادم الوكيلة بتوزيع طلبات العملاء بين خوادم خلفية متعددة، مما يضمن الاستخدام المتساوي للموارد ومنع التحميل الزائد.
-
اكتشاف الخطأ: يمكن للخوادم الوكيلة مراقبة صحة واستجابة الخوادم الخلفية، واكتشاف الأخطاء وتوجيه الطلبات تلقائيًا بعيدًا عن الخوادم المتأثرة.
-
التخزين المؤقت: يؤدي التخزين المؤقت للبيانات المطلوبة بشكل متكرر على الخادم الوكيل إلى تقليل الحمل على الخوادم الخلفية وتحسين الأداء العام للنظام.
-
دعم تجاوز الفشل: بالاشتراك مع الأنظمة المتسامحة مع الأخطاء، يمكن للخوادم الوكيلة المساعدة في تجاوز الفشل التلقائي للمكونات الزائدة عند اكتشاف حالات الفشل.
-
حماية: يمكن أن تعمل الخوادم الوكيلة كطبقة إضافية من الأمان، حيث تحمي الخوادم الخلفية من التعرض المباشر للإنترنت وتخفف من الهجمات المحتملة.
روابط ذات علاقة
لمزيد من المعلومات حول أنظمة الكمبيوتر المتسامحة مع الأخطاء، يمكنك استكشاف الموارد التالية:
- التسامح مع الخطأ - ويكيبيديا
- مقدمة في الأنظمة المتسامحة مع الأخطاء – جامعة تكساس
- مقدمة إلى التسامح مع الأخطاء والتكرار – أوراكل
تذكر أن التسامح مع الأخطاء يعد جانبًا مهمًا لأنظمة الحوسبة الحديثة، مما يضمن بقاء الخدمات الحيوية متاحة وموثوقة حتى في مواجهة حالات الفشل. يمكن أن يؤدي تطبيق تقنيات التعامل مع الأخطاء واستخدام الخوادم الوكيلة إلى تعزيز مرونة النظام وأدائه بشكل كبير، مما يجعله أحد الاعتبارات الأساسية لأي مؤسسة.
