یک سیستم کامپیوتری تحمل‌پذیر خطا، که به‌عنوان یک سیستم تحمل‌پذیر خطا یا سیستم FT نیز شناخته می‌شود، نوعی معماری محاسباتی است که برای ارائه دسترسی و قابلیت اطمینان بالا با ادامه عملکرد صحیح حتی زمانی که برخی از اجزای آن از کار می‌افتند، طراحی شده است. مفهوم تحمل خطا به روزهای اولیه محاسبات برمی گردد، زمانی که آشکار شد که خرابی در قطعات سخت افزاری یا نرم افزاری اجتناب ناپذیر است. برای غلبه بر چنین چالش‌هایی، محققان و مهندسان تکنیک‌های مقاوم در برابر خطا را برای اطمینان از عملکرد مداوم و کاهش زمان خرابی توسعه دادند.
تاریخچه پیدایش سیستم کامپیوتری مقاوم به خطا و اولین ذکر آن
منشاء تحمل خطا را می توان به دهه 1940 ردیابی کرد، زمانی که اولین کامپیوترهای الکترونیکی در حال توسعه بودند. در آن روزها، سیستم های محاسباتی به دلیل ماهیت مکانیکی خود، بزرگ، کند و مستعد خرابی های مکرر بودند. با پیشرفت تکنولوژی، ایده تحمل خطا به ویژه در کاربردهای حیاتی مانند سیستم‌های کنترل نظامی، هوافضا و صنعتی مورد توجه قرار گرفت. اولین اشاره به تحمل خطا در ادبیات دانشگاهی را می توان در آثار جان فون نویمان و همکارانش در طول توسعه رایانه خودکار متغیر گسسته الکترونیکی (EDVAC) در اواخر دهه 1940 یافت.
اطلاعات دقیق در مورد سیستم کامپیوتری مقاوم در برابر خطا. گسترش مبحث سیستم کامپیوتری مقاوم به خطا.
یک سیستم کامپیوتری مقاوم در برابر خطا بر اساس اصل افزونگی ساخته شده است. افزونگی شامل ترکیب اجزای تکراری یا سه‌گانه در سیستم است، و اطمینان حاصل می‌کند که در صورت خرابی یکی از مؤلفه‌ها، یک نسخه پشتیبان می‌تواند به‌طور یکپارچه کنترل شود. تحمل خطا از طریق تکنیک‌های مختلفی حاصل می‌شود، که ممکن است شامل سخت‌افزار اضافی، مکانیسم‌های تشخیص و تصحیح خطا و تخریب زیبا باشد. این سیستم ها اغلب با هدف دستیابی به دسترسی بالا، عملکرد مداوم و توانایی بازیابی سریع از خرابی ها طراحی می شوند.
ساختار داخلی سیستم کامپیوتری مقاوم به خطا نحوه عملکرد سیستم کامپیوتری مقاوم به خطا
ساختار داخلی یک سیستم کامپیوتری مقاوم در برابر خطا بسته به کاربرد خاص و سطح افزونگی مورد نیاز می تواند متفاوت باشد. با این حال، برخی از اجزا و مکانیسم های رایج اغلب وجود دارند:
-
سخت افزار اضافی: سیستم های مقاوم به خطا از قطعات سخت افزاری تکراری یا سه تکراری مانند پردازنده ها، ماژول های حافظه، منابع تغذیه و دستگاه های ذخیره سازی استفاده می کنند. این عناصر اضافی اغلب به یکدیگر متصل می شوند تا به صورت موازی کار کنند، و به سیستم اجازه می دهند در صورت تشخیص نقص، به طور یکپارچه به نسخه پشتیبان سوئیچ شود.
-
تشخیص و تصحیح خطا: تکنیک های مختلف تشخیص خطا، مانند جمع های بررسی، بیت های برابری و بررسی های افزونگی چرخه ای (CRC)، برای شناسایی و تصحیح خطاها در داده ها و دستورالعمل ها استفاده می شود. با تشخیص زودهنگام خطاها، سیستم می تواند اقدامات مناسبی را برای جلوگیری از انتشار خطا و حفظ یکپارچگی آن انجام دهد.
-
مکانیسم های رای گیری: در سیستم هایی با اجزای سه گانه می توان از مکانیزم رای گیری برای تعیین خروجی صحیح استفاده کرد. این فرآیند شامل مقایسه نتایج هر جزء اضافی و انتخاب خروجی منطبق با اکثریت است. اگر یکی از مؤلفه ها نتیجه اشتباهی ایجاد کند، فرآیند رأی گیری تضمین می کند که از داده های صحیح استفاده می شود.
-
Failover و Recovery: هنگامی که یک خطا تشخیص داده می شود، سیستم یک فرآیند Failover را برای تغییر به جزء اضافی آغاز می کند. به‌علاوه، سیستم‌های تحمل‌کننده خطا اغلب مکانیسم‌هایی برای بازیابی خطا دارند، که در آن اجزای معیوب جدا شده و تعمیر یا تعویض می‌شوند تا زمانی که سیستم به کار خود ادامه می‌دهد.
تجزیه و تحلیل ویژگی های کلیدی سیستم کامپیوتری مقاوم در برابر خطا
ویژگی های کلیدی یک سیستم کامپیوتری مقاوم به خطا عبارتند از:
-
در دسترس بودن بالا: سیستم های مقاوم در برابر خطا به گونه ای طراحی شده اند که زمان خرابی را به حداقل می رساند و عملکرد مستمر را ارائه می دهد و تضمین می کند که خدمات حیاتی حتی در صورت وجود خرابی در دسترس باقی می مانند.
-
قابلیت اطمینان: این سیستم ها با قطعات اضافی و مکانیسم های تشخیص عیب ساخته شده اند تا قابلیت اطمینان را افزایش داده و احتمال خرابی سیستم را کاهش دهند.
-
تشخیص و بازیابی عیب: سیستم های مقاوم به خطا می توانند عیوب را به طور پیشگیرانه شناسایی کرده و فرآیندهای بازیابی را آغاز کنند و از عملکرد و انعطاف پذیری سیستم اطمینان حاصل کنند.
-
افت شدید: در برخی موارد، زمانی که افزونگی برای رسیدگی به یک خرابی کافی نیست، سیستم‌های تحمل‌کننده خطا به گونه‌ای طراحی می‌شوند که عملکرد آنها را به‌خوبی کاهش دهند و اطمینان حاصل کنند که عملکردهای غیر بحرانی ممکن است به طور موقت برای حفظ عملیات ضروری غیرفعال شوند.
-
مقیاس پذیری: برخی از سیستم‌های مقاوم به خطا به‌گونه‌ای طراحی شده‌اند که با افزودن اجزای اضافی بیشتر به‌منظور تطبیق با افزایش بار کاری و بهبود انعطاف‌پذیری سیستم، به‌صورت افقی مقیاس شوند.
-
تصحیح خطا: مکانیسم‌های تشخیص و تصحیح خطا یکپارچگی داده‌ها را تضمین می‌کند و خطر خراب شدن داده‌ها به دلیل خطاهای گذرا را کاهش می‌دهد.
-
ایزوله سازی اشتباه: سیستم های مقاوم در برابر خطا اغلب برای جداسازی اجزای معیوب مجهز شده اند و از گسترش خطاها به قسمت های بدون آسیب سیستم جلوگیری می کنند.
انواع سیستم های کامپیوتری مقاوم به خطا
سیستم های کامپیوتری مقاوم به خطا را می توان بر اساس سطح افزونگی و تکنیک های مورد استفاده طبقه بندی کرد. در اینجا چند نوع رایج وجود دارد:
1. افزونگی سخت افزار:
| تایپ کنید | شرح |
|---|---|
| افزونگی N مدولار | ماژول‌های سخت‌افزاری سه‌گانه یا بیشتر که وظایف مشابهی را انجام می‌دهند، با مکانیسم‌های رأی‌گیری برای تصمیم‌گیری خروجی صحیح. |
| افزونگی واحد یدکی | پشتیبان‌گیری از اجزای سخت‌افزاری که می‌توانند در صورت خرابی یک مؤلفه اصلی فعال شوند. |
| افزونگی مدولار دوگانه (DMR) | دو ماژول اضافی که به موازات رای گیری برای شناسایی و بازیابی خطاها کار می کنند. |
2. افزونگی نرم افزار:
| تایپ کنید | شرح |
|---|---|
| بازگشت نرم افزار | در صورت خرابی، سیستم به حالت پایدار شناخته شده قبلی برمی گردد و از ادامه کار اطمینان حاصل می کند. |
| برنامه نویسی نسخه N | چندین نسخه از یک نرم افزار به صورت موازی اجرا می شوند و نتایج آنها برای شناسایی خطاها مقایسه می شود. |
| بلوک های بازیابی | اجزای مبتنی بر نرم افزار که می توانند سیستم را از خطاها و خرابی ها بدون ایجاد اختلال در عملکرد بازیابی کنند. |
3. افزونگی اطلاعات:
| تایپ کنید | شرح |
|---|---|
| تکرار داده ها | ذخیره چندین نسخه از داده ها در مکان های مختلف برای اطمینان از دسترسی در صورت از دست رفتن داده ها. |
| RAID (آرایه اضافی از دیسک‌های مستقل) | داده ها در چندین دیسک با اطلاعات برابری برای تحمل خطا توزیع می شوند. |
کاربردهای سیستم های کامپیوتری مقاوم به خطا دامنه وسیعی دارند و معمولاً در موارد زیر یافت می شوند:
-
زیرساخت های حیاتی: سیستم های مقاوم در برابر خطا به طور گسترده در زیرساخت های حیاتی مانند نیروگاه ها، سیستم های حمل و نقل و تجهیزات پزشکی برای اطمینان از عملکرد بی وقفه استفاده می شوند.
-
هوافضا: فضاپیماها، ماهواره ها و هواپیماها برای مقاومت در برابر شرایط سخت فضا و حفظ ارتباطات و کنترل قابل اعتماد از سیستم های مقاوم به خطا استفاده می کنند.
-
امور مالی و بانکی: موسسات مالی برای اطمینان از پردازش مستمر تراکنش و یکپارچگی داده ها به سیستم های تحمل کننده خطا متکی هستند.
-
مخابرات: شبکه های مخابراتی برای حفظ اتصال یکپارچه و جلوگیری از اختلال در سرویس از سیستم های تحمل کننده خطا استفاده می کنند.
-
مراکز داده: تحمل خطا در مراکز داده برای جلوگیری از خرابی و حفظ در دسترس بودن خدمات آنلاین بسیار مهم است.
چالش های مربوط به استفاده از سیستم های تحمل کننده خطا عبارتند از:
-
هزینه: پیاده سازی مکانیسم های افزونگی و تحمل خطا می تواند گران باشد، به خصوص برای کاربردهای در مقیاس کوچک.
-
پیچیدگی: سیستم های مقاوم در برابر خطا می توانند برای طراحی، آزمایش و نگهداری پیچیده باشند که به دانش و تخصص تخصصی نیاز دارند.
-
در بالای سر: مکانیسم های افزونگی و تصحیح خطا می توانند مقداری سربار عملکرد را معرفی کنند که بر سرعت و کارایی سیستم تأثیر می گذارد.
راه‌حل‌های مقابله با این چالش‌ها شامل تجزیه و تحلیل دقیق هزینه و فایده، استفاده از ابزارهای خودکار تشخیص خطا و استفاده از معماری‌های تحمل‌پذیر خطا مقیاس‌پذیر است.
ویژگی های اصلی و مقایسه های دیگر با اصطلاحات مشابه
| مشخصه | سیستم کامپیوتری مقاوم در برابر خطا | سیستم دسترسی بالا | سیستم اضافی |
|---|---|---|---|
| هدف | برای ارائه عملیات مداوم و به حداقل رساندن زمان خرابی در صورت وجود خرابی. | برای حفظ خدمات در دسترس و عملکرد با کمترین اختلال. | برای اطمینان از وجود مولفه های پشتیبان یا تکراری برای رسیدگی به خرابی ها. |
| تمرکز | تاب آوری و بازیابی از شکست ها. | در دسترس بودن خدمات مستمر | تکراری شدن اجزای حیاتی |
| اجزاء | سخت افزار اضافی، تشخیص خطا، مکانیسم های بازیابی. | سخت افزار اضافی، تعادل بار، مکانیسم های شکست. | سخت افزار تکراری، تعویض خودکار. |
| کاربرد | سیستم های بحرانی، هوافضا، کنترل صنعتی. | خدمات وب، رایانش ابری، مراکز داده. | فرآیندهای صنعتی، سیستم های ایمنی حیاتی. |
با پیشرفت تکنولوژی، انتظار می‌رود که سیستم‌های کامپیوتری مقاوم به خطا پیچیده‌تر و توانمندتر شوند. برخی از دیدگاه ها و فناوری های آینده در این زمینه عبارتند از:
-
تشخیص خطای خودکار: سیستم های خود ترمیمی با قابلیت تشخیص خودکار و بازیابی عیوب بدون دخالت انسان.
-
تصحیح خطای کوانتومی: استفاده از اصول محاسبات کوانتومی برای توسعه کامپیوترهای کوانتومی مقاوم به خطا با کدهای تصحیح خطا.
-
یکپارچه سازی یادگیری ماشینی: استفاده از الگوریتم‌های یادگیری ماشین برای پیش‌بینی و جلوگیری از خرابی‌های احتمالی، بهبود تحمل خطای فعال.
-
تحمل خطای توزیع شده: توسعه سیستم های مقاوم به خطا با اجزای توزیع شده برای افزایش مقیاس پذیری و جداسازی خطا.
-
طراحی مشترک سخت افزار-نرم افزار: رویکردهای طراحی مشترک که اجزای سخت افزاری و نرم افزاری را برای تحمل خطا بهینه می کند.
چگونه می توان از سرورهای پروکسی استفاده کرد یا با سیستم کامپیوتری مقاوم به خطا مرتبط شد
سرورهای پروکسی می توانند نقش حیاتی در افزایش تحمل خطا برای برنامه های مختلف ایفا کنند. سرورهای پروکسی با عمل به عنوان واسطه بین کلاینت ها و سرورها می توانند:
-
تعادل بار: سرورهای پروکسی درخواست های کلاینت را در بین سرورهای پشتیبان متعدد توزیع می کنند و از استفاده یکنواخت از منابع و جلوگیری از بارگذاری بیش از حد اطمینان می دهند.
-
تشخیص خطا: سرورهای پروکسی می توانند سلامت و پاسخگویی سرورهای پشتیبان را نظارت کنند، خطاها را شناسایی کرده و به طور خودکار درخواست ها را از سرورهای آسیب دیده هدایت کنند.
-
ذخیره سازی: ذخیره داده های درخواستی مکرر در سرور پروکسی بار روی سرورهای باطن را کاهش می دهد و عملکرد کلی سیستم را بهبود می بخشد.
-
پشتیبانی Failover: در ارتباط با سیستم‌های تحمل‌کننده خطا، سرورهای پروکسی می‌توانند در هنگام شناسایی خرابی‌ها، به خرابی خودکار اجزای اضافی کمک کنند.
-
امنیت: سرورهای پروکسی می توانند به عنوان یک لایه امنیتی اضافی عمل کنند و از سرورهای باطن در برابر قرار گرفتن مستقیم در معرض اینترنت محافظت کنند و حملات احتمالی را کاهش دهند.
لینک های مربوطه
برای اطلاعات بیشتر در مورد سیستم های کامپیوتری مقاوم به خطا، می توانید منابع زیر را بررسی کنید:
- تحمل خطا - ویکی پدیا
- مقدمه ای بر سیستم های تحمل کننده خطا - دانشگاه تگزاس
- مقدمه ای بر تحمل خطا و افزونگی – اوراکل
به یاد داشته باشید، تحمل خطا یک جنبه حیاتی از سیستم‌های محاسباتی مدرن است که تضمین می‌کند که سرویس‌های حیاتی حتی در مواجهه با خرابی‌ها در دسترس و قابل اعتماد باقی می‌مانند. پیاده‌سازی تکنیک‌های تحمل‌پذیر خطا و استفاده از سرورهای پروکسی می‌تواند انعطاف‌پذیری و عملکرد سیستم را به میزان قابل توجهی افزایش دهد و آن را به یک ملاحظات ضروری برای هر سازمان تبدیل کند.
