System komputerowy odporny na awarie, znany również jako system odporny na awarie lub po prostu system FT, to rodzaj architektury obliczeniowej zaprojektowanej w celu zapewnienia wysokiej dostępności i niezawodności poprzez dalsze prawidłowe działanie nawet w przypadku awarii niektórych jego komponentów. Koncepcja odporności na błędy sięga początków informatyki, kiedy stało się oczywiste, że awarie sprzętu i oprogramowania są nieuniknione. Aby stawić czoła tym wyzwaniom, badacze i inżynierowie opracowali techniki odporne na awarie, aby zapewnić ciągłą pracę i skrócić przestoje.
Historia powstania systemu komputerowego Fault-tolerant i pierwsza wzmianka o nim
Początki odporności na błędy sięgają lat czterdziestych XX wieku, kiedy opracowywano pierwsze komputery elektroniczne. W tamtych czasach systemy komputerowe były duże, powolne i podatne na częste awarie ze względu na ich mechaniczną naturę. Wraz z postępem technologii koncepcja odporności na awarie zyskała na popularności, szczególnie w zastosowaniach krytycznych, takich jak systemy sterowania wojskowe, lotnicze i przemysłowe. Pierwszą wzmiankę o tolerancji błędów w literaturze akademickiej można znaleźć w pracach Johna von Neumanna i jego współpracowników podczas opracowywania elektronicznego automatycznego komputera o zmiennej dyskretnej (EDVAC) pod koniec lat czterdziestych XX wieku.
Szczegółowe informacje na temat systemu komputerowego odpornego na awarie. Rozszerzenie tematu Odporny na awarie system komputerowy.
Odporny na awarie system komputerowy zbudowany jest na zasadzie redundancji. Redundancja polega na włączaniu zduplikowanych lub potrójnych komponentów do systemu, co gwarantuje, że w przypadku awarii jednego komponentu, kopia zapasowa może bezproblemowo przejąć kontrolę. Odporność na błędy osiąga się za pomocą różnych technik, które mogą obejmować nadmiarowy sprzęt, mechanizmy wykrywania i korygowania błędów oraz płynną degradację. Systemy te są często projektowane z myślą o osiągnięciu wysokiej dostępności, ciągłej pracy i możliwości szybkiego przywracania sprawności po awariach.
Wewnętrzna struktura systemu komputerowego odpornego na awarie. Jak działa system komputerowy odporny na awarie.
Wewnętrzna struktura systemu komputerowego odpornego na awarie może się różnić w zależności od konkretnego zastosowania i wymaganego poziomu nadmiarowości. Często jednak występują pewne wspólne elementy i mechanizmy:
-
Nadmiarowy sprzęt: Systemy odporne na awarie wykorzystują zduplikowane lub potrójne komponenty sprzętowe, takie jak procesory, moduły pamięci, zasilacze i urządzenia pamięci masowej. Te nadmiarowe elementy są często ze sobą połączone i działają równolegle, co pozwala systemowi na płynne przejście na kopie zapasowe w przypadku wykrycia awarii.
-
Wykrywanie i korygowanie błędów: Różne techniki wykrywania błędów, takie jak sumy kontrolne, bity parzystości i cykliczna kontrola nadmiarowa (CRC), są używane do identyfikowania i korygowania błędów w danych i instrukcjach. Dzięki wczesnemu wykrywaniu błędów system może podjąć odpowiednie działania, aby uniknąć propagacji błędu i zachować jego integralność.
-
Mechanizmy głosowania: W systemach z potrójnymi komponentami można zastosować mechanizm głosowania w celu określenia prawidłowego wyjścia. Proces ten obejmuje porównanie wyników każdego nadmiarowego komponentu i wybranie wyniku, który pasuje do większości. Jeżeli jeden ze składników daje błędny wynik, proces głosowania gwarantuje, że zostaną użyte prawidłowe dane.
-
Przełączanie awaryjne i odzyskiwanie: W przypadku wykrycia usterki system inicjuje proces przełączania awaryjnego w celu przełączenia na komponent nadmiarowy. Ponadto systemy odporne na błędy często posiadają mechanizmy odzyskiwania po błędach, w ramach których wadliwe komponenty są izolowane, naprawiane lub wymieniane, podczas gdy system nadal działa.
Analiza kluczowych cech systemu komputerowego odpornego na awarie
Kluczowe cechy systemu komputerowego odpornego na awarie to:
-
Duża dostępność: Systemy odporne na awarie zostały zaprojektowane tak, aby minimalizować przestoje i zapewniać ciągłą pracę, zapewniając dostępność krytycznych usług nawet w przypadku awarii.
-
Niezawodność: Systemy te są zbudowane z nadmiarowych komponentów i mechanizmów wykrywania usterek, aby zwiększyć niezawodność i zmniejszyć prawdopodobieństwo awarii systemu.
-
Wykrywanie i odzyskiwanie usterek: Systemy odporne na awarie mogą proaktywnie wykrywać awarie i inicjować procesy odzyskiwania, zapewniając, że system pozostanie funkcjonalny i odporny.
-
Ładna degradacja: W niektórych przypadkach, gdy nadmiarowość nie jest wystarczająca, aby poradzić sobie z awarią, systemy odporne na awarie są projektowane tak, aby łagodnie zmniejszać ich wydajność, zapewniając tymczasowe wyłączenie niekrytycznych funkcji w celu utrzymania podstawowych operacji.
-
Skalowalność: Niektóre systemy odporne na awarie zaprojektowano tak, aby można je było skalować w poziomie poprzez dodanie większej liczby nadmiarowych komponentów, aby sprostać większym obciążeniom i poprawić odporność systemu.
-
Korekcja błędów: Mechanizmy wykrywania i korygowania błędów gwarantują integralność danych, zmniejszając ryzyko uszkodzenia danych z powodu przejściowych usterek.
-
Izolowanie błędów: Systemy odporne na awarie są często wyposażone w funkcję izolowania wadliwych komponentów, zapobiegając rozprzestrzenianiu się błędów na nienaruszone części systemu.
Rodzaje odpornych na awarie systemów komputerowych
Odporne na awarie systemy komputerowe można klasyfikować na podstawie poziomu redundancji i stosowanych technik. Oto kilka popularnych typów:
1. Redundancja sprzętowa:
| Typ | Opis |
|---|---|
| Redundancja N-modularna | Trzy lub więcej modułów sprzętowych, które wykonują te same zadania, z mechanizmami głosowania decydującymi o właściwym wyjściu. |
| Redundancja jednostek zapasowych | Zapasowe komponenty sprzętowe, które można aktywować w przypadku awarii podstawowego komponentu. |
| Podwójna redundancja modułowa (DMR) | Dwa redundantne moduły pracujące równolegle z głosowaniem w celu wykrywania i odzyskiwania usterek. |
2. Redundancja oprogramowania:
| Typ | Opis |
|---|---|
| Przywracanie oprogramowania | W przypadku awarii system powraca do znanego wcześniej stanu stabilnego, zapewniając ciągłość pracy. |
| Programowanie w wersji N | Wiele wersji tego samego oprogramowania działa równolegle, a ich wyniki są porównywane w celu zidentyfikowania błędów. |
| Bloki odzyskiwania | Komponenty oparte na oprogramowaniu, które mogą przywrócić system po błędach i awariach bez zakłócania pracy. |
3. Redundancja informacji:
| Typ | Opis |
|---|---|
| Replikacja danych | Przechowywanie wielu kopii danych w różnych lokalizacjach, aby zapewnić dostęp w przypadku utraty danych. |
| RAID (nadmiarowa macierz niezależnych dysków) | Dane są rozprowadzane na wielu dyskach z informacją o parzystości zapewniającą odporność na awarie. |
Zastosowania systemów komputerowych odpornych na awarie są szerokie i powszechnie można je spotkać w:
-
Infrastruktura krytyczna: Systemy odporne na awarie są szeroko stosowane w infrastrukturze krytycznej, takiej jak elektrownie, systemy transportowe i urządzenia medyczne, w celu zapewnienia nieprzerwanej pracy.
-
Lotnictwo: Statki kosmiczne, satelity i samoloty wykorzystują systemy odporne na awarie, aby wytrzymać trudne warunki panujące w przestrzeni kosmicznej oraz zapewnić niezawodną komunikację i kontrolę.
-
Finanse i Bankowość: Instytucje finansowe polegają na systemach odpornych na awarie, aby zapewnić ciągłe przetwarzanie transakcji i integralność danych.
-
Telekomunikacja: Sieci telekomunikacyjne wykorzystują systemy odporne na awarie, aby zapewnić płynną łączność i zapobiegać zakłóceniom usług.
-
Centra danych: Tolerancja na awarie ma kluczowe znaczenie w centrach danych, ponieważ pozwala zapobiegać przestojom i utrzymywać dostępność usług online.
Wyzwania związane ze stosowaniem systemów odpornych na awarie obejmują:
-
Koszt: Wdrożenie mechanizmów redundancji i odporności na błędy może być kosztowne, szczególnie w przypadku zastosowań na małą skalę.
-
Złożoność: Projektowanie, testowanie i konserwacja systemów odpornych na błędy może być skomplikowane i wymagać specjalistycznej wiedzy i doświadczenia.
-
Nad głową: Mechanizmy redundancji i korekcji błędów mogą powodować pewne obciążenie wydajności, wpływając na szybkość i wydajność systemu.
Rozwiązania pozwalające sprostać tym wyzwaniom obejmują uważną analizę kosztów i korzyści, wykorzystanie narzędzi do automatycznego wykrywania błędów i wykorzystanie skalowalnych architektur odpornych na błędy.
Główne cechy i inne porównania z podobnymi terminami
| Charakterystyka | System komputerowy odporny na awarie | System wysokiej dostępności | System nadmiarowy |
|---|---|---|---|
| Zamiar | Aby zapewnić ciągłość pracy i zminimalizować przestoje w przypadku wystąpienia awarii. | Utrzymanie dostępności i funkcjonalności usług przy minimalnych zakłóceniach. | Aby mieć pewność, że istnieją kopie zapasowe lub zduplikowane komponenty, które poradzą sobie z awariami. |
| Centrum | Odporność i odzyskiwanie sił po porażkach. | Stała dostępność usług. | Powielanie kluczowych komponentów. |
| składniki | Redundantny sprzęt, wykrywanie błędów, mechanizmy odzyskiwania. | Redundantny sprzęt, równoważenie obciążenia, mechanizmy przełączania awaryjnego. | Duplikat sprzętu, automatyczne przełączanie. |
| Aplikacja | Systemy krytyczne, przemysł lotniczy, sterowanie przemysłowe. | Usługi internetowe, przetwarzanie w chmurze, centra danych. | Procesy przemysłowe, systemy krytyczne dla bezpieczeństwa. |
Oczekuje się, że wraz z postępem technologii odporne na awarie systemy komputerowe staną się jeszcze bardziej wyrafinowane i wydajne. Niektóre przyszłe perspektywy i technologie w tej dziedzinie obejmują:
-
Autonomiczne wykrywanie usterek: Systemy samonaprawiające się, zdolne do automatycznego wykrywania usterek i usuwania usterek bez interwencji człowieka.
-
Kwantowa korekcja błędów: Wykorzystanie zasad obliczeń kwantowych do opracowania odpornych na awarie komputerów kwantowych z kodami korygującymi błędy.
-
Integracja uczenia maszynowego: Wykorzystanie algorytmów uczenia maszynowego do przewidywania potencjalnych awarii i zapobiegania im, poprawiając proaktywną odporność na błędy.
-
Rozproszona tolerancja na błędy: Opracowywanie systemów odpornych na awarie z rozproszonymi komponentami w celu zwiększenia skalowalności i izolowania usterek.
-
Współprojektowanie sprzętu i oprogramowania: Podejście do projektowania opartego na współpracy, które optymalizuje komponenty sprzętu i oprogramowania pod kątem odporności na awarie.
W jaki sposób serwery proxy mogą być wykorzystywane lub powiązane z systemem komputerowym odpornym na awarie
Serwery proxy mogą odegrać kluczową rolę w zwiększaniu odporności na awarie różnych aplikacji. Działając jako pośrednicy między klientami a serwerami, serwery proxy mogą:
-
Równoważenie obciążenia: Serwery proxy rozdzielają żądania klientów pomiędzy wiele serwerów zaplecza, zapewniając równomierne wykorzystanie zasobów i zapobiegając przeciążeniom.
-
Wykrywanie uszkodzeń: Serwery proxy mogą monitorować stan i czas reakcji serwerów zaplecza, wykrywając błędy i automatycznie przekierowując żądania z serwerów, których to dotyczy.
-
Buforowanie: Buforowanie często żądanych danych na serwerze proxy zmniejsza obciążenie serwerów zaplecza i poprawia ogólną wydajność systemu.
-
Wsparcie awaryjne: W połączeniu z systemami odpornymi na błędy serwery proxy mogą pomóc w automatycznym przełączaniu awaryjnym na nadmiarowe komponenty w przypadku wykrycia awarii.
-
Bezpieczeństwo: Serwery proxy mogą działać jako dodatkowa warstwa zabezpieczeń, chroniąc serwery zaplecza przed bezpośrednim kontaktem z Internetem i łagodząc potencjalne ataki.
Powiązane linki
Więcej informacji na temat systemów komputerowych odpornych na awarie można znaleźć w następujących zasobach:
- Tolerancja na błędy – Wikipedia
- Wprowadzenie do systemów odpornych na awarie – Uniwersytet Teksasu
- Wprowadzenie do odporności na błędy i redundancji – Oracle
Należy pamiętać, że odporność na awarie jest krytycznym aspektem nowoczesnych systemów komputerowych, zapewniającym dostępność i niezawodność kluczowych usług nawet w obliczu awarii. Wdrożenie technik odpornych na awarie i wykorzystanie serwerów proxy może znacząco zwiększyć odporność i wydajność systemu, co czyni tę kwestię istotną kwestią w każdej organizacji.
