Резервирование

Требования к надежности вычислительных средств определяется в зависимости от степени риска или меры ущерба, наносимого отказами элементов ЭВМ. Для обеспечения высоких показателей надежности требуются значительные материальные затраты, которые сокращаются на ранних стадиях разработки и изготовления аппаратуры.

В процессе эксплуатации ЭВМ имеется достаточное количество методов и организационно-технических мероприятий, направленных на повышение надежности ЭВМ, проведение которых не идет в разрез с требованиями технической документации.

Резервирование - один из самых эффективных методов повышения надежности ЭВМ. Выбор наилучшего для конкретных условий вида резервирования средств вычислительной техники приводит к существенному повышению значений показателей надежности.Среди методов повышения надежности, предусматриваемых при проектировании, особое место занимает использование избыточности. Избыточность - дополнительные средства (или возможности) сверх минимально необходимых для выполнения заданной функции.

Резервирование - это метод повышения надежности путем введения избыточности.

Особое место, отводимое этому методу, объясняется тем, что резервирование наиболее полно позволяет решить задачу получения требуемой надежности при относительно малонадежных элементах.

В зависимости от вида используемой избыточности различают следующие виды резервирования:

· структурное - предусматривающее использование избыточных элементов; в структуре объекта (узлов, блоков, аналогичных имеющимся);

· временное - предусматривающее использование избыточного времени;

· функциональное - предусматривающее использование способности элементов выполнять дополнительные функции;

· информационное - предусматривающее использование способности к восприятию дополнительной информации, поступающей на объект;

· нагрузочное - предусматривающее использование способности к восприятию дополнительной нагрузки.

Одним из основных способов повышения надежности систем является структурное резервирование, которое предусматривает включение в состав системы дополнительных объектов. Структурное резервирование различается по ряду признаков:

· резерв включен постоянно или резервный элемент включается по мере необходимости (резервирование замещением, ненагруженный резерв);

· индивидуальное или групповое резервирование;

· переход на резервный элемент происходи мгновенно или требуется конечное время на переключение;

· система контроля работоспособности и управления резервом абсолютно надежна или имеет конечную надежность и т.д.

Многообразие видов резервирования привело к созданию десятков различных моделей, учитывающих конкретную специфику систем.

При структурном резервировании следует различать следующие понятия:

· основной элемент - это элемент структуры машины, минимально необходимый для выполнения заданных функций;

· резервный элемент - это элемент, предназначенный для обеспечения работоспособности машины в случае отказа основного элемента;

· кратность резерва - отношение числа резервных элементов к числу резервируемых или основных элементов объекта, выраженное несокращенной дробью.

Различают однократное резервирование (дублирование), кратность которого равна единице, и многократное, кратность которого больше единицы.

По характеру восстанавливаемости резерва различают:

Резервирование с восстановлением - при котором работоспособности любого основного и резервного элементов в случае возникновения их отказов подлежат восстановлению.

Резервирование без восстановления - когда любой основной или резервный элемент восстановлению не подлежит.

Применение резервирования обычно связано с увеличением веса, объ¬ема, стоимости изготовления и эксплуатации ЭВМ. Часто один из этих факторов является лимитирующим. Поэтому возникает необходимость подоб¬рать оптимальный способ резервирования, наилучшим образом отвечающий поставленной задаче.

Под оптимальным резервированием понимают резервирование, обеспе¬чивающее получение наибольшего эффекта повышения надежности с наимень¬шими затратами. Выбор критерия оптимальности зависит от конкретных ус¬ловий, т.е. учета конкретных доминирующих факторов.

Параллельное резервирование.

Присоединение резервных элементов к основным производится парал¬лельно.

Параллельной называется система, которая сохраняет свою рабо¬тоспособность до тех пор, пока работоспособен хотя бы один ее элемент. Предполагается, что все элементы находятся во включенном состоянии с самого начала.

В инженерной практике такой резерв называют нагруженным или горячим.

В каждый момент времени функции системы выполняются основным элементом, а в случае его отказа происходит мгновенное переключение на любой из исправных к данному моменту резервных элементов.

Параллельной называется система, которая сохраняет свою работоспособность до тех пор, пока работоспособен хотя бы один ее элемент. Предполагается, что все элементы находятся во включенном состоянии с самого начала.

В инженерной практике такой резерв называют нагруженным или горячим.

Следует отметить, что среднее время безотказной работы параллельной системы с нагруженным резервом растет довольно медленно с ростом числа резервных элементов. В табл. 1.1 приведен расчет для экспоненциального распределения, которое, кстати, дает еще относительно большой рост по сравнению с большинством стареющих распределений. В то же время мы видим, что такой вид резервирования очень эффективен для повышения ВБР.

Таблица:

Число элементов в параллельной системе	Относительный рост среднего времени работы системы
1	1
10	2.88
100	5.18
1000	6.48

Теоретически путем резервирования возможно добиться любой заданной вероятности безотказной работы. Но такой способ повышения надежности связан с существенным ростом материальных затрат. А с ростом кратности резерва возрастает сложность реализации контроля и управления в системе, что также сказывается на надежности.

Система с параллельным резервированием состоит из двух или более модулей ИБП, включенных в параллель и работающих на общую нагрузку. По отношению к проектной нагрузке система должна иметь определенную избыточность по мощности в виде одного или нескольких дополнительных модулей для обеспечения резерва. Как правило, каждый модуль оснащен своим батарейным блоком, хотя и не исключен вариант использования общего батарейного комплекта для всей системы в целом.

При безаварийной работе нагрузка системы равномерно распределяется между модулями (например ИБП), а в случае выхода из строя или принудительного отключения одного из них нагрузка распределяется среди оставшихся модулей. Такая схема включения обеспечивает высокую степень защиты (99.99%). При этом процесс технического обслуживания отдельных модулей не приводит к временному питанию нагрузки от “грязной” сети. Однако все еще остается необходимость отключения системы при проведении работ с шиной питания нагрузки или оборудованием, расположенным между ИБП и нагрузкой.

Последовательное резервирование

Система с последовательным резервированием состоит из одного или нескольких основных модулей и одного резервного. Каждый основной модуль работает на собственную нагрузку. Резервный модуль используется в качестве первичного источника питания входов Bypass основных модулей системы.

Такая конфигурация позволяет производить техническое обслуживание основных и резервного модулей без отключения нагрузки и без снятия ее защиты. В этой схеме выходы основных модулей синхронизированы c выходом резервного модуля системы.

При пропадании питания на входе одного из основных элементов (модулей ИБП) переходит в автономный режим работы и нагрузка потребляет энергию батарейного комплекта данного ИБП. Если к моменту его разряда питание не восстановится, произойдет автоматический переход модуля в Bypass, т.е. на резервный блок. Разумеется, в этом случае резервный блок становится недоступен для оставшихся основных модулей, и при переходе в Bypass второго основного модуля подключенный к нему сегмент нагрузки запитывается от незащищенного входа системы.

Системы со смешанной структурой

Системы с чисто последовательной или чисто параллельной структурой встречаются на практике довольно редко. Чаще приходится иметь дело со смешанными структурами: с параллельно-последовательными системами (параллельное соединение последовательных подсистем) и с последовательно-параллельными системами (последовательное соединение параллельных подсистем), представленными на рис., а также их комбинациями.

Кроме того, следует учитывать вид структуры системы – простые двухполюсные, сетевые, иерархические структуры.

Влияние кратности резервирования на налёжность:

N	Надежность резервирования
	N		N+1		2N		2(N+1)
	Вероятность отказа	Длительность простоя	Вероятность отказа	Длительность простоя	Вероятность отказа	Длительность простоя	Вероятность отказа	Длительность простоя
1	0.23%	20ч	0.0005%	0.046ч	0.0005%	164сек	2.7·10-9%	0.0009сек
2	0.46%	39.9ч	0.0016%	0.137ч	4.7·10-6%	1.5сек	2.4·10-5%	0.008сек
3	0.68%	59.7ч	0.0031%	0.273ч	4.0·10-8%	0.013сек	9.7·10-5%	0.03сек
4	0.90%	79.5ч	0.0052%	0.454ч	3.5·10-10%	0.0001сек	2.7·10-7%	0.08сек
5	1.13%	99.1ч	0.0077%	0.679ч	2.9·10-12%	0.000001сек	6.0·10-7%	0.20сек
6	1.35%	118.6ч	0.0108%	0.948ч	2.5·10-14%	0.8·10-8сек	1.2·10-6%	0.37сек
7	1.58%	138.1ч	0.0144%	1.261ч	2.1·10-16%	0.7·10-10сек	2.1·10-6%	0.65сек
8	1.80%	157.5ч	0.0185%	1.618ч	1.9·10-18%	0.6·10-12сек	3.4·10-6%	1.08сек
9	2.02%	176.7ч	0.0230%	2.018ч	1.7·10-20%	0.5·10-14сек	5.3·10-6%	1.67сек
10	2.24%	195.9ч	0.0281%	2.460ч	1.4·10-22%	0.5·10-16сек	7.9·10-6%	2.49сек