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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,#,容错计算原理,北京邮电大学,计算机科学与技术学院,姚文斌,绪论,容错和,避,避错技,术,术的产,生,生和发,展,展,容错计,算,算的特,征,征及定,义,义,避错和,容,容错技,术,术的分,类,类,容错和,避,避错技,术,术的产,生,生和发,展,展,评价信,息,息系统,的,的三大,要,要素,性能、,价,价格和,可,可靠性,数字系,统,统的可,靠,靠性,避错（Fault-avoidance,）,）：完,美,美系统,元器件,老,老化和,筛,筛选,生产工,艺,艺把关,容错（Fault-tolerance,）,）：容,忍,忍错误,系,系统,多倍冗,余,余与表,决,决,自身纠,错,错能力,等,等,避错设,计,计发展,起始于,计,计算机,问,问世之,日,日,计算机,发,发展经,历,历电子管,-,-晶,体,体管-,集成,电,电路-,大规,模,模集成,电,电路-,超大,规,规模集,成,成电路，避错,设,设计一,直,直是提,高,高计算,机,机可靠,性,性基本,方,方法,元器件,筛,筛选-,避错,设,设计结,构,构-,避,避错系,统,统,美国军,用,用计算,机,机公司,包,包括：NORDEN,公,公司、EMM,公,公司、ROLM公司,和,和MILTOPE公,司,司,产品包,括,括PDP-11M,VAX,-,-11M等,我国从80年,代,代开始,研,研制抗,恶,恶劣环,境,境计算,机,机,容错设,计,计-1,VonNeumann提,出,出的五,个,个容错,理,理论报,告,告是容,错,错研究,的,的基础,60年,代,代，提,出,出了三,模,模冗余,、,、N模,冗,冗余结,构,构、纠,错,错码理,论,论、自,检,检和自,修,修计算,机,机,70年,代,代，研,究,究范围,从,从宇航,领,领域扩,大,大到交,通,通管制,、,、工厂,自,自动化,、,、银行,、,、空港,管,管理、,潜,潜艇导,航,航等，,成,成果有SIFT计算,机,机、表,决,决多处,理,理机,80年,代,代广泛,应,应用，,容,容错计,算,算机普,及,及深入,到,到整个,工,工业界,，,，Stratus容,错,错计算,机,机系列,、,、IBM System88，Tandem16等商,业,业化。,容,容错作,为,为每个,数,数字系,统,统的一,个,个重要,特,特征的,时,时代已,经,经到来,容错设,计,计-2,90年,代,代，基,于,于通用,硬,硬件的,容,容错计,算,算机得,到,到重点,发,发展。,代,代表性,是,是Stratus公,司,司的FtServer系列,计,计算机,受价格,制,制约，,专,专用容,错,错计算,机,机费用,开,开销大,通用硬,件,件开发,时,时间短,、,、软件,支,支持丰,富,富,学术界,IEEE（国,际,际电机,和,和电子,工,工程学,会,会）从1971年每,年,年召开,“,“国际,容,容错计,算,算年会FTCS”，2000年后,改,改为可,信,信计算,会,会议DCS,展望-,可,可靠性,设,设计重,要,要性,随着计,算,算机技,术,术进一,步,步发展,，,，可靠,性,性设计,必,必将越,来,来越重,要,要：,计算机,性,性能提,高,高使系,统,统复杂,性,性增加,计算机,应,应用普,及,及，使,用,用者容,易,易操作,失,失误,计算机,应,应用环,境,境恶劣,，,，如温,度,度、湿,度,度、电,磁,磁干扰,、,、机械,冲,冲击和,震,震动、,盐,盐雾,硬件成,本,本日益,降,降低，,维,维护成,本,本相对,增,增高，,需,需提高,系,系统的,可,可靠性,以,以降低,维,维护费,用,用,发展方,向,向-1,走与商,用,用机兼,容,容道路,研究避,错,错技术,发,发展抗,恶,恶劣计,算,算机,瞄准主,流,流商用,机,机，集,中,中力量,在,在计算,机,机结构,组,组装、,系,系统工,艺,艺、质,量,量控制,研究商,业,业硬件,和,和软件,构,构成高,可,可靠容,错,错计算,机,机,传统容,错,错计算,机,机不足,包,包括成,本,本高（,软,软/硬,件,件专门,设,设计）,、,、扩展,能,能力差,、,、编程,复,复杂、,设,设计能,力,力弱、,设,设计周,期,期长,美国NASA,的,的JPL实验,室,室研制,航,航空航,天,天通用,容,容错计,算,算机,欧洲GUARDS计,划,划，共,同,同研制,通,通用容,错,错计算,机,机,发展方,向,向-2,随着VLSI,线,线路复,杂,杂性增,高,高，故,障,障埋藏,深,深度增,加,加，发,现,现故障,难,难度增,大,大，为,增,增加芯,片,片可控,性,性和可,观,观测性,的,的可曾,实,实行研,究,究已成,为,为重要,课,课题,随着整,片,片集成WSI,技,技术和Soc,技,技术提,出,出，硅,片,片容错,技,技术应,运,运而生,将动态,冗,冗余技,术,术用于VLSI设计,，,，产生RVLSI技,术,术。,用PLA进行,容,容错设,计,计是实,现,现硅片,容,容错,发展方,向,向-3,容错系,统,统结构,从,从单机,向,向分布,式,式系统,，,，由通,用,用微处,理,理器及,微,微计算,机,机来实,现,现高性,能,能分布,式,式容错,系,系统,分布式,系,系统具,有,有模块,性,性、并,行,行性和,自,自治性,三,三大特,征,征,在局部,网,网络中,注,注入全,局,局管理,、,、并行,操,操作、,自,自治控,制,制、冗,余,余和错,误,误处理,，,，是研,究,究高性,能,能、高,可,可靠性,分,分布式,容,容错系,统,统,发展方,向,向-4,软件可,靠,靠性技,术,术,据统计,，,，软件,系,系统中,软,软件故,障,障占系,统,统故障,比,比例越,来,来越高,，,，甚至,达,达到80%以,上,上,软件可,靠,靠性两,种,种方法,避错法,：,：程序,设,设计方,法,法和软,件,件验证,技,技术,容错法,：,：冗余,信,信息与,算,算法程,序,序，及,时,时发现,程,程序设,计,计错误,发展方,向,向-5,容错性,能,能评价,软件正,确,确性证,明,明,难以获,得,得容错,系,系统的,可,可靠性,数,数据,故障注,入,入：通,过,过对目,标,标容错,计,计算机,系,系统注,入,入各种,软,软/硬,件,件故障,并,并观察,目,目标系,统,统对故,障,障的响,应,应，可,以,以获得,评,评价目,标,标系统,的,的各种,参,参数，,以,以辅助,系,系统设,计,计的改,进,进,发展方,向,向-6,理论研,究,究方面,，,，建立,包,包含“,故,故障”,状,状态的,计,计算机,模,模型，,并,并提出,一,一套容,错,错系统,的,的综合,方,方法论,，,，建立,一,一个广,泛,泛的故,障,障病理,学,学和相,应,应的故,障,障防护,学,学,绪论,容错和,避,避错技,术,术的产,生,生和发,展,展,容错计,算,算的特,征,征及定,义,义,避错和,容,容错技,术,术的分,类,类,可靠性,的,的四论,域,域信息,模,模型,逻辑的,、,、信息,的,的（内,部,部的）,、,、物理,的,的、用,户,户的（,外,外部的,）,）这样,一,一个递,增,增次序,构,构造一,个,个层次,结,结构模,型,型来描,述,述一个,信,信息处,理,理系统,层次结,构,构模型,中,中每一,层,层次都,包,包含各,自,自的一,组,组基本,概,概念、,模,模型和,术,术语，,设,设计要,求,求、性,能,能度量,、,、正确,特,特性样,式,式、测,试,试方法,和,和概念,规,规范都,可,可以通,过,过给定,的,的论域,描,描述,系统的,正,正常功,能,能可由,一,一个不,希,希望时,间,间UE,（,（UnexpectantEven）,（,（失效,、,、故障,、,、错误,、,、失败,而,而破坏,）,）、不,希,希望事,件,件源于,一,一个内,部,部的论,域,域,容错系,统,统的属,性,性和实,现,现它的,方,方法论,就,就可以,通,通过四,论,论域、,它,它们的,不,不希望,事,事件、,不,不希望,事,事件的,检,检测算,法,法和恢,复,复算法,来,来解释,容错计,算,算就可,以,以定义,为,为当系,统,统出现,不,不希望,事,事件时,仍,仍能正,确,确地执,行,行所规,定,定的算,法,法,不希望,事,事件UE的分,类,类,不希望,事,事件在,从,从逻辑,域,域、信,息,息域、,物,物理域,、,、用户,域,域分别,称,称为故,障,障-,错,错误-,失效,-,-失,败,败。对,于,于每一,个,个论域,，,，我们,都,都可以,根,根据原,因,因、时,间,间间隔,、,、值和,范,范围对,该,该域的,不,不希望,事,事件等,价,价在逻,辑,辑域来,描,描述，,并,并都把,他,他们归,纳,纳为“,故,故障模,型,型”,故障分,类,类,按时间,间,间隔分,为,为“永,久,久故障,”,”和“,瞬,瞬间故,障,障”,按值分,为,为“确,定,定值故,障,障”和,“,“非确,定,定值故,障,障”,按范围,分,分为“,局,局部故,障,障”和,“,“分布,式,式故障,”,”,容忍不,希,希望事,件,件,确认被,容,容忍的,不,不希望,事,事件的,规,规范,选择与,该,该不希,望,望事件,的,的类别,相,相匹配,的,的检测,算,算法,设计恢,复,复算法,使系统,恢,恢复到,正,正确操,作,作的某,个,个级或,者,者安全,停,停机（,系,系统恢,复,复）,容错计,算,算四要,素,素,UE的,检,检测,损坏估,价,价,UE的,恢,恢复,UE处,理,理和继,续,续服务,实现容,错,错计算,的,的主要,方,方法,硬件冗,余,余,时间冗,余,余,信息冗,余,余,软件冗,余,余,硬件冗,余,余,硬件堆,积,积冗余,（,（N模,冗,冗余）,待命储,备,备冗余,混合冗,余,余系统,时间冗,余,余,通过消,耗,耗时间,资,资源来,达,达到容,错,错目的,方法：,初,初始检,查,查、联,机,机检查,、,、周期,检,检查,信息冗,余,余,增加信,息,息的多,余,余度来,提,提高可,靠,靠性,检错能,力,力和纠,错,错能力,方法：,奇,奇偶码,、,、海明,码,码、乘,积,积码、,循,循环码,优点,增加的,冗,冗余度,比,比别的,方,方法低,、,、许多,码,码的信,息,息位和,校,校验位,在,在运算,中,中可统,一,一处理,能纠正,瞬,瞬时错,误,误，提,供,供故障,自,自检测,、,、自定,位,位、自,纠,纠错能,力,力,缺点,产生延,时,时，难,于,于纠正,编,编码器,和,和译码,器,器本身,的,的错误,软件冗,余,余,无错误,软,软件,高可靠,软,软件产,品,品的程,序,序设计,方,方法,软件测,试,试技术,程序正,确,确性证,明,明,容错软,件,件,静态冗,余,余：NVP,动态冗,余,余：RB,综合冗,余,余技术,根据系,统,统特性,所,所确定,的,的可靠,性,性指标,，,，成本,诸,诸因素,选,选择适,当,当的冗,余,余方式,，,，将这,些,些冗余,方,方式应,用,用于适,当,当的级,别,别,可靠性,参,参数,度量系,统,统可靠,性,性参数,：,：R(t),A(t,),),系统可,靠,靠度R,(,(t),是,是指在t=0,时,时系统,正,正常的,条,条件下,，,，系统,在,在时间,区,区间0，t,内能,正,正常运,行,行的概,率,率,系统可,靠,靠度可,以,以表示,为,为：,系统可,用,用度A,(,(t),是,是指系,统,统在时,间,间t可,运,运行的,概,概率：,当,当t趋,于,于无穷,大,大时，A(t,),)的极,限,限存在,，,，则该,极,极限成,为,为系统,的,的稳态,可,可用度,，,，他表,示,示期望,系,系统可,用,用来执,行,行有用,计,计算的,时,时间部,分,分,系统的,平,平均无,故,故障运,行,行时间MTTF为,绪论,容错和,避,避错技,术,术的产,生,生和发,展,展,容错计,算,算的特,征,征及定,义,义,避错和,容,容错技,术,术的分,类,类,避错技,术,术分类,MIL,-,-217B模,型,型,避错的,方,方法,环境防,护,护技术,热设计,、,、机械,应,应力防,护,护、化,学,学防护,、,、电磁,兼,兼容性,设,设计等,质量控,制,制要求,对全部,材,材料、,工,工艺及,设,设备有,严,严格的,质,质量管,理,理规范,提高元,件,件集成,度,度,整个系,统,统失效,率,率随着,集,集成度,的,的增大,而,而减少,容错技,术,术分类,冗余系,统,统克服,故,故障影,响,响的阶,段,段：,故障检,测,测,故障限,制,制,故障屏,蔽,蔽,重试,诊断,重组,恢复,重启,修复,重构,冗余系,统,统的阶,段,段,容错技,术,术分类,（,（故障,处,处理方,式,式）,故障检,测,测,不提供,对,对故障,的,的容忍,，,，只提,供,供已发,生,生故障,的,的警告,故障屏,蔽,蔽,静态冗,余,余，容,忍,忍故障,但,但不给,出,出故障,警,警告,动态冗,余,余,最复杂,的,的一类,容,容错技,术,术，包,含,含故障,处,处理的,所,所有10个阶,段,段,检错技,术,术,检测和,定,定位故,障,障的技,术,术,指标：,检测覆,盖,盖率，,即,即任意,故,故障被,检,检测到,的,的概率,诊断分,辨,辨率，,即,即故障,定,定位的,精,精确程,度,度,检测技,术,术,检错码,多倍冗,余,余,自校验,等,等,故障屏,蔽,蔽,提供容,忍,忍故障,的,的冗余,，,，在故,障,障效应,到,到达模,块,块输出,以,以前，,通,通过隔,离,离或校,正,正来消,除,除它们,的,的影响,指标：,可靠度,函,函数,技术：,N模表,决,决冗余,纠错码,屏蔽逻,辑,辑,动态冗,余,余,发生故,障,障时，,通,通过系,统,统内部,的,的重组,来,来切除,和,和替换,故,故障部,件,件,重组实,际,际上起,着,着补充,冗,冗余、,延,延长系,统,统寿命,的,的作用,。,。重组,有,有故障,检,检测所,激,激活，,因,因此故,障,障检测,是,是动态,冗,冗余的,基,基础，,检,检测覆,盖,盖率和,诊,诊断分,辨,辨率决,定,定了动,态,态冗余,系,系统故,障,障处理,能,能力,软件可,靠,靠性技,术,术,软件避,错,错技术,软件管,理,理技术,、,、设计,方,方法、,验,验证工,具,具,软件容,错,错技术,恢复块,技,技术、NVP,技,技术,可靠性,技,技术分,类,类,范围,技术,硬件,避错,环境防护、质量控制、元件集成度,故障检测,检错码、自校验电路及自校验网络、监视定时器、一致校验和权限校验,故障屏蔽,N,倍冗余结构、交织逻辑、编码状态机、纠错码,动态冗余,重组、恢复、可重组的,N,倍冗余、缓慢降级,软件,避错,程序设计方法学、软件管理技术、验证技术,容错,恢复块技术、,NVP,
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