第三章 计算机系统的可靠性
计算机系统可靠性
计算机系统可靠性计算机系统在现代社会中扮演着重要的角色，它们被广泛应用于各个行业和领域，从生产制造到金融服务。
在这个数字时代，人们对计算机系统的可靠性有着越来越高的需求。
本文将探讨计算机系统可靠性的重要性、可靠性评估方法以及如何提高计算机系统的可靠性。
一、计算机系统可靠性的重要性计算机系统可靠性指的是系统在一定时间内正常运行的能力，即系统能够在没有失败的情况下持续提供预期的服务。
计算机系统的可靠性对于现代社会来说至关重要，以下是几个重要的原因：1. 经济因素：计算机系统的故障可能导致数据丢失、工作中断或生产停滞，给企业带来巨大的经济损失。
可靠的计算机系统可以降低维护和修复成本，提高生产效率。
2. 安全因素：计算机系统在保护个人隐私和敏感信息方面发挥着重要作用。
如果系统不可靠，可能会面临黑客攻击、数据泄露或信息被篡改等安全威胁。
3. 用户体验：可靠的计算机系统能够提供稳定和高效的服务，用户不会遇到频繁的系统崩溃或运行缓慢的问题，从而提高用户的满意度。
二、计算机系统可靠性评估方法评估计算机系统的可靠性是确保计算机系统持续稳定运行的关键步骤。
以下是一些常用的评估方法：1. 指标分析方法：通过收集和分析系统过去的故障数据，计算和预测系统的故障率和可用性。
常用的指标包括平均无故障时间(MTTF)、平均修复时间(MTTR)和平均可用时间(MTBF)等。
2. 可靠性块图分析方法：将系统拆分为不同的可靠性块，分析每个块的故障和修复情况，并计算整个系统的可用性。
该方法适用于复杂的计算机系统，可以帮助识别系统中的薄弱环节。
3. 风险分析方法：通过分析系统可能遇到的故障类型和后果，评估系统的风险等级和影响程度。
风险分析可以帮助确定哪些故障需要优先处理，并采取相应的防范措施。
三、提高计算机系统可靠性的方法在评估计算机系统的可靠性之后，如何进一步提升系统的可靠性成为一个关键问题。
以下是一些常用的方法和策略：1. 硬件冗余：通过使用冗余硬件组件，如磁盘阵列(RAID)、双重电源和冗余网络连接等，提高系统在硬件故障时的容错能力。
[工学]03可靠性工程讲义第三章
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MTBF
热贮备和温贮备系统的可靠性模型
• 温储备系统的储备单元处于轻载工作状态，不处 于完全不工作状态，例如，电子管的灯丝。
• 当设备处于比较恶劣的环境时，不工作储备单元 的故障率要比轻载的故障率大得多，这时也必须 使储备单元处于轻载工作状态。例如，处于潮湿 环境中的电子设备，通电工作的故障率要比长期 储存（不工作）的失效率低。
A
˦ A
B
˦ B¡¢ ºÍ
˦
' B
若转换装置不是完全可靠，则当开关故障
率λK不为零或不能忽略时
RS (t)
e At
K
A A B
B'
e e Bt
(K A 'B )t
MTBF
1
A
1
B
(
A
A B'
K
)
两单元相同时
• 当λA＝λB=λ、λ‘B＝λ’，即，工作时A、B 两单元工作故障率相同时，可求得：
从设计角度，提高并联系统可靠性措施：
（1）提高单元可靠性，即减少失效率； （2）尽量增加并联数目； （3）等效地缩短任务时间t。
并联单元数与系统可靠度关系
例3-2 已知并联系统由两个服从指数分布的单元
组成，两个单元的故障率分别为1 0.0005h1 2 0.0001h1 ，工作时间t=1000h,试求系
对于单调系统任一元件的失效只会使系统失效概率增加每个元件有两种状态正常状态和失效状态且二者必居其一满足全概率公式的条件因此系统的可靠度其中表示在x正常情况下系统正常的事件相当于把x的两端短接起来表示在x失效情况下系统正常的事件相当于把x的两端断开
第三章 系统可靠性模型
计算机系统可靠性
计算机系统可靠性计算机系统是现代社会中不可或缺的重要组成部分，而其可靠性对于保证系统正常运行和数据安全具有至关重要的意义。
本文将从计算机系统可靠性的定义、重要性、影响因素以及提高措施等方面进行探讨，旨在深入理解和提升计算机系统的可靠性。
一、可靠性的定义与重要性计算机系统可靠性是指在给定时间内，系统执行特定功能的能力，同时保持正常运行而不发生故障的性质。
计算机系统的可靠性直接关系到用户的工作效率和数据的安全性，因此具有非常重要的意义。
首先，计算机系统的可靠性直接影响着用户的工作效率。
一旦计算机系统发生故障，可能导致数据丢失、任务无法完成等问题，给用户的工作带来不便甚至损失。
而可靠的计算机系统能够保证任务的顺利进行，提高用户的工作效率。
其次，计算机系统的可靠性对数据的安全性至关重要。
在现代社会中，各种重要的数据存储在计算机系统中，包括个人隐私、商业机密等。
如果计算机系统不可靠，存在数据泄露或丢失的风险，将对个人和企业带来巨大的损失。
因此，提高计算机系统的可靠性，保障数据的安全性至关重要。
二、计算机系统可靠性的影响因素1. 硬件因素：计算机系统的硬件是其可靠性的基础。
硬件包括主板、CPU、内存、硬盘等组成部分。
它们的质量、设计、制造工艺等影响着整个计算机系统的可靠性。
2. 软件因素：计算机系统的软件是实现系统功能的核心。
软件的质量、稳定性、兼容性等直接影响着计算机系统的可靠性。
因此，编写高质量的软件代码、进行充分的测试和质量控制是提高计算机系统可靠性的重要手段。
3. 网络因素：计算机系统通常通过网络进行数据传输和交互。
网络的稳定性、安全性等问题直接关系到计算机系统的可靠性。
网络中断、攻击等问题都可能导致计算机系统的故障和数据泄露，因此需要进行有效的网络管理和安全措施。
4. 运维因素：计算机系统的运维管理对于保持系统的稳定和可靠性至关重要。
及时进行系统更新、备份数据、监测系统运行状况等都是提高计算机系统可靠性的重要方法。
计算机操作系统的性能与可靠性
计算机操作系统的性能与可靠性操作系统是计算机的核心软件之一，负责管理和控制计算机的资源，为用户和应用程序提供一个运行环境。
操作系统的性能和可靠性是评估其优劣的重要指标。
本文将围绕计算机操作系统的性能和可靠性展开讨论，从不同角度解析其重要性以及影响因素。
一、性能对计算机操作系统的重要性计算机操作系统的性能是指其在处理各种任务时的效率和响应速度。
优秀的性能将提高计算机的整体效能，使用户能够更高效地进行各种操作和任务，提升工作效率和用户体验。
1. 提高计算机响应速度良好的性能能使操作系统在运行时更加快速响应用户的指令和请求。
对于用户而言，能够迅速得到反馈将大大提高工作效率，减少等待时间。
2. 实现资源的高效利用操作系统需要合理地管理和分配计算机的资源，包括处理器、内存、磁盘、网络等。
一个高性能的操作系统能够充分利用这些资源，提高资源利用率，减少资源浪费，实现计算机系统的高效运行。
3. 支持大规模并发操作随着计算机应用的不断发展，往往需要同时进行大量并发的操作。
在这种情况下，性能的好坏直接影响到计算机系统是否能够稳定运行，以及是否能够满足用户对并发操作的需求。
4. 保障服务质量在一些对响应速度有较高要求的应用场景，如金融和交易系统，对操作系统的性能要求尤为严格。
高性能的操作系统能够保证服务的及时响应和高可用性，从而保证业务的顺利开展。
二、可靠性对计算机操作系统的重要性可靠性是操作系统的另一重要指标，它关注的是操作系统在面对意外情况或故障时的稳定性和恢复能力。
一个可靠性高的操作系统能够提供长时间的稳定运行，减少故障带来的影响。
1. 提高系统的稳定性操作系统应该能够保证稳定地运行在长时间不中断的状态下。
良好的可靠性能够增加系统的稳定性，减少因为操作系统故障而引起的系统崩溃或异常情况。
2. 减少故障的风险操作系统是整个计算机系统中最核心的部分，一旦操作系统发生故障，将会导致整个计算机系统的崩溃或不可用。
一个可靠性高的操作系统能够减少故障的风险，保障计算机系统的正常运行。
计算机系统的可靠性概述
计算机系统的可靠性概述1. 引言计算机系统作为现代生活和工作中不可或缺的一部分，其可靠性对于保障系统正常运行和数据安全具有重要意义。
计算机系统的可靠性指系统在一定时间范围内按照规定的功能要求正常工作的能力。
本文将对计算机系统的可靠性进行概述，包括可靠性的定义、评估方法、影响因素以及提升可靠性的技术手段等内容。
2. 可靠性的定义和评估方法2.1 可靠性的定义可靠性是指系统在一定时间内按照规定的功能要求正常工作的能力。
可靠性是一个综合指标，包括了系统的稳定性、可用性、可恢复性等方面。
一个可靠的系统应该能够在面对各种干扰和故障的情况下保持正常运行，并能在故障发生后及时恢复。
2.2 可靠性的评估方法评估计算机系统的可靠性可以采用各种方法，常用的方法包括：•统计分析法：通过对系统的历史数据进行统计分析，计算系统的失效概率、平均无故障时间等指标，从而评估系统的可靠性水平。
•数学建模法：利用概率论、统计学等数学方法建立系统的可靠性模型，通过分析模型的参数和性能指标来评估系统的可靠性。
•可靠性测试法：通过对系统进行一系列的实际测试，观察系统在不同负载和环境下的表现，从而评估系统的可靠性。
3. 影响可靠性的因素计算机系统的可靠性受到多种因素的影响，下面列举了一些常见的影响因素：3.1 硬件可靠性硬件是计算机系统的核心组成部分，其可靠性直接影响系统的可靠性。
主要包括：•元器件可靠性：包括芯片、电容、电阻等元器件的可靠性。
•设备可靠性：包括主板、硬盘、电源等设备的可靠性。
•设计可靠性：包括硬件设计的合理性、容错性等方面。
3.2 软件可靠性软件是计算机系统的灵魂，其可靠性对系统的稳定运行和数据安全至关重要。
主要包括：•程序设计可靠性：包括编码规范、算法正确性等方面。
•软件测试可靠性：包括测试用例设计、覆盖率等方面。
•软件配置可靠性：包括软件安装、升级等方面。
3.3 环境因素计算机系统的可靠性还受到一些外部环境因素的影响，比如温度、湿度、电压等。
可靠性习题(答案)
系统可》性习题学号姓名第一章习题1-1如图所示，有三个阀门连在一起。
阀门如发生故障，水便不能通过。
设三个阀门发生故障的概率均为P。
求水能流过a、C的概率。
1-2判断系统是否正常工作，采用“多数表决X即有两个或三个单元正常工作，系统就可正常工作。
如各单元的可靠工作概率为R.表决器可靠工作概率为1,求系统的可靠工作概率。
输入输出工作单元m 1-2 M多数表决系统1-3信号机灯泡使用时数在1000小时以上概率为，求三显示信号机三个灯泡在使用1000小时后最多有一个坏了的槪率。
1-4在某个车站电气集中设备中有800个继电器。
设在某段时间里毎个继电器的故障率为。
求在这段时间内不多于10个继电器故障的概率。
设某种仪器内装三个上述晶体管，求:① 使用的最初150小时内设有一个晶体笛损坏的概率; ② 这段时间只有一个晶体管损坏的概率； ③ £0的分布函数及其图形01-5某产品先后通过A 、C 三种机器加工，这些机器的偶然故障及人为原因将影响产品质量。
产品是否合格只有在生产全过程终了时才能检査出来。
根据统汁资料，三种产品的合格率分别为30%, 40%和20%。
假设机器独立运转，求产品的合格率。
1-6汁算机内第K 个元件在时间T 内发生故障的概率等于P K （K=1, 2……n ）o 所有元件的工作是相 互独立的，如果任何一个元件发生故障il 算机就不能正常工作。
求在时间T 内计算机正常工作的 概率。
1-7电路由电池I 与两个并联的电池H 、【11串联而成。
设电池I 、II 、III 损坏的概率分别为、和,齐个电池损坏与否是独立的。
求电路由于电池损坏而发生故障的概率。
1-8电路由五个元件联接而成•设齐个元件发生故障是独立的，已知元件1、2发生断路故障的概率各为，元件3、4、5发生断路故障的概率为，求:由于元件1或2发生断路故障而电路断路的概率: 由于元件3、4、5都发生断路故障而电路断路的概率: 由于任何元件发生断路故障而电路断路的概率。
计算机系统可靠性分析与优化
计算机系统可靠性分析与优化计算机系统在现代社会中扮演着至关重要的角色，因此其可靠性变得至关重要。
本文将探讨计算机系统可靠性的分析方法，并提出一些优化策略，以提高系统的可靠性。
一、可靠性分析方法1.故障模式和效应分析(FMEA)故障模式和效应分析(FMEA)是一种常用的可靠性分析工具，用于识别潜在故障模式并评估其对系统性能的影响。
通过识别和分析潜在的故障模式，可以采取相应的措施来提高系统的可靠性。
2.故障树分析(Fault Tree Analysis)故障树分析(Fault Tree Analysis，FTA)是一种将系统故障事件和导致这些事件的基本故障事件之间的逻辑关系绘制成树状图进行分析的方法。
通过对故障树进行分析，可以找出导致系统故障的根本原因，并采取相应的措施来避免这些故障。
3.可靠性指标分析通过对系统的运行数据进行统计分析，可以计算出各种可靠性指标，如故障率、平均修复时间等，从而了解系统的可靠性水平，并为优化系统提供参考依据。
二、可靠性优化策略1.多机冗余多机冗余是一种常用的提高系统可靠性的策略。
通过引入多台相同的计算机系统，并采用心跳检测等机制来实现故障切换，可以在某台计算机系统出现故障时，自动将工作负载切换到其他正常的系统上，从而实现系统的持续运行。
2.错误检测与容错错误检测与容错是提高系统可靠性的另一种重要策略。
通过在系统中引入错误检测机制，并设计相应的容错算法，可以及时发现并纠正系统中的错误，从而避免错误的进一步扩散。
3.备份与恢复备份与恢复是一种常用的保护数据并提高系统可靠性的策略。
通过定期对系统中的关键数据进行备份，并设计相应的恢复策略，可以在系统数据丢失或损坏时迅速恢复系统到正常运行状态。
4.维护与监控定期维护和监控系统是保持系统可靠运行的关键。
定期检查系统硬件设备的状态，提前发现潜在的故障并进行维修，可以防止故障的发生，保证系统的可靠性。
5.软件优化软件优化也是提高系统可靠性的重要手段。
计算机系统的容错与可靠性
计算机系统的容错与可靠性计算机系统的容错与可靠性一直是计算机科学领域的重要研究方向。
随着计算机技术的不断发展和广泛应用，对于计算机系统的可靠性要求也越来越高。
本文将从容错技术的定义、常见的容错技术以及容错与可靠性的关系等方面进行探讨。
一、容错技术的定义容错技术是指在计算机系统中通过一系列的设计和措施，使系统能够在部分或者全部组件失效的情况下，仍能够正确地运行并完成预期的功能。
容错技术的目标是确保系统的可靠性，防止系统因故障而导致数据丢失、计算错误或者系统崩溃等问题的发生。
二、常见的容错技术1. 冗余技术：冗余技术是指在计算机系统中引入冗余的组件或者信息，以实现系统的容错。
常见的冗余技术包括硬件冗余和软件冗余。
硬件冗余包括备份电源、磁盘镜像、冗余控制器等；软件冗余包括备份系统、数据镜像、容错编码等。
2. 容错设计：容错设计是指通过改进系统的结构和算法，提高系统抵御故障的能力。
常见的容错设计包括错误检测和错误修复。
错误检测可以通过校验和、循环冗余校验（CRC）等方式实现，用于发现系统中的错误。
错误修复可以通过重传、纠错码等方式实现，用于纠正系统中的错误。
3. 容错恢复：容错恢复是指在系统发生故障时，通过相应的恢复措施将系统恢复到正常工作状态。
常见的容错恢复方案包括备份与恢复、热备插拔、故障转移等。
备份与恢复是指定期备份系统数据，并在系统故障时将备份数据恢复到系统中。
热备插拔是指在系统运行期间替换故障组件以保证系统的连续性。
故障转移是指在系统发生故障时，将任务自动转移到备用系统上继续执行。
三、容错与可靠性的关系容错技术是保证计算机系统可靠性的重要手段。
容错技术可以提高系统的抗干扰能力和容错能力，减少系统因故障而导致的停机时间和数据丢失风险。
因此，容错技术与系统的可靠性密切相关。
容错技术不仅可以提高系统的可靠性，还可以提升系统的稳定性和安全性。
容错技术可以预防系统因硬件故障、恶意攻击或者人为失误等原因而导致系统的异常崩溃或者数据损坏。
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磁盘阵列存储器的编码容错方案
廉价冗余磁盘阵列RAID简称磁盘阵列 是一种使用磁盘驱动器的方法，将一组磁
盘驱动器通过某种逻辑方式联系起来，作 为逻辑上的一个磁盘驱动器来使用
RAID优点
成本低、功耗小、传输速率高 可以提供容错功能 在同样的容量下，RAID比传统的大直径磁
盘驱动器来，价格要低许多
备份后的数据是否可更改
活备份是指备份到可擦写存储介质 死备份是指备份到不可擦写存储介质
双机容错系统 一个CPU板出现故障，CPU保持继续运行
双机热备份 当CPU出现故障时由闲置状态的备份系统接替，但正在处理的交
易可能会丢失，从而导致数据的不一致 “心跳线”出现问题，系统很难自动判断，资源浪费
数据备份的重要性：减少不必要的信息占用磁盘空间 防止由于各种原因造成的数据丢失 能够恢复的备份才是备份 为了保证单点的数据安全性，RAID技术、镜像技术甚至
双机备份无法替代数据备份 系统防护技术：防病毒、防黑客入侵技术 系统保护技术：数据备份，快速恢复、异地存放、远程控
制、灾难备援
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
备份介质
异地备份的备份信息至少不能存放在同一建筑物 业务数据由于系统或人为误操作造成损坏或丢失
后，利用本地备份信息实现数据恢复； 当发生地域性灾难时，使用异地备份实现数据及
整个系统的灾难恢复 常规数据备份一般要求一份数据至少应有两个拷
贝，一份放在生产中心以保证数据的正常恢复和 数据查询恢复，另一份则要移到异地保存。
硬件冗余通过硬件的重复使用来完成容错能力 软件冗余的基本思想是用多个不同软件执行同一
功能 信息冗余利用在数据中外加的一部分信息位来检
测或纠正信息在运算或传输中的错误而达到容错 时间冗余是通过消耗时间资源来实现容错，通过
重复运算来检测故障。按照重复运算是在指令级 还是程序级分为指令复执和程序复算 冗余设计可以是元器件的冗余设计，部件级、分 系统级的，或系统级的冗余设计
主要技术：恢复块方法和N-版本程序设计、 防卫式程序设计
恢复块方法
恢复策略：前向恢复和后向恢复 前向恢复指是当前的计算继续下去，把系统恢复
到连贯的正确状态，弥补当前状态不连贯情况 后向恢复指系统恢复到前一个正确状态继续执行 动态屏蔽技术---恢复块方法，采用的是后向恢复
策略
N-版本程序设计
三机表决系统 三台主机同时运行，由表决器根据三台机器的运行结果进行表决，
有两台以上机器运行的结果相同，则认为该结果为正确。当三机种的 一台机器损坏后，当双机备份系统 集群系统 均衡负载的双机或多机系统就是集群系统
软件冗余
主要目的是提供足够的冗余信息和算法程 序，使系统运行时能够及时发现程序设计 错误，采取补救措施，提高可靠性，保证 系统正常运行
采用的是前向恢复策略，设计思想：用N个 具有相同功能的程序同时执行一项计算， 记过通过多数表决来选择。
防卫式程序设计
基本思想：通过在程序中包含错误检查代 码和错误户代码，使得错误一旦发生，程 序能撤销错误状态，恢复到一个已知的正 确状态中去，实现策略包括错误监测、破 坏估计和错误恢复三个方面，软件容错已 成为容错领域重要分支之一
第三章计算机系统的 可靠性
计算机系统的可靠性
可用性是指系统在规定条件下，完成规定的功能的能力 系统的可用性用可用度来度量 系统在t时刻处于正确状态的概率称为可用度，用A（t）来
表示 计算方法：
A＝平均无故障时间MTBF/(平均无故障时间MTBF＋平均修复时间 MTRF)
平均无故障时间指两次故障时间能正常的平均值，故障可 以是元器件故障，软件故障，也可能是人为攻击造成的
员可靠性、环境可靠性
可用性的定量
可维修性：指系统发生故障时容易进行修 复，以及平时易于维护的程度
可维修性定量：平均修复时间MTRF、在指定 时间内恢复服务的可能性
维修保障
避错：通过提高软硬件的质量来提高系统 的可靠性
容错：在计算机内部出现故障的情况下， 计算机仍能正确的运行程序并给出正确结 果的设计
平均修复时间指从故障发生到系统恢复平均所需要的时间
可用性的定量
1．可靠性：在一定条件下，在指定的时期 内系统无故障的执行指令任务的可能性
可靠度：在t0时刻系统正常的条件下，在给定 的时间间隔内，系统仍然能正确执行其功能的 概率
可靠性的测度：抗毁性、生存性和有效性 可靠性的表现：硬件可靠性、软件可靠性、人
3．自动恢复 故障主机被替换后，进行故障隔离，修复完成后联机，将原来的工作 程序和磁盘上的数据自动切换回修复完成的主机上
硬件冗余
增加线路、设备、部件、形成备份
方法之一硬件堆积冗余 方法之二待命储备冗余 方法之三混合冗余系统
数据备份
问题：
备份的措施不足 备份解职的物理保护不够
按备份的策略可分为完全备份、差分备份、增量 备份、按需备份
完全备份：对包括系统应用程序和数据库等一个 备份周期内的数据完全备份
差分备份：只备份上次完全备份以后有变化的数 据
增量备份：只备份上次备份以后有变化的数据 按需备份：根据临时需要有选择的进行数据备份 备份的数据量：完全备份>差分备份>增量备份
容错系统的概念
容错是用冗余的资料使计算机具有容忍故 障的能力，即在产生故障的情况下，仍有 能力将指定的算法继续完成
容错的思想来自于硬件容错 容错技术是指在一定程度上容忍故障的技
术，也称故障掩饰技术
容错系统
容错主要靠冗余设计来实现，通过增加资 源的办法换取可靠性，冗余技术分为硬件 冗余、时间冗余、信息冗余
容错系统工作过程
1．自动侦听:通过专用的冗余侦听系统各冗余单元是否存在故障，发现 可能的错误和故障，进行判断与分析，确认主机出错后，启动后备系 统 侦听检查部件：主机硬件、主机网络、操作系统、数据库、重要应用 程序、外部存储子系统
2．自动切换 数据可信是切换的基础 当确认某一主机出错时，正常主机除了保证自身原来的任务继续运行 外，将根据各种不同的容错后备模式，接管预先设定的后备作业程序 程序，进行后续程序及服务
种类
冗余无校验的磁盘阵列（RAID0） 镜像磁盘阵列（RAID1） 并行海明纠错阵列（RAID2） 奇偶校验并行位交错阵列（RAID3） 奇偶校验扇区交错阵列（RAID4） 循环奇偶校验阵列（RAID5） 二维奇偶校验阵列（RAID6）