常用容错及冗余机制 共26页PPT资料
计算机系统的容错和恢复机制
计算机系统的容错和恢复机制计算机系统的容错和恢复机制是保证系统稳定性和可靠性的重要组成部分。
随着计算机技术的发展和应用范围的扩大，系统出现错误和故障的概率也随之增加。
因此，对于计算机系统的容错和恢复机制的研究和应用变得尤为重要。
本文将介绍计算机系统的容错和恢复机制，包括硬件容错和软件容错两个方面，并探讨它们在保障系统可靠性上的应用。
一、硬件容错机制硬件容错主要是通过硬件设计和电路布线来提高计算机系统的稳定性和可靠性。
常见的硬件容错技术包括冗余和错误检测与纠正。
1. 冗余技术冗余技术是通过增加系统中的冗余组件来提高系统的可靠性。
常见的冗余技术包括备份冗余、硬件冗余和时钟冗余等。
备份冗余是指利用主备份设计来实现系统在主组件失效时能够自动切换到备份组件上继续工作。
硬件冗余是指在关键组件上增加冗余元件，一旦某个元件出现故障，系统可以自动切换到备用元件上。
时钟冗余是指通过多个时钟发生器保证系统中的时钟信号可用性，以防止由于单一时钟发生器故障而导致整个系统的停机。
2. 错误检测与纠正错误检测与纠正技术是通过校验码、纠错码和检错电路等方式来检测和纠正系统中的错误。
校验码主要是通过对数据进行校验和计算，以确定数据在传输过程中是否发生错误。
纠错码是一种能够自动检测和纠正数据传输中的错误的编码方式。
检错电路则是通过一系列的逻辑电路来检测系统电路中的错误。
二、软件容错机制软件容错机制是通过软件设计和程序算法来提高系统的可靠性。
软件容错技术主要包括多线程、异常处理和事务处理。
1. 多线程多线程是指在一个程序中同时运行多个线程，当某个线程出现错误或异常时，不会影响到整个程序的运行。
多线程技术可以提高系统的并发性和吞吐量，并且在某个线程出现故障时可以进行错误恢复。
2. 异常处理异常处理是指在程序运行过程中遇到异常情况时，能够捕捉并妥善处理异常，以保证程序的正常执行。
通过合理设置异常处理程序，可以在系统出现异常情况时尽快进行错误恢复，避免系统崩溃或数据丢失。
数据中心的容错设计与冗余策略
数据中心的容错设计与冗余策略数据中心作为现代信息技术基础设施的核心，承载着大量重要数据和系统运行。
为了确保数据中心的高可用性和稳定性，在设计和构建过程中，需要考虑容错设计与冗余策略。
本文将对数据中心的容错设计和冗余策略进行探讨，重点介绍冗余电源、网络和存储方面的应用。
一、容错设计容错设计是指利用不同技术手段，保证数据中心在遭受硬件故障或人为错误时，仍然能够保持正常运行。
容错设计的目标是最大程度地降低故障对系统运行的影响，提升系统的可用性和可靠性。
1. 冗余电源对于数据中心来说，电力是最基础的要素之一。
因此，在容错设计中，冗余电源是必不可少的。
常见的冗余电源包括主电源、备用电源和UPS（不间断电源）系统。
主电源是指数据中心主要使用的供电系统，备用电源一般为发电机组，可以在主电源故障时继续供电。
UPS系统则可以提供临时电源，以便在主电源故障后有足够的时间完成切换操作。
2. 冗余网络冗余网络是指在数据中心中设置多个网络路径，以增加网络的可靠性。
这是通过使用冗余的网络设备、链路以及交换机实现的。
当一个网络设备或链路出现故障时，数据中心可以通过备用路径继续进行通信，不会导致服务中断。
此外，还可以利用网络负载均衡技术，将流量分散到不同路径上，提高网络带宽利用率。
3. 冗余存储冗余存储是为了防止数据中心在存储设备故障时丢失数据。
一种常用的冗余存储策略是使用RAID（独立冗余磁盘阵列）技术。
RAID通过将数据分布在多个物理磁盘上，实现数据冗余和故障恢复。
在RAID 中，常见的级别包括RAID 0、RAID 1、RAID 5和RAID 6等，每种级别都有其特定的容错能力和性能特征。
二、冗余策略冗余策略是指通过备份和复制等手段，保证数据在数据中心中的安全性和可用性。
冗余策略的实施可以分为数据冗余和服务冗余两个方面。
1. 数据冗余数据冗余是指将数据备份到多个物理设备中，以防止单点故障。
常见的数据冗余策略包括：(1) 数据备份：在数据中心中设置备份存储设备，将数据进行定期备份，以防止数据丢失。
冗余设计与容错设计
冗余设计与容错设计1.冗余与容错的概念提高产品可靠性的措施大体上可以分为两类：第一类措施是尽可能避免和减少产品故障发生的避错”技术；第二类措施是当避错难以完全奏效时，通过增加适当的设计余量和替换工作方式等消除产品故障的影响，使产品在其组成部分发生有限的故障时，仍然能够正常工作的“容错”技术。
而冗余是实现产品容错的一种重要手段。
“容错（fault tolerance）”定义：系统或程序在出现特定的故障情况下，能继续正确运行的能力。
“冗余（redundancy）”定义：用多于一种的途径来完成一个规定功能。
“容错”反映了产品或系统在发生故障情况下的工作能力，而“冗余”是指产品通过多种途径完成规定功能的方法和手段。
“容错”强调了技术实施的最终效果，而“冗余”强调完成规定功能所采用的不同方式和途径。
严格地说，冗余属于容错设计范畴。
从原理上讲，冗余作为容错设计的重要手段，其实施流程和原则也同样适用与其他容错设计活动。
2.冗余设计2.1.目的冗余设计主要是通过在产品中针对规定任务增加更多的功能通道，以保证在有限数量的通道失效的情况下，产品仍然能够完成规定任务。
2.2 .应用对象(a) 通过提高质量和基本可靠性等方法不能满足任务可靠性要求的功能通道或产品组成单元；（b）由于采用新材料、新工艺或用于未知环境条件下，因而其任务可靠性难于准确估计、验证的功能通道或产品组成单元；（c）影响任务成败的可靠性关键项目和薄弱环节；（d）其故障可能造成人员伤亡、财产损失、设施毁坏、环境破坏等严重后果的安全性关键项目；（e）其他在设计中需要采用冗余设计的功能通道或产品组成单元。
2.3 .适用时机在设计/研制阶段的初期，与其他设计工作同步开展。
2.4 . 冗余设计方法A）按照冗余使用的资源可划分为：（a）硬件冗余：通过使用外加的元器件、电路、备份部件等对硬件进行冗余；（b）数据/信息冗余：通过诸如检错及自动纠错的检校码、奇偶位等方式实现的数据和信息冗余；（c）指令/执行冗余：通过诸如重复发送、执行某些指令或程序段实现的指令/执行冗余；（d）软件冗余：通过诸如增加备用程序段、并列采用不同方式开发的程序等对软件进行冗余。
分布式系统中的容错与故障处理机制
分布式系统中的容错与故障处理机制分布式系统是指由多个自治的计算机节点组成的网络系统，节点之间通过消息传递进行通信和协作。
由于节点数量众多且分布在不同的地理位置上，分布式系统往往面临各种故障和容错的挑战。
本文将介绍分布式系统中常用的容错与故障处理机制，以保证系统的可靠性和稳定性。
一、冗余备份冗余备份是分布式系统中最常见的容错机制之一。
通过在系统中增加多个副本，将相同的数据或服务部署在不同的节点上，可以实现数据的冗余存储和服务的冗余提供。
当一个节点发生故障时，系统可以自动切换到其他正常的节点，保证服务的持续可用性。
冗余备份可以分为主从备份和多副本备份两种模式。
主从备份模式中，一个节点作为主节点负责处理请求，其他节点作为从节点备份主节点的数据，并在主节点故障时接替其工作。
多副本备份模式中，所有节点都同时处理请求，并通过一致性协议来保证数据一致性。
二、容错算法容错算法是指为了应对故障而设计的一种计算方法。
在分布式系统中，常用的容错算法包括Raft算法、Paxos算法和拜占庭容错算法等。
Raft算法是一种基于选举机制的容错算法，通过选举一个领导者节点负责处理请求和复制日志，其他节点作为跟随者节点进行数据同步。
当领导者节点发生故障时，系统会重新选举出一个新的领导者节点。
Paxos算法是一种基于一致性协议的容错算法，通过多个节点之间的相互协作来保证数据的一致性。
节点之间通过提议、投票和接受的方式达成共识，并将提议的结果应用到系统中。
拜占庭容错算法是一种能够容忍节点故障和信息篡改的容错算法。
在该算法中，通过引入多副本和验证机制来确保系统的安全性和可靠性。
三、故障检测与恢复故障检测是指在分布式系统中及时发现故障节点的过程。
常用的故障检测机制包括心跳检测和状态监测。
心跳检测是一种基于周期性消息发送的故障检测机制。
每个节点定期向其他节点发送心跳消息，如果超过一定时间没有收到心跳消息，则可以判断该节点已经宕机。
状态监测是一种主动检测节点状态的故障检测机制。
容错与冗余技术
容错与冗余技术容错控制的研究虽然面临着空前的挑战，但近些年来，相关研究领域，如鲁棒控制理论，模糊控制，神经网络控制研究的不断深入和发展，也给容错控制的研究带来了良好的机遇，提供了充分的条件。
而计算机控制技术、人工智能等技术的飞速发展，使得容错控制技术在实际工程中应用的可能性变得越来越大。
1.1 容错概念的提出提高系统的可靠性一般有两种办法：1、采用缜密的设计和质量控制方法来尽量减少故障出现的概率。
2、以冗余资源为代价来换取可靠性。
利用前一种方法来提高系统的可靠性是有限的，要想进一步的提高必须采用容错技术。
容错控制技术在国外发展的比较早，是由冯·诺依曼提出的。
随着八十年代微型计算机的迅速发展和广泛应用，容错技术也得到了飞速的发展，容错技术被应用到各个环境中。
我国的容错技术现在发展的也很迅速，一些重要的工作场合如航天、电厂等现在都采用了容错技术。
所谓容错：就是容许错误，是指设备的一个或多个关键部分法生故障时，能够自动地进行检测与诊断，并采取相应措施，保证设备维持其规定功能，或牺牲性能来保证设备在可接受范围内继续工作。
错误一般分为两类：第一类是先天性的固有错，如元器件生产过程中造成的错、线路与程序在设计过程中产生的错。
这一类的错误需对其拆除、更换或修正，是不能容忍的。
第二类的错后天性的错，它是由于设备在运行中产生了缺陷所导致的故障。
这种故障有瞬时性、间歇性和永久性的区别。
容错技术是提高系统可靠性的重要途径。
常采用的容错方法有硬件容错、软件容错、信息容错和时间容错。
1.1.1 智能容错的定义智能容错IFT(Intelligent Fault-Tolerance)：就是设备在运行过程中一个或多个关键部件发生故障或即将发生故障之前，利用人工智能理论和方法，通过采取有效措施，对故障自动进行补偿、抑制、消除、修复，以保证设备继续安全、高效、可靠运行，或以牺牲性能损失为代价，保证设备在规定的时间内完成其预定功能。
内存冗余机制
内存冗余机制
内存冗余机制是指在计算机系统中采取一定的措施来保障内存数据的安全性和可靠性。
主要包括以下几种机制：
1. 冗余存储：通过将数据在多个存储介质上进行冗余存储，即使某个存储介质发生故障，也能保证数据不会丢失。
常见的冗余存储技术有RAID（冗余磁盘阵列）技术，它将多个硬盘组织成一个逻辑卷，并通过数据分布和校验等方式实现数据的冗余存储。
2. 容错编码：通过引入冗余信息，使得内存中的数据在传输或存储过程中可以被错误检测和纠正。
常用的容错编码技术有海明码、RS码等，它们可以探测和修复数据传输或存储中的错误，提高数据的可靠性。
3. 冗余计算：通过在计算过程中引入冗余计算，可以检测和纠正计算结果中的错误。
常见的冗余计算技术有冗余算法和校验和等，它们可以在计算过程中检测是否产生错误，并通过冗余计算来修复错误。
4. 冗余备份：通过备份机制将内存中的数据复制到其他设备或系统中，以备份数据发生故障时的恢复。
常见的冗余备份技术有热备份和冷备份等，它们可以保证数据备份的及时性和可靠性。
通过采用内存冗余机制，可以提高计算机系统的可靠性和容错性，减少数据丢失和错误的风险，确保数据的安全性和可靠性。
计算机冗余容错
计算机冗余容错计算机冗余容错fault-tolerant computerrongCUO llSUQn』l 容错计算机(fault-tol~t computer)在硬件发生故障或软件产生错误时仍能继续运行并完成其既定任务的计算机系统。
容错计算机的主要设计目标是为了提高计算机系统的可靠性、可用性和可信性等性能。
提高计算·600· 容机可靠性的方法可以分为两大类:一类是排错技术，主要是通过使用可靠性高的元器件，严格的老化筛选等方法达到尽量减少发生故障的可能性;另一类是容错技术，主要是运用元余技术来抵消由于故障而引起的影响。
所谓冗余技术，简单地说，是在正常系统运行所需的基础上加上一定数量的信息、时间或后备硬件、后备软件的方法。
冗余技术是容错计算机中容错技术的基础。
冗余大致上可以分为下列几种类型: (l)硬件冗余以检测或屏蔽故障为目的而添加一定硬件设备的方法; (2)软件冗余为了检测或屏蔽软件中的错误而添加一些在正常运行时不需要的软件的方法; (3)信息冗余在实现正常功能所需的信息以外，再附加一些信息的方法，例如纠错码就是信息冗余的一种形式; (4)时间冗余使用附加一定的时间来完成系统的功能，这些附加的时间主要是用在故障检测或故障屏蔽上。
最常用的硬件冗余是硬件的重复。
硬件冗余一般可以分为3种类型:静态冗余(也称为被动冗余)、动态冗余(也称为主动冗余)和混合冗余。
静态冗余将已发生的故障屏蔽起来，使不影响运行的结果。
被动冗余主要是依靠表决机制来屏蔽发生的故障，因而这种方法不需要故障检测也不必进行系统的重新配置等就可以获得容错的效果。
被动冗余技术中使用最广的是三模元余TM[R。
TMR的基本概念是使用3套完全相同的硬件系统执行相同的任务，然后由1个多数表决器对这3套系统的输出进行表决以确定整个系统的输出。
多数表决器的表决原则是三中取二。
也就是说三模冗余系统可以容许有1个模块发生故障而不至于影响到整个系统运行的正确性。
容错与冗余技术..
容错与冗余技术容错控制的研究虽然面临着空前的挑战，但近些年来，相关研究领域，如鲁棒控制理论，模糊控制，神经网络控制研究的不断深入和发展，也给容错控制的研究带来了良好的机遇，提供了充分的条件。
而计算机控制技术、人工智能等技术的飞速发展，使得容错控制技术在实际工程中应用的可能性变得越来越大。
1.1 容错概念的提出提高系统的可靠性一般有两种办法：1、采用缜密的设计和质量控制方法来尽量减少故障出现的概率。
2、以冗余资源为代价来换取可靠性。
利用前一种方法来提高系统的可靠性是有限的，要想进一步的提高必须采用容错技术。
容错控制技术在国外发展的比较早，是由冯·诺依曼提出的。
随着八十年代微型计算机的迅速发展和广泛应用，容错技术也得到了飞速的发展，容错技术被应用到各个环境中。
我国的容错技术现在发展的也很迅速，一些重要的工作场合如航天、电厂等现在都采用了容错技术。
所谓容错：就是容许错误，是指设备的一个或多个关键部分法生故障时，能够自动地进行检测与诊断，并采取相应措施，保证设备维持其规定功能，或牺牲性能来保证设备在可接受范围内继续工作。
错误一般分为两类：第一类是先天性的固有错，如元器件生产过程中造成的错、线路与程序在设计过程中产生的错。
这一类的错误需对其拆除、更换或修正，是不能容忍的。
第二类的错后天性的错，它是由于设备在运行中产生了缺陷所导致的故障。
这种故障有瞬时性、间歇性和永久性的区别。
容错技术是提高系统可靠性的重要途径。
常采用的容错方法有硬件容错、软件容错、信息容错和时间容错。
1.1.1 智能容错的定义智能容错IFT(Intelligent Fault-Tolerance)：就是设备在运行过程中一个或多个关键部件发生故障或即将发生故障之前，利用人工智能理论和方法，通过采取有效措施，对故障自动进行补偿、抑制、消除、修复，以保证设备继续安全、高效、可靠运行，或以牺牲性能损失为代价，保证设备在规定的时间内完成其预定功能。
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4 常用容错及冗余机制
3、RAID 3： RAID 3 存 放 数 据的 原 理 和 RAID0 、 RAID1 不 同 。
RAID 3是以一个硬盘来存放数据的奇偶校验位，数据则 分段存储于其余硬盘中。它象RAID 0一样以并行的方式 来存放数，但速度没有RAID 0快。如果数据盘（物理） 损 坏 ， 只 要 将 坏 硬 盘 换 掉 ， RAID 控制系统则会根据校验盘的数据校验位在新盘中重建坏 盘上的数据。不过，如果校验盘（物理）损坏的话，则 全部数据都无法使用。利用单独的校验盘来保护数据虽 然没有镜像的安全性高，但是硬盘利用率得到了很大的 提高，为n-1。RAID 3 以其优越的写入性能，特别适合用 在大型、连续性档案写入为主的应用，例如绘图、影像、 视讯编辑、多媒体、数据仓储、高速数据撷取等等。
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4、RAID 5： 向阵列中的磁盘写数据，奇偶校验数据存放在阵列
中的各个盘上，允许单个磁盘出错。RAID 5也是以数据的 校验位来保证数据的安全，但它不是以单独硬盘来存放 数据的校验位，而是将数据段的校验位交互存放于各个 硬盘上。这样，任何一个硬盘损坏，都可以根据其它硬 盘上的校验位来重建损坏的数据。硬盘的利用率为n-1。 基本上来说，多人多任务的环境，存取频繁，数据量不 是很大的应用，都适合选用RAID 5 架构，例如企业档案 服务器、WEB 服务器、在线交易系统、电子商务等应用， 都是数据量小，存取频繁的应用。
4 常用容错及冗余机制
4.1冗余磁盘阵列（RAID） 4.1.1 RAID的概念
RAID，为Redundant Arrays of Independent Disks的简 称，中文为廉价冗余磁盘阵列。 4.1.2 RAID的级别 1、RAID 0：
将多个较小的磁盘合并成一个大的磁盘，不具有冗 余，并行I/O，速度最快。RAID 0亦称为带区集。它是将 多个磁盘并列起来，成为一个大硬盘。在存放数据时， 其将数据按磁盘的个数来进行分段，然后同时将这些数 据写进这些盘中。所以，在所有的级别中，RAID 0的速 度是最快的。但是RAID 0没有冗余功能的，如果一个磁 盘（物理）损坏，则所有的数据都无法使用。
4 常用容错及冗余机制
2、RAID 1： 两组相同的磁盘系统互作镜像，速度没有提高，但
是允许单个磁盘错，可靠性最高。RAID 1就是镜像。其原 理为在主硬盘上存放数据的同时也在镜像硬盘上写一样 的数据。当主硬盘（物理）损坏时，镜像硬盘则代替主 硬盘的工作。因为有镜像硬盘做数据备份，所以RAID 1的 数据安全性在所有的RAID级别上来说是最好的。但是其 磁盘的利用率却只有50%，是所有RAID上磁盘利用率最低 的一个级别。
4.1.3 RAID级别的优、缺点
4 常用容错及冗余机制
4.2双机热备份（容错） 4.2.1 双机热备份的概念
所 谓 双 机 热 备 份 就 是 一 台 主 机 为 工 作 机 〔primary Server〕,另一台主机为备份机〔Standby Server〕,在系 统正常情况下，工作机对信息系统提供支持，备份机监视 工作机运行情况〔工作机同时监视备份机是否正常，有时 备份机因某种原因出现异常，工作机可尽早通知系统管理 工作人员解决，确保下一次切换的可靠性〕。当工作机出 现异常，不能支持信息系统运营时，备份机主动接管 〔Take Over〕工作机的工作，继续支持信息的运营，从而 保证信息系统能够不间断地运行〔Non-Stop〕。当工作机 经过维修恢复正常后，系统管理人员通过管理命令或经由 以人工或自动的方式将备份机的工作切换回工作机，而原 来的工作机就成了备份机。
4 常用容错及冗余机制
Hale Waihona Puke 4 常用容错及冗余机制5、RAID 0－1： 同时具有RAID 0和RAID 1的优点。适合用在速度需求高，
又要完全容错，当然经费也很多的应用。
RAID 0+1到底应该是RAID 0 over RAID 1，还是RAID 1 over RAID 0，也就是说，是把多个RAID 1 做成RAID 0， 还是把多个RAID 0 做成RAID 1？
因此，RAID 0 OVER RAID 1应该比RAID 1 OVER RAID 0 具 备 比 较 高 的 可 靠 度 。 所 以 我 们 建 议 ， 当 采 用 RAID 0+1/RAID 10架构时，要先作RAID 1，再把数个RAID 1做成 RAID 0
4 常用容错及冗余机制
4 常用容错及冗余机制
4 常用容错及冗余机制
RAID 0 over RAID 1 假设我们有四台磁盘驱动器，每两台磁盘驱动器先做
成RAID 1，再把两个RAID 1做成RAID 0，这就是RAID 0 over RAID 1：
(RAID 1) A = Drive A1 + Drive A2 (Mirrored) (RAID 1) B = Drive B1 + Drive B2 (Mirrored) RAID 0 = (RAID 1) A + (RAID 1) B (Striped)
RAID 1 over RAID 0 假设我们有四台磁盘驱动器，每两台磁盘驱动器先做
成RAID 0，再把两个RAID 0做成RAID 1，这就是 RAID 1 over RAID 0：
(RAID 0) A = Drive A1 + Drive A2 (Striped) (RAID 0) B = Drive B1 + Drive B2 (Striped) RAID 1 = (RAID 1) A + (RAID 1) B (Mirrored)
4 常用容错及冗余机制
在RAID 1 over RAID 0架构之下，如果 (RAID 0) A有 一台磁盘驱动器故障，(RAID 0) A就算毁了，当然RAID 1 仍然可以正常工作；如果这时 (RAID 0) B也有一台磁盘驱 动器故障，(RAID 0) B也就算毁了，此时RAID 1的两磁盘 驱动器都算故障，整个RAID 1资料就毁了。