北邮 信息安全专业 容错计算技术课件 第5章
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计算机容错技术
魏贇
第一章 概述
容错和可靠性 容错技术的发展概况 容错技术的主要内容 容错技术应用
一、容错和可靠性
故障、失效和错误的概念 可靠性的概念 容错的概念 可靠性和容错的关系
（一）故障、失效和错误的概念
失效（failure）是指硬件物理特性异变，或软件不能完成规 定功能的能力。
若按逻辑性来分
– 逻辑故障：造成逻辑值发生变化的故障 – 非逻辑故障：造成象时钟（clock）或电源出错等错
误的故障
按时间划分：
– 永久性故障：调用诊断程序进行故障定位，然后采 取纠错措施
– 间隔性故障：可以通过更换硬件或软件等途径来达 到修复的目的
– 偶然性故障：只能靠改善环境条件等努力来减少这 类故障
⑥ 重组：当检测出一个故障并判明是一个永久性故障时，这时重组 系统的器件以便替代失效的器件或把失效的器件与系统的其他部 分隔离开来，也可使用冗余系统，系统能力不降低。
⑦ 恢复：检测和重组（若必要的话）之后，必须消除错误效应。通 常，系统会回到故障检测前处理过程的某一点，并从这一点重新 开始操作。这种恢复形式（一般叫卷回）通常需要后备文件、校 验点和应用记录方法。
故障（fault）是指硬件或软件的错误状态，是失效在逻辑上 的等效。一个故障可以用种类、值、影响范围和发生时间来 描述。
错误（error）是指程序或数据结构中的故障表现形式，是故 障和失效所造成的后果。
容错设计的软件可以有某些规定数目的故障但不导致失效， 但对无容错的软件而言，故障即失效。
故障的分类
错误的根源
（二）可靠性
1. 概念 2. 实现系统可靠性的方法 3. 系统可靠性的指标
1、概念
可靠性的含义
– 广义：一切旨在避免、减少、处理、度量软 件/硬件故障（错误、缺陷、失效）的分析、 设计、测试等方法、技术和实践活动。
魏贇
第一章 概述
容错和可靠性 容错技术的发展概况 容错技术的主要内容 容错技术应用
一、容错和可靠性
故障、失效和错误的概念 可靠性的概念 容错的概念 可靠性和容错的关系
（一）故障、失效和错误的概念
失效（failure）是指硬件物理特性异变，或软件不能完成规 定功能的能力。
若按逻辑性来分
– 逻辑故障：造成逻辑值发生变化的故障 – 非逻辑故障：造成象时钟（clock）或电源出错等错
误的故障
按时间划分：
– 永久性故障：调用诊断程序进行故障定位，然后采 取纠错措施
– 间隔性故障：可以通过更换硬件或软件等途径来达 到修复的目的
– 偶然性故障：只能靠改善环境条件等努力来减少这 类故障
⑥ 重组：当检测出一个故障并判明是一个永久性故障时，这时重组 系统的器件以便替代失效的器件或把失效的器件与系统的其他部 分隔离开来，也可使用冗余系统，系统能力不降低。
⑦ 恢复：检测和重组（若必要的话）之后，必须消除错误效应。通 常，系统会回到故障检测前处理过程的某一点，并从这一点重新 开始操作。这种恢复形式（一般叫卷回）通常需要后备文件、校 验点和应用记录方法。
故障（fault）是指硬件或软件的错误状态，是失效在逻辑上 的等效。一个故障可以用种类、值、影响范围和发生时间来 描述。
错误（error）是指程序或数据结构中的故障表现形式，是故 障和失效所造成的后果。
容错设计的软件可以有某些规定数目的故障但不导致失效， 但对无容错的软件而言，故障即失效。
故障的分类
错误的根源
（二）可靠性
1. 概念 2. 实现系统可靠性的方法 3. 系统可靠性的指标
1、概念
可靠性的含义
– 广义：一切旨在避免、减少、处理、度量软 件/硬件故障（错误、缺陷、失效）的分析、 设计、测试等方法、技术和实践活动。
计算机基础-第五章-信息安全课件
计算机基础-第五章-信息安全
计算机病毒的分类
• 按寄生方式分:
引导型 病毒文件型病毒 复合型病毒
• 按破坏性分 :
良性病毒 恶性病毒
计算机基础-第五章-信息安全
病毒的传播途径
• 计算机网络 • 移动存储设备 • 点对点通信系统和无线通道 • 不可移动的计算机硬件设备
计算机基础-第五章-信息安全
病毒的预防
计算机基础-第五章-信息安全
系统安全规划与管理
• 正确地配置和使用防火墙 • 使用入侵检测系统 • 使用网络隐患扫描系统 • 网络病毒防范 • 访问权限控制 • 数据加密
计算机基础-第五章-信息安全
三. 数据加密
• 信息安全的核心技术
明明文文M 发送者
C=E (M) k
加密变换 E k
破译分析 解密变换Dk
• 网络安全是一门涉及计算机科学、网络技术、通信技术、密码技 术、信息安全技术、应用数学、数论、信息论等多种学科的综合 性科学。
计算机基础-第五章-信息安全
计算机网络安全
（l）运行系统安全，即保证信息处理和传输系统的安全。 （2）网络上系统信息的安全。 （3）网络上信息传播的安全，即信息传播后果的安全。 （4）网络上信息内容的安全。
计算机基础-第五章-信息安全
⑻ 安全漏洞攻击
• 操作系统安全漏洞； • 网络应用软件安全漏洞； • 协议漏洞。
计算机基础-第五章-信息安全
⑼ 端口扫描攻击
就是利用Socket编程与目标主机的某些端口建立TCP连接、进行 传输协议的验证等，从而侦知目标主机的扫描端口是否是处于激活 状态、主机提供了哪些服务、提供的服务中是否含有某些缺陷等等。
计算机病毒及反病毒是两种以软件编程技术为基础的技术，它 们的发展是交替进行的，因此对计算机病毒应以预防为主，防止病 毒的入侵要比病毒入侵后再去发现和排除要好得多。
计算机病毒的分类
• 按寄生方式分:
引导型 病毒文件型病毒 复合型病毒
• 按破坏性分 :
良性病毒 恶性病毒
计算机基础-第五章-信息安全
病毒的传播途径
• 计算机网络 • 移动存储设备 • 点对点通信系统和无线通道 • 不可移动的计算机硬件设备
计算机基础-第五章-信息安全
病毒的预防
计算机基础-第五章-信息安全
系统安全规划与管理
• 正确地配置和使用防火墙 • 使用入侵检测系统 • 使用网络隐患扫描系统 • 网络病毒防范 • 访问权限控制 • 数据加密
计算机基础-第五章-信息安全
三. 数据加密
• 信息安全的核心技术
明明文文M 发送者
C=E (M) k
加密变换 E k
破译分析 解密变换Dk
• 网络安全是一门涉及计算机科学、网络技术、通信技术、密码技 术、信息安全技术、应用数学、数论、信息论等多种学科的综合 性科学。
计算机基础-第五章-信息安全
计算机网络安全
（l）运行系统安全，即保证信息处理和传输系统的安全。 （2）网络上系统信息的安全。 （3）网络上信息传播的安全，即信息传播后果的安全。 （4）网络上信息内容的安全。
计算机基础-第五章-信息安全
⑻ 安全漏洞攻击
• 操作系统安全漏洞； • 网络应用软件安全漏洞； • 协议漏洞。
计算机基础-第五章-信息安全
⑼ 端口扫描攻击
就是利用Socket编程与目标主机的某些端口建立TCP连接、进行 传输协议的验证等，从而侦知目标主机的扫描端口是否是处于激活 状态、主机提供了哪些服务、提供的服务中是否含有某些缺陷等等。
计算机病毒及反病毒是两种以软件编程技术为基础的技术，它 们的发展是交替进行的，因此对计算机病毒应以预防为主，防止病 毒的入侵要比病毒入侵后再去发现和排除要好得多。
计算机网络安全技术第5章
签名方案”（Group Signature Scheme）：一个小组的任一成员可以签署文件，验证者可以确认签名来自该小组，但不知道是小组的哪一个成员签署了文件。“一次性签名方案”（One time Signature Scheme）：仅能签署单个报文的签名方案。“不可抵赖签名方案”（Undeniable Signature Scheme）：在签名和验证的常规成分之外添上“抵赖协议” (Disavowal Protocol)，则仅在得到签名者许可信息后才能进行验证。“带有数字时间标记系统 (Digital Timestamping System)的签名方案”：将不可篡改的时间信息纳入数字签名方案。“多重签名”：使任意n个签名人产生的n个签名组成一个单一的签名。
假定sender向receiver发送一则消息message ，采用公开密码系统的签名过程描述如下：1）sender计算：c = Da(message)对message签名。Da 是加密变换，所使用的秘密密钥为sender所私有，任何人，包括receiver在内，由于不知道sender的秘密钥，所以不能伪造sender的签名。2）receiver通过检查Ea( c )是否恢复message来验证sender的签名，Ea是Da 的逆变换，Ea变换中所使用的密钥是sender的公开钥。3）如果sender和receiver之间发生争议，仲裁者可以用2）中的方法鉴定sender的签名。例：sender表示一个银行电子支付系统的客户，receiver代表sender所在的银行。Receiver收到sender要求取款1000万日元的信息后，必须确定这个信息确实是由sender签名发出的。如果以后sender否认这一笔取款，receiver能够向仲裁者证实，这个取款单确实是由sender签署的。如果采用公开钥密码系统签名，密秘钥仅为sender所拥有，公开钥大家都知道，sender无法否认自己的签名。别人由于不知道秘密钥也无法冒名顶替sender的签名。
假定sender向receiver发送一则消息message ，采用公开密码系统的签名过程描述如下：1）sender计算：c = Da(message)对message签名。Da 是加密变换，所使用的秘密密钥为sender所私有，任何人，包括receiver在内，由于不知道sender的秘密钥，所以不能伪造sender的签名。2）receiver通过检查Ea( c )是否恢复message来验证sender的签名，Ea是Da 的逆变换，Ea变换中所使用的密钥是sender的公开钥。3）如果sender和receiver之间发生争议，仲裁者可以用2）中的方法鉴定sender的签名。例：sender表示一个银行电子支付系统的客户，receiver代表sender所在的银行。Receiver收到sender要求取款1000万日元的信息后，必须确定这个信息确实是由sender签名发出的。如果以后sender否认这一笔取款，receiver能够向仲裁者证实，这个取款单确实是由sender签署的。如果采用公开钥密码系统签名，密秘钥仅为sender所拥有，公开钥大家都知道，sender无法否认自己的签名。别人由于不知道秘密钥也无法冒名顶替sender的签名。
信息安全原理与实践教程第5章
置了。
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信息安全原理与实践教程第5章
④ 方法4：DOS下破解。该方法直接在 MS-DOS 环境下 便可完成，在MS-DOS环境下输入：“COPY CON ”后按【回车】键，继续输入如下十个字符： “ALT+176 ALT+17 ALT+230 p ALT+176 ALT+20 ALT+230 q ALT+205”，再按【空格】键，然后按【F6】键，再按【回 车】键保存，运行文件后，重新开机即可。
注：“用户密码”的权限低于“管理员密码”。
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信息安全原理与实践教程第5章
2) BIOS密码的破解 如果遗忘了BIOS密码该怎么办呢？有以下几种方法可以 解决这个问题。对于用户设置的这两种密码，破解方法是有 所区别的。
(1) 破解“USER PASSWORD”。 ① 方法1：Debug法。其原理是：通过向CMOS芯片写入 数字导致开机检测时无法通过其奇偶校验，从而CMOS芯片 恢复出厂设置，实现清除BIOS密码的目的。具体操作步骤如 下：
AWI BIOS的通用密码有：AMI、BIOS、PASSWORD、
HEWITT RAND、AMI_SW、LKWPETER、A.M.I。
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信息安全原理与实践教程第5章
② 方法2：CMOS 放电。目前的主板大多数使用纽扣电 池为BIOS提供电力，也就是说，如果没有电，其中的信息就 会丢失了。再次通电时，BIOS就会回到未设置的原始状态， 当然BIOS密码也就没有了。
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信息安全原理与实践教程第5章
打开电脑机箱，找到主板上银白色的纽扣电池并小心将 它取下，再把机箱尾部电源插头拔掉，用金属片短接电池底 座上的弹簧片，大概30秒后，再将电池装上。此时，CMOS 会因断电而失去内部储存的信息。再开机时，系统就会提示 “CMOS Checksum Error-DeFaults Loaded”，即提示CMOS在 检查时发现了错误，已经载入了系统的默认值，BIOS密码破 解成功。
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信息安全原理与实践教程第5章
④ 方法4：DOS下破解。该方法直接在 MS-DOS 环境下 便可完成，在MS-DOS环境下输入：“COPY CON ”后按【回车】键，继续输入如下十个字符： “ALT+176 ALT+17 ALT+230 p ALT+176 ALT+20 ALT+230 q ALT+205”，再按【空格】键，然后按【F6】键，再按【回 车】键保存，运行文件后，重新开机即可。
注：“用户密码”的权限低于“管理员密码”。
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信息安全原理与实践教程第5章
2) BIOS密码的破解 如果遗忘了BIOS密码该怎么办呢？有以下几种方法可以 解决这个问题。对于用户设置的这两种密码，破解方法是有 所区别的。
(1) 破解“USER PASSWORD”。 ① 方法1：Debug法。其原理是：通过向CMOS芯片写入 数字导致开机检测时无法通过其奇偶校验，从而CMOS芯片 恢复出厂设置，实现清除BIOS密码的目的。具体操作步骤如 下：
AWI BIOS的通用密码有：AMI、BIOS、PASSWORD、
HEWITT RAND、AMI_SW、LKWPETER、A.M.I。
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信息安全原理与实践教程第5章
② 方法2：CMOS 放电。目前的主板大多数使用纽扣电 池为BIOS提供电力，也就是说，如果没有电，其中的信息就 会丢失了。再次通电时，BIOS就会回到未设置的原始状态， 当然BIOS密码也就没有了。
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信息安全原理与实践教程第5章
打开电脑机箱，找到主板上银白色的纽扣电池并小心将 它取下，再把机箱尾部电源插头拔掉，用金属片短接电池底 座上的弹簧片，大概30秒后，再将电池装上。此时，CMOS 会因断电而失去内部储存的信息。再开机时，系统就会提示 “CMOS Checksum Error-DeFaults Loaded”，即提示CMOS在 检查时发现了错误，已经载入了系统的默认值，BIOS密码破 解成功。
北邮信息安全专业容错计算技术课件第5章
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第二节 待命储备系统
一． 待命储备模块的纠错能力
M1
M2 储. 备. 模.
块
MS+1
检测 与
切换
R1,s 1 (1 R)s1
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第二节 待命储备系统
一． 待命储备模块的纠错能力 R1,s 1 (1 R)s1
硬件冗余设计技术
容错计算技术
C2K 2 (1 K )2
(R
2R
2K 1 K
R
3K K
2)
R1,2
(T
)
R
CK K 1
R(1
R
K 1) K
C2K 2
2K 1 3K 2
(1 K )2 (R 2R K R K )
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第二节 待命储备系统
分析一下： ① 当C=1，K=1，
V
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第一节 硬件表决系统
四． 三模 - 单模自净系统
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第一节 硬件表决系统
工作原理
1. 当无故障出现时 系统处于初始状态，此时
① 三个触发器：T1=T2=T3=1; ② 计数器1=计数器2=计数器3=0； ③ 控制触发器：C1=C2=C3=1,则控制门
M1
M1
M2
M2
F=(M1,M2,M3)
V
M3
M3
F M1M2M3 M1M2M3 M1M2M3 M1M2M3
M2M3 M1M2 M1M3
硬件冗余设计技术
04 《信息系统安全》第四讲 计算机容错技术
《信息系统安全》第四讲计算机容错技术2013年3月28日周亚建zhouyajian@School of Computer Science, BUPTOverview of Last Class可靠性的定义可靠性模型：串联、并联提高硬件、软件可靠性的途径可靠性的量化指标：MTTF 、MTBF 、Availability一个惨痛的教训1967年，宇航员科马洛夫驾驶联盟1号返回地球。
在降落到预定高度时，意外情况发生了：飞船的降落伞系统失灵，主降落伞没有拉出，而备用伞也无法打开。
联盟1号返回舱高速撞向地面，起火燃烧。
当科马洛夫面对无可躲避的厄运的时候，在土耳其监听的美国特工人员听到了他愤怒的呼喊：诅咒那些让我乘坐这个拙劣太空船的人们！弗拉基米尔·米哈伊洛维奇·科马洛夫（ВладимирМихайловичКомаров/Vladimir Komarov 1927年3月16日–1967年4月24日）。
他是第一名因载人航天遇难的宇航员，也是第一个多次进入太空的苏联宇航员。
☐神州飞船上的降落伞有主伞和备份伞两套：主伞1200平方米，备份伞760平方米，分别装在两个伞舱里。
主伞如果不能正常工作，就会被切断抛掉，以免与随后打开的备份伞缠在一起。
☐当减速伞脱伞6秒钟，仍然没有拉出主伞，或者主伞虽然工作但已大面积破损，备份伞系统就会自动启动。
☐伞舱底部装有一个气囊，返回舱溅落水里时气囊会自动充气，膨胀成一个体积为150升的大气包，不仅能把水挤出伞舱，还能充当浮筏，让返回舱飘浮起来。
神州系列宇宙飞船的解决方案软件可靠吗？☐1993年伦敦附近核电站的反应堆内，由于温度控制失灵，致使欧洲人口最为密集的地区面临巨大灾难。
后经查明，在反应堆“主要保护系统中”一个10万行代码的控制程序几乎有一半未能通过测试。
☐1999年9月，火星气候轨道探测器消失了——由于火箭出现事故而燃烧，坠入火星大气层。
后来美国宇航局在对探测器飞临火星前的6~8小时传回的数据进行分析后发现，这颗探测器之所以被烧毁，是因它距离火星的高度太低，大约只有60km，而安全要求的最低高度至少应该是85km。
第5章计算机网络安全技术(第二版)
第5章
数据库系统安全
本章主要内容
1 2 3 4 5
数据库系统的安全框架和安全性要求 数据库的死锁、活锁和可串行化 数据库的备份与恢复方法 攻击数据库的常用方法 Oracle数据库的安全管理
5.1
数据库系统安全概述
数据库系统担负着存储和管理数据信息的任 务，是计算机应用技术的一个重要分支，从 20世纪70年代后期开始发展，虽然起步较晚， 但近30年来已经形成为一门新兴学科。数据 库应用涉及面很广，几乎所有领域都要用到 数据库系统。因而，如何保证和加强其安全 性和保密性，已成为目前迫切需要解决的热 门课题。
5.1.1 数据库系统的组成(1)
数据库系统的组成 DBMS的功能 （1）有正确的编译功能，能正确执行规定的操作。 （2）能正确执行数据库命令。 （3）能保证数据的安全性、完整性，能抵御一定程度 的物理破坏，能维护和提交数据库内容。 （4）能识别用户、分配授权和进行访问控制，包括身 份识别和验证。 （5）顺利执行数据库访问，保证网络通信功能。
数据库中的所有数据都必须满足自己的完整性 约束条件，这些约束包括以下几种： 1．数据类型与值域的约束 2．关键字约束 3．数据联系的约束
5.2.3 数据库并发控制(1)
目前，多数数据库都是大型多用户数据库，所 以数据库中的数据资源必须是共享的。为了充 分利用数据库资源，应允许多个用户并行操作 的数据库。数据库必须能对这种并行操作进行 控制，即并发控制，以保证数据在不同的用户 使用时的一致性。 现在以财务部门对数据库CWBM的操作为例， 分析并发操作带来的问题。
访问控制
允许用户只访问被批准的数据，以及限制不同的用户有不同的访问模式，如读或写
数据库系统安全
本章主要内容
1 2 3 4 5
数据库系统的安全框架和安全性要求 数据库的死锁、活锁和可串行化 数据库的备份与恢复方法 攻击数据库的常用方法 Oracle数据库的安全管理
5.1
数据库系统安全概述
数据库系统担负着存储和管理数据信息的任 务，是计算机应用技术的一个重要分支，从 20世纪70年代后期开始发展，虽然起步较晚， 但近30年来已经形成为一门新兴学科。数据 库应用涉及面很广，几乎所有领域都要用到 数据库系统。因而，如何保证和加强其安全 性和保密性，已成为目前迫切需要解决的热 门课题。
5.1.1 数据库系统的组成(1)
数据库系统的组成 DBMS的功能 （1）有正确的编译功能，能正确执行规定的操作。 （2）能正确执行数据库命令。 （3）能保证数据的安全性、完整性，能抵御一定程度 的物理破坏，能维护和提交数据库内容。 （4）能识别用户、分配授权和进行访问控制，包括身 份识别和验证。 （5）顺利执行数据库访问，保证网络通信功能。
数据库中的所有数据都必须满足自己的完整性 约束条件，这些约束包括以下几种： 1．数据类型与值域的约束 2．关键字约束 3．数据联系的约束
5.2.3 数据库并发控制(1)
目前，多数数据库都是大型多用户数据库，所 以数据库中的数据资源必须是共享的。为了充 分利用数据库资源，应允许多个用户并行操作 的数据库。数据库必须能对这种并行操作进行 控制，即并发控制，以保证数据在不同的用户 使用时的一致性。 现在以财务部门对数据库CWBM的操作为例， 分析并发操作带来的问题。
访问控制
允许用户只访问被批准的数据，以及限制不同的用户有不同的访问模式，如读或写
北邮信息安全专业容错计算技术课件第5章
第一节 硬件表决系统
一． 简单的表决系统(TMR) 二． NMR系统 三． 分段表决系统 四． 三模 – 单模自净系统 五． 典型表决电路
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北邮信息安全专业容错计算技术课件 第5章
第一节 硬件表决系统
一． 三模表决系统（TMR） Triple Modular Redundancy
三个模块同时执行一样的操
第一节 硬件表决系统
TMR可靠度
设三个模块的可靠度相等，为R(t)。
忽略表决电路的失效。
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北邮信息安全专业容错计算技术课件 第5章
第一节 硬件表决系统
TMR的MTBF
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北邮信息安全专业容错计算技术课件 第5章
第一节 硬件表决系统
•与
•的比较
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1 0.693 0.5 0.1 0.06 0.018
•R
•1.0 •0.94
北邮信息安全专业容错计算技术课件 第5章
•第一节 硬件表决系统
一． 简单的表决系统(TMR) 二． NMR系统 三． 分段表决系统 四． 三模 – 单模自净系统 五． 典型表决电路
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北邮信息安全专业容错计算技术课件 第5章
第一节 硬件表决系统
二． NMR系统 N个模块的表决系统可以纠正n个模
北邮信息安全专业容错计算技术课件 第5章
•第一节 硬件表决系统
第一节 硬件表决系统
工作原理
2. 出现间歇性故障或偶然性故障
假如M1出现此类故障，持续时间约为两个时钟时间。
①
,则：比较器X1=1; 控制触发器C1=0;
② 控制门G1“关”状态，则：
M1输出被封锁；V接收M2,M3最后输出正确结果F。
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③
工作模块t时刻失效，由第一待命模块接替工作 到t’又失效，再由第二待命模块接替运行到T。
C2K 2 2K 1 3K 2 ( R 2 R R ) 2 (1 K ) K K
R1, 2 (T ) R
CK K 1 R(1 R ) K 1 K C2K 2 2K 1 3K 2 ( R 2 R R ) 2 (1 K ) K K
冷备份 热备份
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第二节 待命储备系统
一． 二． 三．
四．
五． 六．
待命储备模块的纠错能力 具有一个备份的系统的可靠度 具有两个备份的系统的可靠度 考虑监测器和切换器可能失效的待命储 备系统 检测 — 切换装置 延长系统的运行时间
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第二节 待命储备系统
M1 M2 . . . MS+1
R1,s 1 (1 R) s1
硬件冗余设计技术
检测 与 切换
储 备 模 块
容错计算技术
第二节 待命储备系统
一．
待命储备模块的纠错能力 R1,s 1 (1 R) s1
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第二节 待命储备系统
储备模块的工作方式
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第一节 硬件表决系统
二．
NMR系统 N个模块的表决系统可以纠正n个 模块的错误， 其中: n=(N-1)/2
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第一节 硬件表决系统
NMR系统可靠度
RNMR C (1 R) R
i 0 i N i
n
( N i )
硬件冗余设计技术
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第一节 硬件表决系统
TMR的MTBF
( MTBF)TMR (3e 2t 2e 3t )dt
0
5 1 6
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第一节 硬件表决系统
R
t
1 0.693 0.5 0.1 0.06 0.018
与
RTMR
的比较
Re
0.368 0.5 0.607 0.905 0.942 0.982
t
RTMR 3R 2 2R3
0.306 0.5 0.657 0.975 0.990 0.999
容错计算技术
硬件冗余设计技术
第一节 硬件表决系统
TMR的特点
R
1.0
TMR
0.5 Simplex
0.0 0 ln 2
t
硬件冗余设计技术
a 2 b2 由 1可知 ab
RTMR 2 RTMR
容错计算技术
硬件冗余设计技术
第一节 硬件表决系统
Saturn-V七段TMR系统
V V V
1
M M M
M M M
V V V
2
M M M V
7
选用三表决器： 为了避免单表决器形成的故障单点
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第一节 硬件表决系统
二．
具有一个备份的系统的可靠度
恢复率：
C = 从故障中恢复成功的次数 / 故障次数
引入系数 K=λ/μ μ:备份模块的失效率 待命储备模块的可靠度为
Rs (T ) e t
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第二节 待命储备系统
二．
具有一个备份的系统的可靠度
T
R1,1 (T ) e
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第二节 待命储备系统
①
②
分析一下： 当C=1，K=1， R1,2(T)=2.5R-R2+R3/2+R5/3 当C=1, K= R1,2(T)=R+2R-3R2+R=1-(1-R)3 对于S个待命模块的系统 R1,s(T)=1-(1-R)S+1
容错计算技术
第一节 硬件表决系统
TMR的特点
任务时间越短可靠度的提高越明显 任务时间过长，RTMR反而不如单模的R(t) 高 （MTBF）TMR < （MTBF）单模块
因此，TMR的主要优势在于任务时间不 是很长的情况下。 例如：弹载计算机
硬件冗余设计技术
容错计算技术
TMR with Imperfect Voter
第一节 第二节 第三节 第四节 第五节 第六节 硬件表决系统 待命储备系统 混合冗余系统 硬件二模冗余系统 可重构的五模系统 硬件冗余结构综述
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第二节 待命储备系统
待命储备系统是一个模块工作， 其它模块不工作，处于待命状态，一旦 工作模块出现故障，则储备模块接替工 作。
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第二节 待命储备系统
一． 二． 三． 四．
五．
六．
待命储备模块的纠错能力 具有一个备份的系统的可靠度 具有两个备份的系统的可靠度 考虑监测器和切换器可能失效的待 命储备系统 检测 — 切换装置 延长系统的运行时间
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第二节 待命储备系统
一．
待命储备模块的纠错能力
第一节 硬件表决系统
第一节 硬件表决系统
工作原理
3.
出现永久性故障
假如M1出现永久性故障 ① M1被封锁 ② 计数器1计数，直到记满溢出，使 C1=0, T1=0, A1―关”； C2=0, T2=0, A2 ―关”, 封锁M2; ③ 仅M3工作。
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第一节 硬件表决系统
①
工作模块从开始一直运行到任务时间T的概率。
Re
②
T
工作模块t时刻失效，由待命模块接替工作到T 的概率。
T
0
e ( u ) t e (T t ) C
CK K 1 (1 e t )dt R(1 R ) t K 1 K
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第一节 硬件表决系统
一．
三模表决系统（TMR） Triple Modular Redundancy 三个模块同时执行一样的操作，以 多数相同的输出作为该表决系统的正确 输出。 通常称为三中取二 “少数服从多数”
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第一节 硬件表决系统
TMR表决系统
第五章 硬件冗余设计技术
硬件冗余设计技术
容错计算技术
硬件冗余设计技术
第一节 硬件表决系统
第二节 待命储备系统 第三节 混合冗余系统 第四节 硬件二模冗余系统
第五节 可重构的五模系统
第六节 硬件冗余结构综述
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容错计算技术
第一节 硬件表决系统
一． 二． 三． 四． 五．
简单的表决系统(TMR) NMR系统 分段表决系统 三模 – 单模自净系统 典型表决电路
M1 M2 F M3
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第一节 硬件表决系统
TMR可靠度 设三个模块的可靠度相等，为R(t)。 忽略表决电路的失效。
RTMR (t ) 3R(t ) R(t )1 R(t ) R(t ) R(t ) R(t ) 3R 2 (t ) 2 R 3 (t ) 3e 2t 2e 3t
e
0
T
t
e
t
C e
(T t )
(1 e t )dt t
R1,1 (T ) e T
1 K T CK K 1 (1 e ) 1 K
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第二节 待命储备系统
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第一节 硬件表决系统
三种工作方式
表决方式 直接传递方式 发散工作方式
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第一节 硬件表决系统
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第一节 硬件表决系统
三种工作方式
表决方式 直接传递方式 发散工作方式
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第一节 硬件表决系统
2.
②③④ ⑤ Nhomakorabea控制门G1―关”状态，则： M1输出被封锁；V接收M2,M3最后输出正确结果F。 门A1―开”状态，则 第一脉冲使C1＝1，计数器1＋1＝1。 G1―开”状态，f1送到V。 f1 F ，则： M1再被封锁，F由M2,M3决定，直至计 数器1＋1＝2，则 f1=F
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第一节 硬件表决系统
三模 - 单模自净系统的可靠度
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第一节 硬件表决系统
一． 二． 三．
四．
五．
简单的表决系统(TMR) NMR系统 分段表决系统 三模 – 单模自净系统 典型表决电路
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第一节 硬件表决系统
五．
一个典型的表决电路
0.95 TMR better 0.885 Simplex better 0.5 0.56 0.75 1.0 0.94 ?
1
2 3
V
Voter
R
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第一节 硬件表决系统
一． 二． 三． 四． 五．
简单的表决系统(TMR) NMR系统 分段表决系统 三模 – 单模自净系统 典型表决电路