第8章高级操作系统容错性要点
容错性
故障系统的协议(3)
两个忠诚将军和一个叛徒的问题
可靠的C-S通信
RPC系统失败的五种情况： • 客户不能定位到服务器 • 客户到服务器的请求消息丢失：使用定时器 • 服务器在收到请求后崩溃
– 最少一次语义： 再次尝试操作，将应答传给用户，RPC最少执行一次 – 最多一次语义： 放弃并报告失败，RPC最多执行一次
• 复制进程，用一个容错的进程组来代替一个脆弱的 进程 • 需要多少复制?
– 如果系统能经受K个组件的故障而且能满足规范的要求,被 称为K容错的 – 如果组件是失败沉默的，具有K+1个组件即可 – 如果组件发生拜占庭错误（ Byzantine fault ），继续错 误运行，则至少需要2K+1个组件才能获得K容错 – 拜占庭错误：在非失败沉默模型下，一个有故障的进程可 能会对其它进程发出干扰消息，从而影响这些进程的正常 工作。 – 拜占庭错误是所有故障类型中最严重的
• 虚拟同步 • 消息排序 • 实现虚拟同步
虚拟同步 Virtual Synchrony (2)
虚拟同步： •保证多播到组视图的消息被传送给组中的每个正常进程 •如果发送消息的进程在多播期间失败，则消息或者传递给剩余的所有进程， 或者被每个进程忽略 •所有多播都在视图改变之间进行
虚拟同步多播的原理
– 接收者不反馈，只有通知消息丢失时反馈一消息 • 不能保证永远不发生反馈拥塞 • 发送者需要一直在缓存器中保留消息 – 无等级的反馈控制 – 分等级的反馈控制
无等级的反馈控制
Nonhierarchical Feedback Control
反馈抑制：几个接收者要发送重发请求，但是第一个重发请求抑制了其他的请求。 具有很好的可扩展性 问题： •需要每个接收者对反馈消息进行准确的调度，否则还会有多个接收者同时反馈 •中断其他成功接收消息的进程
容错的技巧
容错的技巧
在软件开发中，容错是指在面对异常情况时，系统能够恰当地处理或恢复，以避免严重影响系统的正常运行。
下面是一些常见的容错技巧：
1. 异常处理：使用try-catch语句块来捕获和处理异常，确保程序在异常发生时能够继续运行，并提供适当的错误提示信息。
2. 输入校验：对用户的输入进行校验或过滤，防止恶意输入或错误输入导致系统崩溃或异常。
3. 数据备份与恢复：定期进行数据备份，并保证能够恢复数据到之前的状态。
这样即使出现系统故障或数据丢失，也能够迅速恢复。
4. 事务处理：将操作划分为事务，确保一组相关的操作要么全部成功，要么全部失败。
如果某个操作失败，则可以回滚到之前的状态。
5. 冗余与负载均衡：使用冗余系统和负载均衡机制来确保即使某个节点或服务器故障，系统仍能够正常运行。
6. 监控与日志记录：监控系统运行状态，及时检测到异常，并记录相关日志，方便排查问题和诊断故障。
7. 自动恢复与重试：当系统出现故障或服务不可用时，可以自动尝试重启服务或重新连接，并进行一些自动修复操作。
8. 异步处理：将耗时的任务或操作异步化，使系统能够保持高响应性，并避免因单个任务的失败而影响整个系统的性能。
9. 限流与熔断：通过设置访问频率限制或异常请求阈值，防止系统被恶意攻击或异常流量所压垮。
10. 预防性措施：在开发阶段就进行代码质量评估和安全评估，避免潜在的漏洞和问题的产生，减少出错的机会。
这些容错技巧可以帮助系统在面对异常情况时能够保持可用性，并确保数据的安全和一致性。
计算机操作系统的容错性与可靠性分析
计算机操作系统的容错性与可靠性分析在当今信息技术高速发展的时代，计算机操作系统是支撑各种应用的核心基础软件，其容错性和可靠性成为保障计算机系统正常运行的重要因素之一。
本文将对计算机操作系统的容错性与可靠性进行深入分析，探讨其相关概念、重要性以及实现方法。
一、容错性与可靠性的概念与重要性1. 容错性的概念与重要性容错性是指在计算机系统出现部分故障时，仍能保证系统的稳定性和可用性的能力。
当计算机操作系统在面对硬件故障、软件错误或恶意攻击等异常情况时，如果能够自动检测并纠正错误，或者通过备份和冗余机制进行自动切换和恢复，就可以体现出良好的容错性。
容错性的重要性在于，它能够降低系统崩溃的风险，提高系统的可用性和稳定性，从而保障用户的数据安全和业务的连续性运行。
2. 可靠性的概念与重要性可靠性是指计算机操作系统在长时间运行中保持稳定性和可用性的能力。
一个可靠的操作系统应该能够在面对大量用户并发访问、繁重的计算任务和复杂的网络环境等多种挑战下依然能够正常运行。
可靠性的重要性在于，它直接关系到系统是否能够提供高性能和高效率的服务，同时也影响到用户对操作系统的信任度和满意度。
二、计算机操作系统的容错性实现方法1. 错误检测与纠正为了实现容错性，计算机操作系统通常会引入各种错误检测和纠正机制。
例如，利用校验码和冗余校验等技术可以检测和纠正数据传输过程中的误码，减少传输错误的可能性；利用进程监控和心跳机制可以检测到进程的异常行为，并及时采取相应的纠正措施。
2. 备份与冗余备份与冗余技术是提高操作系统容错性的重要手段之一。
通过建立备份系统或者使用冗余的硬件设备，当主系统出现故障时，备份系统或冗余设备可以立即切换并接管工作，保证用户服务的连续性。
常见的备份与冗余技术包括备份服务器、热备份、冗余数组等。
3. 异常处理与恢复操作系统应该具备快速检测和处理异常情况的能力，及时恢复正常状态。
当系统发生异常时，操作系统可以通过调整资源分配、重启服务进程或者执行特定的容错算法来进行恢复。
分布式系统之10、容错性
3、组成员治理
根本问题 参加与离开组 成员故障处理
使用组治理效劳器〔集中式 方法〕
全部进程要参加或者离开组 都向它申请
优点：直接，高效，易于实 现
缺点：单一失败点
分布式方法 进程参加和离开组需要给全部
成员发恳求，共同作出打算 当成员发生故障崩溃时，需要
通过一些协议来重建组
三、牢靠的点对点通信与容错
分布式系统通信的牢靠性设计的重点在于掩盖 崩溃性故障 遗漏性故障 随便性故障—通过重复消息的形式排解。 对于点到点通信，如TCP通信，崩溃性故障只能
由分布式系统重新建立连接。
1、RPC通信失败
在RPC调用中，有5种失败形式： 客户不能定位效劳器 客户到效劳器的恳求消息丧失 效劳器在收到恳求之后崩溃 从效劳器到客户的响应消息丧失 客户在发送恳求之后崩溃
服务器可能在随意的时间产生随意的响应
3、使用冗余掩盖故障
分布式系统容错的目的 对其他进程或客户隐蔽故障〔故障透亮性〕 容错手段：使用冗余掩盖故障 三种冗余方法： 信息冗余：添加额外的位以使错误的位恢复。 时间冗余：屡次重复一个操作，适合临时性或间歇性故
障。 物理冗余：物理上添加备份
二、分布式系统的进程容错
第七章 容错性
一、容错性简介
根本概念 故障 使用冗余掩盖故障
1、根本概念
容错即意味着系统能在故障发生的状况下连续供给效劳。 几个相关概念 可用性：系统可以工作，即可被使用 牢靠性：指系统可以无故障地持续运行 安全性：系统在偶然消失故障的状况下可以正确操作而
不会造成任何灾难。 可维护性：系统发生故障后，恢复的难易程度
失反响后不再向发送者发送丧失反响 保证了可扩展性
无等级反响的实际应用中还是有困难： 首先要确保只有一个重发恳求发送到发送者，需
系统容错设计
系统容错设计
系统容错设计是指在系统设计阶段考虑到系统可能出现故障的
情况，并采取相应的措施保障系统的可靠性和稳定性。
在实际应用中，系统容错设计是非常重要的，因为系统故障不仅会影响用户体验，还可能导致数据丢失、安全问题等后果。
系统容错设计的主要内容包括以下几个方面：
1.备份和恢复：建立数据备份机制，及时备份数据，以防出现数据丢失等情况。
同时，要建立恢复机制，在系统出现故障时能够及时恢复数据和系统状态。
2.故障检测与预警：建立故障检测机制，实现对系统的实时监控和预警，及时发现故障并采取相应措施。
3.负载均衡：在系统设计时考虑到负载均衡问题，合理分配系统资源，避免单个节点负载过高而导致系统故障。
4.异常处理：制定异常处理策略，针对不同类型的异常情况，采取不同的应对措施，及时解决异常问题。
系统容错设计是保障系统稳定性和可靠性的重要手段，需要在系统设计的各个环节中充分考虑到容错机制的实现，确保系统能够在各种异常情况下保持正常运行。
- 1 -。
容错机制的三个标准
容错机制的三个标准随着网络和信息技术的不断发展，各种应用程序的规模和复杂度也在逐步增加。
在这样的背景下，容错机制越来越成为软件系统设计中不可或缺的组成部分。
容错机制的作用是在不可避免的错误和故障情况下，保障系统的可靠性、稳定性和可用性。
在本文中，我们将介绍容错机制的三个标准，分别是容忍度、可检测性和适应性。
一、容忍度容忍度是指系统在发生错误或故障时，能够继续正常运行的能力。
容忍度可以分为两种，一是硬件容错，二是软件容错。
硬件容错是指在硬件出现故障时，系统仍能够正常工作。
例如，服务器集群中，某个服务器出现故障后，其他服务器仍可正常运行，从而保证了系统的稳定性和可靠性。
软件容错则是系统在软件出现错误或异常时，仍能够保证运行的稳定和可靠。
例如，操作系统的错误处理机制、数据库备份和恢复机制、日志记录和回滚机制，都是常见的软件容错机制。
软件容错机制的设计需要考虑到系统的复杂性、可靠性和可维护性等因素。
二、可检测性可检测性是指系统在发生错误或故障时，能够及时检测出来并进行处理。
可检测性的实现需要依赖于系统的监控机制、日志记录和报警机制等。
例如，系统监控机制可以实时监控系统的状态和性能，检测出异常情况并及时作出反应。
日志记录机制可以记录系统的运行情况和错误信息，便于诊断和排除错误。
报警机制可以通过短信、邮件等方式通知系统管理员或维护人员，及时采取措施。
可检测性对于系统的稳定性和可靠性来说至关重要。
如果系统出现错误或故障时，不能及时检测出来并处理，可能会导致系统的进一步恶化，最终影响用户的体验和满意度。
三、适应性适应性是指系统在发生错误或故障时，能够根据实际情况做出相应的调整和处理。
适应性需要系统具备自我调节、自我配置和自我修复的能力。
例如，当服务器负载过高时，系统可以自动调整资源分配，以平衡负载。
当网络通信出现故障时，系统可以自动切换到备用通信线路。
适应性机制的实现需要考虑到系统的可扩展性、可配置性和灵活性等因素。
计算机操作系统(第四版)1-8章-课后答案(全)
计算机操作系统(第四版)1-8章-课后答案(全)第四版计算机操作系统课后答案第一章1. 操作系统的定义操作系统是一种软件，它管理着计算机系统的硬件和软件资源，并为用户和应用程序提供接口，以方便他们的使用。
2. 操作系统的功能操作系统具有以下功能：- 进程管理：负责创建、执行和终止进程，并管理它们的资源分配。
- 存储管理：管理计算机系统的内存资源，包括内存分配、虚拟内存和页面置换等。
- 文件系统管理：管理计算机系统中的文件和文件夹，包括文件的存储、读写和保护等。
- 设备管理：负责管理计算机系统中的各种设备，如打印机、键盘和鼠标等。
- 用户接口：提供用户与计算机系统进行交互的接口，如命令行界面和图形用户界面。
3. 操作系统的类型操作系统可以分为以下类型：- 批处理操作系统：按照一系列预先定义的指令集来运行任务。
- 分时操作系统：多个用户可以同时使用计算机系统。
- 实时操作系统：对任务的响应时间要求非常高，用于控制系统和嵌入式系统。
- 网络操作系统：支持多台计算机之间的通信和资源共享。
- 分布式操作系统：在多台计算机上分布式地管理和调度任务。
第二章1. 进程与线程的区别进程是计算机系统中正在运行的程序实例，而线程是进程内的一个执行单元。
进程拥有独立的地址空间和资源，而线程共享进程的地址空间和资源。
多个线程可以在同一进程内并发执行，从而提高系统的效率和资源利用率。
2. 进程的状态转换进程可以处于以下状态：- 创建状态：进程正在被创建。
- 就绪状态：进程准备好执行，等待分配CPU资源。
- 运行状态：进程占用CPU资源执行。
- 阻塞状态：进程等待某种事件发生。
- 终止状态：进程完成执行或被终止。
3. 进程调度算法操作系统使用进程调度算法来决定哪个进程应该被执行。
常见的调度算法有：- 先来先服务（FCFS）调度算法：按照进程到达的顺序进行调度。
- 最短作业优先（SJF）调度算法：选择运行时间最短的进程进行调度。
操作系统(1~8章的课后习题答案)
1.1：存储程序式计算机的主要特点是：集中顺序过程控制（1）过程性：模拟人们手工操作（2）集中控制：由CPU集中管理（3)顺序性：程序计数器1.2：a:批处理系统的特点：早期批处理有个监督程序，作业自动过渡直到全部处理完，而脱机批处理的特点：主机与卫星机并行操作。
b:分时系统的特点：（1）：并行性。
共享一台计算机的众多联机用户可以在各自的终端上同时处理自己的程序。
（2）：独占性。
分时操作系统采用时间片轮转的方法使一台计算机同时为许多终端上同时为许多终端用户服务，每个用户的感觉是自己独占计算机。
操作系统通过分时技术将一台计算机改造为多台虚拟计算机。
（3）：交互性。
用户与计算机之间可以进行“交互会话”，用户从终端输入命令，系统通过屏幕（或打印机）将信息反馈给用户，用户与系统这样一问一答，直到全部工作完成。
c：分时系统的响应比较快的原因：因为批量操作系统的作业周转时间较长，而分时操作系统一般采用时间片轮转的方法，一台计算机与许多终端设备连接，使一台计算机同时为多个终端用户服务，该系统对每个用户都能保证足够快的响应时间，并提供交互会话功能。
1.3：实时信息处理系统和分时系统的本质区别：实时操作系统要追求的目标是：对外部请求在严格时间范围内做出反应，有高可靠性和完整性。
其主要特点是资源的分配和调度首先要考虑实时性然后才是效率。
此外，实时操作系统应有较强的容错能力，分时操作系统的工作方式是：一台主机连接了若干个终端，每个终端有一个用户在使用。
用户交互式地向系统提出命令请求，系统接受每个用户的命令，采用时间片轮转方式处理服务请求，并通过交互方式在终端上向用户显示结果。
用户根据上步结果发出下道命。
分时操作系统将CPU 的时间划分成若干个片段，称为时间片。
操作系统以时间片为单位，轮流为每个终端用户服务。
每个用户轮流使用一个时间片而使每个用户并不感到有别的用户存在。
分时系统具有多路性、交互性、“独占”性和及时性的特征。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
21
8.3 客户服务器通信的可靠性
点到点通信
可靠通信：防止通信失效
遗漏型失效：消息丢失
解决策略：利用可靠的传输协议，如TCP协议。
确认和重新传输
连接崩溃失效：连接中断
不能屏蔽，需重建连接 解决策略：抛出例外，通知客户进程
22
RPC失效(1)
容错的前提条件
15
故障系统的协定问题
协定(agreemnt)
对某些问题的一致意见。如，是否提交事务，负 载划分，同步等 在有限的步骤内，所有非故障进程达成协定
分布式协定算法
底层系统中可能的情况：
1. 同步vs异步系统 2. 限定的或无限定的通信延迟
3. 有序的或无序的消息递交
4. 单播(unicast)或多播(multicast)式消息传送
3
可靠性（Reliablity）
安全性（Safty）
可维护性（Maintainability）
基本概念（1）
失效（fail, failure）、失灵
一个系统不能满足它的承诺（提供服务） 导致系统失效的系统状态
差错（error）：
故障（fault）：
导致差错发生的原因
4
基本概念（2）
10
8.2 进程恢复
进程容错
进程组：具有相同功能的进程集合 组成员籍
加入：具有成员籍 脱离：注销成员籍 多成员籍：同时属于不同的组
设计问题
需要复制的程度 无故障时，平均情况和最坏情况下的系统性能 有故障时，平均情况和最坏情况下的系统性能
11
组的管理（1）
扁平组：所有成员是同等的 层次组：协调程序和工作程序
18
举例：故障系统的协定问题
拜占庭将军协定问题
假设通信是可靠的，但进程可能是不可靠的 例：3个忠诚将军，1个叛变将军 共4步：(a)对外报告(b)收集向量(c)报告向量(d)生 成结果向量：（1，2，未知，4）
Lamport递归算法
19
举例：故障系统的协定问题
若三个将军中，有两个忠诚将军，一个叛变将军，则 不能判断出哪个将军叛变。
8
基于冗余的失效屏蔽技术
冗余类型
信息冗余：如，海明码。 时间冗余：如，重发，重做 物理冗余：
软件:如复制进程 硬件：如复制电路
信息冗余和物理冗余都属于空间冗余
9
基于冗余的失效屏蔽技术
三模冗余方法(TMR,Triple Modular Redundancy)
三路表决器(voter)：三路输入，一路输出 可屏蔽一路错误（任意性失效）
平均维修时间（MTTR）
可用性= (MTTF / (MTTF + MTTR))
基本概念（2）
故障控制
预防 去除 预告
容错（fault tolerance）
即使发生故障，系统仍能提供服务
短暂型(transient):出现一次，再也不出现 间歇型(intermittent)：消失后，再重复出现 永久型(permanent)：一直存在
平均无故障时间(MTTF)
平均能够正常运行多长时间，才发生一次故障。用 来度量可靠性
p为每秒失效概率
平均无故障时间(MTTF) = Σ1∞kp(1-p)k-1=1/p
例：p=10-6，MTTF=106秒=11.6天
系统发生故障后维修和重新恢复正常运行平均花费 的时间 用来度量可维护性
5
组的重建
14
复制容错技术
k-容错度：
在有k个进程发生故障时，系统仍能正确运行 对k-容错度，需k+1冗余度 对k-容错度，需2k+1冗余度 所有的请求到达所有服务器的顺序应相同 原子广播问题（atomic broadcast problem）
Fail-stop型故障：
拜占庭型故障：
7
失效（失败）模型
失败模型
失败缄默(fail-silent)。不通知失效。
失败即停 (fail-stop)。良性的。易检测。 失败安全(fail-safe)。不产生恶果。 拜占庭帝国（330-1453）
拜占庭(Byzantine)故障。恶意的。难检测。
系统类型
同步系统：在规定上限时间内有响应 异步系统：响应时间没有上限
若要有m个进程出错的系统实现协同一致，最少要有 2m＋1个正常进程。进程总数为3m+1。 需超过2/3多数，才能达成协定
20
故障检测
进程故障检测
主动式方法，发送 “Are you alive?”消息
常用方法， ping操作
被动式方法，等待发来的故障消息 预测方法：超时机制，在规定时间内作出响 应，否则，视为发生故障
6
故障类型
失效（失败）模型
失效类型
崩溃性失效 遗漏性失败 接收遗漏 发送遗漏 定时性失效 响应性失效 值失效 任意性失效
பைடு நூலகம்
描述
服务器停止。但在停止前一直正确工作 服务器不能响应连入的请求 服务器不能接收连入的消息 服务器不能发送消息 服务器的响应超出规定的时间间隔
服务器的响应不正确 响应的值是错误的 状态变迁失效 服务器偏离正确的控制流 服务器在任意的时刻产生任意的响应
16
故障系统的协定问题
能够达成分布式协定的环境
17
故障系统的协定问题
可以取得一致的三种情况： 1、处理机同步方式、通信延时有限
处理机可用超时检测机制，确定其他失败进程 每个处理机原子式广播一个初始值，其他处理器按 照次序接收，能够同意谁是第一个发送的
2、消息有序，广播式传输
3、处理机同步，消息有序
第8章 容错性
主要内容
8.1 8.2 8.3 8.4 8.5 8.6 容错性概述 进程恢复 可靠的客户服务器通信 可靠的组通信 分布式提交 恢复
2
8.1 容错性概述
可依赖系统（Dependable, Trustworthy）
可用性（availability）
在给定时刻能正确操作的概率
在给定期间能正确操作的概率 临时失效不会造成灾难 易于对失效进行修复的系统
12
组的管理（2）
组成员籍管理
组服务器：集中式管理
多播通信：分布式管理
N
N
故障后，组的退出
fail-stop类型：发送Goodbye信息 fail-silent类型：需其他成员发现
13
组的管理（3）
消息同步
加入组时：立刻收到所有消息 退出组时：不再受到任何消息 当组崩溃后，重新建立组 重建协议