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。
计算机系统安全原理与技术课件第5章第4节
▪ Kerberos协议中使用通行证（Ticket，也有译作票 据）来实现用户和应用或服务之间的认证。
3
计算机系统安全原理与技术（第4版）
5.4.1 应用层安全协议
❖ 1．Kerberos协议 ❖ （3）Kerberos的基本认证过程
4
计算机系统安全原理与技术（第4版）
5.4.1 应用层安全协议
18
计算机系统安全原理与技术（第4版）
应用实例：https协议应用
❖ SSL应用于http协议形成了https协议。 ❖ 当需要确保网络上所传输信息的机密性、真实性和完
整性时，一种优选的方法就是使用https协议，https 为正常的http包封装了一层SSL。
19
计算机系统安全原理与技术（第4版）
❖ 1．Kerberos协议 ❖ （4）Kerberos的两种工作模式
▪ Kerberos协议有两种模式：单域模式和多域模式。 ▪ 一个Kerberos域是指用户和服务器的集合，它们都
被同一个AS服务器所认证。 ▪ 不同组织或机构的客户和服务器组成的网络往往分成
不同的域。 ▪ 要实现跨域认证，两个域中的Kerberos服务器需要
7
计算机系统安全原理与技术（第4版）
5.4.1 应用层安全协议
❖ 2．其他应用层安全协议
❖ （1）安全外壳协议——SSH
▪ SSH（Secure Shell，安全外壳协议）是用密码算法 提供安全可靠的远程登录、文件传输和远程复制等网络 服务提供安全性的协议。这些网络服务由于以明文形式 传输数据，故窃听者用网络嗅探软件（如TCPdump和 Wireshark）便可轻而易举地获知其传输的通信内容。 利用 SSH 协议可以有效防止远程管理过程中的信息泄 露问题。
3
计算机系统安全原理与技术（第4版）
5.4.1 应用层安全协议
❖ 1．Kerberos协议 ❖ （3）Kerberos的基本认证过程
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计算机系统安全原理与技术（第4版）
5.4.1 应用层安全协议
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计算机系统安全原理与技术（第4版）
应用实例：https协议应用
❖ SSL应用于http协议形成了https协议。 ❖ 当需要确保网络上所传输信息的机密性、真实性和完
整性时，一种优选的方法就是使用https协议，https 为正常的http包封装了一层SSL。
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计算机系统安全原理与技术（第4版）
❖ 1．Kerberos协议 ❖ （4）Kerberos的两种工作模式
▪ Kerberos协议有两种模式：单域模式和多域模式。 ▪ 一个Kerberos域是指用户和服务器的集合，它们都
被同一个AS服务器所认证。 ▪ 不同组织或机构的客户和服务器组成的网络往往分成
不同的域。 ▪ 要实现跨域认证，两个域中的Kerberos服务器需要
7
计算机系统安全原理与技术（第4版）
5.4.1 应用层安全协议
❖ 2．其他应用层安全协议
❖ （1）安全外壳协议——SSH
▪ SSH（Secure Shell，安全外壳协议）是用密码算法 提供安全可靠的远程登录、文件传输和远程复制等网络 服务提供安全性的协议。这些网络服务由于以明文形式 传输数据，故窃听者用网络嗅探软件（如TCPdump和 Wireshark）便可轻而易举地获知其传输的通信内容。 利用 SSH 协议可以有效防止远程管理过程中的信息泄 露问题。
信息安全基础课件(PPT 56页)
•
–
安全
如果不论截取者获得了多少密文，但在密文中都没有 足够的信息来惟一地确定出对应的明文，则这一密码 体制称为无条件安全的，或称为理论上是不可破的。 如果密码体制中的密码不能被可使用的计算资源破译， 则这一密码体制称为在计算上是安全的。
9
–
常规密钥密码体制
• 常规密钥密码体制：
– 加密密钥与解密密钥是相同的密码体制。 – 又称为对称密钥系统
FDHVDU FLSKHU
caesar cipher 明文 a 变成了密文 D
12
替代密码与置换密码
• 替代密码(substitution cipher)的原理可用一 个例子来说明。（密钥是 3）
明文 密文
abcdefghijklmnopqrstuvwxyz DEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZABC
信息安全基础
苏放 sufang@ 北京邮电大学 信息与通信工程学院
1
网络安全
网络安全的主要目标是保护网络上的 计算机资源免受毁坏、替换、盗窃和丢 失。 计算机资源包括计算机设备、存储介 质、软件和数据信息等。
2
计算机网络面临的安全性威胁
• 计算机网络上的通信面临以下的四种威胁： (1) 截获——从网络上窃听他人的通信内容。 (2) 中断——有意中断他人在网络上的通信。 (3) 篡改——故意篡改网络上传送的报文。 (4) 伪造——伪造信息在网络上传送。 • 截获信息的攻击称为被动攻击，而更改信息和拒 绝用户使用资源的攻击称为主动攻击。
• 在常规密钥密码体制中 两种最基本的密码：
– 替代密码 – 置换密码
10
替代密码与置换密码
• 替代密码(substitution cipher)的原理可用一 个例子来说明。（密钥是 3）
北邮信息安全专业容错计算技术课件第6章
2. 软件失效分布函数F(t)
对于一个系统，如果只考虑系统成功与失
败R(t) F (t) 1
F (0) 0
二． 主要指标
3. 失效密度函数f(t) 系统在t时刻单位时间内的失效概率
二． 主要指标
4. 软件失效率函数(t) 取一个不太长的时间t，可以假设
(t) (常数)
R(t) et
系统测试要涉及到整个程序的接口、数据流、 控制流、数据结构、程序结构等问题
动态测试
非增式测试的缺点
每个模块和子系统都要求建立测试背景 子系统的组合数较大，使测试复杂性高
动态测试
增式测试：被测程序是按层次结构方法组织的， 则可以按自顶向下的增式测试方法，即先顶层 测试，然后依次加入底层的模块测试
为此，可以先设计一个良好结构的程序作为理解和 验证的文本，然后用程序变换技术把它变换成一个 高效运行的程序，最后运行
验证技术
软件可靠性的兴起
管理技术 程序设计方法学 验证技术
程序测试：以发现差错为目的的过程，通过对被测 试的结构分析（静态测试）或实际运行（动态测试） 来实现
几个概念
正确性
软件系统本身没有故障，并能证明它完全符合要求
健壮性
在硬件发生故障或输入不正常或环境发生异常情况等条件 下，软件仍能进行适当工作
可靠性
第一节 软件可靠性的基本概念
一． 软件可靠性 二． 主要指标 三． 软件故障、失效和错误
二． 主要指标
1. 软件可靠度函数R(t) R(t) et
组织管理
通过合理分配项目成员的工作，使每个成员能动性 充分发挥并使乘员减达到良好的协调
组织管理
主程序员负责制
对于一个系统，如果只考虑系统成功与失
败R(t) F (t) 1
F (0) 0
二． 主要指标
3. 失效密度函数f(t) 系统在t时刻单位时间内的失效概率
二． 主要指标
4. 软件失效率函数(t) 取一个不太长的时间t，可以假设
(t) (常数)
R(t) et
系统测试要涉及到整个程序的接口、数据流、 控制流、数据结构、程序结构等问题
动态测试
非增式测试的缺点
每个模块和子系统都要求建立测试背景 子系统的组合数较大，使测试复杂性高
动态测试
增式测试：被测程序是按层次结构方法组织的， 则可以按自顶向下的增式测试方法，即先顶层 测试，然后依次加入底层的模块测试
为此，可以先设计一个良好结构的程序作为理解和 验证的文本，然后用程序变换技术把它变换成一个 高效运行的程序，最后运行
验证技术
软件可靠性的兴起
管理技术 程序设计方法学 验证技术
程序测试：以发现差错为目的的过程，通过对被测 试的结构分析（静态测试）或实际运行（动态测试） 来实现
几个概念
正确性
软件系统本身没有故障，并能证明它完全符合要求
健壮性
在硬件发生故障或输入不正常或环境发生异常情况等条件 下，软件仍能进行适当工作
可靠性
第一节 软件可靠性的基本概念
一． 软件可靠性 二． 主要指标 三． 软件故障、失效和错误
二． 主要指标
1. 软件可靠度函数R(t) R(t) et
组织管理
通过合理分配项目成员的工作，使每个成员能动性 充分发挥并使乘员减达到良好的协调
组织管理
主程序员负责制
北京邮电大学第5章 建设与运维安全-习题
第5章建设与运维安全一、选择题1.深层防御模型将软件系统安全架构划分为7个层次，第2层是（）（A）物理层；（B）外部网络层；（C）内部网络层；（D）主机层。
2.下列哪项不是可能影响评估结果的因素（）（A）易用性；（B）人机接口；（C）成本；（D）互操作性。
3.ISF 安全评估体系的70个安全主题可细分为（）个安全问题（A）179；（B）138；（C）208；（D）332。
4.当真实数据用于测试时，（）方式不适用于保护运行数据（A）将应用于运行应用系统的访问控制程序应用于测试应用系统；（B）运行信息每次被拷贝到测试应用系统时不需要独立的授权；（C）在测试完成之后，应立即从测试应用系统清除运行信息；（D）应记录运行信息的拷贝和使用日志以提供审核踪迹。
5.使用密码控制措施可以实现的安全目标不包括：（）（A）保密性；（B）完整性/真实性；（C）不可否认性；（D）可控性。
二、简答题1.什么是信息资产、列举常见信息资产类别。
2.列举ITIL服务管理及之间关系。
3.什么是信息系统审计？4.描述ISF标准体系。
5.信息安全建设应遵循的基本原则有哪些？三、思考题1.指出ITIL服务管理的优势，探讨ITIL思想如何引入到信息安全管理。
2.分析软件系统的深层防御模型的优势。
第5章建设与运维安全—参考答案一、选择题：1、B；2、B；3、A；4、B；5、D。
二、简单题：1.什么是信息资产、列举常见信息资产类别。
答：信息可以理解为消息、情报、数据或知识，它可以以多种形式存在。
信息资产有：数据与文档：数据库和数据文件、系统文件、用户手册、培训材料、运行与支持程序、业务连续性计划、应急安排书面文件：合同、指南、企业文件、包含重要业务结果的文件软件资产：应用软件、系统软件、开发工具和实用程序物理资产：计算机、通用设备、磁介质（磁盘与磁带）、其他技术设备（供电设备、空调设备）、家具、办公场所人员：各种角色的定义（系统管理员、网络管理员等）企业形象与声誉服务：计算和通讯服务，其他技术服务（供热、照明、电力、空调）2.列举ITIL服务管理及之间关系。
第五章 信息安全原理与技术ch05-Hash函数和数字签名
2020/7/20
Ch5-消息认证与数字签名
12
MAC的性质
• 一个安全的MAC函数应具有下列性质：
– 若攻击者知道M和Ck(M)，则他构造满足 Ck(M’)= Ck(M)的消息M’在计算上是不可行的。
– Ck(M)应是均匀分布的，即对任何随机选择的 消息M和M’, Ck(M)=Ck(M’)的概率是2-n,其中n 是MAC的位数。
m2m1且H(m2)=H(m1)的m2在计算上是不可行的； • 找到任何满足H(m1)=H(m2)且m1 m2的消息对(m1, m2)
在计算上是不可行的。
2020/7/20
Ch5-消息认证与数字签名
16
安全的Hash函数的要求
• H可以应用于任意长度的数据块，产生固定长度的散列 值；
信息安全原理与技术
郭亚军 宋建华 李莉 清华大学出版社
第5章 消息认证与数字签名
• 主要知识点：
-- 认证 -- 认证码 -- 散列函数 -- MD5 -- SHA-512 -- 数字签名
2020/7/20
Ch5-消息认证与数字签名
2
认证
• 认证则是防止主动攻击的重要技术，可以 防止如下一些攻击 ：
2020/7/20
Ch5-消息认证与数字签名
3
认证的目的
• 第一，验证消息的发送者是合法的，不是 冒充的，这称为实体认证，包括对信源、 信宿等的认证和识别；
• 第二，验证信息本身的完整性，这称为消 息认证，验证数据在传送或存储过程中没 有被篡改、重放或延迟等。
2020/7/20
Ch5-消息认证与数字签名
2020/7/20
Ch5-消息认证与数字签名
10
对MAC的攻击
计算机容错技术与诊断技术----大纲
*故障覆盖率及其对系统可靠度的影响
Δ用网络图分析计算系统的可靠度
*第二节马尔可夫模型分析法（2.5-3学时，必讲）
*马尔可夫模型
*用马尔可夫模型分析实际系统
*第四章软件容错技术（本章提供实现软件容错的方法，是软件冗余技术的深入讨论）
*第一节恢复块技术（1.5-2学时，必讲）
*第二节n版编程技术（1学时，必讲）
*第五节D算法（2.5-3学时，必讲）
Δ第九章、时序电路的测试（本章内容较繁琐，尚未发展完善，可作为扩展性知识讲解）
*第一节时序电路的功能测试（1.5-2学时，必讲）
*第二节同步时序电路的测试生成（2.5-3学时，必讲）
Δ第十章、混合电路的测试（本章内容很琐碎，且完全依赖具体电路，尚无这方面的教材，可作为扩展性知识讲解）
1．基本概念:以理论授课和课外作业为主
2．诊断方法：以理论授课和和课堂练习为主（诊断单独作为30学时的一门课时，此部分曾安排课程设计）
课程知识结构说明：
明确课程涉及的学科知识领域、知识单元，每个知识单元由哪些知识点构成以及每个知识单元的学习目标，明确核心知识点（用“*”标示）和扩展性知识点（用“Δ”标示）、必讲要求和选讲及自学要求。课程学时分布（按知识单元说明，并对核心知识点与较大的知识点进行必要的学时标注）。课程如包含实验或实践性等环节，还需要说明该部分的学时要求以及内容、方案和作用。
Δ平均修复时间MTTR(Meantime to Repair)和修复率μ
Δ可用度A(Avilability)
*第三节可靠性系统模型（1学时，必讲）这节内容是学习下面内容的基础。
串联系统
并联系统
*第二章冗余技术（本章内容是容错技术的核心，介绍提高系统可靠性的手段）
Δ用网络图分析计算系统的可靠度
*第二节马尔可夫模型分析法（2.5-3学时，必讲）
*马尔可夫模型
*用马尔可夫模型分析实际系统
*第四章软件容错技术（本章提供实现软件容错的方法，是软件冗余技术的深入讨论）
*第一节恢复块技术（1.5-2学时，必讲）
*第二节n版编程技术（1学时，必讲）
*第五节D算法（2.5-3学时，必讲）
Δ第九章、时序电路的测试（本章内容较繁琐，尚未发展完善，可作为扩展性知识讲解）
*第一节时序电路的功能测试（1.5-2学时，必讲）
*第二节同步时序电路的测试生成（2.5-3学时，必讲）
Δ第十章、混合电路的测试（本章内容很琐碎，且完全依赖具体电路，尚无这方面的教材，可作为扩展性知识讲解）
1．基本概念:以理论授课和课外作业为主
2．诊断方法：以理论授课和和课堂练习为主（诊断单独作为30学时的一门课时，此部分曾安排课程设计）
课程知识结构说明：
明确课程涉及的学科知识领域、知识单元，每个知识单元由哪些知识点构成以及每个知识单元的学习目标，明确核心知识点（用“*”标示）和扩展性知识点（用“Δ”标示）、必讲要求和选讲及自学要求。课程学时分布（按知识单元说明，并对核心知识点与较大的知识点进行必要的学时标注）。课程如包含实验或实践性等环节，还需要说明该部分的学时要求以及内容、方案和作用。
Δ平均修复时间MTTR(Meantime to Repair)和修复率μ
Δ可用度A(Avilability)
*第三节可靠性系统模型（1学时，必讲）这节内容是学习下面内容的基础。
串联系统
并联系统
*第二章冗余技术（本章内容是容错技术的核心，介绍提高系统可靠性的手段）
容错计算第2章
可信定义
Dependability: the ability to deliver service that can justifiably be trusted The dependability of a system is the ability to avoid service failures that are more frequent and more severe than is acceptable
可改写可靠度公式
R(t ) e
t
e
t / MTBF
当t=MTBF，则 R(t)=36.8%
MTBF
当 t 很小时，
R(t ) 1 t t 1 MTBF t MTBF 1 R(t )
在大量的场合里，要求计算机短时间内具备较高的可 靠性 例如：一台计算机由10000个元件组成，每个元件的 失效率为0.05%每1000小时，对应于99%可靠度的系 统运行时间是
串并联与并串联系统的可靠度比较
n=m=2
Ra 串-并联Rs
0.7 0.739
0.8 0.870
0.9 0.963
0.95 0.991
并-串联Rs
0.828
0.921
0.98
0.995
PCI
Disks
3、复杂的可靠性系统
Embedded I/O
Fault Detection & Isolation
可靠性框图与逻辑框图
CPU 总线 接口
内存
外存
终端
输出
计算机系统结构框图
CPU 总线 内存 接口 系统结构可靠性框图 外存 终端 输出
第五章 几种可靠性编码
d ( x, y) xi y
i 1 n i
010 000 110 100 101 001
011
111
(5.4)
图5.31
例如，一个n=3位的代码，共有23＝8种代码，若把这8 个代码用图表示出来，正好是一个立方体（如图 5.31），每一个代码就是立方体的一个顶点坐标。 各代码之间的距离分别为：1，2，3。 在一组距离d的集合中最小的值dmin 为海明距离。
3、三种方法比较
方法(1)得到的循环码与原来的代码面目全非； 方法(2)、(3)得到的循环码高n位保留了原来代码不变， 低位附加位另外形成，界限分明； 方法(2)得到余数R(x)的方法比(3)更简明。
4、M(x)多项式的选择和检错能力分析
设：原代码长度为E位，附加位为M位，校验多项式为 Pm(x)。 （1）用两项以上的多项式Pm(x)与原来的代码配合，就 可以检查出一位错误。这是因为在接收端某1位错误后 的代码与原来的代码不同，它用该多项式除不尽。 （2）能被(1+x)除尽的所有多项式都有偶数项，其理由 如下：假设能被(1＋x）除尽的多项式为F(X)，则： F(x)=(l＋x)· Q(x)，取x＝1，故 F(1)=1 +1=0，”0”是 表示有偶数项的意思，所有由（l＋X）产生的代码具 有检查奇数个错误的能力。 因此，附加偶数项附加位的代码就是由（l＋X）产 生的代码。
011 1 0 1 =010 M=│1011│× 110 111
即：V=X* M=1011010
校验过程
校验过程与海明码的校验是一样的，即把V的前n位代码与H相乘， 结果与后面的附加代码比较，相同即位正确，否则出错。
例如：海明校验码为V=l0ll010，
i 1 n i
010 000 110 100 101 001
011
111
(5.4)
图5.31
例如，一个n=3位的代码，共有23＝8种代码，若把这8 个代码用图表示出来，正好是一个立方体（如图 5.31），每一个代码就是立方体的一个顶点坐标。 各代码之间的距离分别为：1，2，3。 在一组距离d的集合中最小的值dmin 为海明距离。
3、三种方法比较
方法(1)得到的循环码与原来的代码面目全非； 方法(2)、(3)得到的循环码高n位保留了原来代码不变， 低位附加位另外形成，界限分明； 方法(2)得到余数R(x)的方法比(3)更简明。
4、M(x)多项式的选择和检错能力分析
设：原代码长度为E位，附加位为M位，校验多项式为 Pm(x)。 （1）用两项以上的多项式Pm(x)与原来的代码配合，就 可以检查出一位错误。这是因为在接收端某1位错误后 的代码与原来的代码不同，它用该多项式除不尽。 （2）能被(1+x)除尽的所有多项式都有偶数项，其理由 如下：假设能被(1＋x）除尽的多项式为F(X)，则： F(x)=(l＋x)· Q(x)，取x＝1，故 F(1)=1 +1=0，”0”是 表示有偶数项的意思，所有由（l＋X）产生的代码具 有检查奇数个错误的能力。 因此，附加偶数项附加位的代码就是由（l＋X）产 生的代码。
011 1 0 1 =010 M=│1011│× 110 111
即：V=X* M=1011010
校验过程
校验过程与海明码的校验是一样的，即把V的前n位代码与H相乘， 结果与后面的附加代码比较，相同即位正确，否则出错。
例如：海明校验码为V=l0ll010，
计算机安全技术第5章
IDEA算法的密钥长度为128位，是DES密钥长度的两倍。它能够抵抗差 分密码分析方法和相关密钥密码分析方法的攻击。科学家已证明IDEA算 法在其8轮迭代的第4轮之后便不受差分密码分析的影响了。假定穷举法 攻击有效的话，那么即使设计一种每秒种可以试验10亿个密钥的专用芯 片，并将10亿片这样的芯片用于此项工作，仍需1013年才能解决问题。目 前，尚无一片公开发表的试图对IDEA进行密码分析的文章。因此，就现 在来看应当说IDEA是一种安全性好、效率高的分组密码算法。
在加密系统中，要加密的信息称为明文（Plaintext），明文经过变 换加密后的形式称为密文（Ciphertext）。由明文变为密文的过程称为 加密（Enciphering），通常由加密算法来实现。由密文还原成明文的过 程称为解密（Deciphering），通常由解密算法来实现。
对于较为成熟的密码体系，其算法是公开的，而密钥是保密的。这 样使用者简单地修改密钥，就可以达到改变加密过程和加密结果的目的 。密钥越长，加密系统被破译的几率就越低。根据加密和解密过程是否 使用相同的密钥，加密算法可以分为对称密钥加密算法（简称对称算法 ）和非对称密钥加密算法（简称非对称算法）两种。
5.3 常用加密技术介绍
从上述要求可以看出，公开密钥密码体制下，加密密钥不等于解密密钥。加密 密钥可对外公开，使任何用户都可将传送给此用户的信息用公开密钥加密发送， 而该用户唯一保存的私有密钥是保密的，也只有它能将密文恢复为明文。虽然解 密密钥理论上可由加密密钥推算出来，但实际上在这种密码体系中是不可能的， 或者虽然能够推算出，但要花费很长的时间而成为不可行的，所以将加密密钥公 开也不会危害密钥的安全。
公开密钥密码体制，是现代密码学最重要的发明和进展。一般理解密码学就是保 护信息传递的机密性，但这仅仅是当今密码学的一个方面。对信息发送与接收人 的真实身份的验证，对所发出/接收信息在事后的不可抵赖以及保障数据的完整性 也是现代密码学研究的另一个重要方面。公开密钥密码体制对这两方面的问题都 给出了出色的解答，并正在继续产生许多新的思想和方案。
在加密系统中，要加密的信息称为明文（Plaintext），明文经过变 换加密后的形式称为密文（Ciphertext）。由明文变为密文的过程称为 加密（Enciphering），通常由加密算法来实现。由密文还原成明文的过 程称为解密（Deciphering），通常由解密算法来实现。
对于较为成熟的密码体系，其算法是公开的，而密钥是保密的。这 样使用者简单地修改密钥，就可以达到改变加密过程和加密结果的目的 。密钥越长，加密系统被破译的几率就越低。根据加密和解密过程是否 使用相同的密钥，加密算法可以分为对称密钥加密算法（简称对称算法 ）和非对称密钥加密算法（简称非对称算法）两种。
5.3 常用加密技术介绍
从上述要求可以看出，公开密钥密码体制下，加密密钥不等于解密密钥。加密 密钥可对外公开，使任何用户都可将传送给此用户的信息用公开密钥加密发送， 而该用户唯一保存的私有密钥是保密的，也只有它能将密文恢复为明文。虽然解 密密钥理论上可由加密密钥推算出来，但实际上在这种密码体系中是不可能的， 或者虽然能够推算出，但要花费很长的时间而成为不可行的，所以将加密密钥公 开也不会危害密钥的安全。
公开密钥密码体制，是现代密码学最重要的发明和进展。一般理解密码学就是保 护信息传递的机密性，但这仅仅是当今密码学的一个方面。对信息发送与接收人 的真实身份的验证，对所发出/接收信息在事后的不可抵赖以及保障数据的完整性 也是现代密码学研究的另一个重要方面。公开密钥密码体制对这两方面的问题都 给出了出色的解答，并正在继续产生许多新的思想和方案。
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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
硬件冗余设计技术
容错计算技术
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第一节 硬件表决系统
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”
硬件冗余设计技术
容错计算技术
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
硬件冗余设计技术
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
硬件冗余设计技术
容错计算技术
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
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第二节 待命储备系统
硬件冗余设计技术
容错计算技术
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第一节 硬件表决系统
三种工作方式
表决方式 直接传递方式 发散工作方式
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第一节 硬件表决系统
硬件冗余设计技术
容错计算技术
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
硬件冗余设计技术
容错计算技术
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
硬件冗余设计技术
容错计算技术
硬件冗余设计技术
容错计算技术
第一节 硬件表决系统
三模 - 单模自净系统的可靠度
硬件冗余设计技术
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
硬件冗余设计技术
容错计算技术
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
硬件冗余设计技术
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