系统的安全与可靠性

第三讲 计算机系统的可靠性与容错性
三、容错性
三机表决系统 三台主机同时运行，由表决器 (Voter)根据三 台机器的运行结果进行表决，有两个以上的机 器运行结果相同，则认定该结果为正确。通常 可靠性比双机系统要高。缺点：成本高。 当一台机器出现故障后表决已失去意义，其可 靠性甚至比不上一个双机系统。因此当三机中 坏掉一台后就当作双机备份系统来用，不再进 行表决。
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第三讲 计算机系统的可靠性与容错性
三、容错性
集群系统(Clusting) 集群系统 指均衡负载的双机或多机系统。 DEC公司最早在其 VAX系统上实现了集群技 术，多服务器集群系统的主要目的是使用户 的应用获得更高的速度、更好的平衡和通信 能力，而不仅仅是数据可靠性很好的备份系 统。集群系统对于金融、证券等大型关键业 务系统是最好选择。
四、磁盘阵列
RAID0：无冗余无校验的磁盘阵列 简单将数据分配到各个磁盘上，不提供真正容 错性。至少需要2个硬盘，可支持8/16/32个磁盘。 整个逻辑盘的数据是被分条（stripped）分布在 多个物理磁盘上，可以并行读/写，速度最快， 但无容错能力。 优点：更好地利用磁盘空间，延长磁盘寿命， 多个硬盘并行工作，提高了读写性能。 缺点：不提供数据保护，任一磁盘失效，数据 21 可能丢失，且不能自动恢复。
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四、磁盘阵列
循环奇偶校验阵列(RAID5) 优点： 校验分布在多个磁盘中，写操作可 以同时处理。为读操作提供了最优的性 能。一个磁盘失效，分布在其他盘上的 信息足够完成数据重建。 缺点：数据重建会降低读性能；每次计算 校验信息，写操作开销会增大，是一般 存储操作时间的3倍。
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第三讲 计算机系统的可靠性与容错性
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第三讲 计算机系统的可靠性与容错性
四、磁盘阵列
RAID2 示意图 输入数据流 输入数据 海明校验
磁盘阵列控制器
HCC HCC HCC HDD1
HCC HCC HCC HDD2 HDD3
HCC HCC HCC HDD4 HDD5 HDD6 HDD7
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第三讲 计算机系统的可靠性与容错性
四、磁盘阵列
计算机系统的可靠性
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第三讲 计算机系统的可靠性
一、可靠性、可用性和可维修性
可靠性（Reliability）：指从它开始运行（t=0）到某 时刻t这段时间内能够正常运行的概率。在给定的时间 间隔和给定条件下，系统能正确执行其功能的概率称 为可靠度。 平均无故障时间MTBF(Meantime Between Failures)是 指两次故障之间能正常工作的平均值。故障即可能是 元器件故障、软件故障、也可能是人为攻击造成的系 统故障。 可维修性：指计算机的维修效率，通常用平均修复时 间（MTRF）来表示。MTRF是指从故障发生到系统恢 复平均所需要的时间。
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第三讲 计算机系统的可靠性与容错性
一、可靠性、可用性和可维修性
可维修性有时用可维修度来度量。在给定时间内，将 一失效系统恢复到运行状态的概率称为可维修度。 可用性（Availability）：系统在执行任务的任意时刻 能正常工作的概率。系统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。 A = MTBF / (MTBF + MTRF) ，即： A =平均无故障时间/ (平均无故障时间+平均修复时间)
四、磁盘阵列
例如:RAID系统。部件级容错 IDE EIDE SCSI DAC
Integrated Device Electronics 集成设备电路仅支持2个盘 增强型IDE接口可支持4个盘
7/15个盘
小型计算机系统接 口可支持多个盘
DAC磁盘阵列控制器可支持多 分组多个磁盘
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第三讲 计算机系统的可靠性与容错性
第三讲 计算机系统的可靠性与容错性
四、磁盘阵列
RAID0 示意图 输入数据流 输入数据
磁盘阵列控制器 并行传输
HDD1
HDD2
HDD3
HDD4
HDD5
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第三讲 计算机系统的可靠性与容错性
四、磁盘阵列
镜象磁盘阵列(RAID1) 每一组盘至少两台，数据同时以同样的方式写到两 个盘上，两个盘互为镜象。磁盘镜象可以是分区镜象、 全盘镜象。容错方式以空间换取，实施可以采用镜象 或者双工技术。主要用在对数据安全性要求很高，而 且要求能够快速恢复被损坏的数据的场合。 优点：具有最高可靠性，策略简单，恢复数据时不必 停机。 缺点：有效容量只有总容量的1/2，利用率50%。由 于磁盘冗余，成本较高。
RAID3 示意图 输入数据流 输入数据
磁盘阵列控制器
奇偶校验
parity parity HDD1 HDD2 HDD3 HDD4 HDD5
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第三讲 计算机系统的可靠性与容错性
四、磁盘阵列
RAID4 示意图 输入数据流 输入数据 Secter交叉 交叉
磁盘阵列控制器
奇偶校验
parity parity parity HDD1 HDD2 HDD3 HDD4 HDD5
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第三讲 计算机系统的可靠性与容错性
一、可靠性、可用性和可维修性
提高可靠性的方法： 完美性（perfection）：提高软硬件的质量，抵 御故障的发生。追求一种避错技术。要求各个 部件具有高可靠性， 容错性（Fault Tolerance）：在故障发生时，系 统仍能继续运行，提供服务与资源。这就是所 说的“容错能力”。
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第三讲 计算机系统的可靠性与容错性
系统可靠性的获得 可靠性 ┌──────┴──────┐ 容错性 │ 冗余技术─┬硬件冗余 (redundancy)├软件冗余 | | | └信息冗余 完美性 ┌───┴───┐ 完美硬件 完美软件 │ ├整机完美性 └器件完美性
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├部件完美性 可信软件
系统可靠性的获得
第三讲 计算机系统的可靠性与容错性
三、容错性
3.信息冗余：为检测或纠正信息在运算或传输中 的错误而外加的一部分信息。在通信和计算机 系统中 ,信息常以编码的形式出现。采用奇偶码、 循环码等冗余码就可检错和纠错。 4．时间冗余：例如检查点 (Check-Point)就属于 时间冗余的一种，机器运行的某一时刻称作检 查点，此时检查系统运行的状态被存储起来。 一旦发现运行故障，就返回到最近一次正确的 检查点重新运行。
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四、磁盘阵列
RAID：Redundant Array of Independent （ 或 Inexpensive ） Disks，“独立（廉价）冗余磁盘阵 列”。是由加州大学伯克利分校Patterson在1988年 提出。RAID——将一组磁盘驱动器逻辑上联系起来， 作为一个磁盘驱动器来使用。 作为一种数据保存手段，RAID提供了专用服务器中 接入多个磁盘（专指硬盘）时，以磁盘阵列方式组 成一个超大容量、响应速度快、可靠性高的存储子 系统。以冗余技术增加其可靠性，以多个低成本磁 盘构成磁盘子系统，提供比单一硬盘更完备的可靠 性和高性能，RAID被广泛地应用在服务器体系中。
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第三讲 计算机系统的可靠性与容错性
三、容错性
双机热备份 传统的高可靠性系统采用双机热备份方案。两 台服务器都处于热机状态，如果一台服务器坏 了，另一台服务器可以将所有的业务接管过来。 两种工作方式： Online方式：两台服务器都在工作，分别担负 不同的任务，均衡负载。成本大，管理难 。 Standby方式：备份机不工作，只是监测作业机 的工作状况。缺点：服务器之间切换时间较长。 12
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第三讲 计算机系统的可靠性与容错性
三、容错性
容错系统工作方式 1.自动侦测：运行中自动地通过专用的冗余侦测线 路和软件判断系统运行情况，检测冗余系统各冗余 单元是否存在故障。 2.自动切换：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，还接管预先设 定的后备作业程序，进行后续程序及服务。 3.自动恢复：故障主机被替换后，进行故障隔离， 离线故障修复。修复后通过冗余通信线与正常主机 连线，继而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。
四、磁盘阵列
RAID5 示意图 输入数据流 输入数据
磁盘阵列控制器
奇偶校验
parity parity HDD1 HDD2 HDD3 parity HDD4 HDD5
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四、磁盘阵列
其它形式的磁盘阵列（按照校验方式不同划分） RAID2：并行海明纠错阵列 RAID3：奇偶校验并行位交错阵列 RAID4：奇偶校验扇区交错阵列 RAID6：二维奇偶校验阵列 RAID7：优化的高速数据传送磁盘结构
| 静态冗余（部件冗余） 动态重组 |--被动重组（后备 stand-by） |--主动重组（优美降级 graceful degradation）
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第三讲 计算机系统的可靠性与容错性
二、完美性
1、硬件的可靠性与完美性 提高可靠性，可以通过元器件的精选、严格的 工艺、精心的设计来实现。系统应尽量不出故 障，一旦出故障，系统则失效。这种设计是以 系统“不出故障”为前提的，故称为“避错设 计”。 2、软件的可靠性与完美性 一般采用统计方式来衡量。在规定的时间周期 内在给定条件下执行所要求的功能的程序的能 力。
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三、容错性
2.软件冗余 目的：提供足够的冗余信息和程序，使得能 及时发现编程错误，采取补救措施，提高可 靠性。 增加程序，一个程序分别用几种途径编写， 按一定方式执行，分段或多种表决。 程序由不同的人独立设计，使用不同的方法， 不同的设计语言，不同的开发环境和工具来 实现。 15
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第三讲 计算机系统的可靠性与容错性
三、容错性
数据备份 数据容错的策略就是数据备份，指的是将 计算机系统中硬磁盘上的一部分数据转到可脱 机保存的介质 (如磁带、软磁盘和光盘 )上 。 备份的策略有三种： 完全备份 增量备份 差分备份。
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第三讲 计算机系统的可靠性与容错性
三、容错性
双CPU容错系统 容错系统 当一个 CPU板出现故障时，另一个 CPU保持继 续运行。这个过程对用户是透明的，系统没有 受到丝毫影响，更不会引起交易的丢失，充分 保证数据的一致性和完整性。系统的容错结构 能够提供系统连续运行的能力，任何单点故障 不会引起系统停机，系统提供在线的维护诊断 工具可在应用继续运转的情况下修复单点故障。
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第三讲 计算机系统的可靠性与容错性
四、磁盘阵列
RAID1 示意图 输入数据流 输入数据
磁盘阵列控制器 并行传输 工作盘 镜像盘 工作盘 镜像盘
HDD1
HDຫໍສະໝຸດ Baidu2
HDD3
HDD4
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第一组镜象
第二组镜象
四、磁盘阵列
循环奇偶校验阵列(RAID5) RAID5是无独立校验盘的奇偶校验磁盘阵 列。校验数据不固定在一个磁盘上，而 是循环地依次分布在不同的磁盘上。校 验信息分布在各个磁盘驱动器上。RAID5 对各种大小数据量的读写都有很好的性 能，是目前采用最多、最流行的方式， 至少需要3个硬盘。
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三、容错性
1、容错系统的概念 、 容错技术：在一定程度上容忍故障的技术。也 称为故障掩盖技术(fault masking)。 容错系统：采用容错技术的系统。 容错主要依靠冗余设计来实现，以增加资源换 取可靠性。由于资源的不同，冗余技术分为硬 件冗余、软件冗余、时间冗余和信息冗余。可 以是元器件级、部件级的、系统级的冗余设计。 在可靠性与资源消耗之间折衷、权衡。
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第三讲 计算机系统的可靠性与容错性
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第三讲 计算机系统的可靠性与容错性
四、磁盘阵列
RAID的优点 1．成本低，功耗小，传输速率高。在 RAID中，可以让很多磁盘驱动器同时传输数 据，远远超过单个磁盘驱动器。 2．提供容错功能，因而具有更高的安全 性。 3． RAID与传统的大直径磁盘驱动器相 比，价格要低？
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第三讲 计算机系统的可靠性与容错性
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第三讲 计算机系统的可靠性与容错性
三、容错性
1 硬件冗余： 增加线路、设备、部件，形成备份 堆积冗余：在逻辑域可采用多数表决方案。自动恢复。 待命储备冗余：该系统中多个模块，其中只有一块处 于工作状态，其余块都处于待命接替状态。当有一个 模块发生故障时，立刻将其切除，并代之以无故障待 命模块。 混合冗余：堆积冗余和待命储备冗余的结合。