Структурное резервирование. 
Информационные системы и технологии. 
Теория надежности

По способу включения резерва резервирование разделяется на постоянное и резервирование замещением. При постоянном резервировании резервные объекты подключены к нагрузке постоянно в течение всего времени работы и находятся в одинаковых с основными объектами условиях потенциального отказа. При резервировании замещением резервные элементы подключаются к работе (подключаются к нагрузке) по мере отказов основных элементов.

В зависимости от способа подключения резерва, его состояния и кратности структурное резервирование может быть общим и раздельным, с постоянно включенным резервом, с целой и дробной кратностью. Эта классификация структурного резервирования приведена в табл. 3.1 [2].

Таблица 3.1

Структурное резервирование

Моделью с параллельным соединением постоянно включенных элементов представима вычислительная система кластерной архитектуры, в которой производится распределение вычислительной нагрузки на всю совокупность вычислительных узлов, если система может функционировать при исправности хотя бы одного элемента (минимальное количество необходимых для функционирования элементов соответствует числу основных элементов). При общем числе элементов п (из которых соответственно п — 1 относятся к резервным, а один является основным) в этом случае кратность резервирования системы будет т = (п — 1)/1.

Структура постоянного резервирования элемента с целой и с дробной кратностью представлены на рис. 3.1, а и 6 (основные элементы: О_р 0₂,О_п и резервные: Р, Р₂,…, Р").

Модель постоянного резервирования с дробной кратностью соответствует вычислительной системе кластерной архитектуры, скомпонованной из п числительных узлов (элементов), в которых имеется нижнее ограничение на число работоспособных вычислительных узлов g, определяемое из соображений условия стационарности режима обслуживания поступающих в кластер запросов. Таким образом, кратность резервирования рассматриваемого кластера будет М = (п — g)/g.

Схемы постоянного общего и поэлементного (раздельного) резервирования представлены на рис. 3.2 а и б.

Схема общего резервирования с постоянным включением резерва представляет модель надежности многомашинной вычислительной системы.

Рис. 3.1. Структура постоянного резервирования элемента с целой и дробной кратностью.

Рис. 3.2. Схема постоянного общего и поэлементного (раздельного).

резервирования.

(кластера) в предположении ее работоспособности при работоспособности хотя бы одной вычислительной машины из т + 1 входящих в ее состав вычислительных машин. Все ВМ (одна основная и т резервных) идентичны и укомплектованы одинаковым набором узлов (процессором, оперативной памятью, накопителем на жестких магнитных дисках, блоком питания, сетевым адаптером и системной магистралью и др.).

Каждая из т + 1 вычислительных машин работоспособна при работоспособности всех входящих в ее состав перечисленных узлов. Поступающие в кластер запросы могут быть приняты на обслуживание любой ВМ.

Схема поэлементного резервирования с постоянным включением резерва представляет модель надежности многомашинной вычислительной системы (кластера), укомплектованной п типами специализированных вычислительных узлов, каждый из которых предназначен для выполнения функциональных запросов определенного типа, при этом узлы г-го типа резервируются с кратностью m_j} i= 1,2,…, п. Система работоспособна, если исправен хотя бы один узел каждого типа.

К схеме поэлементного резервирования с постоянным включением резерва сводится структура многоуровневой компьютерной системы кластерной архитектуры с резервированием узлов на каждом уровне при условии, что на каждом уровне функционирование должен сохранить хотя бы один узел. Многоуровневый кластер может содержать уровни: коммутаторов локальной сети, серверов, коммутаторов связи серверов с узлами хранения, а также уровень узлов хранения.

Системы поэлементного резервирования с постоянным включением резервных элементов характеризуются отсутствием издержек времени на переключение резерва, но при этом резервные элементы отказывают с той же интенсивностью, что и основные элементы, даже в случае их неиспользования для решения функциональных задач, возлагаемых на систему. Кроме того, постоянное включение резерва сопряжено с дополнительными нерациональными издержками электропотребления.

Следует заметить, что резервирование при постоянном включении резервных радиоэлектронных элементов (резисторов, конденсаторов и др.) но мере накопления отказов может повлечь изменение характеристик электрической схемы. Так, суммарная емкость параллельно соединенных конденсаторов отличается от емкости одного конденсатора, причем она изменяется при каждом отказе элементов. Для резервирования с постоянным включением радиоэлектронных элементов электрические характеристики схемы могут меняться, в результате чего может меняться интенсивность отказов элементов схемы.

Схема резервирования элемента замещением представлена на рис. 3.3. Схема общего и поэлементного резервирования замещением проиллюстрирована на рис. 3.4, а и б. Схема резервирования замещением с дробной кратностью представлена на рис. 3.5.

Рис. 3.3. Схема резервирования элемента замещением.

Рис. 3.4. Схема общего (я) и поэлементного (б) резервирования замещением.

Рис. 3.5. Схема резервирования замещением с дробной кратностью.

При резервировании замещением вся функциональная нагрузка возлагается па основной элемент, подключение резервного осуществляется после отказа основного элемента. Особенность резервирования замещением заключается в возможности применения облегченного и ненагруженного резерва. При ненагруженном резерве электропитание от резервных элементов отключается, что предполагает отсутствие их отказов. При облегченном резерве электропитание к резервированным элементам может быть подключено, но вычислительная нагрузка на них не подается, в результате интенсивность отказов резервных элементов может быть ниже, чем основных.

Следует заметить, что резервирование замещением в вычислительных системах приводит к простоям дорогостоящего оборудования, к снижению пропускной способности системы и к увеличению задержек обслуживания запросов. Кроме того, оно требует временных издержек на реконфигурацию, включающих потери времени на подключение резерва и на загрузку данных и программ, необходимых для реализации (восстановления) вычислительного процесса на подключаемых при реконфигурации узлах [2].

Для подключения резервных элементов требуется реализация переключателя и системы контроля и, в некоторых случаях, устройства управления переключением, ненадежность, весогабаритные характеристики и стоимость которых могут поставить под вопрос целесообразность резервирования замещением. Оно может быть эффективно в системах энергосбережения, в том числе в бортовых и встраиваемых системах, для которых энергопотребление является критичным.

Схема и эффективность резервирования вычислительных систем во многом определяется организацией вычислительного процесса, в том числе по обслуживанию потока запросов.

Например, дублированные вычислительные комплексы в зависимости от решаемых ими прикладных задач могут иметь различную организацию вычислительного процесса, в том числе систему:

• • дублированных вычислений, когда каждый запрос выполняется в двух машинах с контролем на основе сравнения результатов, что приводит к повышению достоверности вычислений;
• • динамического разделения нагрузки, когда поступающий запрос направляется на выполнение в одну из машин, а в случае отказа одной из машин сохранившая работоспособность машина обслуживает весь поток;
• • статического разделения нагрузки, когда поступающий запрос направляется на выполнение в одну конкретную машину, заранее определенную для его обслуживания. В случае отказа одной из машин сохранившая работоспособность машина обслуживает весь поток;
• • параллельной обработки запросов, когда ресурсы двух машин объединяются для совместного обслуживания запроса, например в результате распараллеливания вычислительного процесса;
• • незагруженного резервирования, когда одна из машин обслуживает весь поток, а вторая, например с целью энергосбережения, отключена.

Дублирование вычислительного процесса реализуется с целью организации контроля функционирования путем сравнения результатов дублированных вычислений в контрольных точках. Оно может реализовываться с целью ускорения переключения на резервный узел после обнаружения отказа, так как в последнем содержатся все результаты вычислений до момента обнаружения рассогласования результатов. Такое решение позволяет избежать потери времени на перекачку информации из основного в дублированный узел, которая, более того, при определенных отказах может быть нереализуема, например при обрыве системной магистрали одной из вычислительных машин.

Приведенные случаи относятся к резервированию (дублированию) с целой кратностью т = 1.

Рассмотрим случай, когда по условию применения двухмашинной вычислительной системы с целью обеспечения безопасности функционирования обязательно требуется организация дублированного вычислительного процесса при сравнении результатов и повторении вычислений в случае их несогласования (несовпадения при сравнении). Если работа одной вычислительной машины недопустима из требований безопасности и достоверности, то любой отказ системы приводит к нарушению функционирования, и, таким образом, рассматриваемый двухмашинный вычислительный комплекс является нерезервированным.

Схема мажоритарного резервирования приведена на рис. 3.6, а_у а с учетом детализации структуры мажоритарного элемента (схемы мажоритарной логики) — на рис. 3.6, б.

Рис. 3.6. Схема мажоритарного резервирования

При мажоритарном резервировании результат формируется по большинству на основе логической схемы мажоритарной логики (кворум-элемент, восстанавливающий орган). Схема мажоритарного элемента входит во многие наборы микросхем. Для однозначности решения используется нечетное число элементов (три или пять). Схема трехканального мажоритарного элемента входит во многие серии микросхем (например, в серию К155). На рис. 3.6, 6 дан пример реализации трехканальной мажоритарной схемы на основе логических элементов «И», «ИЛИ», при выполнении логической функции Z = (х_{ А Х₂) V (х₂ A Х₃) V (х_{ А Х₃).

Трехканальный мажоритарный элемент позволяет реализовать резервирование устойчивости схемы к однократному отказу, а пятиканальный — к двукратному отказу.

Структурное резервирование может представляться комбинацией рассмотренных вариантов, при этом возможна структура резервирования, не соответствующая параллельно-последовательному представлению структурной модели надежности.