第五章第五章 冗余技术及其应用冗余技术及其应用杨秋伟湖南大学 计算机与通信学院冗余技术概述冗余技术概述o目的n提高信息的可靠性和安全性n例如：双工、双机技术o分类n功能性冗余o静态功能冗余和动态功能冗余n结构性冗余o硬件冗余、软件冗余和时间冗余5.1 功能性冗余功能性冗余o功能性冗余的内涵和外延功能性冗余的内涵和外延n内容内容：保证系统在进行信息加工和传输过程中的正确性n目标目标：主要应用于信息冗余技术，提高信息的抗干扰能力o主要功能避免系统内部及系统之间等混乱、错误和失效n阻止不符合设计要求和规格说明的信息输入n阻止不符合设计要求和规格说明的信息输出n阻止不符合设计要求和规格说明的输入输出关系发生5.1 功能性冗余功能性冗余静态功能性冗余静态功能性冗余o输入输入/输出空间冗余输出空间冗余n数字系统的真实输入/输出域是可输入/输出域的子集合n例如例如：BCD译码器o冗余度的计算nRESI = (|UI| - |DSI|) / |UI|静态输入功能冗余度nRESO = (|UO| - |DSO|) / |UO|静态输出功能冗余度5.1 功能性冗余功能性冗余静态功能性冗余静态功能性冗余o输入输出空间关联冗余输入输出空间关联冗余nRESIO = (|UIO| - |DSIO|) / |UIO|静态输入输出关联功能冗余度n例如例如：对5个独立自然数(十进制个位数)求最小值的鉴别器o静态输入功能冗余度为0o静态输出功能冗余度为0o静态输入输出关联冗余度n输入输出空间 105 * 101 = 106n输入输出域 105n冗余度 RESIO = (106 - 105) / 106 = 90%5.1 功能性冗余功能性冗余动态功能性冗余动态功能性冗余o特征特征n不仅仅涉及输入向量和输出向量，而且考虑到输入输出向量序列n例如例如：一个四位(二进制)的向上计数器o静态观点看输入、输出空间与输入、输出域相同o动态观点n只考虑输出序列长度为3 (Qi,Qi+1,Qi+2)n输出序列(0,1,2), (1,2,3), , (14,15,0)n长度为3的输出序列的组合有 15 * 15 * 15 = 3375n冗余度 = （3375 15） / 3375 四位计数器计数脉冲输入Qi+1 = Qi+1输出5.2 结构性冗余结构性冗余o结构性性冗余的内涵和外延结构性性冗余的内涵和外延n内容内容：在系统中附加一定的重复部分n目标目标：提高可信性o主要方面主要方面n硬件系统电子元器件、部件，甚至一个完整的硬件系统n软件系统语句、符号、函数、数据以及子程序的冗余n执行时间软件或硬件的执行时间5.2 结构性冗余结构性冗余软硬件系统的结构性冗余软硬件系统的结构性冗余o主动冗余主动冗余动态冗余动态冗余n系统中某一部分(或全部)的部件数超过了所需要的数目，删除这些冗余的任何部分，系统将不能正常运行o被动冗余被动冗余静态冗余静态冗余n系统中某一部分(或全部)的部件数超过了所需要的数目，删除这些冗余部分系统可以继续正常运行o混杂冗余混杂冗余n结合了被动冗余和主动冗余的优点n成本较高，设计复杂5.2 结构性冗余结构性冗余主动冗余主动冗余o目标目标n检测系统中存在的错误(不试图定位故障)，使系统得以恢复o实例实例float total = 0.0;for(int i = 0; i memLength; i+)total = total + MEMi;total = total / (float)memLength;for(int i = 0; i memLength; i+)total = total + MEMi;5.2 结构性冗余结构性冗余主动冗余主动冗余o三个典型的主动冗余例子三个典型的主动冗余例子n带比较器的双机系统n备份系统n留守时标器5.2 结构性冗余结构性冗余主动冗余主动冗余o基本的带比较器的双机系统基本的带比较器的双机系统n组成o两个相同的系统和一个比较器M1M2输入比较器比较结果输出5.2 结构性冗余结构性冗余主动冗余主动冗余o基本的带比较器的双机系统基本的带比较器的双机系统n不足o输入错误无法检测o同步要求十分苛刻o比较部件的的可靠性是关键5.2 结构性冗余结构性冗余主动冗余主动冗余o改进的带比较器的双机系统改进的带比较器的双机系统处理器1存储器1处理器2存储器2软件比较双端存储器输出控制1输出控制2输出5.2 结构性冗余结构性冗余主动冗余主动冗余o备份系统备份系统替换系统替换系统nn个相同的模块，由一个模块担任正常运行任务，并输出结果n其它n-1个模块作为备份，或称为替换系统n一个错误检查器用来检测运行模块的错误o一旦发现错误，该运行模块停止运行，替换模块之一取代运行o备份系统分类n热备份n个模块同时运行，由输出选择器选择一个模块作为输出n冷备份只有一个模块运行，当发现错误时激活某一备份5.2 结构性冗余结构性冗余主动冗余主动冗余o备份系统备份系统M1输入错误检测器输出M2错误检测器Mn错误检测器输出选择器取一个输出值5.2 结构性冗余结构性冗余主动冗余主动冗余o留守时标器留守时标器n每个联机模块内嵌一个时标器n每隔一段时间将时标器清零o如果不能在规定时间内清零则说明该模块发生故障o将发生故障的模块切断通常与备份系统联合使用5.2 结构性冗余结构性冗余被动冗余被动冗余o目标目标n屏蔽系统中的故障和错误，将他们屏蔽在一个允许的范围内o两个实例两个实例G1G2ABZZ = A * B + B = Bj = i;k = i;mov AX, i;mov j, AX;mov AX, i;mov k, AX;5.2 结构性冗余结构性冗余被动冗余被动冗余oN模冗余技术模冗余技术并行系统作为理论基础并行系统作为理论基础nN个模块同时平行运行相同任务，将其中一个模块的输出作为系统的输出“N取1”冗余系统nN个模块同时平行运行相同任务，将其中M个模块的输出作为系统的输出“N取M”冗余系统n3模冗余系统(TMR)o三重模块o多数裁决器(majority voter)M1M2M3V输入输出5.2 结构性冗余结构性冗余被动冗余被动冗余oN模冗余技术的关键点模冗余技术的关键点n多数裁决器的可靠性n三重模块的同步性5.2 结构性冗余结构性冗余被动冗余被动冗余oN模冗余技术的关键点模冗余技术的关键点提高多数裁决器的可靠性M1M2M3V2输入输出2V1输出1V3输出3三重多数裁决器的TMR模型5.2 结构性冗余结构性冗余被动冗余被动冗余oN模冗余技术的关键点模冗余技术的关键点同步处理ABCZ一个典型的3模冗余的多数裁决器Z = AB + BC + AC带故障模块指示的TMR系统多数裁决器fa = b c a + b c afb = a c b + a c bfc = a b c + a b c5.2 结构性冗余结构性冗余被动冗余被动冗余oN模冗余技术的关键点模冗余技术的关键点同步处理一个实用的带同步装置的3模冗余多数裁决器ABCZMSMSMSSM5.2 结构性冗余结构性冗余混杂冗余混杂冗余o混杂冗余混杂冗余n主动冗余优点 + 被动冗余优点o主动冗余以检测故障为主，部分技术可以定位故障，发现故障只能报警和停机，无屏蔽故障的能力o被动冗余以屏蔽冗余为主，不能检测故障，更不能定位故障n系统复杂、设计成本高，一般只对可信性要求特别高的应用环境o典型混杂冗余系统n带备份的N模冗余、自清洗冗余、筛选冗余、故障弱化冗余、5取3(5-3)模重构冗余5.2 结构性冗余结构性冗余混杂冗余混杂冗余o带备份的带备份的N模冗余模冗余以以3模冗余为例模冗余为例n组成o一个TMR系统为核心 + K个相同模块组成的备份系统n原理oK个备份模块作为热备份等待o如果TMR核心模块运行正常，则类似普通TMRo如果核心模块中有一个模块发生故障，则通过输出反馈线送入比较检测器中，对发生故障的模块定位，并切断故障模块的输出，接入一个备份模块来替代鼓掌模块的工作o重复以上工作，直至备份模块使用完毕退化为普通TRM系统误纠现象误纠现象：两个以上模块同时发生相同错误，则错误的将正确模块切换为备份模块5.2 结构性冗余结构性冗余混杂冗余混杂冗余o带备份的带备份的N模冗余模冗余以以3模冗余为例模冗余为例逻辑电路M1M2M3S1SkV输出比较检测器三个核心模块备份模块5.2 结构性冗余结构性冗余时间冗余时间冗余o技术背景技术背景n主动冗余、被动冗余、混杂冗余都是增加一部分软/硬件资源为基础，以提高系统的可信性n在某些环境下，无法提供或不可能增加冗余的软/硬件资源，却同时希望系统具有一定的检错或容错的功能o应用环境应用环境n系统对时间因素要求并不高5.2 结构性冗余结构性冗余时间冗余时间冗余o基本时间冗余技术核心思想基本时间冗余技术核心思想n系统对同样的任务重复进行运算n对多次重复运算的结果进行比较，达到检测故障的目的第n次计算第2次计算第1次计算t0t0+tt0+nt时间t存储结果存储结果存储结果比较器错误信号5.2 结构性冗余结构性冗余时间冗余时间冗余o基本的时间冗余技术不足基本的时间冗余技术不足n无法检测永久性故障主要针对瞬时性的故障o改进的时间冗余技术改进的时间冗余技术第n次计算第1次计算t0t0+t时间t存储结果存储结果比较器停机或错误信号编码译码5.3 编码技术与应用编码技术与应用o问题的提出问题的提出n信息在处理过程中，受到器件质量问题或外界影响等发生间歇性故障甚至是瞬时性故障o元器件、设备老化或损坏o信号线的开路、闭路以及固定型故障o电磁干扰、电器噪声干扰、电源干扰o闪电、打雷等干扰n许多错误以“位”或“字”的形式出现o检/纠错编码n信息冗余技术中实施最有效、应用最广泛的技术之一5.3 编码技术与应用编码技术与应用o编码的核心原理n在有效信息中插入一定的冗余信息以提高信息的可靠性DSIABDSISiSjk位(a)无编码传输DSIABDSISiSjk + r = n位(b)有编码传输编码器译码器5.3 编码技术与应用编码技术与应用o几个基本概念几个基本概念n码向量空间o原有的固定长(例如：k位)的信息字组成的空间n码向量码字n非法码字o不在码向量空间的向量n汉明距离o两个向量对应位之间不相同的位数 DH(X,Y) = (xiyi)o最小汉明距离3位检错编码5.3 编码技术与应用编码技术与应用o几个基本概念几个基本概念n检错能力o检测码字中发生错误的能力n纠错能力o不仅能检测错误码字中发生错误的能力，而且还能定位错误的位置并纠正n汉明最小距离与检/纠错能力的关系od = e + 1：可以检测e位错误