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1、第五章 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,目的提高信息的可靠性和安全性例如：双工、双机技术分类功能性冗余静态功能冗余和动态功能冗余结构性冗余硬件冗余、软件冗余和时间冗余,5.1 功能性冗余,功能性冗余的内涵和外延内容：保证系统在进行信息加工和传输过程中的正确性目标：主要应用于信息冗余技术，提高信息的抗干扰能力主要功能避免系统内部及系统之间等混乱、错误和失效阻止不符合设计要求和规格说明的信息输入阻止不符合设计要求和规格说明的信息输出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 功能性冗余静态功能性冗余,输入/输出空间冗余数字系统的真实输入/输出域是可输入
2、/输出域的子集合例如：BCD译码器冗余度的计算RESI=(|UI|-|DSI|)/|UI|静态输入功能冗余度RESO=(|UO|-|DSO|)/|UO|静态输出功能冗余度,5.1 功能性冗余静态功能性冗余,输入输出空间关联冗余RESIO=(|UIO|-|DSIO|)/|UIO|静态输入输出关联功能冗余度例如：对5个独立自然数(十进制个位数)求最小值的鉴别器静态输入功能冗余度为0静态输出功能冗余度为0静态输入输出关联冗余度输入输出空间 105*101=106输入输出域 105冗余度 RESIO=(106-105)/106=90%,5.1 功能性冗余动态功能性冗余,特征不仅仅涉及输入向量和输出向量
3、，而且考虑到输入输出向量序列例如：一个四位(二进制)的向上计数器静态观点看输入、输出空间与输入、输出域相同动态观点只考虑输出序列长度为3(Qi,Qi+1,Qi+2)输出序列(0,1,2),(1,2,3),(14,15,0)长度为3的输出序列的组合有 15*15*15=3375冗余度=（3375 15）/3375,5.2 结构性冗余,结构性性冗余的内涵和外延内容：在系统中附加一定的重复部分目标：提高可信性主要方面硬件系统电子元器件、部件，甚至一个完整的硬件系统软件系统语句、符号、函数、数据以及子程序的冗余执行时间软件或硬件的执行时间,5.2 结构性冗余软硬件系统的结构性冗余,主动冗余动态冗余系统
4、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被动冗余静态冗余系统中某一部分(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混杂冗余结合了被动冗余和主动冗余的优点成本较高，设计复杂,5.2 结构性冗余主动冗余,目标检测系统中存在的错误(不试图定位故障)，使系统得以恢复实例,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+
5、MEMi;,5.2 结构性冗余主动冗余,三个典型的主动冗余例子带比较器的双机系统备份系统留守时标器,5.2 结构性冗余主动冗余,基本的带比较器的双机系统组成两个相同的系统和一个比较器,5.2 结构性冗余主动冗余,基本的带比较器的双机系统不足输入错误无法检测同步要求十分苛刻比较部件的的可靠性是关键,5.2 结构性冗余主动冗余,改进的带比较器的双机系统,5.2 结构性冗余主动冗余,备份系统替换系统n个相同的模块，由一个模块担任正常运行任务，并输出结果其它n-1个模块作为备份，或称为替换系统一个错误检查器用来检测运行模块的错误一旦发现错误，该运行模块停止运行，替换模块之一取代运行备份系统分类热备份n
6、个模块同时运行，由输出选择器选择一个模块作为输出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 结构性冗余主动冗余,备份系统,5.2 结构性冗余主动冗余,留守时标器每个联机模块内嵌一个时标器每隔一段时间将时标器清零如果不能在规定时间内清零则说明该模块发生故障将发生故障的模块切断通常与备份系统联合使用,5.2 结构性冗余被动冗余,目标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两个实例,5.2 结构性冗余被动冗余,N模冗余技术并行系统作为理论基础N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N个模块同时平行运行相同任务，将其中M个模块的输出作
7、为系统的输出“N取M”冗余系统3模冗余系统(TMR)三重模块多数裁决器(majority voter),5.2 结构性冗余被动冗余,N模冗余技术的关键点多数裁决器的可靠性三重模块的同步性,5.2 结构性冗余被动冗余,N模冗余技术的关键点提高多数裁决器的可靠性,5.2 结构性冗余被动冗余,N模冗余技术的关键点同步处理,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 c,5.2 结构性冗余被动冗余,N模冗余技术的关键点同步处理,5.2 结构性冗余混杂冗余,混杂冗余主动冗余优点+被动冗余优点主动冗余以检测故障为主，部分技术可以定位
8、故障，发现故障只能报警和停机，无屏蔽故障的能力被动冗余以屏蔽冗余为主，不能检测故障，更不能定位故障系统复杂、设计成本高，一般只对可信性要求特别高的应用环境典型混杂冗余系统带备份的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 结构性冗余混杂冗余,带备份的N模冗余以3模冗余为例组成一个TMR系统为核心+K个相同模块组成的备份系统原理K个备份模块作为热备份等待如果TMR核心模块运行正常，则类似普通TMR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重复以上工作，直
9、至备份模块使用完毕退化为普通TRM系统,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 结构性冗余混杂冗余,带备份的N模冗余以3模冗余为例,5.2 结构性冗余时间冗余,技术背景主动冗余、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应用环境系统对时间因素要求并不高,5.2 结构性冗余时间冗余,基本时间冗余技术核心思想系统对同样的任务重复进行运算对多次重复运算的结果进行比较，达到检测故障的目的,5.2 结构性冗余时间冗余,基本的时间冗余技术不足无
10、法检测永久性故障主要针对瞬时性的故障改进的时间冗余技术,5.3 编码技术与应用,问题的提出信息在处理过程中，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元器件、设备老化或损坏信号线的开路、闭路以及固定型故障电磁干扰、电器噪声干扰、电源干扰闪电、打雷等干扰许多错误以“位”或“字”的形式出现检/纠错编码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,编码的核心原理在有效信息中插入一定的冗余信息以提高信息的可靠性,5.3 编码技术与应用,几个基本概念码向量空间原有的固定长(例如：k位)的信息字组成的空间码向量码字非法码字不在码向量空间的向量汉明距离两个向量对应位之间不相同的位数 DH(X,Y)=(xiyi)最小汉明距离3位检错编码,5.3 编码技术与应用,几个基本概念检错能力检测码字中发生错误的能力纠错能力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汉明最小距离与检/纠错能力的关系d=e+1：可以检测e位错误,
