8.1.1. Апаратне резервування

Розрiзняють два основних способи з'єднань елементiв в систему: по­слiдовне (основне) i паралельне (резервне).

З'єднання елементiв називається послiдовним, якщо вiдмова хоча б од­ного елемента приводить до вiдмови всiєї системи.

Система послiдовно з'єднаних елементiв працездатна тодi i тiльки тодi, коли працездатнi всi її елементи. Елементи такої системи називаються ос­новними. Структурна схема системи з послiдовно з'єднаними елементами подана на рисунку 8.2.

79

 

Рис. 8.2. Послідовне з'єднання елементів.

З'єднання елементiв в систему називається паралельним (резервним), якщо вiдмова в системi наступає тiльки пiсля вiдмови всiх елементiв. Таким чином, системи з паралельним включенням елементiв володiють структур­ною надлишковiстю, що забезпечує пiдвищення надiйностi. Спосiб пiдвищення надiйностi за рахунок введення структурної надлишковостi на­зивається резервуванням.

При правильному виборi способу резервування надiйнiсть, в загально­му, збiльшується, але при цьому збiльшуються зусилля на обслуговування, перевiрку i профiлактику, оскiльки потiк вiдмов елементiв збiльшується за рахунок збiльшення числа елементiв. Ввiд надлишковостi за рахунок дода­ткових функцiональних зв'язкiв збiльшує надiйнiсть, але цьому процесу протирiчить процес зменшення надiйностi за рахунок безпосереднього збiльшення об'єму апаратури. Тому необхiдне таке проектування, яке в ре­зультатi забезпечило б суттєве пiдвищення надiйностi всього виробу.

В резервованiй системi розрiзняють основний елемент i резервнi елеме­нти, якi пiдключенi паралельно основному i беруть на себе функцiї основ­ного елемента в разi вiдмови (рисунок 8.3).

 

Рис. 8.3. Паралельне (резервне) з'єднання елементів

Основним параметром резервування є його кратнiсть m -вiдношення чи­сла резервних елементiв до числа основних. Кратнiсть резервування може бути цiлою i дробовою. Резервування називається загальним, якщо резерву­ється вся система. Наприклад, структурна схема системи з загальним резер-

80

вуванням, де резервується основна вiтка, що мiстить n елементiв подана на рисунку 8.4. Число резервних вiток m, кратнiсть резервування m.

 

Рис. 8.4. Схема загального резервування

Резервування називається поелементним, якщо резервуються окремо елементи системи (рисунок 8.5). Поелементне резервування порiвняно з за­гальним має ряд переваг:

•        дозволяє отримати вищу надiйнiсть;

•        є можливiсть резервувати диференцiйовано "слабi мiсця" шляхомподальшого поділу пiдсистем;

•        при застосуваннi невеликих додаткових апаратних   затрат можнаввести iндикацiю вiдмов, що суттєво спрощує пошук несправностей.

 

Рис. 8.5. Схема поелементного резервування

Для кожного типу апаратури є свiй оптимальний (з точки зору надiйностi) рiвень резервування. Виграш в надiйностi оцiнюється вiдношенням ймовiрностей вiдмов нерезервованої й резервованої апаратури.

Реальнi системи часто мають змiшану структуру з'єднання елементiв, тобто складаються з пiдсистем, що мiстять рiзну кiлькiсть послiдовних i па­ралельних елементiв.

81

За способом включення резервних елементiв розрiзняють постiйне резе­рвування i резервування замiсництвом. При постiйному резервуваннi ре­зервнi елементи пiдключаються до основних протягом всього часу роботи i знаходяться в однаковому з ними режимi. У випадку вiдмови одного еле­мента його функцiї продовжує виконувати iнший. При резервуваннi замiсництвом резервнi елементи пiдключаються на мiсце основного пiсля його вiдмови i приймають на себе його функцiї.

Постiйне резервування iнакше називають "гарячим", резервування замiсництвом — "холодним".

При побудовi схеми резервування необхiдно також враховувати на­ступнi моменти:

•        при постiйному резервуваннi резервний елемент витрачає свiй ре­сурс неперервно;

•        пiдключення резервних елементiв може здiйснюватись вручну абоавтоматично;

•        можливi рiзнi поєднання методiв резервування;

•        рекомендується резервування замiсництвом застосовувати на рiвнiвеликих конструктивних одиниць (наприклад, на рiвнi блокiв) або систем, апостiйне резервування — на рiвнi елементiв i деталей.

При включеннi резерву замiсництвом резервнi елементи до моменту включення їх в роботу можуть знаходитися в рiзних режимах: в режимi на­вантаженого резерву, коли умови роботи резервних елементiв спiвпадають з умовами роботи основних елементiв; в режимi ненавантаженого резерву, коли умови роботи резервних елементiв такi, що їх ресурси практично по­чинають використовуватись тiльки пiсля включення їх на мiсце основного. Можливий промiжний полегшений режим роботи резервних елементiв, ко­ли резервнi елементи знаходяться в станi недовантаження, при цьому їх ре­сурси в станi резерву витрачаються повiльнiше, нiж в станi роботи.

Особливе значення для пiдвищення надiйностi передачi iнформацiї по каналах зв'язку i надiйностi обчислювальних комплексiв має резервування мажоритарне (з використанням "голосування"). Цей спосiб оснований на використаннi додаткового елемента, який називається мажоритарний або логiчний, або кворум-елемент. Вiн дозволяє вести порiвняння сигналiв, якi поступають вiд елементiв, що виконують одну i ту ж функцiю.

Резервування по принципу голосування "два з трьох" — будь-якi два спiвпадаючi результати з трьох вважаються iстинними i проходять на вихiд пристрою. Можна використовувати спiввiдношення три з п'яти та iнш. Го­ловною перевагою цього способу є забезпечення пiдвищення надiйностi при будь-яких видах вiдмов працюючих елементiв i пiдвищення до­стовiрностi iнформацiйно-логiчних пристроїв.

82

За навантаженістю резервних елементів резервування поділяється на та­кі види:

1. Навантажене резервування — коли резервний елемент знаходиться втому ж режимі, що й основний елемент.

2.        Недовантажене резервування — коли резервний елемент знаходитьсяв менш навантаженому режимі, ніж основний елемент.

3.        Ненавантажене резервування — коли резервний елемент не несе нава­нтаження (вимкнутий).

4.        Резервування із змінним навантаженням — коли резервний елемент упевні моменти часу може знаходитись в одному із заданих станів (наванта­женому, полегшеному, ненавантаженому).

Сучасні сервери підтримують можливість встановлення надлишкових або резервних пристроїв і автоматичної передачі повноважень справному пристрою від іншого, який відмовив. Надлишково можуть бути встановлені джерела живлень, вентилятори, мережеві адаптери, центральні процесори, жорсткі диски та інші компоненти. Для забезпечення неперервної роботи використовуються інтерфейси з можливістю заміни компонент без зупинки системи.

Апаратна надлишковість суттєво підвищує вартість системи, проте ймо­вірність втрати даних та простоїв системи значно зменшується.