計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的容錯(cuò)技術(shù)方法

　　1.3 信息容錯(cuò)技術(shù)

　　信息容錯(cuò)技術(shù)是通過(guò)在數(shù)據(jù)中附加冗余的信息位來(lái)達(dá)到故障檢測(cè)和容錯(cuò)的目的。通常情況下，附加的信息位越多，其檢錯(cuò)糾錯(cuò)的能力就越強(qiáng)，但是這同時(shí)也增加了復(fù)雜度和難度。信息冗余最常見(jiàn)的有檢錯(cuò)碼和糾錯(cuò)碼。檢錯(cuò)碼只能檢查出錯(cuò)誤的存在，不能改正錯(cuò)誤，而糾錯(cuò)碼能檢查出錯(cuò)誤并能糾正錯(cuò)誤。常用的檢錯(cuò)糾錯(cuò)碼有奇偶校驗(yàn)碼、海明碼、循環(huán)碼等。

　　1.4 軟件容錯(cuò)技術(shù)

　　由于硬件系統(tǒng)的故障主要來(lái)自生產(chǎn)和使用階段，因此容錯(cuò)可以通過(guò)相同部件的重復(fù)，即相同資源的累積設(shè)置來(lái)實(shí)現(xiàn)；而軟件故障主要來(lái)自說(shuō)明、設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)階段，因此程序的簡(jiǎn)單重復(fù)不能實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)，它只能防止硬件損壞或者環(huán)境干擾等引起的物理性故障，而不能防止軟件本身缺陷造成的故障。實(shí)現(xiàn)軟件容錯(cuò)的基本方法，是將若干個(gè)根據(jù)同一需求說(shuō)明編寫(xiě)的不同程序（即多版本程序），在不同空間同時(shí)運(yùn)行，然后在每一個(gè)設(shè)置點(diǎn)通過(guò)表決或接收測(cè)試進(jìn)行表決。

　　最基本的軟件容錯(cuò)技術(shù)是Algirdas Avizienis提出的基于靜態(tài)冗余的N版本編程方法和B. Randell提出的基于動(dòng)態(tài)冗余的恢復(fù)塊技術(shù)。

　　1.4.1 軟件的相異性設(shè)計(jì)

　　對(duì)于軟件容錯(cuò)，考慮的重點(diǎn)是軟件設(shè)計(jì)的相異性和版本的獨(dú)立性。軟件的相異性設(shè)計(jì)是為了防止由于軟件發(fā)生共性故障而采用的一種設(shè)計(jì)方法。軟件設(shè)計(jì)時(shí)的共性越小，出現(xiàn)相同故障的概率也就越小，容錯(cuò)性能就越強(qiáng)。

　　相異性設(shè)計(jì)要求，對(duì)于同一需求說(shuō)明的軟件功能，不同的研發(fā)設(shè)計(jì)人員及不同的研發(fā)設(shè)計(jì)小組對(duì)于這同一功能的軟件設(shè)計(jì)禁止談?wù)摵蜏贤?，在不同的環(huán)境空間中獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)；另外，還要求軟件設(shè)計(jì)的多樣性，如采取不同的設(shè)計(jì)方法、開(kāi)發(fā)工具、編程語(yǔ)言、編譯器、算法等。在航空航天、核電站控制以及鐵路交通的控制等對(duì)軟件的可靠性要求很高的場(chǎng)合，軟件的相異性設(shè)計(jì)可以有效提高軟件的容錯(cuò)能力和軟件的可靠性，對(duì)提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性有很重要的作用。

　　1.4.2 軟件容錯(cuò)的基本結(jié)構(gòu)

　　軟件容錯(cuò)的基本結(jié)構(gòu)有兩種：

　　一種是NVP（NVersion Programming）結(jié)構(gòu)（多版本編程設(shè)計(jì)），這種結(jié)構(gòu)方法是Algirdas Avizienis于1977年在參考文獻(xiàn)[6]中提出的，它是一種靜態(tài)冗余方法，其基本的設(shè)計(jì)思想是用N個(gè)具有同一功能而采用不同編程方法的程序執(zhí)行一項(xiàng)運(yùn)算，其結(jié)果通過(guò)多數(shù)表決器輸出。NVP系統(tǒng)中的多版本是指根據(jù)同一需求說(shuō)明由不同的設(shè)計(jì)人員或由不同的設(shè)計(jì)方法、開(kāi)發(fā)工具、編程語(yǔ)言等開(kāi)發(fā)的具有同一功能的軟件版本，即所謂的版本設(shè)計(jì)的相異性。這種容錯(cuò)結(jié)構(gòu)方法有效避免了由于軟件共性故障所造成的系統(tǒng)出錯(cuò)，提高了軟件的可靠性。NNP結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 NVP結(jié)構(gòu)

　　另一種是RB（Recovery Block，恢復(fù)快結(jié)構(gòu)），它是Randell于1975年在參考文獻(xiàn)[7]中提出的一種的軟件容錯(cuò)技術(shù)，它是一種動(dòng)態(tài)冗余方法。在RB結(jié)構(gòu)中，有主程序塊和一些備用程序塊構(gòu)，這里的主程序塊和備用程序塊采用不同編程方法但具有相同的功能。每個(gè)主程序塊都可以用一個(gè)根據(jù)同一需求說(shuō)明設(shè)計(jì)的備用程序塊替換。首先運(yùn)行主程序塊，然后進(jìn)行接收測(cè)試，如果測(cè)試通過(guò)則將結(jié)果輸出給后續(xù)程序，否則調(diào)用第一個(gè)備用塊，依次類(lèi)推，在N個(gè)備用程序塊替換完后仍沒(méi)有通過(guò)測(cè)試，則要進(jìn)行故障處理。RB結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 RB結(jié)構(gòu)

　　其他的軟件容錯(cuò)結(jié)構(gòu)都是基于這兩個(gè)基本結(jié)構(gòu)而來(lái)的，例如NVPP（多版本階段程序設(shè)計(jì)）,它要求程序的版本運(yùn)行分多個(gè)階段進(jìn)行，而且每個(gè)階段運(yùn)行的程序都包括適當(dāng)?shù)陌姹緮?shù)量。運(yùn)行一個(gè)階段后，要通過(guò)表決程序來(lái)對(duì)這一階段運(yùn)行的程序進(jìn)行表決，如果得到正確的結(jié)果就結(jié)束運(yùn)行，否則繼續(xù)下一個(gè)階段版本的運(yùn)行，直到得出正確的結(jié)果。

　　NVP和RB這兩種基本結(jié)構(gòu)在軟件容錯(cuò)中用得最廣泛，占據(jù)很重要的地位。這里要注意的是，驗(yàn)證表決程序的可靠性以及表決結(jié)果的正確性是個(gè)難點(diǎn)，因?yàn)槿绻頉Q程序本身就是錯(cuò)誤的，那表決的結(jié)果就不可信了，所以要用正確性證明技術(shù)來(lái)保證表決程序的正確。

　　2 結(jié)論

　　本文詳細(xì)介紹了計(jì)算機(jī)容錯(cuò)的各種方法，包括硬件容錯(cuò)、時(shí)間容錯(cuò)、信息容錯(cuò)以及軟件容錯(cuò)等，這些容錯(cuò)方法在其他工業(yè)場(chǎng)合有廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)在很多工業(yè)系統(tǒng)都是采用基于三模冗余的容錯(cuò)技術(shù)來(lái)提高系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于其他要求可靠性高的場(chǎng)合，計(jì)算機(jī)容錯(cuò)技術(shù)的方法有著良好的應(yīng)用前景。