淺析計(jì)算機(jī)服務(wù)器系統(tǒng)的容錯(cuò)技術(shù)

吳玥

摘 要：計(jì)算機(jī)容錯(cuò)技術(shù)可以提高系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性。本文講述了容錯(cuò)技術(shù)的概念和主要分類(lèi)，然后對(duì)比了兩種服務(wù)器容錯(cuò)技術(shù)：雙機(jī)熱備份和單機(jī)容錯(cuò)。最后指出單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器是未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：容錯(cuò)技術(shù)；備份；雙機(jī)熱備份

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)的普及，利用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)提供及時(shí)可靠的信息和服務(wù)是必不可少的，但是計(jì)算機(jī)硬件和軟件都不可避免地會(huì)發(fā)生故障，這些故障有可能給我們帶來(lái)巨大的損失，甚至造成整個(gè)服務(wù)的終止，網(wǎng)絡(luò)的癱瘓。系統(tǒng)的容錯(cuò)性和不間斷性顯得尤為重要。為了保證系統(tǒng)安全、高效、可靠地運(yùn)行，必須采取適當(dāng)?shù)拇胧┐_保計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在出現(xiàn)故障的情況下，仍能正常工作。人們經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的研究，總結(jié)了兩種方法：一種叫做避錯(cuò)，即采用正確的設(shè)計(jì)和質(zhì)量控制盡量避免把故障引進(jìn)系統(tǒng)，這種方法實(shí)施有難度。另一種就是容錯(cuò)，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)某些硬件或軟件的錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)能執(zhí)行規(guī)定的一組程序，或者說(shuō)程序不會(huì)因系統(tǒng)中的故障而中斷或被修改，并且執(zhí)行結(jié)果也不包含系統(tǒng)中故障引起的差錯(cuò)。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的普及，設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性倍受重視，為了保證其安全、高效和可靠地運(yùn)行，必須采用與之相適應(yīng)的管理模式，計(jì)算機(jī)容錯(cuò)技術(shù)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)可靠性提高的重要手段。

當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)部有故障存在時(shí)，通過(guò)容錯(cuò)技術(shù)消除故障的影響，使系統(tǒng)最終仍能給出正確的結(jié)果。按照時(shí)間劃分，故障可分為以下三種：永久性故障、間歇性故障和偶然性故障。隨著計(jì)算機(jī)硬件和網(wǎng)路的快速發(fā)展，容錯(cuò)計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)開(kāi)銷(xiāo)逐漸降低，且糾錯(cuò)速度快。而軟件方法實(shí)現(xiàn)的容錯(cuò)，對(duì)硬件不會(huì)提過(guò)高的要求。同時(shí)系統(tǒng)靈活，資源利用比較合理。更正檢測(cè)、診斷將會(huì)采取人工智能的處理途徑，以專(zhuān)家系統(tǒng)的各種智能工具來(lái)支持故障檢測(cè)和診斷。

2 容錯(cuò)技術(shù)的概念

容錯(cuò)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一個(gè)或多個(gè)關(guān)鍵部件發(fā)生故障或即將發(fā)生故障之前，仍能保持正常工作而不影響正確結(jié)果的一種性能或措施。容錯(cuò)是采用冗余方法來(lái)消除故障影響的，因此冗余技術(shù)是計(jì)算機(jī)容錯(cuò)技術(shù)的基礎(chǔ)，一般可分為下列幾種類(lèi)型：

⑴硬件冗余：以檢測(cè)或屏蔽故障為目的而增加一定硬件設(shè)備的方法。

⑵軟件冗余：為了檢測(cè)或屏蔽軟件中的差錯(cuò)而增加一些在正常運(yùn)行時(shí)所不需要的軟件方法。

⑶信息冗余：在實(shí)現(xiàn)正常功能所需要的信息外，再添加一些信息，以保證運(yùn)行結(jié)果正確性的方法。

⑷時(shí)間冗余：使用附加一定時(shí)間的方法來(lái)完成系統(tǒng)功能。這些附加的時(shí)間主要用在故障檢測(cè)、復(fù)執(zhí)或故障屏蔽上。

⑸簡(jiǎn)單的雙機(jī)備份：在20世紀(jì)60年代，主要利用雙處理機(jī)或雙機(jī)的方法來(lái)達(dá)到容錯(cuò)的目的。根據(jù)系統(tǒng)的工作情況又可分為熱備份或冷備份兩種。

⑹操作系統(tǒng)支持的雙機(jī)容錯(cuò)：20世紀(jì)70年代中期出現(xiàn)了軟件和硬件結(jié)構(gòu)的容錯(cuò)方法。該方法在操作系統(tǒng)的層次上，支持聯(lián)機(jī)維修，即故障部分退出后進(jìn)行維修并重新投入運(yùn)行，都不影響正在運(yùn)行的應(yīng)用程序。系統(tǒng)容錯(cuò)是在操作系統(tǒng)控制下進(jìn)行的，在每個(gè)處理機(jī)上都保持了反映所有系統(tǒng)資源狀態(tài)的表格，以及本機(jī)和其他機(jī)的工作進(jìn)程。

3 服務(wù)器容錯(cuò)技術(shù)對(duì)比

目前應(yīng)用的服務(wù)器容錯(cuò)技術(shù)有三類(lèi)：服務(wù)器群集技術(shù)、雙機(jī)熱備份技術(shù)和單機(jī)容錯(cuò)技術(shù)。它們各自所對(duì)應(yīng)的容錯(cuò)級(jí)別是從低到高的，服務(wù)器集群技術(shù)容錯(cuò)級(jí)別最低，而單機(jī)容錯(cuò)技術(shù)級(jí)別最高。

3.1 雙機(jī)熱備份

雙機(jī)熱備份技術(shù)是一種軟硬件結(jié)合的較高的應(yīng)用方案。該方案是由兩臺(tái)服務(wù)器系統(tǒng)和一個(gè)外接共享磁盤(pán)陣列柜及相應(yīng)的雙機(jī)熱備份軟件組成。操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序安裝在兩臺(tái)服務(wù)器的本地系統(tǒng)盤(pán)上，數(shù)據(jù)是通過(guò)磁盤(pán)陣列集中管理和數(shù)據(jù)備份的。數(shù)據(jù)集中管理是通過(guò)雙機(jī)熱備份系統(tǒng)，將所有站點(diǎn)的數(shù)據(jù)直接從中央存儲(chǔ)設(shè)備讀取和存儲(chǔ)，并由專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行管理，極大地保護(hù)了數(shù)據(jù)的安全性和保密性。用戶(hù)的數(shù)據(jù)存放在外接共享磁盤(pán)陣列中，在一臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，備機(jī)主動(dòng)替代主機(jī)工作，保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不間斷。

雙機(jī)熱備份系統(tǒng)采用“心跳”方法保證主系統(tǒng)與備用系統(tǒng)的聯(lián)系?！靶奶敝傅氖侵鲝南到y(tǒng)之間相互按照一定的時(shí)間間隔發(fā)送通訊信號(hào)，表明各自系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)。一旦“心跳”信號(hào)表明主機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障，或者備用系統(tǒng)無(wú)法收到主機(jī)系統(tǒng)的“心跳”信號(hào)，則系統(tǒng)的高可用性管理軟件認(rèn)為主機(jī)系統(tǒng)發(fā)生故障，主機(jī)停止工作，備用系統(tǒng)將替代主機(jī)發(fā)揮作用，以保證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)運(yùn)行不間斷。雙機(jī)熱備份方案中，根據(jù)兩臺(tái)服務(wù)器的工作方式可以有三種不同的工作模式，即：雙機(jī)熱備模式、雙機(jī)互備模式和雙機(jī)雙工模式。

⑴雙機(jī)熱備模式：即active/standby方式，active服務(wù)器處于工作狀態(tài)；而standby服務(wù)器處于監(jiān)控準(zhǔn)備狀態(tài)，服務(wù)器數(shù)據(jù)同時(shí)往兩臺(tái)或多臺(tái)服務(wù)器寫(xiě)入，保證數(shù)據(jù)的即時(shí)同步。當(dāng)active服務(wù)器出現(xiàn)故障的時(shí)候，通過(guò)軟件診測(cè)或手工方式將standby機(jī)器激活，保證應(yīng)用在短時(shí)間內(nèi)完全恢復(fù)正常使用。

⑵雙機(jī)互備模式：兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的應(yīng)用在兩臺(tái)機(jī)器同時(shí)運(yùn)行，但彼此均設(shè)為備機(jī)，當(dāng)某一臺(tái)服務(wù)器出現(xiàn)故障時(shí)，另一臺(tái)服務(wù)器可以在短時(shí)間內(nèi)將應(yīng)用接管過(guò)來(lái)，從而保證了應(yīng)用的持續(xù)性，但對(duì)服務(wù)器的性能要求比較高，配置相對(duì)要好。

⑶雙機(jī)雙工模式：是群集的一種形式，兩臺(tái)服務(wù)器均為活動(dòng)，同時(shí)運(yùn)行相同的應(yīng)用，保證整體的性能，也實(shí)現(xiàn)了負(fù)載均衡和互為備份，需要利用磁盤(pán)柜存儲(chǔ)技術(shù)。WEB服務(wù)器或FTP服務(wù)器等用此種方式比較多。

3.2 單機(jī)容錯(cuò)

單機(jī)容錯(cuò)技術(shù)是在一臺(tái)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)高性能容錯(cuò)的。單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器最大的優(yōu)勢(shì)就在于它能夠自動(dòng)分離故障模塊，在不中斷運(yùn)行的情況下，進(jìn)行模塊調(diào)換，維護(hù)損壞的部件，并且在一切物理故障消除后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)重新同步運(yùn)行，有效的解決了客戶(hù)的后顧之憂。

單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器是通過(guò)CPU時(shí)鐘鎖頻，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)中所有硬件的備份，包括CPU、內(nèi)存和I/O總線等的冗余備份；通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)所有冗余部件的同步運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)真正意義上的容錯(cuò)。系統(tǒng)任何部件的故障都不會(huì)造成系統(tǒng)停頓和數(shù)據(jù)丟失。目前，很多容錯(cuò)系統(tǒng)是基于IA架構(gòu)的服務(wù)器，與Windows系統(tǒng)完全兼容，實(shí)現(xiàn)以前只有在RISC系統(tǒng)上才能實(shí)現(xiàn)的容錯(cuò)。這種容錯(cuò)技術(shù)在IA服務(wù)器上的實(shí)現(xiàn)，將IA服務(wù)器的可靠性提高到了99.999%，同時(shí)服務(wù)器的運(yùn)行是不間斷的。容錯(cuò)產(chǎn)品支持任意硬件熱插拔，包括主板、CPU等關(guān)鍵性硬件，外界并感覺(jué)不到切換，系統(tǒng)可靠性大大提高，同時(shí)因?yàn)橄到y(tǒng)具備糾錯(cuò)能力，系統(tǒng)更加穩(wěn)定。如果說(shuō)集群技術(shù)可以減少停機(jī)，那么容錯(cuò)系統(tǒng)的目標(biāo)是避免停機(jī)，在相同的條件下，容錯(cuò)系統(tǒng)顯然更加穩(wěn)定和安全。

雙機(jī)熱備份和容錯(cuò)服務(wù)器的定位稍微有些不同，這是由兩者實(shí)現(xiàn)的可用性差別決定的。雙機(jī)熱備份適用于業(yè)務(wù)連續(xù)性不是很?chē)?yán)格的行業(yè)，比如說(shuō)公安系統(tǒng)、部隊(duì)系統(tǒng)或者個(gè)別的制造企業(yè)。而如電信、金融、證券和醫(yī)療等要求高的行業(yè)容錯(cuò)服務(wù)器是最佳之選。還要注意雙機(jī)熱備份不同于服務(wù)器集群，雙機(jī)熱備份要求兩對(duì)路配置完全一樣的服務(wù)器，而服務(wù)器集群的配置要求沒(méi)那么嚴(yán)格。另外，雙機(jī)熱備份方式需要至少2臺(tái)服務(wù)器，導(dǎo)致在軟件采購(gòu)、軟件維護(hù)升級(jí)、系統(tǒng)硬件升級(jí)的投入都比單機(jī)容錯(cuò)方式多1倍，而且在雙機(jī)備份軟件出現(xiàn)故障后，其維修的難度較高，對(duì)客戶(hù)會(huì)帶來(lái)較大困難。因此單機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器的總成本遠(yuǎn)低于雙機(jī)備份方式的成本。但是在靈活配置方面，雙機(jī)熱備份方案更具優(yōu)勢(shì)。但總體來(lái)說(shuō)，容錯(cuò)服務(wù)器才是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

4 總結(jié)

計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展日新月異，帶來(lái)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性受到重視，而容錯(cuò)技術(shù)是提高可靠性有效的方法。如今已經(jīng)取得了一定的成效，相信未來(lái)容錯(cuò)技術(shù)必將得到更快的發(fā)展和更廣泛的應(yīng)用。

[參考文獻(xiàn)]

[1]唐忠.雙機(jī)容錯(cuò)服務(wù)器解決方案的研究[J].大眾科技.2008（6）：65-66.

[2]熊友生.醫(yī)院網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器集成方案[J].醫(yī)療設(shè)備信息.2007，22（2）： 26-27.

[3]陳慶偉.基于WINDOWS平臺(tái)網(wǎng)絡(luò)的高可用性研究.現(xiàn)代情報(bào).2005，03：35-36.