4JINGCHUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全課程設(shè)計(jì)容錯(cuò)技術(shù)淺析班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓名： 分?jǐn)?shù)： 2013年12月16日容錯(cuò)技術(shù)淺析摘要：計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展是日新月異的，與此同時(shí)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的可靠性越來(lái)越受到人們的重視，而容錯(cuò)技術(shù)是提高可靠性的一種有效方法。本文首先闡述了計(jì)算機(jī)容錯(cuò)技術(shù)的歷史和概念，而后還展示了兩種容錯(cuò)技術(shù)的完成方法和現(xiàn)如今運(yùn)用于網(wǎng)絡(luò)上的容錯(cuò)技術(shù)產(chǎn)品，最后簡(jiǎn)要的概括了容錯(cuò)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。關(guān)鍵字：容錯(cuò)技術(shù)、冗余、磁盤鏡像1引言性能、價(jià)格和可靠性是評(píng)價(jià)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的三大要素，為了提高網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上午高可靠性，人們進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究，并總結(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)，但實(shí)際上這是不可能的。還有一種方法就是容錯(cuò)，所謂容錯(cuò)是指當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)某些指定的硬件或軟件的錯(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)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)的普及，工業(yè)設(shè)備運(yùn)行的安全性和可靠性越來(lái)越引起人們的重視，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，容錯(cuò)技術(shù)為計(jì)算機(jī)系統(tǒng)提供了這樣的能力：當(dāng)計(jì)算機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)故障的情況下，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)仍能正確工作。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。2容錯(cuò)技術(shù)的歷史上世紀(jì)80年代，第一代容錯(cuò)技術(shù)就開(kāi)始進(jìn)入商用領(lǐng)域。美國(guó)Stratus(容錯(cuò)公司)在Stratus獨(dú)特的硬件級(jí)容錯(cuò)技術(shù)及VOS專有操作系統(tǒng)環(huán)境下，采用了MotorolaM68000處理器。1993年，英特爾I860處理器在Stratus的硬件級(jí)容錯(cuò)體系結(jié)構(gòu)中成功應(yīng)用，在軟件環(huán)境方面，還能滿足業(yè)界對(duì)開(kāi)放性要求的Unix操作系統(tǒng)FTX,即AT&TUNIXSVR4。1996年，容錯(cuò)技術(shù)得到HP的支持，共同推出StratusContinuum系列，將Stratus容錯(cuò)結(jié)構(gòu)結(jié)合HPPA-RISC對(duì)稱多處理技術(shù)。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，制造、中小企業(yè)、能源、交通等領(lǐng)域?qū)Ψ?wù)器，特別是中低端IA服務(wù)器的需求激增，過(guò)去僅僅可以應(yīng)用在RISC平臺(tái)、HP—UX環(huán)境下的容錯(cuò)產(chǎn)品也面臨著新的挑戰(zhàn)。另一方面，企業(yè)越來(lái)越依賴信息系統(tǒng)來(lái)完成關(guān)鍵業(yè)務(wù)的應(yīng)用，同時(shí)他們不可能配備更多的專業(yè)人員來(lái)進(jìn)行專職維護(hù)。雙機(jī)熱備、集群服務(wù)器遇到難題。如今，NEC通過(guò)與美國(guó)容錯(cuò)公司多年的合作，于2001年推出了業(yè)界第一臺(tái)基于IA架構(gòu)、支持MicrosoftWin-dowsServer2000標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)環(huán)境的容錯(cuò)服務(wù)器。NEC的Express5800/ft系列在Windows及Linux平臺(tái)上的可靠性達(dá)到了99.999%，這種實(shí)時(shí)保護(hù)技術(shù)來(lái)源于STRATUS連續(xù)處理技術(shù)(FundamentalsofContinuousPro-cessingDesign)，包括LOCKSTEP技術(shù)，安全故障(FAILSAFE)軟件激活服務(wù)(ACTIVESERVICE)。3容錯(cuò)技術(shù)的概念容錯(cuò)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中發(fā)生一定的硬件故障或軟件錯(cuò)誤時(shí)，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。具有容錯(cuò)能力的計(jì)算機(jī)稱為容錯(cuò)計(jì)算機(jī)。容錯(cuò)是采用冗余方法來(lái)消除故障影響的。提高計(jì)算機(jī)可靠性的技術(shù)可以分為壁錯(cuò)技術(shù)和容錯(cuò)技術(shù)。后者主要運(yùn)用冗余技術(shù)來(lái)抵消由于故障所引起的影響。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型。?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。?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。?信息冗余：在實(shí)現(xiàn)正常功能所需要的信息外，在添加一些信息，以保證運(yùn)行結(jié)果正確性的方法。糾錯(cuò)碼就是信息冗余例子。?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。?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。例如吧關(guān)鍵的元件（處理機(jī)、存儲(chǔ)器等）或整個(gè)計(jì)算機(jī)設(shè)置兩套，一套為系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)使用，另一套備份。根據(jù)系統(tǒng)的工作情況又可分為熱備份或冷備份兩種。?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。該結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是系統(tǒng)內(nèi)包括雙處理器、雙存儲(chǔ)器、雙輸入/輸出控制器、不間斷工作的電源，以及與只適應(yīng)的操作系統(tǒng)等。因此上述硬件的責(zé)任一部分發(fā)生故障都不會(huì)影響系統(tǒng)的繼續(xù)工作。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。4兩種容錯(cuò)技術(shù)的說(shuō)明容錯(cuò)是為使數(shù)據(jù)避免遭受意外損壞而采取的一種保護(hù)措施。保護(hù)數(shù)據(jù)的方式有許多，以下介紹的是WindowsNT所提供的兩種容錯(cuò)方式，它非常適合于一般網(wǎng)絡(luò)用戶使用。4.1帶奇偶校驗(yàn)的帶區(qū)集的使用帶奇偶校驗(yàn)的帶區(qū)集是在帶區(qū)集的基礎(chǔ)上增加了系統(tǒng)容錯(cuò)的功能。建立帶奇偶校驗(yàn)帶區(qū)集的方法與建立帶區(qū)集的方法基本相同。1） 先選定第一個(gè)可用空間，按住Ctrl鍵不放，而后各選取其它硬盤上的一個(gè)大小相當(dāng)?shù)目捎每臻g。2） 選擇“容錯(cuò)”菜單中的“創(chuàng)建帶奇偶校驗(yàn)的帶區(qū)集”選項(xiàng)，之后執(zhí)行“磁盤分區(qū)”菜單中的“立即更改”功能，并經(jīng)“格式化”后建立成功。以下介紹帶奇偶校驗(yàn)的帶區(qū)集中的某一個(gè)硬盤發(fā)生故障后的修復(fù)方法。因?yàn)閹媾夹ｒ?yàn)的帶區(qū)集具有容錯(cuò)功能，所以當(dāng)其中一個(gè)硬盤發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)仍然能夠正常工作，只是速度明顯減慢，為了保證數(shù)據(jù)訪問(wèn)的速度，必須對(duì)出現(xiàn)故障的硬盤進(jìn)行修復(fù)。修復(fù)方法如下：1） 先換掉已出故障的硬盤，添加一個(gè)新硬盤，并進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的設(shè)置。2） 啟動(dòng)計(jì)算機(jī)并進(jìn)入“磁盤管理器”窗口，在新安裝的硬盤上創(chuàng)建一塊可用空間，此可用空間的大小應(yīng)等于或大于故障盤或帶區(qū)集中其他硬盤上對(duì)應(yīng)空間的值。2） 選定帶奇偶校驗(yàn)的帶區(qū)集（當(dāng)一個(gè)硬盤出故障時(shí)，帶區(qū)集仍然存在），按住Ctrl鍵不放，再選取新安裝硬盤中所建的可用空間，接著選擇“容錯(cuò)”菜單下的“再生”選項(xiàng)即可完成修復(fù)工作。3） 重新啟動(dòng)計(jì)算機(jī)后，帶奇偶校驗(yàn)的帶區(qū)集又恢復(fù)到正常的工作狀態(tài)。4.2磁盤鏡像和雙工技術(shù)磁盤鏡像和雙工是中小型網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常使用的另一種容錯(cuò)技術(shù)。如果兩個(gè)硬盤同時(shí)接在同一個(gè)硬盤控制卡上便稱為磁盤鏡像，當(dāng)兩個(gè)硬盤分別連接在不同的兩個(gè)硬盤控制卡上時(shí)稱為磁盤雙工。因?yàn)樵诖疟P鏡像中存在誰(shuí)鏡像誰(shuí)的問(wèn)題，所以應(yīng)將系統(tǒng)中原有的一個(gè)硬盤或已存放數(shù)據(jù)的一個(gè)硬盤作為主盤（Master），而把被鏡像的一個(gè)硬盤作為從盤（Slaver），在硬件連接時(shí)也要注意這一點(diǎn)（注意：硬盤下所標(biāo)的Master和Slaver表示連接硬盤時(shí)，通過(guò)跳線方式將其設(shè)置成為主盤或從盤方式，而不具體代表這里所講的鏡像關(guān)系）。磁盤鏡像和雙工在WindowsNT中的軟件設(shè)置方法完全相同，只是在硬件的連接上有所差異，一般情況下建議大家使用磁盤雙工技術(shù)。1） 創(chuàng)建鏡像磁盤。啟動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)入'磁盤管理器”窗口，在從盤上創(chuàng)建一塊可用空間，其大小應(yīng)等于或大于主盤（鏡像盤）上對(duì)應(yīng)分區(qū)的空間。先選定主盤上的鏡像分區(qū)，按住Ctrl鍵不放，再選定從盤的可用空間作為被鏡像分區(qū)。接著選擇“容錯(cuò)”菜單下的“創(chuàng)建鏡像”選項(xiàng)，并執(zhí)行“磁盤分區(qū)”菜單下的“立即更改”功能項(xiàng)后創(chuàng)建完成。重新啟動(dòng)系統(tǒng)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)主盤與從盤之間會(huì)有一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)間的初始化過(guò)程，初始化結(jié)束后鏡像磁盤開(kāi)始投入工作（兩個(gè)具有鏡像關(guān)系的分區(qū)用粉紅色顯示）。2） 中斷鏡像關(guān)系。如果你要中斷已建立的鏡像關(guān)系，可通過(guò)“容錯(cuò)”菜單下的“中斷鏡像”選項(xiàng)來(lái)完成，還要經(jīng)過(guò)“磁盤分區(qū)”菜單下的“立即更改”來(lái)確認(rèn)。重新啟動(dòng)系統(tǒng)后，原有的鏡像操作被中斷。3） 鏡像磁盤的故障修復(fù)。任何物理設(shè)備都有可能發(fā)生故障，當(dāng)鏡像磁盤中的一個(gè)分區(qū)出現(xiàn)故障時(shí)，雖然計(jì)算機(jī)仍然可以正常運(yùn)行，但是這時(shí)的硬盤已失去了容錯(cuò)功能，必須將其恢復(fù)?；謴?fù)時(shí)先中斷原有的鏡像關(guān)系，再重新建立新的鏡像。最后還需提醒一點(diǎn)，每次對(duì)硬盤進(jìn)行以上的相關(guān)操作后，都需使用RDISK.EXE程序?qū)Α熬o急修復(fù)磁盤”的內(nèi)容進(jìn)行更新，以確保系統(tǒng)出現(xiàn)啟動(dòng)故障時(shí)使用“緊急修復(fù)磁盤”來(lái)修復(fù)。5容錯(cuò)技術(shù)的應(yīng)用應(yīng)用中任意一節(jié)出現(xiàn)故障都會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)站的巨大損失，因此總是的解決也應(yīng)從多方面入手，如數(shù)據(jù)備份，服務(wù)器的硬件冗余、軟件容錯(cuò)，以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的部件冗余和結(jié)構(gòu)鏈路）冗余等，以保障整套系統(tǒng)的萬(wàn)無(wú)一失。下面將主要介紹CISCO公司交換機(jī)產(chǎn)品所支持的幾種容錯(cuò)技術(shù)，使用戶了解其對(duì)故障恢復(fù)所帶來(lái)的好處。Fast/Gigabit氏herchannel（快速/千兆以太網(wǎng)通道）以太網(wǎng)通道技術(shù)不僅起到容錯(cuò)作用，更是鏈路帶寬擴(kuò)容的一條重要途徑。它可在100M（快速以太網(wǎng)通道，簡(jiǎn)稱FEC）或1000M（千兆以太網(wǎng)通道，簡(jiǎn)稱GEC）以太網(wǎng)端口間實(shí)現(xiàn)，用于將多條并行鏈路的帶寬疊加起來(lái)。這樣多條鏈路被用途單條高速數(shù)據(jù)通道，通道中部分線路的故障不會(huì)影響其它線路的帶寬聚合，從而也保證了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。以太網(wǎng)通道技術(shù)也體現(xiàn)了產(chǎn)品的可擴(kuò)充性能，能充分利用現(xiàn)有設(shè)備實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。思科公司的全線交換機(jī)產(chǎn)品和帶快速以太網(wǎng)端口的路由器都可以實(shí)施以太網(wǎng)通道技術(shù)，并且還可與多家廠商（Intel、Xircom、Adaptec等）的網(wǎng)卡構(gòu)造以太網(wǎng)通道，在交換機(jī)和服務(wù)器之間建立高速連接。Uplink-Fast（快速上聯(lián)恢復(fù)）當(dāng)交換機(jī)結(jié)成冗余回路時(shí)，若未啟用Fast/GigabitEtherchannel，則Spanning-Tree（生成樹(shù)）協(xié)議將起作用，通過(guò)計(jì)算自動(dòng)將優(yōu)先級(jí)較低的連接屏蔽，使其作為備份，只在優(yōu)先級(jí)較高的主線路斷線時(shí)才激活它，因此在線路容錯(cuò)中Spanning-Tree也是一項(xiàng)有效的技術(shù);但傳統(tǒng)的Spanning-Tree在鏈路切換時(shí)經(jīng)歷阻塞-偵聽(tīng)-學(xué)習(xí)-數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等諸多過(guò)程，耗時(shí)較長(zhǎng)，從故障到恢復(fù)一般需歷時(shí)40秒左右，對(duì)正在傳遞大量數(shù)據(jù)的服務(wù)器和工作站而言，這段時(shí)間是能明顯覺(jué)察的，并且極可能導(dǎo)致連接超時(shí)而中斷應(yīng)用。而思科公司提出的Uplink-Fast技術(shù)是對(duì)Spanning-Tree的改進(jìn)，它省卻了鏈路切換過(guò)程中的偵聽(tīng)和學(xué)習(xí)階段，使備份端口直接由阻塞進(jìn)入到轉(zhuǎn)發(fā)狀態(tài)，從而使網(wǎng)絡(luò)收斂時(shí)間從40秒大大縮短至5秒以內(nèi)，這樣的延遲是應(yīng)用程序可以接受的，用戶幾乎覺(jué)察不到這一過(guò)程，互聯(lián)網(wǎng)公司業(yè)務(wù)不會(huì)受到故障影響。PortFast（快速端口恢復(fù)）Uplink-Fast是用在兩交換機(jī)端口間互聯(lián)的一項(xiàng)技術(shù),而連接服務(wù)器和工作站的端口在剛啟用時(shí)同樣面臨Spanning-Tree的學(xué)習(xí)過(guò)程緩慢的問(wèn)題，致使該端口長(zhǎng)時(shí)間不能進(jìn)入正常工作狀態(tài)，這時(shí)需用到Port-Fast技術(shù),它與Uplink-Fast的工作原理類似，也省略了Spanning-Tree的聆聽(tīng)和學(xué)習(xí)階段，從而將轉(zhuǎn)換延遲從40秒縮短至2秒以內(nèi)，這樣在交換機(jī)上接入新的工作站，或改變某工作站的所接端口時(shí)，該站點(diǎn)能很快進(jìn)入工作狀態(tài)，無(wú)需額外硬件和其他廠商設(shè)備兼容。HSRP（熱備份路由器協(xié)議）剛才提到的幾中容錯(cuò)技術(shù)都是在鏈路故障時(shí)發(fā)生作用的，而HSRP則用于設(shè)備故障的恢復(fù)，它原是用在兩路由器間互作備份的協(xié)議，現(xiàn)思科公司的第三層交換機(jī)（如:Catalyst6000等）也支持該協(xié)議。HSRP根據(jù)對(duì)兩互備份路由器或交換機(jī)的優(yōu)先級(jí)，將其中一臺(tái)設(shè)備置為活動(dòng)狀態(tài)，而另一臺(tái)設(shè)備置為備用狀態(tài)，當(dāng)主設(shè)備發(fā)生故障時(shí)備用有立即啟用，這就是所謂"熱備份"的含義。對(duì)網(wǎng)絡(luò)中正常工作的用戶而言，這一切換是透明不可見(jiàn)的，因此不會(huì)影響的正常工作。6容錯(cuò)技術(shù)未來(lái)的發(fā)展容錯(cuò)技術(shù)的應(yīng)用已經(jīng)開(kāi)始從過(guò)去的證券、電信等領(lǐng)域進(jìn)入基礎(chǔ)行業(yè)，如制造、能源、物流、交通及有著"7x24"不間斷運(yùn)營(yíng)需求的中小商業(yè)團(tuán)體和政府。NEC為迎合互聯(lián)網(wǎng)的高速增長(zhǎng)，為容錯(cuò)服務(wù)器引入了最新的穩(wěn)定、安全、可升級(jí)、功能強(qiáng)大的Linux版本。容錯(cuò)的未來(lái)將會(huì)向更高的可用性、更卓越的可維護(hù)性發(fā)展。調(diào)查顯示，越來(lái)越多的用戶開(kāi)始注重TCO（總擁有成本）而不是初期購(gòu)買價(jià)格，更多的企業(yè)決定逐步放棄采用雙機(jī)熱備的方式來(lái)維護(hù)復(fù)雜的集群服務(wù)器，轉(zhuǎn)而將目光瞄向具有容錯(cuò)技術(shù)的平臺(tái)或容錯(cuò)服務(wù)器平臺(tái)。在中國(guó)市場(chǎng)，NEC公司與神州數(shù)碼的合作在一定程度上彌補(bǔ)了容錯(cuò)服務(wù)器在中國(guó)市場(chǎng)服務(wù)拓展領(lǐng)域的短板。這將引發(fā)國(guó)內(nèi)各領(lǐng)域的容錯(cuò)技術(shù)與應(yīng)用的井噴式發(fā)展。結(jié)束語(yǔ)以上只是對(duì)容錯(cuò)技術(shù)的初步認(rèn)識(shí)和簡(jiǎn)單探究。容錯(cuò)技術(shù)隨著超大集成電路線路復(fù)雜性增高，故障埋葬深度增加，芯片容錯(cuò)將應(yīng)運(yùn)而生。由于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的不斷發(fā)展，容錯(cuò)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)將利用網(wǎng)絡(luò)的研究，在網(wǎng)絡(luò)中注入全局管理、并行操作、自治控制、冗余和錯(cuò)誤處理是研究高性能、高可靠性的分布式容錯(cuò)系統(tǒng)的途徑。容錯(cuò)技術(shù)將同時(shí)在軟件和硬件上得到發(fā)展，將會(huì)出現(xiàn)初級(jí)的容錯(cuò)軟件的設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用軟