計算機(jī)系統(tǒng)的容錯技術(shù)方法

　　1.3 信息容錯技術(shù)

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

　　1.4 軟件容錯技術(shù)

　　由于硬件系統(tǒng)的故障主要來自生產(chǎn)和使用階段，因此容錯可以通過相同部件的重復(fù)，即相同資源的累積設(shè)置來實現(xiàn)；而軟件故障主要來自說明、設(shè)計和實現(xiàn)階段，因此程序的簡單重復(fù)不能實現(xiàn)容錯，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。實現(xiàn)軟件容錯的基本方法，是將若干個根據(jù)同一需求說明編寫的不同程序（即多版本程序），在不同空間同時運行，然后在每一個設(shè)置點通過表決或接收測試進(jìn)行表決。

　　最基本的軟件容錯技術(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提出的基于動態(tài)冗余的恢復(fù)塊技術(shù)。

　　1.4.1 軟件的相異性設(shè)計

　　對于軟件容錯，考慮的重點是軟件設(shè)計的相異性和版本的獨立性。軟件的相異性設(shè)計是為了防止由于軟件發(fā)生共性故障而采用的一種設(shè)計方法。軟件設(shè)計時的共性越小，出現(xiàn)相同故障的概率也就越小，容錯性能就越強(qiáng)。

　　相異性設(shè)計要求，對于同一需求說明的軟件功能，不同的研發(fā)設(shè)計人員及不同的研發(fā)設(shè)計小組對于這同一功能的軟件設(shè)計禁止談?wù)摵蜏贤?，在不同的環(huán)境空間中獨立進(jìn)行設(shè)計；另外，還要求軟件設(shè)計的多樣性，如采取不同的設(shè)計方法、開發(fā)工具、編程語言、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軟件的可靠性要求很高的場合，軟件的相異性設(shè)計可以有效提高軟件的容錯能力和軟件的可靠性，對提高整個系統(tǒng)的可靠性有很重要的作用。

　　1.4.2 軟件容錯的基本結(jié)構(gòu)

　　軟件容錯的基本結(jié)構(gòu)有兩種：

　　一種是NVP（NVersion Programming）結(jié)構(gòu)（多版本編程設(shè)計），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)計思想是用N個具有同一功能而采用不同編程方法的程序執(zhí)行一項運算，其結(jié)果通過多數(shù)表決器輸出。NVP系統(tǒng)中的多版本是指根據(jù)同一需求說明由不同的設(shè)計人員或由不同的設(shè)計方法、開發(fā)工具、編程語言等開發(fā)的具有同一功能的軟件版本，即所謂的版本設(shè)計的相異性。這種容錯結(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，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技術(shù)，它是一種動態(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。每個主程序塊都可以用一個根據(jù)同一需求說明設(shè)計的備用程序塊替換。首先運行主程序塊，然后進(jìn)行接收測試，如果測試通過則將結(jié)果輸出給后續(xù)程序，否則調(diào)用第一個備用塊，依次類推，在N個備用程序塊替換完后仍沒有通過測試，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)

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

　　NVP和RB這兩種基本結(jié)構(gòu)在軟件容錯中用得最廣泛，占據(jù)很重要的地位。這里要注意的是，驗證表決程序的可靠性以及表決結(jié)果的正確性是個難點，因為如果表決程序本身就是錯誤的，那表決的結(jié)果就不可信了，所以要用正確性證明技術(shù)來保證表決程序的正確。

　　2 結(jié)論

　　本文詳細(xì)介紹了計算機(jī)容錯的各種方法，包括硬件容錯、時間容錯、信息容錯以及軟件容錯等，這些容錯方法在其他工業(yè)場合有廣泛的應(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技術(shù)來提高系統(tǒng)的可靠性。對于其他要求可靠性高的場合，計算機(jī)容錯技術(shù)的方法有著良好的應(yīng)用前景。