В соответствии с ГОСТ 27.002 - 89 резервированием называется применение дополнительных средств и (или) возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких его элементов. Таким образом, резервирование - это эффективный метод повышения надежности объекта путем введения избыточности. В свою очередь, избыточность - это дополнительные средства и (или) возможности, сверхминимально необходимые для выполнения объектом заданных функций. Введением избыточности обеспечивается нормальное функционирование объекта после возникновения отказа в его элементах.

Методы резервирования разделяют по виду резервирования, способу соединения элементов, кратности резервирования, способу включения резерва, режиму его работы и восстанавливаемости (рис. 7.1).

К дополнительным средствам и возможностям при резервировании относятся элементы, введенные в структуру системы в качестве резервных, функциональные и информационные средства и возможности, использование избытка времени и запасов нагрузочной способности. По типу дополнительных средств различают следующие виды резервирования.

Функциональное резервирование - это резервирование, при котором заданная функция может выполняться различными способами и техническими средствами. Например, для осуществления функции передачи информации в АСУ могут использоваться радиоканалы, телеграф, телефон и другие средства связи; поэтому в данном случае обычные усредненные показатели надежности (средняя наработка на отказ, вероятность безотказной работы и т. п.) становятся малоинформативными и недостаточно пригодными. Наиболее приемлемыми для оценки функциональной надежности являются вероятность выполнения данной функции, среднее время выполнения функции, коэффициент готовности для выполнения данной функции.

Информационное резервирование - это резервирование с применением избыточности информации. Примерами такого резервирования являются: многократная передача одного и того же сообщения по каналу связи; применение при передаче информации по каналам связи различных кодов, обнаруживающих и исправляющих ошибки, которые появляются в результате отказов аппаратуры и влияния помех; введение избыточных информационных символов при обработке, передаче и отображении информации. Избыток информации позволяет в той или иной мере компенсировать искажения передаваемой информации или устранять их.

Временное резервирование связано с использованием резервов времени. При этом предполагается, что на выполнение объектом требуемой работы отводится время, которое заведомо больше минимально необходимого. Резервы времени могут создаваться за счет повышения производительности объекта, инерционности его элементов и т. д.

Нагрузочное резервирование - это резервирование с применением нагрузочных резервов. Оно заключается в обеспечении оптимальных запасов способности элементов выдерживать действующие на них нагрузки или во введении в систему дополнительных защитных или разгружающих элементов для защиты некоторых основных элементов системы от действующих на них нагрузок.

Указанные виды резервирования могут быть применены либо к системе в целом, либо к ее отдельным элементам или их группам. В первом случае резервирование называется общим, во втором - разивдельным. Сочетание различных видов резервирования называется смешанным.

По способу включения резерва различают постоянное и динамическое резервирование.

Постоянное резервирование осуществляется без перестройки структуры системы при возникновении отказа ее элемента. Для такого типа резервирования характерно то, что в случае отказа основного элемента не требуется специальных устройств, вводящих в действие резервный элемент, а также перерывов в работе (рис. 7.2 и 7.3).

Динамическое резервирование осуществляется с перестройкой структуры системы при возникновении отказа ее элемента.

Постоянное резервирование представляет собой параллельное или последовательное соединение элементов без использования переключающих устройств; при динамическом резервировании требуются переключающие устройства, реагирующие на отказы элементов.

Часто динамическое резервирование представляет собой резервирование замещением, при котором функции основного элемента в случае его отказа передаются резервному. Резервирование с включением резерва замещением (рис. 7.4 и 7.5) обладает следующими преимуществами:

Не нарушает режима работы резерва;

Сохраняет в большей степени надежность резервных элементов, так как при работе основных элементов они находятся в нерабочем состоянии;

Позволяет задействовать резервный элемент в цепях на несколько основных элементов.

Существенным недостатком резервирования замещением является необходимость наличия переключающих устройств. При раздельном резервировании число переключающих устройств равно числу основных элементов, что может значительно понизить надежность всей системы. Поэтому резервировать замещением целесообразно крупные узлы или всю систему, при этом надежность переключающих устройств должна быть достаточно высокой.

Распространенным видом резервирования замещением является скользящее резервирование, при котором группа основных элементов системы резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой отказавший основной элемент в данной группе (рис. 7.6).

В зависимости от режима работы резервных элементов до отказа основного элемента различают следующие виды резерва:

Нагруженный (один или несколько резервных элементов находятся в режиме основного элемента);

Облегченный (один или несколько резервных элементов находятся в менее нагруженном режиме, чем основной элемент);

Непогруженный (один или несколько резервных элементов находятся в ненагруженном режиме до начала выполнения ими функций основного элемента).

В системах управления широко применяется мажоритарное резервирование (с использованием «голосования»). Этот способ основан на применении дополнительного элемента, называемого мажоритарным или логическим (рис. 7.7). Благодаря этому элементу можно сравнивать сигналы, поступающие от элементов, выполняющих одну и ту же функцию. Если результаты сравнения совпадают, то они передаются на выход устройства.

На рис. 7.7 изображено мажоритарное резервирование по принципу «2 из 3», т. е. любые два совпадающих результата из трех считаются истинными и проходят на выход устройства. По такому принципу построены многие схемы подсистем систем управления и защиты (СУЗ). Главное достоинство мажоритарного резервирования - обеспечение повышения надежности при любых видах отказов элементов и повышение достоверности информационно-логических объектов.

Резервные элементы различаются по уровню надежности. Элементы нагруженного резерва имеют тот же уровень надежности (безотказности, долговечности и сохраняемости), что и резервируемые ими основные элементы объекта, поскольку ресурс резервных элементов расходуется так же, как и основных. Элементы облегченного резерва обладают более высоким уровнем надежности, так как интенсивность расхода ресурса резервных элементов до момента включения их вместо отказавших элементов значительно ниже, чем у основных. При ненагруженном резерве ресурс резервных элементов начинает расходоваться практически только с момента включения их вместо отказавших элементов.

По способу резервирования объекта (элемента объекта) различают резервирование общее и раздельное. При общем резервировании объект резервируется в целом, вместо одного объекта предусматривается одновременная эксплуатация двух или более объектов, однотипных или аналогичных по выполняемым функциям. Этот способ достаточно простой; он широко применяется при резервировании наиболее ответственных систем. При раздельном резервировании резервируются отдельные элементы объекта или группы элементов, которые обычно встроены в объект; раздельно могут резервироваться как отдельные элементы системы, так и достаточно крупные ее части (блоки).

Динамическое резервирование может быть раздельным и общим, позволяет использовать резервные элементы не только в нагруженном, но и в облегченном и ненагруженном резерве, что, в свою очередь, позволяет сохранить ресурс резервных элементов, повысить надежность электрической системы в целом и уменьшить расход энергии.

При резервировании замещением может быть использовано скользящее резервирование, обеспечивающее требуемую надежность системы при малых затратах и незначительном увеличении ее массы и габаритов. К недостаткам динамического резервирования замещением следует отнести необходимость использования переключающих устройств, перерывов в работе при переходе на резервные элементы, а также системы поиска отказавшего элемента или блока, что снижает надежность всей резервированной системы. Этот способ целесообразно применять для резервирования достаточно крупных функциональных узлов и блоков сложных электрических систем.

Постоянное резервирование, предполагающее постоянное соединение резервных элементов с основными, отличается простотой. При таком виде резервирования не требуются переключающие устройства. В случае отказа основного элемента система продолжает работать нормально без перерыва и переключений. К недостаткам постоянного резервирования относится повышенный расход ресурса резервных элементов и изменение параметров резервируемого узла при отказе элементов. Такой тип резервирования применяется в ответственных системах, для которых недопустим даже кратковременный перерыв в работе, а также при резервировании относительно мелких элементов - узлов, блоков и элементов электронной техники СА (резисторов, конденсаторов, диодов и т. п.).

Резервирование входящих в блок радиоэлементов, отказ которых может привести к особо опасным последствиям, осуществляется с учетом возможности как коротких замыканий, так и обрывов элементов. Резервирование при обрывах элементов выполняют их параллельным соединением, при коротких замыканиях - последовательным соединением, полагая, что происходит отказ элемента, но электрическая цепь других последовательно соединенных с ним элементов не нарушается. Например, постоянное раздельное резервирование диода с нагруженным резервом при отказе в результате короткого замыкания (КЗ), обрыва или КЗ и обрыва осуществляется включением резервных диодов соответственно последовательно, параллельно и последовательно-параллельно основному (рис. 7.8, а-в).

Общее постоянное резервирование выпрямителя VD нагруженным резервом выполняется параллельным включением резерва; диоды в этом случае используются для предотвращения протекания тока резервного выпрямителя через выходную цепь отказавшего выпрямителя (рис. 7.9).

Общее резервирование выпрямителя ненагруженным резервом осуществляется с помощью переключателя П, который получает сигнал СО об отказе и подает управляющий сигнал YC на переключатель QW на отключение отказавшего выпрямителя и включение резервного (рис. 7.10).

Постоянное резервирование может быть осуществлено путем параллельного или последовательного подключения к основному элементу (системе) одного или нескольких резервных, выполняющих одинаковые с основным элементом (системой) функции. Такое резервирование используют, например, при параллельной работе вычислительных машин, блоков СА, резисторов, а также при последовательном включении диодов, размыкающих контактов, конденсаторов и т. д. На рис. 7.11 приведено несколько вариантов резервирования конденсаторов.

Последствиями отказа элементов при постоянном резервировании в предельных случаях может быть короткое замыкание или обрыв одного или нескольких элементов, что должно учитываться при проектировании системы. Для предотвращения этих негативных явлений вводятся ограничивающие сопротивления, включаются разделительные трансформаторы, а также увеличиваются допуски отдельных параметров системы и др.

В настоящее время для оценки надежности системы используется такой критерий: система считается абсолютно надежной, если отказ одного любого элемента не приводит к отказу всей системы. Реализация этого критерия на практике осуществляется путем поэлементного или поблочного резервирования.

Свойства различных видов резервирования можно выявить, проанализировав выигрыш надежности системы по основным количественным характеристикам. Оценим эффективность различных способов резервирования, приняв за критерии качества вероятность и среднюю наработку до отказа и сделав следующие упрощающие предположения:

Все элементы системы имеют равную надежность;

Поток отказов элементов является простейшим;

Кратность резервирования всех элементов одинакова.

Если при принятых допущениях вероятность и средняя наработка до отказа нерезервированной системы выражается формулами:

то выигрыш надежности резервированной системы по сравнению с нерезервированной будет равен:

На основании анализа рис. 7.12-7.14 можно сделать следующие важные выводы о свойствах резервирования.

1. Независимо от интенсивности отказов нерезервированной системы интенсивность отказов резервированной системы всегда начинается с нуля. По мере увеличения времени эксплуатации системы интенсивность отказов резервированной системы асимптотически стремится к интенсивности отказов нерезервированной системы. При резервировании с дробной кратностью интенсивность отказов резервированной системы при определенных значенияхии /может быть больше интенсивности отказов нерезервированной системы. Это означает, что система, к которой применено резервирование с дробной кратностью, может быть менее надежной, чем нерезервированная.

2. Из рис. 7.15 видно, что существует такое критическое значение времени работы г, выше которого резервирование с дробной кратностью нецелесообразно.

3. Выигрыш надежности по вероятности отказа тем больше, чем меньше интенсивность отказов нерезервированной системы, т. е. чем более надежная система резервируется. Это основное противоречие резервирования вообще. Оно приводит к тому, что для повышения надежности систем длительного использования необходима высокая кратность резервирования.

4. При любом резервировании, кроме скользящего, значительное увеличение массы системы приводит к менее значительному увеличению средней наработки до отказа.

Многим известны различные системы создания образов дисков и резервного копирования данных, например Acronis True Image, Pagaron Drive Backup, Ghost, Time Machine для Mac-совместимых компьютеров и др. Компания Microsoft также внедрила в свои операционные системы систему резервного копирования данных, которая доступна как для обычных пользователей, так и для системных администраторов. До выпуска операционной системы Windows Vista компания Microsoft предлагала пользователям систему резервного копирования NTBackup и утилиту System Restore, которые имели массу недостатков. С выходом Windows Vista и переходом на формат хранения образов VHD появилась возможность более простого резервного копирования данных и создания образов операционной системы средствами нового комплекса утилит под названием Windows Backup and Restore. После выпуска новых операционных систем этот компонент совершенствовался и модифицировался. В данной статье мы рассмотрим, что предлагает компания Microsoft конечному пользователю для резервирования данных в недавно вышедшей операционной системе Windows 8. Но сначала вкратце расскажем об основных типах резервного копирования, которые реализованы в многочисленных продуктах различных компаний.

Виды резервного копирования

Резервное копирование подразделяется на различные виды в зависимости от задач, которые ставятся перед реализующим его программным обеспечением. В одних случаях пользователям необходимо лишь создавать копии важных файлов, хранящихся на диске, в других - создавать полноценные образы операционной системы с возможностью отката всех предыдущих изменений. При этом для системных администраторов предоставляются возможности централизованного хранения резервных копий данных, что упрощает контроль за версиями резервных копий и восстановление систем по мере необходимости. Естественно, в зависимости от выбранного типа резервного копирования задействуется тот или иной алгоритм сравнения и сохранения файлов - либо побайтовое, либо посекторное копирование с источника данных, когда информация в точности записывается на носитель с бекапом. Для восстановления файлов и данных также могут использоваться функции файловых систем, поддерживающих журналирование и протоколирование изменений, - вначале делается полный слепок файловой системы, а данные в резервную копию сохраняются по мере необходимости, если отдельные файлы помечены как измененные. Файловые системы с расширенной поддержкой контроля версии подходят для такого случая лучшего всего, поскольку существенно экономят место на резервном носителе. Кроме традиционного создания резервных копий файлов, которые не используются в данный момент, существуют алгоритмы резервирования в реальном времени. В этом случае резервное копирование происходит даже тогда, когда файл открыт в какой­либо программе. Такая возможность достигается благодаря использованию снапшотов (snapshot) файловых систем и активно применяется, например, в системах виртуализации для работы с виртуальными дисковыми накопителями. Процесс резервирования данных может происходить несколькими путями. Рассмотрим наиболее распространенные из них.

Клонирование разделов и создание образов

Клонирование подразумевает копирование раздела или разделов диска со всеми файлами и директориями, а также файловыми системами на резервный носитель, то есть создание полной копии данных на другом носителе. Это требует большого количества пространства на резервном носителе, но в то же время позволяет добиться наиболее полного резервирования отдельного ПК или диска с данными. Также особо следует упомянуть о клонировании системы в виде специального образа - виртуального накопителя, то есть отдельного файла, который может содержать в себе несколько разделов диска. Такой образ может быть создан средствами самой операционной системы. Он позволяет сократить объем данных, а также предоставляет возможность впоследствии работать с ним, как с обычным диском, либо подключать его к виртуальным машинам, что упрощает перенос операционных систем с одного сервера или компьютера на другой. Сегодня виртуальные образы набирают популярность за счет гибкости подключения, а также кроссплатформенности и легкого переноса с одного компьютера на другой. Как правило, клонирование или создание образа для резервного копирования происходит достаточно редко, поскольку объем, занимаемый резервной копией, очень большой. Подобные процедуры применяются в большинстве случаев именно для создания копии операционной системы со всеми файлами, а не для резервирования отдельных данных на диске. Для резервирования пользовательских данных, которые часто меняются или задействуются в работе, повсеместно используется другой тип резервного копирования - полное файловое резервирование.

Полное файловое резервирование

Такой тип резервного копирования подразумевает создание дубликатов всех файлов на носителе простым методом - копированием из одного места в другое. Полное файловое резервирование вследствие длительности процесса обычно проводится в нерабочее время, что объясняется слишком большими объемами данных. Такой тип резервирования позволяет сохранить важную информацию, но из-за больших сроков резервирования он не очень подходит для восстановления быстро меняющихся данных. Полное файловое копирование рекомендуется проводить не реже раза в неделю, а еще лучше чередовать его с другими типами файлового копирования: дифференциальным и инкрементным.

Дифференциальное резервирование

Дифференциальное резервирование предполагает копирование только тех файлов, что были изменены с последнего полного резервного копирования. Это позволяет уменьшить объем данных на резервном носителе и при необходимости ускорить процесс восстановления данных. Поскольку дифференциальное копирование обычно производится гораздо чаще, чем полное резервное копирование, оно очень эффективно, так как позволяет восстанавливать те данные, которые подверглись изменению совсем недавно, и отслеживать историю изменения файлов с момента полного копирования.

Инкрементное резервирование (Incremental backup)

Инкрементное резервирование несколько отличается от дифференциального. Оно подразумевает, что при первом запуске происходит резервное копирование только тех файлов, которые были изменены с тех пор, как в последний раз выполнялось полное или дифференциальное резервное копирование. Последующие процессы инкрементного резервирования добавляют только те файлы, которые подверглись изменению с момента предыдущей процедуры резервирования. При этом изменившиеся или новые файлы не замещают старые, а добавляются на носитель независимо. Конечно, в этом случае история изменения файлов увеличивается с каждым этапом резервирования, а процесс восстановления данных для этого типа резервирования происходит гораздо дольше, поскольку необходимо восстановить всю историю изменений файлов, шаг за шагом. Однако при дифференциальном резервировании процесс восстановления более прост: восстанавливается основная копия и в нее добавляются последние данные дифференциального резервирования.

Многие программные пакеты для резервирования используют различные виды резервирования, а зачастую совмещают их с целью большей эффективности и экономии места. Системные утилиты Windows, о которых мы расскажем в этой статье, также задействуют различные виды резервирования, что позволяет более динамично и оперативно восстанавливать данные пользователей в зависимости от ситуации. Для серверных операционных систем Windows доступно большее количество утилит для восстановления, чем для настольных операционных систем Windows, но здесь мы рассмотрим лишь те, что доступны обычным пользователям. Более того, для разных редакций ОС Windows набор компонентов различается, что обусловлено разделением операционных систем на корпоративные и домашние. Для операционных систем Windows существуют две основные утилиты по резервному копированию данных, которые различаются видом резервирования.

Windows Backup And Restore

Компонент Windows Backup And Restore (Архивация и Восстановление) стал доступен пользователям начиная с выхода операционной системы Windows Vista и отвечает за создание полного бекапа операционной системы с возможностью инкрементного резервирования. С выходом операционной системы Windows 8 этот компонент сменил название на Windows 7 File Recovery. Хотя он ничего из своего функционала и не потерял, Microsoft рекомендует использовать для резервирования данных новую утилиту File History, которая включена в операционные системы Windows 8 и Server 2012, но о ней мы расскажем чуть позже. Windows Backup And Restore позволяет создавать автоматический полный бекап на сменный носитель, оптические диски или в специальное место на удаленном сервере.

Последняя возможность доступна только для определенных редакций Windows 7/8, так как позиционируется как решение для ИT-администраторов компаний. Полный бекап системы в случае использования этого компонента предполагает не только сохранение файлов пользователей, но и возможность создания образа всей операционной системы и резервирование отдельных дисков компьютера. Для пользователя также доступно создание исключительно образа системы, который впоследствии можно не только извлечь на новый носитель этого компьютера, но и использовать как виртуальный диск в системах виртуализации. В случае применения данного компонента пользователь может задать те папки, которые необходимо резервировать, а также указать те системные диски, которые нужно сохранять при полном бекапе. При резервировании только файлов пользователя Windows Backup And Restore использует инкрементное резервирование данных, что позволяет получить большее количество слепков файлов в различные моменты времени. Обычно полное резервирование выполняется раз в неделю и предполагает не только резервирование файлов пользователя, но и создание образа системы, а также копирование данных для точек восстановления компонента Windows System Recovery. Процесс восстановления файлов пользователей может происходить прямо из-под операционной системы - он достаточно прост и понятен для большинства пользователей. Восстановление системы при серьезном сбое может быть осуществлено с помощью встроенных утилит Windows Recovery. Для этого необходимо либо создать новый специальный диск восстановления, либо использовать установочный образ операционный системы, с которого она устанавливалась на ПК ранее. При загрузке в режиме восстановления Windows Recovery предложит пользователю на выбор следующие режимы восстановления: восстановление файлов, переход к определенной точке восстановления, извлечение резервного образа системы на основной системный диск. Данные для восстановления в этом случае могут быть взяты с оптического носителя, внешнего или внутреннего накопителя, а также с сетевого хранилища данных. Редакция операционной системы в этом случае роли не играет. Увы, несмотря на то, что Windows Backup And Restore - достаточно мощный и удобный компонент операционной системы, компания Microsoft заявила, что, согласно проведенным исследованиям, этой утилитой пользуются в лучшем случае 5% пользователей. В связи с этим для более простого и эффективного резервирования данных компания Microsoft разработала для пользователей следующее поколение резервирования системы - Windows File History.

Windows File History

Windows File History, новый компонент операционных систем Windows 8 и Server 2012, в некотором роде замещает своего предшественника - Windows Backup And Restore. Он призван заменить только инкрементное файловое резервирование, в то время как создание образов системы и режим полного резервного копирования могут быть выполнены исключительно с помощью Windows 7 File Recovery. Компонент Windows File History изначально разрабатывался как удобное и практичное решение для пользователей, которым необходим прозрачный способ резервирования своих важных данных. При разработке этой утилиты особое внимание было уделено простоте инициализации процесса в сочетании с возможностью удобного и быстрого просмотра всех сохраненных данных. Процесс резервирования с помощью новой утилиты происходит незаметно для пользователя в автоматическом режиме и не требует от него дополнительных действий. Нельзя не отметить модифицирования резервирования на сетевые устройства, что позволяет легко и удобно работать с сохраненными файлами, если используются мобильные подключения или слабые каналы связи.

За основу утилиты Windows File History была взята часть базового функционала Windows Backup And Restore, в которой переделана визуальная составляющая, ответственная за представление сохраненных пользовательских данных. Просмотр ранее сохраненных данных теперь доступен из файлового менеджера Windows Explorer с помощью отдельной вкладки History. Это позволяет быстро найти необходимые файлы и восстановить их в любое место в системе. Несмотря на то что процесс резервирования основывается на инкрементном резервировании, при работе с ним не возникает мысли, что это именно резервирование, это скорее история создания, модифицирования или удаления файлов пользователей, доступная в любой момент. Такой подход к резервированию данных, безусловно, подойдет большинству неискушенных пользователей, поскольку процесс удобен и более нагляден в применении, чем работа с Windows Backup And Restore.

Для резервирования данных с помощью Windows File History можно использовать оптические носители, внешние накопители либо сетевые хранилища данных. Конечно, хранение данных на оптических носителях - это скорее дань традициям, чем реальный метод применения инкрементного резервирования, ведь данные могут меняться очень часто. Оптимальным выбором для обычных пользователей является резервирование на внешний или внутренний накопитель.

Для простоты работы в Windows 8 каждый подключаемый внешний накопитель может использоваться в качестве средства для резервирования с помощью Windows File History. Так, если накопитель подключен, в опциях выпадающего при автозапуске меню теперь присутствует отдельная вкладка, позволяющая в один клик назначить подключенный диск как накопитель для резервирования. При этом даже в том случае, если диск был впоследствии отключен от системы, резервирование данных возобновится, как только он будет установлен обратно. Аналогичный подход применяется и в случае резервирования данных на сетевое хранилище. Отключение от локальной сети никак не повлияет на работу системы, а при появлении сетевого окружения операционная система автоматически начнет новый цикл резервирования согласно расписанию. Прозрачная система активации функций Windows File History - это действительно огромный плюс для пользователя.

По умолчанию резервирование посредством утилиты Windows File History происходит каждый час, однако при необходимости пользователь может сам выбрать промежутки времени между каждым резервированием данных. Пользователю доступна возможность установить промежутки между резервированием от 10 минут до 1 дня. Для Windows File History можно установить только одно текущее место для резервирования, однако, если добавить несколько накопителей в места для резервирования, они могут использоваться попеременно в зависимости от их доступности. Это удобно в случае применения сетевого хранилища и отдельного накопителя. Таким образом, данные будут сохраняться в несколько мест в зависимости от текущей конфигурации. Также нельзя не отметить функцию выбора количества глубины сохраненных копий. Например, по прошествии одного или нескольких месяцев система может автоматически затирать старые данные, заменяя их новыми. Это позволяет экономить пространство в том месте, куда происходит резервирование данных. Кроме того, пользователь может использовать до 25% пространства накопителя для резервирования данных.

Утилита Windows File History по умолчанию резервирует наиболее активно используемые папки, а именно - «Контакты», «Избранное» и «Рабочий стол». Кроме того, резервирование автоматически применяется ко всем используемым папкам «Библиотеки». Пользователь может создавать собственные библиотеки данных, которые, по сути, являются символьными ссылками на реальные папки компьютера. То есть если пользователю необходимо резервировать конкретную папку на ПК, ему перед установкой Windows File History необходимо добавить эту папку в библиотеки. К тому же если некоторые папки нужно исключить из резервирования, то пользователь может выборочно исключить все библиотеки пользователя или же набор часто применяемых папок. С учетом активной интеграции с функцией «облачного» хранения данных Windows Skydrive использование этого «облачного» сервиса может быть нацелено на резервирование важных пользовательских данных, хранящихся в «облаке». Для того чтобы такая связка работала, необходимо лишь установить Skydrive, - после этого он автоматически добавится в библиотеки и будет резервироваться по мере необходимости. Увы, функция резервирования данных на «облако» пока недоступна пользователям, но компания Microsoft уже планирует добавить определенную возможность по резервированию данных на «облачные» хранилища данных в будущих версиях своих ОС.

Таким образом, новая система резервирования Windows File History отлично подходит для большинства пользователей. Простой и понятный интерфейс с возможностью быстрого добавления и восстановления файлов гораздо ближе к современному пользователю, чем предыдущая версия инкрементного резервирования в Windows Backup And Restore.

Лекция 6

Тема: Структурное резервирование и его виды

План

1. Классификация структурного резервирования, основные определения.

2. Основные схемы расчета надёжности по способу включения резервных элементов: постоянное, раздельное, замещением, скользящее.

3. Виды резервных элементов и режимы работы при нагруженном, облегченном и ненагруженном резервах.

4. Расчетно-логическая схема структурного резервирования сложной системы.

5. Организация резерва на уровне элементов, устройств и систем ИС.

Ключевые слова

Резервирование, избыточность, схема расчета, цифровое устройство, постоянное резервирование, раздельное резервирование, резервирование замещением, нагруженный резерв, ненагруженый резерв, режимы работы, скользящий резерв, переключающая схема, надёжность, безотказность.

Резервированием называют метод повышения надежности объекта путем введения избыточности. Задача введения избыточности – обеспечить нормальное функционирование системы после возникновения отказов в ее элементах.

Резервирование может быть структурным, информационным, временным, программным. Информационное резервирование предусматривает использование избыточной информации. Временное резервирование – использование избыточного времени. Программное резервирование – избыточных программ.

Структурное резервирование заключается в том, что в минимально необходимый вариант системы, элементы которой называются основными, вводятся дополнительные элементы и устройства, либо вместо одной системы предусматривается использование нескольких идентичных систем. При этом избыточные резервные структурные элементы берут на себя выполнение рабочих функций при отказе основных элементов .

Перечисленные виды резервирования могут быть применены либо к системе в целом, либо к отдельным ее элементам или их группам.

На практике большое распространение получило структурное резервирование (рис. 1).

Рис. 1. Способы резервирования КС

По схеме включения резервных элементов различают постоянное, раздельное резервирование, резервирование с замещением и скользящее резервирование.

Постоянное резервирование – это такое резервирование, при котором резервные элементы участвуют в функционировании объекта наравне с основными (рис. 2).

Для постоянного резервирования в случае отказа основного элемента не требуется специальных устройств, вводящих в действие резервный элемент, так как он вводится в действие одновременно с основными.

Основным параметром резервирования является его кратность (степень избыточности). Под кратностью резервирования m понимается отношение числа резервных объектов к числу резервируемых (основных).

Раздельным резервированием называется метод повышения надежности, при котором резервируются отдельные части объекта (рис. 2.3).

Рис. 2. Общее резервирование и постоянное включение резерва с постоянно включенным резервом.

Рис. 3. Раздельное резервирование с постоянно включенным резервом

Резервирование замещением – это резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного (рис. 4 а, б). При использовании резервирования замещением необходимы контролирующие и переключающие устройства для обнаружения факта отказа основного элемента и переключения его с основного на резервный.

Рис. 4. а) Общее резервирование с включением резерва замещением.

б) Раздельное резервирование с включением резерва замещением.

Скользящее резервирование – это резервирование замещением, при котором группа основных элементов объекта резервируется одним или несколькими резервными, каждый из которых может заменить любой отказавший элемент в данной группе.

Скользящее резервирование всегда является активным, всегда имеется переключающее устройство, определяющее наличие отказа и включающее резервный элемент (рис. 5).

Рис. 5. Схема скользящего резервирования

Виды резервных элементов в зависимости от режима работы

В зависимости от режима работы различают:

Нагруженный резерв – резервный элемент находится в том режиме работы, что и основной. При этом принимается, что характеристики надежности резервных элементов в период их пребывания в качестве резервных и в период использования вместо основных после отказа последних, остаются неизменными.

Облегченный резерв – резервный элемент находится в менее нагруженном режиме, чем основной. Принимается, что характеристики надежности резервных элементов в период их пребывания в качестве резервных выше, чем в период их использования вместо основных после отказа последних.

Ненагруженный резерв – резервный элемент практически не несет нагрузки. Такой резервный элемент, находясь в резерве, отказывать не должен, т.е. обладает в этот период идеальной надежностью. В период же использования этого элемента вместо основного после отказа последнего надежность становится равной надежности основного.

Различают резервирование с целой и дробной кратностью. Для их различия на схеме указывают кратность резервирования m (рис. 6, а, б) .

Рис. 6. Резервирование: а) постоянное резервирование с дробной кратностью (m =4/2);

б) раздельное резервирование с дробной кратностью (m =2/4)

При резервировании с целой кратностью величина m есть целое число, при резервировании с дробной кратностью m есть дробное несокращаемое число. Например, m =4/2 означает наличие резервирования с дробной кратностью, при котором число резервных элементов равно 4, число основных 2, а общее число элементов равно 6. Сокращать дробь нельзя, так как если m =4/2=2, то это означает, что имеет место резервирование с целой кратностью, при котором число резервных элементов равно 2, а общее число 3.

Для резервирования объектов, состоящих из одинаковых элементов, можно использовать небольшое число резервных элементов взамен любых отказавших основных элементов (скользящее резервирование).

Мажоритарное и комбинированное резервирование

Частным случаем резервирования с дробной кратностью является мажоритарное резервирование, часто используемое в устройствах дискретного действия (рис. 7). При мажоритарном резервировании вместо одного элемента (канала) включается три идентичных элемента, выходы, которых подаются на мажоритарный орган М (элемент голосования). Если все элементы этой резервной группы исправны, то на вход М поступают три одинаковых сигнала и такой же сигнал поступает во внешнюю цепь с выхода М .

Рис. 7. Мажоритарное резервирование (выбор по большинству)

Если один из трех резервных элементов отказал, то на вход М поступают два одинаковых сигнала (истинных) и один сигнал ложный. На выходе М будет сигнал, совпадающий с большинством сигналов на его входе, т.е. мажоритарный орган, осуществляет операцию голосования или выбора по большинству. Таким образом, условием безотказной работы группы при мажоритарном резервирование является безотказная работа любых двух элементов из трех и мажоритарного органа в течение заданного времени.

Комбинированный резерв – на рис. 8 представлена резервированная группа, сочетающая преимущества нагруженного резерва (непрерывность работы) и ненагруженного резерва (обеспечение большого выигрыша в надежности). В данном случае два элемента образуют дублирующую группу (нагруженный резерв), а третий находится ненагруженном резерве. Такой резерв называют комбинированным.

В устройствах ИС ответственного назначения могут быть использованы все виды структурного резервирования (рис. 9).

Рис. 8. Комбинированный резерв

Рис. 9. Расчетно-логическая схема структурного резервирования подсистемы сложной ТС

Теоретически введением избыточности в структуру системы и выбором оптимальных режимов можно создать сколь угодно надежную КС. Но не всегда это практически выполнимо. Анализируя все виды резервирования, следует сделать практический вывод: обеспечить высокую надежность КС путем общего нагруженного резерва не представляется возможным по экономическим соображениям. Наибольший эффект дает поэлементное резервирование [ 1, 2, 3, 6].

Сравнивая между собой виды резервирования с нагруженным и ненагруженным резервом, можно заметить, что при прочих равных условиях система с ненагруженным резервом надежнее системы с нагруженным резервом.

Организация резерва на уровне компьютера и КС

Резервирование на уровне компьютера. В аппаратуре универсальных компьютеров резервирование встречается на различных уровнях. На уровне компьютера резервирование заключается в наличии большого числа однотипных машин, что необходимо для решения постановленных задач. В этом случае надежность системы оценивается как для систем со скользящим резервированием. В случае универсальных компьютеров целесообразно использовать производительность всех имеющихся процессоров. Тогда свойство системы удобнее характеризовать через эффективную производительность системы.

где П i – производительность (число задач выполняемых машиной в единицу времени) i -ой машины;

n – число машин в системе;

К i – коэффициент готовности i -ой машины.

Если отдельные системы компьютера, объединенные через адаптеры между каналами для периферийных устройств, через общее поле памяти или другим способом, образуют многомашинную (многопроцессорную) КС, то эффективная производительность такой системы

,

где m – количество состояний системы;

P j – вероятность того, что система находится j -м состоянии;

П j – производительность системы в j -м состоянии.

Вероятность P j определяют методом Марковских цепей. Поскольку конфигурация таких систем может быть самой различной, для оценки вероятности сохранения связности системы следует применять методы расчета надежности систем со сложной структурой, например метод минимальных путей и сечений.

Резервирование на уровне устройств . На более низких уровнях иерархии структуры в универсальных компьютерах резервирование встречается на уровне периферийных устройств (ПУ). Для решения задач требуется некоторое минимальное число ПУ.

Резервирование на уровне кодов – в компьютерах для повышения надежности ОЗУ и ПЗУ применяются коды с обнаружением и исправлением ошибок. Применение этих кодов дает возможность исправлять определенное число ошибок в каналах передачи или восстанавливать информацию в случае отказа некоторых ячеек в ОЗУ и ПЗУ или дорожек (то есть усилителей записи-считывания) в накопителях на магнитных дисках. Надежность таких устройств оценивается как надежность резервированных систем со скользящим резервом.

Резервирование в специализированных и управляющих компьютерах . В специализированных, а особенно в управляющих машинах резервирование применяется значительно шире в связи с высокими требованиями к надежности таких систем.

На уровне компьютера, а иногда на уровне программного обеспечения применяется троирование. Встречаются также системы, где используется несколько резервных машин. В целях повышения надежности часть из них может работать в режиме нагруженного резерва, часть в режиме ненагруженного. Однако резервирование на уровне компьютера не самое экономичное. Для повышения надежности при ограничении массы, стоимости и габаритных размеров КС используется резервирование отдельных устройств машин троированием или применением нескольких нагруженных или ненагруженных резервов. Для повышения надежности самых ответственных узлов применяется троирование или логика с переплетениями (представляется в виде избыточной логической схемы, где ошибки в одном слое корректируются в этом же или следующем слое логических элементов).

Все рассмотренные методы резервирования в КС относятся к пассивному резервированию, так как не предусматривают реконфигурацию системы. Способы резервирования, предусматривающие автоматическую реконфигурацию системы используются в отказоустойчивых компьютерных системах (ОКС). В ОКС используются средства обнаружения, локализации отказа и средства реконфигурации.

Отказы в ОКС обнаруживается при помощи средств контроля, а локализуются при помощи средств диагностики и устраняются автоматической реконфигурацией системы. Реконфигурация заключается в перестройке структуры вычислительных средств таким образом, чтобы ее отказавшие части были устранены от участия в работе.

Контрольные вопросы и задания

1. Что такое резервирование?

2. Какие виды структурного резервирования широко распространены на практике?

3. Что такое постоянное (общее) резервирование?

4. Каково значение кратности резервирования при дублировании?

5. Приведите пример комбинированного резерва элементов КТ?

6. Составьте структурную схему надежности устройства состоящего из четырех основных элементов, включенных по схеме раздельного резервирования с нагруженным резервом (m = 1).

7. Как оценивается ВБР при мажоритарном резервировании?

8. Где чаще всего применяется динамическое резервирование?

9. Составьте структурную надежности устройства КС состоящего из 4-х основных элементов, включенных по схеме общего резервирования с нагруженным резервом при m = 2.

10. При каком способе резервирования устройств ИС всегда присутствуют переключающие устройства (коммутатор)?

Литература: 1,2,3,5,6, 7.

Как было сказано выше, надежность системы зависит от ее структуры (схемотехнического решения) и надежности элементов, входящих в систему. Поэтому для повышения надежности систем необходимо либо повысить надежность элементов, либо изменить схемотехническое решение, либо использовать комбинацию этих двух подходов.

Говоря о повышении надежности элементов, следует помнить, что требования к их надежности формулируются на этапе технического задания. Путем предварительных расчетов по структурной схеме системы (подробнее примеры расчетов будут приведены ниже) можно сформулировать требования к показателям надежности элементов, чтобы вероятность безотказной работы системы удовлетворяла заданным требованиям. Однако на практике не всегда существует возможность использования таких элементов. Это может быть связано, например, с тем, что они являются более дорогостоящими, занимают больший объем или, наконец, такие элементы просто не производятся. Вопросы создания новой элементной базы выходят за рамки данного курса и ниже обсуждаться не будут.

Если изменение структуры системы с целью повышения надежности связано с изменением схемотехнического решения, то при исходных ненадежных элементах это, как правило, не приводит к достижению нужных показателей надежности системы. Кроме того, такого рода изменения структуры требуют достаточно больших затрат ресурсов. Однако если под изменением структуры подразумевается введение в систему избыточных элементов, включающихся в работу при отказе основных, то такое изменение приводит к повышению надежности до требуемого уровня. Таким образом, приходим к понятию резервирования.

Резервирование (redundancy) - способ обеспечения надежности объекта за счет использования дополнительных средств и (или) возможностей, избыточных по отношению к минимально необходимым для выполнения требуемых функций. Таким образом, объект содержит основные, резервируемые и резервные элементы.

Основной элемент (major element) - элемент объекта, необходимый для выполнения требуемых функций без использования резерва.

Резервируемый элемент (element under redundancy) - основной элемент, на случай отказа которого в объекте предусмотрены одни или несколько резервных элементов. Резервный элемент (redundant element) - элемент, предназначенный для выполнения функции основного элемента в случае отказа последнего.

По способу включения в систему резервных элементов различают постоянное резервирование и резервирование замещением. Постоянное резервирование (continuous redundancy) - резервирование, при котором используется нагруженный резерв и при отказе любого элемента в резервированной группе выполнение объектом требуемых функций обеспечивается оставшимися элементами без переключений. Резервирование замещением (standby redundancy) - резервирование, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного элемента. Следует заметить, что резервирование замещением требует дополнительных устройств для контроля за состоянием элементов, для выключения отказавших элементов и для включения резервных элементов. Такие устройства называются переключателями.

При постоянном резервировании резервные элементы соединены параллельно с основными элементами и во время функционирования объекта находятся в том же режиме, что и основной элемент. Такой режим работы называют нагруженный резерв. То есть под нагруженным резервом (active reserve, loaded reserve) понимают резерв, содержащий один или несколько резервных элементов, находящихся в режиме основного элемента. Поскольку при постоянном резервировании в случае отказа основного элемента перестройки схемы не происходит, а отказавший элемент не отключается, то в данном случае нет необходимости в переключающих устройствах. К достоинствам постоянного резервирования следует отнести простоту конструкции и отсутствие временных задержек при выходе из строя основного элемента и замене его на резервный. К недостаткам - расход ресурса резервных элементов, поскольку они находятся в нагруженном режиме.

При резервировании замещением основной элемент при выходе из строя отключается и включается резервный элемент. При этом функции основного элемента передаются заранее установленному резервному элементу. Переключение может выполняться автоматически или вручную. В зависимости от способа функционирования резервных элементов до момента их включения в работу различают три типа резервирования: режим нагруженного (горячего) резерва, режим облегченного (теплого) резерва и режим ненагруженного (холодного) резерва.

Как было сказано ранее, при нагруженном резерве резервные элементы находятся в том же режиме функционирования, что и основной элемент. В этом случае показатели надежности резервного элемента такие же, как и у основного элемента.

Облегченный резерв (reduced reserve) - резерв, который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в менее нагруженном режиме, чем основной элемент. Предполагается, что в этом случае надежность резервного элемента выше надежности основного элемента.

Ненагруженный резерв (standby reserve, unloaded reserve) - резерв, который содержит один или несколько резервных элементов, находящихся в ненагруженном режиме до начала выполнения ими функции основного элемента, т. е. резервные элементы до момента их использования находятся в обесточенном состоянии и их надежность до момента включения не изменяется по сравнению с первоначальной.

Кроме того, для проведения расчетов следует иметь в виду, что переключатели, используемые при резервировании замещением, не обладают абсолютной надежностью.

Разновидностью ненагруженного резервирования является скользящее резервирование (sliding redundancy) , при котором группа основных элементов резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой из отказавших основных элементов.

Рассмотрим еще одно понятие - кратность резервирования (redundancy ratio) - отношение числа резервных элементов к числу основных элементов. Резервирование с целой кратностью возникает, когда один основной элемент резервируется одним или несколькими резервными элементами. Резервирование с дробной кратностью возникает, когда два и более однотипных элементов резервируются одним или несколькими резервными элементами. Чаще всего дробная кратность возникает в тех случаях, когда число основных элементов превышает число резервных элементов.

С использованием последовательной и параллельной моделей надежности строятся общее и раздельное резервирование объекта. Общее резервирование (whole system redundancy) - резервирование, при котором резервируется объект в целом. Раздельное резервирование (segregated redundancy) - резервирование, при котором резервируются отдельные элементы объекта или их группы.

Подводя итоги сказанному выше, приведем возможные типы резервирования (рис. 5.6).

Рис. 5.6.

Ниже будут рассмотрены основные способы резервирования объекта.

Виды резервирования

Резервирование – это применение дополнительных средств или возможности с целью сохранения работоспособного состояния устройства (или системы) при отказе одного или нескольких его элементов: Под элементом здесь, как и ранее, следует понимать первичный элемент, функциональный узел, блок и т.д. Резервирование сегодня – дно из основных средств обеспечения заданного уровня надежности (особенно безотказности) аппаратуры при недостаточно надежных ее элементах. К дополнительным средствам и возможностям, используемым при резервировании, относятся прежде всего элементы, вносимые в структуру (схему) устройства в качестве резервных.

При использовании резервирования различают основной и резервный элементы (узлы, блоки) структуры устройства (или системы). Резервный элемент устройства предназначен для выполнения функций основного элемента в случае отказа последнего, называемого резервируемым. Для одного резервируемого элемента может предусматриваться несколько резервных, и, наоборот, один резервный элемент может предусматриваться для нескольких основных (резервируемых). Кроме резервных элементов, в качестве резерва может использоваться запас времени на решение постатейной задачи, избыток обрабатываемой информации, дополнительные функциональные возможности, предусматриваемые в системе, и т.д. Соответственно, в зависимости от вида резерва различают структурное, временное, информационное и функциональное резервирование. Таким образом, резерв может представлять собой не только элементы материальной структуры объекта. Рассмотрим кратко основные виды резервирования.

Структурное резервирование. Этот вид резервирования является материальным и предполагает введение резервных элементов (узлов, блоков) в структуру устройств (систем). При этом различают общее и раздельное резервирование. При общем резервировании резервируемым элементом является все устройство (или система) в целом: передатчик, бортовой вычислитель и т.д. Раздельное резервирование предполагает использование отдельных резервных элементов в устройстве (или системе). Например, для устройства это может быть резерв на уровне микросхем, для системы – на уровне блоков. Раздельное резервирование обычно является встроенным в устройство.

При замене основного элемента резервным необходимо придерживаться определенной стратегии. Если при этом не происходит перестройка структуры устройства (системы), то резервирование называется постоянным. В простейшем случае оно представляет собой параллельное соединение элементов без переключающих устройств (рис. 9.1, а – общее резервирование, б - раздельное).

При наличии переключающих устройств, реагирующих на отказы элементов, имеет место динамическое резервирование. При этом происходит замещение отказавшего элемента резервным (рис. 9.1, в ). Динамическое резервирование может быть и более сложным, когда отказ одного элемента приводит не к его замещению таким же элементом, а к изменению структуры устройства (системы). Например, изменяется схема прохождения информации при отказе линии коммуникации.

Распространенным видом резервирования замещением является скользящее резервирование, которое иногда называют резервированием «с дробной кратностью». Суть его состоит в том, что для группы одинаковых основных элементов изделия предусматривается один или несколько таких же резервных элементов, замещающих основные в группе по мере возникновения их отказов. На рис. 9.1, г показаны элементы у11 и У13 – основные (резервируемые), элемент У2 (1, 3) – «скользящий» резервный, замещающий либо элемент У11, либо У19.

Рис. 9.1 Виды структурного резервирования

Отношение числа резервных элементов к числу резервируемых или основных, выраженное несокращенной дробью, называется кратностью резервирования. В частном случае при кратности, равной единице, резервирование называют дублированием.

С точки зрения энергопотребления резервные элементы могут находиться в трех состояниях: 1) состояние нагруженного резерва, когда резервные элементы находятся в режиме основного элемента; 2) облегченный резерв, когда резервные элементы менее нагружены по сравнению с основными элементами; например, в резервном передатчике может быть подано напряжение; 3) ненагруженный резерв, когда резервные элементы находятся полностью в нагруженном режиме до начала выполнения ими функций основного элемента. С точки зрения надежности элементы нагруженного резерва имеют тот же уровень безотказности, долговечности и сохраняемости, что и резервируемые ими основные элементы, так как условия их эксплуатации одинаковы. Элементы облегченного резерва обладают боле высоким уровнем безотказности, а для элементов ненагруженного резерва условно полагают, что они никогда не отказывают и при замещении отказавших основных элементов всегда работоспособны.

Ремонт или замена отказавших резервных элементов позволяет поддерживать очень высокий уровень надежности системы при ее функционировании. Резерв, невосстанавливаемый в процессе функционирования системы, может относиться к восстанавливаемому во время перерывов функционирования или во время хранения. Восстанавливаемость резерва, как и системы в целом, обеспечивается при наличии работоспособности. При резервировании это особенноважно, так как надо своевременно обнаруживать скрытые отказы основных и резервных элементов.

Временное резервирование. При данном резервировании резервы времени могут создаваться за счет повышения скорости обработки информации, за счет специально выделяемого временного резерва. Для этой цели в проектируемой системе, например, может быть использован вычислитель с производительностью, в два раза превышающей заданную. Тогда для повышения надежности решения поставленных задач он их может решать дважды за отведенное время, сопоставляя результаты решения. Или при передаче сообщения по каналу связи может быть выделено дополнительное время для повторения сообщения, чтобы повысить надежность его правильного приема. В резервное время можно исправлять поломки.

Информационное резервирование. Применяется в системах, в которых возникновение отказа приводит к потере или искажению части обрабатываемой или передаваемой информации. Избыток данных позволяет компенсировать эти потери или устранить возникающие искажения. Для информационных систем такой вид резервирования очень важен, но не всегда эффективно используется. В качестве примера информационного резервирования может служить добавление избыточных символов в двоичные кодовые посылки в цифровых системах для повышения их помехозащищенности. Можно передать по каналу связи одни и те же данные дважды, вне зависимости от качества их приема после первой передачи. В этом существенное отличие информационного резервирования от временного. При временном резервировании второй раз данные не следует передавать, если они правильно приняты при первой передаче.

Функциональное резервирование. Этот вид резервирования характерен для электронных систем и устройств многофункционального назначения (измеряющих различные координаты различными методами, обрабатывающих измерения, передающих и отражающих сообщения и т.д.). ЭУ, образующие такую систему, так же могут быть многофункциональными. Если такое ЭУ отказало и не обеспечивает решение какой-то задачи, то оно может быть еще полезным для решения других задач и, таким образом, является функциональным резервом. Функции же отказавшего ЭУ может принять на себя другое ЭУ в дополнение к своим основным функциям.

Например, для обработки измерительных данных в системе имеется несколько различных процессоров, каждый из которых решает только определенный круг задач. Если отказывает какой-то из процессоров, то его задачи начинает решать один (или несколько) из оставшихся исправных. При этом если нет возможности решать все задачи, то решаются только наиболее важные в данный момент (задачи высшего приоритета).