一种双机热备份机群的可信性建模分析.doc

一种双机热备份机群的可信性建模分析中图法分类号：TP3093文献标识码：A 随着系统可靠性的不断提高，许多系统在关键节点都需要双机热备份系统的支持，本文对SHD2IP系统中的一个双机热备份进行了可信性建模分析和比较。通过对系统建立可信性模型的分析和验证，对掌握系统的可靠性和可信性以及系统的性能有很大的指导意义。 1SHD2IP系统的双机热备份机群 SHD2IP系统是运行在移动网络中的一个监控系统，主要是接收前端采集设备发送来的数据，并对数据进行分析和处理，如果发现被监控的对象有故障，就进行报警。图1是SHD2IP系统中分光器与 LSC之间的双机热备份图。为了叙述方便，我们分别称运行主外挂服务器和从外挂服务器的系统为主服务系统和从服务系统。主服务系统和从服务系统之间通过心跳线进行连接，开始时，主服务系统和从服务系统均处于打开状态，它们都接收从分光器发送来的数据信号。但是只有主服务系统向LSC发送信息，从服务系统不向LSC发送信息。一旦主服务系统出现故障，就完成了向从服务系统的切换，转换设备（BOX）与外挂服务器作为一个整体工作，切换时进行整体切换。该监控系统的实时要求比较高，要求其可用性达到99.999%甚至更高，如果进行实际验证，会浪费大量资源，所以从理论上对系统的可用性进行分析具有很重要的意义。通过使用符合系统状态变化的模型和设定的参数来验证系统的可靠度和安全度，并通过改变这些设定的参数来看它们对系统的影响；然后根据对系统可靠度和安全度有影响的参数因子来指导系统的设计，使系统的可用性符合系统的要求。 图1SHD2IP系统中的双机热备份系统图 2可信性模型的选取 在计算机容错系统中有许多评价模型13，主要有组合模型 、动态故障树模型、马尔可夫模型和神经网络模型。在这四种模型中，组合模型比较适合解决简单的、静态系统的可靠性问题，在比较复杂的系统中用组合模型很难分析，所以一般时候不采用这种模型；动态故障树模型分析虽然可以分析出系统的薄弱环节，但是不能对具有动态随机性的系统和顺序相关的系统进行分析；神经网络模型在系统的设计过程中，对系统参数的选择起指导作用，对评价既定系统的可靠度和安全度还需要进一步的研究和探索；马尔可夫模型不但建模简单，而且很适合描述具有计算机容错系统的状态转移。由于本系统中的状态转换符合马尔可夫模型，所以本文选择了马尔可夫模型来对双机热备份系统进行建模分析比较。 3马尔可夫模型对SHD2IP中双机热备份系统的描述 31SHD2IP中双机热备份系统的马尔可夫模型建立 为了能正确地反映组成模块在工作状态和失效状态之间的不断转换，在马尔可夫模型中定义了所有可能的系统状态和状态转移2。其中系统状态描述了在该系统中的任何时刻系统可能处于的状态。在马尔可夫模型中，系统的下一步运行状态与如何进入当前状态无关，而仅仅与当前状态有关系。状态转移表示了系统从一个状态转移到另一个状态的概率。 在SHD2IP系统中，双机热备主要处于四种状态：双机互备状态、Work_primary_handler状态、Work_secondary_handler状态和Work_standalone状态。图2是它们的状态转换图。 为了刻画系统的马尔可夫模型，根据系统处于的状态定义系统的马尔可夫状态集s=0,1,2,n，该系统有四个状态，如图3所示。 状态0：两个服务系统都正常工作，处于完好状态。 状态1：主服务系统或者备用服务系统有一个系统发生故障，系统处于单服务系统工作状态。 状态2：在单服务系统下，检测到该系统也发生故障并被切除。 状态3：系统处于危险状态。 那么，根据上面的定义，假设系统在时刻t正常工作，而在时刻t+t失效的概率p为p=1-e-t，如果把上面部分用指数展开，当t很小时，p=1-e-tt。如果假设系统的可维修概率是，故障覆盖率是c，那么该系统出现故障后，被隔离维修后系统的转换概率是ct，若没有检测切除则其概率是(1-c)t，系统维修后转换为正常工作模块的转换概率是t。于是可以得到在马尔可夫模型中的转移概率函数，如表1所示。 表1状态转移概率表 32可靠度与安全度的计算 可靠度r(t)4，5表示电子元器件产品在规定条件下使用一段时间t后，还能完成规定功能的概率；安全度s(t)表示在系统的可靠度与失效安全状态下条件概率的和。如果用pn(t)表示系统在时刻t处于状态n的概率， pn(t+t)表示系统在t+t时刻处于状态n的概率，其中n的取值是0,1,2,3中的一个，那么根据图3，可以得到如下方程组： 求上述偏微分方程的解，由式(6)可得p0(t)=p1(t)+(+)p1(t)2c，然后把它带入式(5)，再结合系统的初始条件(在条件t=0时刻，系统完全可靠，没有故障发生，所以有p0(0)=1,p1(0)=p2(0)=p3(0)=0)，可以求得到如下结果： 4系统可靠度和安全度分析 通过上面的公式，可以利用仿真语言MATLAB来对影响系统性能的关键参数c，进行分析。图4和图5是可靠度和安全度随时间变化的函数。表2和表3列出了参数和参数c对系统可靠度和安全度的影响。其中c=095， =0 通过上面的分析可得到下面的结论： (1)当系统的失效率和故障覆盖率是一个常数时，系统的可靠度和安全度随着系统维修率的改变而改变。当维修率增加时系统的可靠度和安全度也增加，所以可以通过增加系统的维修率来增加系统的可靠度和安全度。 (2)当系统的维修率固定后，系统的可靠度随着时间的运行急剧下降，而系统的安全度受到的影响不是很大；当系统的故障覆盖率比较低时，系统的可靠度也很低，而系统的安全度受到的影响不是很大。 (3)从图4和图5可以看出，系统的可靠度和安全度随着时间的增加而降低，并且有一个时间段急剧下降。 表3参数c对双机热备份系统可靠度和安全度的影响 所以为了提高SHD2IP系统的可靠度和安全度，需要做下列工作： (1)提高系统的可维修率。 (2)提高系统的故障覆盖率c。 (3)定期对系统中的备份系统进行维修检查，以提高系统的安全度和可靠度。 这就需要从硬件和软件两个方面对系统进行可靠性设计，在设计时需要考虑能使系统可靠的各种因素。 5结论 本文通过对SHD2IP系统中的双机热备份系统进行建模分析，了解影响系统可靠度和安全度性能的关键参数，这对于设计、使用、维护SHD2IP系统应用有一定的理论指导价值。