网络的容错分析

　　摘要：安全、实时、高效是计算机系统的主要要求。由于容错设计能为计算机系统提供更高的安全性能，在医院、银行、电力等安全要求高的行业得到了广泛应用。
　　关键词：网络；容错设计
　　
　　容错设计来源于这样的思想：按照概率论，无论多么先进的系统，其故障率必然大于零，要使系统避免失效，就要提供冗余系统。容错设计的目的不是避免系统发生故障或提高平均无故障时间，而是在系统发生故障时保证系统正常功能不受或少受影响。
　　这种系统设计思想与不断提高的软件、硬件质量结合起来，就能形成具有强大性能的实时不间断的网络系统。经过容错设计的网络系统有两大优势：
　　1、故障不停网优势：容错网络在服务器、交换机等关键设备故障的情况下也能正常运行。这就为抢救数据、维修设备提供了充足的时间，避免了故障损失的扩大。
　　2、消除网络瓶颈：容错网络由于采用了冗余设计，可以进行负载均衡，使网络瓶颈问题得到解决或缓解。所以，容错网络的网速更高，堵塞更少。
　　本文通过几种典型的网络结构对网络的容错性能做一分析。
　　双机热备份是一种较早的服务器备份方法，这种方法将两台服务器用光纤连接起来，并通过在服务器上运行的服务器备份软件做实时的备份。其中工作的为主服务器，另一台为辅服务器，它们作为一台逻辑服务器来工作。同时，两台服务器各通过一块网卡连接到同一台交换机上。主服务器故障时，辅服务器可以立即升格为主服务器接替工作。其网络主体结构图见下图：
　　
　　由于集线器和个人计算机通常较廉价而多有备份，本文为方便研究视其为完好。在实践中，同类设备还往往采用统一型号的设备，所以不妨设，服务器Server(i)故障率为E(si)=Es，交换机Switch(i)故障率为E(swi)=Esw，网卡故障率为E(ni)=En。
　　通过分析上面的双机热备网络结构图，我们知道，两台服务器构成并联容错子系统，此并联容错子系统又与交换机构成了一个串联容错系统。此系统的失效率P可计算如下：
　　P=P并+Esw-P并*Esw
　　=Es1*Es2+Esw-Es1*Es2*Esw
　　=Es1*Es2(1-Esw)+Esw
　　由上式可知，当Esw=1时，P=1；当Es1=Es2=Esw=0.001时，P=0.001000999≈0.001。也就是说，此容错系统的失效率主要受到交换机的影响，而且若交换机故障，此容错系统必定失效。这是不能容忍的。因而，有了改进的双交换机结构的双机热备份系统。
　　在这种网络结构中，每台服务器都通过双网卡分别与两台交换机连接。双网卡形成并联容错子系统，双交换机形成并联容错子系统，双网卡服务器和双交换机又构成了串联容错系统。其容错结构的示意图如下：
　　
　　根据公式和容错关系，可以用单网卡服务器的失效率Es表示双网卡服务器的失效率和系统失效率。不妨设服务器中除网卡外其余部分的失效率为X。则
　　Es=X+En-X*En可解得
　　X=(Es-En)／(1-En)
　　双网卡服务器的失效率Es’和系统失效率P’可计算如下：
　　Es’=X+En1*En2-X*En1*En2
　　=(Es—En)／(1-En)+(1-Es)*En*En／(1-En)
　　=Es-(1-Es)*En
　　P’ =Es1’*Es2’+Esw1*Esw2-Es1’*Es2’*Esw1*Esw2
　　=Es’*Es’+Esw*Esw-Es’*Es’*Esw*Esw
　　=Es’*Es’(1-Esw*Esw)+Esw*Esw
　　不难看出Es’远小于Es，P’远小于P。所以双交换机、双服务器的容错能力远高于一般的双机热备系统。而且，当Es’=Esw=0.001时，P’=0.000001999999，即该容错网络的失效率不再受单一因素影响，网络瓶颈消失。这对安全要求高的计算机网络系统很有实用价值。
　　网络容错性能的提高是以高昂的成本为代价的。随着计算机硬件生产技术的发展，单机安全性能日益提高，价格昂贵成为容错网络的主要缺点。今天，多数信息化管理人员已经不用进行这种复杂的容错分析了。最新的服务器本身提供了CPU多路冗余、RAID5磁盘冗余、电源冗余和网卡冗余，整机集成带来了更高的安全性能。
　　但是，整机平均无故障时间的延长代替不了容错设计。对于医院、电力等要求提供实时不间断服务的行业用户，网络容错设计仍是非常必要的。在航空领域，甚至采用了四余度的表决容错系统。计算机容错网络正向着专业化、高端化发展。
　　
　　参考文献：
　　1、刘宏.Windows NT4.0使用组网技术[M].中国水利水电出版社，1998.
　　2、刘锦德.计算机网络技术及其应用[M].电子科技大学出版社，1997.
　　3、杨孝宗.计算机容错技术[M].哈尔滨工业大学出版社，1995.
　　
　　（作者单位：黑龙江省电力开发公司）