Резервирование

Резервирование — это метод обеспечения отказоустойчивости системы путём введения дополнительных (резервных) компонентов, функций или ресурсов, которые берут на себя выполнение задач в случае отказа основных. Цель резервирования — повышение надёжности, доступности и живучести технических, информационных или организационных систем за счёт избыточности. Резервирование является одним из фундаментальных принципов теории надёжности и широко применяется в авиации, энергетике, телекоммуникациях, вычислительной технике и военном деле.

История

Идея резервирования восходит к древним временам: например, в римских акведуках использовались параллельные каналы для обеспечения водоснабжения при ремонте одного из них. В современном виде концепция начала формироваться в конце XIX — начале XX века с развитием железнодорожного транспорта и телеграфа. Первые системы сигнализации на железных дорогах предусматривали дублирование ключевых реле для предотвращения аварий.

В авиации принцип резервирования стал применяться с 1930-х годов, когда на многомоторных самолётах начали устанавливать несколько двигателей, а также дублировать системы управления. Во время Второй мировой войны в радиоэлектронике появилось резервирование с помощью параллельно включённых ламп в радиолокаторах. В 1950-е годы, с началом космической программы СССР и США, резервирование стало обязательным для пилотируемых аппаратов: например, корабль «Восток» имел дублированные системы ориентации и торможения.

С развитием цифровых технологий в 1960–1970-х годах возникло понятие программного резервирования. В 1980-е годы в компьютерных сетях стали использовать RAID-массивы (избыточные массивы независимых дисков), а в 1990-е — кластерные конфигурации с «горячим» резервом. В XXI веке резервирование стало стандартом для облачных вычислений, где данные реплицируются между географически удалёнными дата-центрами.

Классификация

Резервирование классифицируется по нескольким признакам: способу введения резерва, режиму работы резервных элементов, масштабу и объекту.

По способу введения резерва

• Структурное (аппаратное) резервирование — добавление избыточных физических компонентов (блоков, узлов, каналов связи). Пример: два процессора в системе управления самолётом.
• Функциональное резервирование — выполнение одной функции несколькими различными способами или устройствами. Например, измерение высоты с помощью барометрического высотомера и радиовысотомера.
• Информационное резервирование — избыточное хранение или передача данных (избыточные коды, резервные копии, контрольные суммы). Пример: код Хэмминга в памяти компьютера.
• Временное резервирование — выделение дополнительного времени на выполнение задачи при сбое (например, повторный запрос в сети).
• Программное резервирование — использование нескольких версий программного обеспечения (N-версионное программирование) или «горячих» резервных процессов.

По режиму работы резерва

• Горячий резерв — резервный элемент работает одновременно с основным и готов немедленно взять нагрузку. Характерен для систем, где недопустимы перерывы (например, блоки питания серверов).
• Тёплый резерв — резервный элемент находится в рабочем состоянии, но не нагружен; для переключения требуется короткое время (от секунд до минут). Пример: резервный сервер баз данных с синхронизацией.
• Холодный резерв — резервный элемент выключен или не подключён; вводится в действие вручную или автоматически, но с заметной задержкой. Пример: запасной двигатель на складе.

По масштабу и объекту

• Покомпонентное резервирование — дублирование отдельных деталей или узлов (например, два датчика давления).
• Подузловое резервирование — резервирование функциональных блоков (например, два контроллера в системе управления).
• Системное резервирование — создание полной резервной системы (например, дублирующий центр управления полётами).
• Географическое резервирование — размещение резервных мощностей в разных регионах для защиты от локальных катастроф.

Методы и схемы

Основные схемы структурного резервирования:

• Постоянное резервирование — резервные элементы включены постоянно и работают параллельно с основными. При отказе одного из них нагрузка перераспределяется между оставшимися. Пример: многодвигательный самолёт, где при отказе одного двигателя остальные продолжают работу.
• Замещающее резервирование — резервные элементы подключаются только после отказа основных. Различают автоматическое и ручное замещение. Пример: резервный генератор электростанции, запускаемый при пропадании сети.
• Скользящее резервирование — один резервный элемент может заменить любой из нескольких однотипных основных. Часто применяется в вычислительных кластерах, где один «горячий» сервер готов взять нагрузку любого отказавшего узла.
• Мажоритарное резервирование — используется несколько (обычно три) однотипных каналов, а выходной сигнал формируется по принципу «голосования» (большинством). Применяется в системах управления атомными станциями и в авионике.

Применение

Резервирование является обязательным требованием в отраслях, где отказ системы может привести к катастрофическим последствиям.

Авиация и космонавтика

В авиации резервируются системы управления, гидравлика, электропитание, навигационное оборудование. Например, самолёт Boeing 787 имеет три независимые гидравлические системы и четыре канала управления полётом. В космических аппаратах резервирование доведено до предела: на МКС каждая система (жизнеобеспечения, связи, ориентации) имеет как минимум два дублирующих комплекта.

Энергетика

На атомных электростанциях системы безопасности (аварийное охлаждение, защита реактора) резервируются по схеме 2×100% или 3×50%. На гидроэлектростанциях устанавливают несколько генераторов, а на тепловых — резервные трансформаторы и линии электропередачи.

Информационные технологии

В IT резервирование реализуется на нескольких уровнях:

• Аппаратное — RAID-массивы, резервные блоки питания, дублированные сетевые интерфейсы.
• Программное — кластеризация серверов, репликация баз данных, «горячее» резервирование (HA-кластеры).
• Облачное — географическое распределение данных (например, у провайдеров Amazon Web Services, Microsoft Azure, Яндекс.Облако).

Транспорт

На железных дорогах резервируются системы сигнализации и блокировки; на судах — рулевое управление и навигационные приборы. В автомобилестроении резервирование касается тормозной системы (двухконтурные тормоза) и электронных систем стабилизации.

Критика и ограничения

Резервирование не является универсальным решением. Его основные недостатки:

• Рост стоимости — удвоение или утроение оборудования увеличивает капитальные затраты.
• Увеличение массы и габаритов — критично для авиации и космоса.
• Сложность координации — резервные системы требуют синхронизации и тестирования, иначе возможны ошибки переключения.
• Ложное чувство безопасности — при неправильном проектировании резервирование может маскировать проблемы, а не решать их (например, «общий отказ» — когда и основной, и резервный компоненты имеют одинаковую уязвимость).

На практике применяется принцип разумной достаточности: резервирование вводится только для критических функций, а степень избыточности определяется вероятностью отказа и ценой простоя.

См. также

• Надёжность технических систем
• Отказоустойчивость
• Избыточность
• RAID
• Кластер (группа компьютеров)
• Мажоритарный элемент

Примечания

• Половко А. М., Гуров С. В. Основы теории надёжности. — СПб.: БХВ-Петербург, 2006. — 704 с.
• Черкесов Г. Н. Надёжность аппаратно-программных комплексов. — М.: Питер, 2005. — 480 с.
• ГОСТ 27.002-2015 «Надёжность в технике. Основные понятия. Термины и определения».
• ФАП-128 (Федеральные авиационные правила) — требования к резервированию систем воздушных судов.
• ISO 26262 — стандарт функциональной безопасности автомобилей, регламентирующий резервирование.