第七講-系統(tǒng)配置與性能評(píng)價(jià)

第七講 系統(tǒng)配置與性能評(píng)價(jià)系統(tǒng)可靠性：系統(tǒng)的故障模型、可靠性模型和組合模型等計(jì)算；計(jì)算公式、概念和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)性能評(píng)價(jià)方法軟件容錯(cuò)系統(tǒng)可靠性的基本概念可靠度：系統(tǒng)的可靠度R(t)是指在t=0時(shí)系統(tǒng)正常的條件下，系統(tǒng)在時(shí)間區(qū)間0,t內(nèi)能正常運(yùn)行的概率?？捎枚龋合到y(tǒng)的可靠度A(t)是指系統(tǒng)在時(shí)刻t可運(yùn)行的概率。可維度：系統(tǒng)的可維度M(t)是指系統(tǒng)失效后，在時(shí)間間隔t內(nèi)可被修復(fù)的概率。平均無(wú)故障時(shí)間（MTTF）：可靠度為R(t)的系統(tǒng)的平均無(wú)故障時(shí)間（MTTF）定義為從t=0時(shí)到故障發(fā)生時(shí)系統(tǒng)的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間的期望值，則如果，則MTTF=1/；為失效率，是指器件或系統(tǒng)在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生失效的預(yù)期次數(shù)，假設(shè)為常數(shù)。平均故障修復(fù)時(shí)間（MTTR）：可用度為A(t)的系統(tǒng)的平均故障修復(fù)時(shí)間（MTTR）設(shè)A1(t)是在風(fēng)險(xiǎn)函數(shù)Z(t)=0且系統(tǒng)初始狀態(tài)為1狀態(tài)的條件下A(t)的特殊情況，則。設(shè)修復(fù)率(t)= ，是指單位時(shí)間內(nèi)可修復(fù)系統(tǒng)的平均次數(shù)，則MTTR=1/。平均故障間隔時(shí)間（MTBF）：對(duì)于可靠度服從指數(shù)分布的系統(tǒng)，從任一時(shí)刻t0到達(dá)故障的期望時(shí)間都是相等的，有MTBF=MTTR+MTTF。系統(tǒng)的可靠性計(jì)算常見(jiàn)的系統(tǒng)可靠性數(shù)學(xué)模型有：串聯(lián)系統(tǒng)：設(shè)系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)的可靠性分別為R1，R2，Rn，則系統(tǒng)的可靠性R=R1*R2*Rn；串聯(lián)的子系統(tǒng)越多，系統(tǒng)的可靠性越低。如果系統(tǒng)的各個(gè)子系統(tǒng)的失效率分別為1，2，n，則系統(tǒng)的失效率=1+2+n。并聯(lián)系統(tǒng)：設(shè)系統(tǒng)各個(gè)子系統(tǒng)的可靠性分別為R1，R2，Rn，則系統(tǒng)的可靠性R=1-(1-R1)*(1-R2)*(1-Rn)，并聯(lián)的子系統(tǒng)越多，系統(tǒng)的可靠性提高。如果所有的子系統(tǒng)的失效率為0，則系統(tǒng)的失效率為；在并聯(lián)系統(tǒng)中只有一個(gè)子系統(tǒng)是真正需要的，其余n-1個(gè)子系統(tǒng)稱(chēng)為冗余子系統(tǒng)。模冗余系統(tǒng)：m模冗余系統(tǒng)由m個(gè)（m=2n+1）相同的子系統(tǒng)和一個(gè)表決器組成，經(jīng)過(guò)表決器表決后，m個(gè)子系統(tǒng)中占多數(shù)相同結(jié)果的輸出作為系統(tǒng)的輸出。在m個(gè)子系統(tǒng)中，只要有n+1個(gè)以上子系統(tǒng)能正常工作，系統(tǒng)就能正常工作，輸出正確結(jié)果。如果所有的子系統(tǒng)的可靠性為R0，則m模冗余系統(tǒng)的可靠性R為。性能評(píng)價(jià)方法時(shí)鐘頻率法：計(jì)算機(jī)的時(shí)鐘頻率在一定程度上反映了機(jī)器速度；相同體系結(jié)構(gòu)的機(jī)器，主頻越高，速度越快。由于體系結(jié)構(gòu)的不同、指令系統(tǒng)的不同、各指令使用的機(jī)器周期的不同，平均指令執(zhí)行速度僅僅是對(duì)各種指令執(zhí)行速度加權(quán)后的平均值，并不能完全反映實(shí)際程序執(zhí)行的速度。指令執(zhí)行速度法：表示機(jī)器運(yùn)算速度的單位是MIPS（每秒百萬(wàn)條指令），有峰值MIPS、基準(zhǔn)程序MIPS和以特定系統(tǒng)為基準(zhǔn)的MIPS。用來(lái)衡量計(jì)算機(jī)的科學(xué)計(jì)算速度，MFLOPS（每秒百萬(wàn)次浮點(diǎn)運(yùn)算速度），有峰值MFLOPS和以基準(zhǔn)程序測(cè)得的MFLOPS；可用于比較和評(píng)價(jià)在同一系統(tǒng)上求解同一問(wèn)題的不同算法的性能，已可用于在同一源程序、同一編譯器以及相同的優(yōu)化措施，在同樣運(yùn)行環(huán)境下以不同系統(tǒng)測(cè)試得到的浮點(diǎn)運(yùn)算速度；但沒(méi)有考慮運(yùn)算部件與存儲(chǔ)器、I/O系統(tǒng)等速度之間相互協(xié)調(diào)等因素。等效指令速度法：通過(guò)各類(lèi)指令在程序中所占比例進(jìn)行計(jì)算得到。若各類(lèi)指令的執(zhí)行時(shí)間為ti，則等效指令的執(zhí)行時(shí)間，n為指令類(lèi)型數(shù)；由于沒(méi)有考慮數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度、高速緩存的命中率、流水線(xiàn)的效率導(dǎo)致的不固定的指令執(zhí)行時(shí)間，采用等效指令速度法可能會(huì)偏離實(shí)際。數(shù)據(jù)處理速率法（PDR）：采用計(jì)算PDR值的方法來(lái)衡量機(jī)器性能，PDR值越大，機(jī)器性能越好；PDR與每條指令和每個(gè)操作數(shù)的平均位數(shù)以及每條指令的平均運(yùn)算速度有關(guān)；PDR值主要對(duì)CPU和主存儲(chǔ)器的速度進(jìn)行衡量，允許并行處理和指令預(yù)取的功能，但不適合衡量機(jī)器的整體速度，沒(méi)有涉及高速緩存、多功能部件等技術(shù)對(duì)性能的影響。1991年9月停止使用。綜合理論性能法（CTP）：美國(guó)政府為限制較高性能計(jì)算機(jī)出口所設(shè)置的運(yùn)算部件綜合性能估算方法。CTP以每秒百萬(wàn)次理論運(yùn)算MTOPS表示，1991年9月1日啟用。CTP的估算方法是首先計(jì)算出處理部件每個(gè)計(jì)算單元（如定點(diǎn)加法單元、定點(diǎn)乘法單元、浮點(diǎn)加法單元、浮點(diǎn)乘法單元）的有效計(jì)算率R，再按不同字長(zhǎng)加以調(diào)整，得出該計(jì)算單元的理論性能TP，所有組成該處理部件的計(jì)算單元TP的總和即為綜合理論性能CTP?；鶞?zhǔn)程序法（Benchmark）：Khrystone基準(zhǔn)程序：綜合性的整數(shù)基準(zhǔn)測(cè)試程序，用C語(yǔ)言編寫(xiě)。Linpack基準(zhǔn)程序：主要操作是浮點(diǎn)加法和浮點(diǎn)乘法操作，結(jié)果用MFLOPS表示，用FORTRAN語(yǔ)言編寫(xiě)。Whetstone基準(zhǔn)程序：主要由執(zhí)行浮點(diǎn)運(yùn)算、功能調(diào)用、數(shù)組變址、條件轉(zhuǎn)移和超越函數(shù)的程序組成，測(cè)試結(jié)果用Kwips表示，用FORTRAN語(yǔ)言編寫(xiě)。SPEC基準(zhǔn)程序：SPEC CPU2000基準(zhǔn)程序可測(cè)試CPU、存儲(chǔ)器系統(tǒng)和編譯器的性能，測(cè)試結(jié)果以SPECmark、SPECint和SPECfp來(lái)表示。TPC基準(zhǔn)程序：由TPC開(kāi)發(fā)的評(píng)價(jià)計(jì)算機(jī)事務(wù)處理性能的測(cè)試程序，用以評(píng)測(cè)計(jì)算機(jī)在事務(wù)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)處理、企業(yè)管理與決策支持系統(tǒng)等方面的性能，評(píng)測(cè)結(jié)果用每秒完成的事務(wù)處理數(shù)TPC來(lái)表示。TPC-A：用于評(píng)價(jià)在聯(lián)機(jī)事務(wù)處理環(huán)境下的數(shù)據(jù)庫(kù)和硬件的性能，不同系統(tǒng)之間用性能價(jià)格比進(jìn)行比較；TPC-B：測(cè)試不包括網(wǎng)絡(luò)的純事務(wù)處理量，用于模擬企業(yè)計(jì)算環(huán)境；TPC-C：測(cè)試聯(lián)機(jī)訂貨系統(tǒng)；TPC-D：測(cè)試決策支持系統(tǒng)；TPC-W：基于Web商業(yè)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，可看作是服務(wù)器的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)。軟件容錯(cuò)高質(zhì)量軟件的可靠性技術(shù)分為兩類(lèi)：避錯(cuò)技術(shù)，在開(kāi)發(fā)過(guò)程中不讓差錯(cuò)潛入軟件的技術(shù)，是進(jìn)行質(zhì)量管理，使軟件具有應(yīng)有質(zhì)量所必不可少的技術(shù)，軟件工程中先進(jìn)的軟件開(kāi)發(fā)和管理技術(shù)，在管理中避開(kāi)錯(cuò)誤。容錯(cuò)技術(shù)，對(duì)某些無(wú)法避開(kāi)的錯(cuò)誤使其影響降到最小的技術(shù)，使錯(cuò)誤發(fā)生時(shí)不影響系統(tǒng)的特性，主要采用冗余手段。冗余是指對(duì)所有實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)規(guī)定功能來(lái)說(shuō)是多余的資源，包括硬件、軟件、信息和時(shí)間，通過(guò)冗余資源的加入使系統(tǒng)的可靠性得到較大的提高。主要的冗余技術(shù)：結(jié)構(gòu)冗余、信息冗余、時(shí)間冗余、冗余附加。故障的恢復(fù)策略有兩種：前向恢復(fù)：使當(dāng)前計(jì)算繼續(xù)往下走，把系統(tǒng)恢復(fù)成連貫的正確狀態(tài)，彌補(bǔ)當(dāng)前狀態(tài)不連貫的情況；需要有錯(cuò)誤的詳細(xì)說(shuō)明。后向恢復(fù)：系統(tǒng)恢復(fù)到前一個(gè)正確狀態(tài)，然后繼續(xù)執(zhí)行；不適合于實(shí)時(shí)處理場(chǎng)合。軟件容錯(cuò)的主要目的是提供足夠的冗余信息和算法程序，使系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行時(shí)能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)的錯(cuò)誤，采取彌補(bǔ)措施，來(lái)提高軟件的可靠性，保證整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。軟件容錯(cuò)技術(shù)主要有：恢復(fù)塊方法：動(dòng)態(tài)屏蔽技術(shù)，采用后向恢復(fù)策略，提供具有相同功能的主塊和幾個(gè)后備塊，一個(gè)塊就是一個(gè)執(zhí)行完整的程序段。主塊首先投入運(yùn)行，結(jié)束后進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，如果不通過(guò)，系統(tǒng)把現(xiàn)場(chǎng)恢復(fù)后由后備塊執(zhí)行，以此類(lèi)推，直到耗盡所有后備塊，產(chǎn)生異常處理。設(shè)計(jì)恢復(fù)塊時(shí)，要保證主塊和后備塊之間的獨(dú)立性，避免相關(guān)錯(cuò)誤的產(chǎn)生，使兩者的共性錯(cuò)誤降到最低。驗(yàn)證測(cè)試程序完成故障檢測(cè)的功能，必須保證驗(yàn)證測(cè)試程序的正確性。N版本程序設(shè)計(jì)：靜態(tài)故障屏蔽技術(shù)，采用前向恢復(fù)策略，用n個(gè)具有相同功能的程序同時(shí)執(zhí)行，結(jié)果通過(guò)多數(shù)表決來(lái)決定。N版本程序必須由不同的人使用不同的設(shè)計(jì)方法、不同的程序語(yǔ)言、不同的開(kāi)發(fā)環(huán)境來(lái)實(shí)現(xiàn)，以減少N版本程序在表決點(diǎn)上相關(guān)錯(cuò)誤的概率；必須解決程序運(yùn)行的同步問(wèn)題。N版本程序設(shè)計(jì)采用時(shí)間冗余，重復(fù)計(jì)算，通過(guò)表決產(chǎn)生正確結(jié)果。防衛(wèi)式程序設(shè)計(jì)：不采用任一種傳統(tǒng)的容錯(cuò)技術(shù)，對(duì)于程序