計算機網絡安全容錯技術解析

1、4JINGCHU UNIVERSITY OF TECHNOLOGY計算機網絡安全課程設計容錯技術淺析班級：學號：名：分數：2013年12月16日摘要:計算機技術的發(fā)展是日新月異的，與此同時計算機系統(tǒng)的可靠性越來越 受到人們的重視，而容錯技術是提高可靠性的一種有效方法。本文首先闡述了計 算機容錯技術的歷史和概念，而后還展示了兩種容錯技術的完成方法和現如今運 用于網絡上的容錯技術產品，最后簡要的概括了容錯技術未來的發(fā)展趨勢。關鍵字：容錯技術、冗余、磁盤鏡像1引言性能、價格和可靠性是評價一個網絡的三大要素，為了提高網絡系統(tǒng)上午高可靠性，人 們進行了長期的研究，并總結了兩種方法。一種叫做避錯，即采用正

2、確的設計和質量控制盡 量避免把故障引進系統(tǒng)，但實際上這是不可能的。還有一種方法就是容錯，所謂容錯是指當 系統(tǒng)出現某些指定的硬件或軟件的錯誤時，系統(tǒng)能執(zhí)行規(guī)定的一組程序，或者說程序不會因 系統(tǒng)中的故障而中斷或被修改，并且執(zhí)行結果也不包含系統(tǒng)中故障引起的差錯。隨著現代工 業(yè)技術的發(fā)展和計算機的普及，工業(yè)設備運行的安全性和可靠性越來越引起人們的重視，為 了保證其安全、高效和可靠地運行，必須采用與之相適應的管理模式，容錯技術為計算機系 統(tǒng)提供了這樣的能力：當計算機內部出現故障的情況下，計算機系統(tǒng)仍能正確工作。計算機 容錯技術是計算機系統(tǒng)可靠性提高的重要手段。上世紀80年代，第一代容錯技術就開始進入商用

3、領域。美國Stratus(容錯公司)在Stratus 獨特的硬件級容錯技術及VOS專有操作系統(tǒng)環(huán)境下，采用了 Motorola M68000處理器。1993年，英特爾I860處理器在Stratus的硬件級容錯體系結構中成功應用，在軟件環(huán) 境方面，還能滿足業(yè)界對開放性要求的Unix操作系統(tǒng)FTX，即AT&T UNIX SVR4。1996年，容錯技術得到HP的支持，共同推出Stratus Continuum系列，將Stratus容錯 結構結合HP PA-RISC對稱多處理技術。進入21世紀以來，制造、中小企業(yè)、能源、交通等領域對服務器，特別是中低端IA 服務器的需求激增，過去僅僅可以應用在RISC

4、平臺、HP-UX環(huán)境下的容錯產品也面臨著 新的挑戰(zhàn)。另一方面，企業(yè)越來越依賴信息系統(tǒng)來完成關鍵業(yè)務的應用，同時他們不可能配 備更多的專業(yè)人員來進行專職維護。雙機熱備、集群服務器遇到難題。如今，NEC通過與美國容錯公司多年的合作，于2001年推出了業(yè)界第一臺基于IA架 構、支持 Microsoft Win-dows Server 2000標準操作系統(tǒng)環(huán)境的容錯服務器。 NEC的 Express5800/ft系列在Windows及Linux平臺上的可靠性達到了 99.999%，這種實時保護技 術來源于 STRATUS連續(xù)處理技術(Fundamentals of Continuous Pro-ces

5、sing Design)，包括 LOCKSTEP技術，安全故障(FAILSAFE)軟件激活服務(ACTIVE SERVICE )。容錯是計算機系統(tǒng)在運行過程中發(fā)生一定的硬件故障或軟件錯誤時，仍能保持正常工作 而不影響正確結果的一種性能或措施。具有容錯能力的計算機稱為容錯計算機。容錯是采用 冗余方法來消除故障影響的。提高計算機可靠性的技術可以分為壁錯技術和容錯技術。后者主要運用冗余技術來抵消 由于故障所引起的影響。冗余技術是計算機容錯技術的基礎，一般可分為下列幾種類型。硬件冗余：以檢測或屏蔽故障為目的而增加一定硬件設備的方法。軟件冗余：為了檢測或屏蔽軟件中的差錯而增加一些在正常運行時所不需要的軟

6、件 方法。信息冗余：在實現正常功能所需要的信息外，在添加一些信息，以保證運行結果正 確性的方法。糾錯碼就是信息冗余例子。時間冗余：使用附加一定時間的方法來完成系統(tǒng)功能。這些附加的時間主要用在故 障檢測、復執(zhí)或故障屏蔽上。簡單的雙機備份：在20世紀60年代，主要利用雙處理機或雙機的方法來達到容錯 的目的。例如吧關鍵的元件（處理機、存儲器等）或整個計算機設置兩套，一套為系統(tǒng)運行 時使用，另一套備份。根據系統(tǒng)的工作情況又可分為熱備份或冷備份兩種。操作系統(tǒng)支持的雙機容錯：20世紀70年代中期出現了軟件和硬件結構的容錯方法。 該方法在操作系統(tǒng)的層次上，支持聯(lián)機維修，即故障部分退出后進行維修并重新投入運行

7、， 都不影響正在運行的應用程序。該結構的特點是系統(tǒng)內包括雙處理器、雙存儲器、雙輸入/ 輸出控制器、不間斷工作的電源，以及與只適應的操作系統(tǒng)等。因此上述硬件的責任一部分 發(fā)生故障都不會影響系統(tǒng)的繼續(xù)工作。系統(tǒng)容錯是在操作系統(tǒng)控制下進行的，在每個處理機 上都保持了反映所有系統(tǒng)資源狀態(tài)的表格，以及本機和其他機的工作進程。4兩種容錯技術的說明容錯是為使數據避免遭受意外損壞而采取的一種保護措施。保護數據的方式有許多，以 下介紹的是Windows NT所提供的兩種容錯方式，它非常適合于一般網絡用戶使用。4.1帶奇偶校驗的帶區(qū)集的使用帶奇偶校驗的帶區(qū)集是在帶區(qū)集的基礎上增加了系統(tǒng)容錯的功能。建立帶奇偶校驗帶

8、區(qū) 集的方法與建立帶區(qū)集的方法基本相同。1）先選定第一個可用空間，按住Ctrl鍵不放，而后各選取其它硬盤上的一個大小相當 的可用空間。2）選擇“容錯”菜單中的“創(chuàng)建帶奇偶校驗的帶區(qū)集”選項，之后執(zhí)行“磁盤分區(qū)”菜單中 的“立即更改”功能，并經“格式化”后建立成功。以下介紹帶奇偶校驗的帶區(qū)集中的某一個硬盤發(fā)生故障后的修復方法。因為帶奇偶校 驗的帶區(qū)集具有容錯功能，所以當其中一個硬盤發(fā)生故障時，系統(tǒng)仍然能夠正常工作，只是 速度明顯減慢，為了保證數據訪問的速度，必須對出現故障的硬盤進行修復。修復方法如下：1）先換掉已出故障的硬盤，添加一個新硬盤，并進行相關參數的設置。2）啟動計算機并進入“磁盤管理器

9、”窗口，在新安裝的硬盤上創(chuàng)建一塊可用空間，此可 用空間的大小應等于或大于故障盤或帶區(qū)集中其他硬盤上對應空間的值。2）選定帶奇偶校驗的帶區(qū)集（當一個硬盤出故障時，帶區(qū)集仍然存在），按住Ctrl鍵 不放，再選取新安裝硬盤中所建的可用空間，接著選擇“容錯”菜單下的“再生”選項即可完成 修復工作。3）重新啟動計算機后，帶奇偶校驗的帶區(qū)集又恢復到正常的工作狀態(tài)。4.2磁盤鏡像和雙工技術磁盤鏡像和雙工是中小型網絡中經常使用的另一種容錯技術。如果兩個硬盤同時接在同 一個硬盤控制卡上便稱為磁盤鏡像，當兩個硬盤分別連接在不同的兩個硬盤控制卡上時稱為 磁盤雙工。因為在磁盤鏡像中存在誰鏡像誰的問題，所以應將系統(tǒng)中原

10、有的一個硬盤或已存 放數據的一個硬盤作為主盤（Master），而把被鏡像的一個硬盤作為從盤（Slaver），在硬件 連接時也要注意這一點（注意：硬盤下所標的Master和Slaver表示連接硬盤時，通過跳線 方式將其設置成為主盤或從盤方式，而不具體代表這里所講的鏡像關系）。磁盤鏡像和雙工 在Windows NT中的軟件設置方法完全相同，只是在硬件的連接上有所差異，一般情況下建 議大家使用磁盤雙工技術。1）創(chuàng)建鏡像磁盤。啟動系統(tǒng)進入磁盤管理器”窗口，在從盤上創(chuàng)建一塊可用空間，其 大小應等于或大于主盤（鏡像盤）上對應分區(qū)的空間。先選定主盤上的鏡像分區(qū)，按住Ctrl 鍵不放，再選定從盤的可用空間作為

11、被鏡像分區(qū)。接著選擇“容錯”菜單下的“創(chuàng)建鏡像”選項， 并執(zhí)行“磁盤分區(qū)”菜單下的“立即更改”功能項后創(chuàng)建完成。重新啟動系統(tǒng)，你會發(fā)現主盤與 從盤之間會有一個較長時間的初始化過程，初始化結束后鏡像磁盤開始投入工作（兩個具有 鏡像關系的分區(qū)用粉紅色顯示）。2）中斷鏡像關系。如果你要中斷已建立的鏡像關系，可通過“容錯”菜單下的“中斷鏡 像”選項來完成，還要經過“磁盤分區(qū)”菜單下的“立即更改”來確認。重新啟動系統(tǒng)后，原有 的鏡像操作被中斷。3）鏡像磁盤的故障修復。任何物理設備都有可能發(fā)生故障，當鏡像磁盤中的一個分區(qū) 出現故障時，雖然計算機仍然可以正常運行，但是這時的硬盤已失去了容錯功能，必須將其 恢

12、復?；謴蜁r先中斷原有的鏡像關系，再重新建立新的鏡像。最后還需提醒一點，每次對硬盤進行以上的相關操作后，都需使用RDISK.EXE程序 對“緊急修復磁盤”的內容進行更新，以確保系統(tǒng)出現啟動故障時使用“緊急修復磁盤”來修 復。應用中任意一節(jié)出現故障都會導致網站的巨大損失，因此總是的解決也應從多方面入 手，如數據備份，服務器的硬件冗余、軟件容錯，以及網絡設備的部件冗余和結構鏈路）冗 余等，以保障整套系統(tǒng)的萬無一失。下面將主要介紹CISCO公司交換機產品所支持的幾種 容錯技術，使用戶了解其對故障恢復所帶來的好處。Fast/Gigabit Etherchannel （快速/千兆以太網通道）以太網通道技術

13、不僅起到容錯作用，更是鏈路帶寬擴容的一條重要途徑。它可在100M（快速以太網通道，簡稱FEC）或 1000M（千兆以太網通道，簡稱GEC）以太網端口間實 現，用于將多條并行鏈路的帶寬疊加起來。這樣多條鏈路被用途單條高速數據通道，通道中 部分線路的故障不會影響其它線路的帶寬聚合，從而也保證了網絡的可靠性。以太網通道技術也體現了產品的可擴充性能，能充分利用現有設備實現高速數據傳輸。 思科公司的全線交換機產品和帶快速以太網端口的路由器都可以實施以太網通道技術，并且 還可與多家廠商（Intel、Xircom、Adaptec等）的網卡構造以太網通道，在交換機和服務器之 間建立高速連接。Uplink-Fa

14、st（快速上聯(lián)恢復）當交換機結成冗余回路時，若未啟用Fast/Gigabit Etherchannel，則Spanning-Tree（生成 樹）協(xié)議將起作用，通過計算自動將優(yōu)先級較低的連接屏蔽，使其作為備份，只在優(yōu)先級較 高的主線路斷線時才激活它，因此在線路容錯中Spanning-Tree也是一項有效的技術;但傳統(tǒng) 的Spanning-Tree在鏈路切換時經歷阻塞-偵聽-學習-數據轉發(fā)等諸多過程，耗時較長，從故 障到恢復一般需歷時40秒左右，對正在傳遞大量數據的服務器和工作站而言，這段時間是 能明顯覺察的，并且極可能導致連接超時而中斷應用。而思科公司提出的Uplink-Fast技術 是對Spa

15、nning-Tree的改進，它省卻了鏈路切換過程中的偵聽和學習階段，使備份端口直接 由阻塞進入到轉發(fā)狀態(tài)，從而使網絡收斂時間從40秒大大縮短至5秒以內，這樣的延遲是 應用程序可以接受的，用戶幾乎覺察不到這一過程，互聯(lián)網公司業(yè)務不會受到故障影響。Port Fast（快速端口恢復）Uplink-Fast是用在兩交換機端口間互聯(lián)的一項技術，而連接服務器和工作站的端口在剛 啟用時同樣面臨Spanning-Tree的學習過程緩慢的問題，致使該端口長時間不能進入正常工 作狀態(tài)，這時需用到Port-Fast技術，它與Uplink-Fast的工作原理類似，也省略了 Spanning-Tree 的聆聽和學習階段

16、，從而將轉換延遲從40秒縮短至2秒以內，這樣在交換機上接入新的工 作站，或改變某工作站的所接端口時，該站點能很快進入工作狀態(tài)，無需額外硬件和其他廠 商設備兼容。HSRP（熱備份路由器協(xié)議）剛才提到的幾中容錯技術都是在鏈路故障時發(fā)生作用的，而HSRP則用于設備故障的恢 復，它原是用在兩路由器間互作備份的協(xié)議，現思科公司的第三層交換機（如:Catalyst 6000 等）也支持該協(xié)議。HSRP根據對兩互備份路由器或交換機的優(yōu)先級，將其中一臺設備置為 活動狀態(tài)，而另一臺設備置為備用狀態(tài)，當主設備發(fā)生故障時備用有立即啟用，這就是所謂 ”熱備份”的含義。對網絡中正常工作的用戶而言，這一切換是透明不可見的

17、，因此不會影響 的正常工作。容錯技術的應用已經開始從過去的證券、電信等領域進入基礎行業(yè)，如制造、能源、物 流、交通及有著7x24不間斷運營需求的中小商業(yè)團體和政府。NEC為迎合互聯(lián)網的高速 增長，為容錯服務器引入了最新的穩(wěn)定、安全、可升級、功能強大的Linux版本。容錯的未來將會向更高的可用性、更卓越的可維護性發(fā)展。調查顯示，越來越多的用戶 開始注重TCO （總擁有成本）而不是初期購買價格，更多的企業(yè)決定逐步放棄采用雙機熱 備的方式來維護復雜的集群服務器，轉而將目光瞄向具有容錯技術的平臺或容錯服務器平 臺。在中國市場，NEC公司與神州數碼的合作在一定程度上彌補了容錯服務器在中國市場 服務拓展領域的短板。這將引發(fā)國內各領域的容錯技術與應用的井噴式發(fā)展。結束語以上只是對容錯技術的初步認識和簡單探究。容錯技術隨著超大集成電路線路復雜性增 高，故障埋葬深度增加，芯片容錯將應運而生。由于網絡系統(tǒng)的不斷發(fā)展，容錯系統(tǒng)的結構 將利用網絡的研究，在網絡中注入全局管理、并行操作、自治控制、冗余和錯誤處理是研究 高性能、高可靠性的分布式容錯系統(tǒng)的途徑。容錯技術將同時在軟件和硬件上得到發(fā)展，將 會出現初級的容錯軟件的設計