Классификация методов резервирования

ПОВЫШЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ

РЕЗЕРВИРОВАНИЕ КАК СПОСОБ

Резервирование – это одно из основных средств обеспечения заданного уровня надежности (особенно безотказности) объекта при недостаточно надежных элементах.

Резервирование – это применение дополнительных средств и (или) возможностей с целью сохранения работоспособного состояния объекта при отказе одного или нескольких элементов . Т.о. – это метод повышения надежности объекта путем введения избыточности . В свою очередь избыточность – это дополнительные средства и (или) возможности сверхминимально необходимые для выполнения объектом заданных функций. Задачей введения избыточности является обеспечение нормального функционирования объекта после возникновения отказа в его элементах.

По виду резервирования принята следующая классификация методов резервирования (рис. 10.1).

Структурное (аппаратурное, элементное, схемное) предусматривает применение резервных элементов структуры объекта. Cуть структурного резервирования заключается в том, что в минимально необходимый вариант объекта вводятся дополнительные элементы.

Элементы в структурной схеме разделяют на основные (элемент, необходимый для выполнения объектом требуемых функций при отсутствии отказов его элементов и резервные (элемент, предназначенный для выполнения функций основного элемента в случае отказа последнего). Определение основного элемента не связано с понятием минимальности основной структуры объекта, поскольку элемент, являющийся основным в одних режимах эксплуатации, может служить резервным в других условиях. Резервируемый элемент – основной элемент, на случай отказа которого в объекте предусмотрен резервный элемент.

Временнóе резервирование связанно с использованием резерв времени. При этом предполагается, что на выполнение объектом необходимой работы отводиться время, заведомо большее минимально необходимого. Резервы времени могут создаваться за счет повышения производительности объекта, инерционности его элементов и т.д. Для объектов химического машиностроения такой вид резервирования реализуется с использованием следующих приемов и операций:

1) увеличение в условиях эксплуатации расчетного времени функционирования, необходимого для выполнения поставленной цели или для выпуска заданного количества химической продукции;

2) аппараты и машины разрабатываются на бóльшее значение производительности, чем это требуется по расчету, и, следовательно, объекты могут выполнять задание за более короткий промежуток времени, чем это установлено планом;

3) ввод в структуру технологической схемы промежуточных емкостей (резервуаров и бункеров для накопления продукта) между отдельными аппаратами производства. Этот прием создает условия, позволяющие продолжать функционирование технологической схемы, даже, если часть оборудования до промежуточного резервуара или бункера остановлена. Подобную функцию выполняют, также, газгольдеры, склады и т.д.;

4) функциональная инерционность объектов, например тепловая инерционность печей, обусловленная массивами футеровки, предотвращает быстрое снижение температуры печи при перерыве в подаче горючего. Инерционность объектов позволяет за малый возможный промежуток времени ликвидировать аварию, переключив процесс на какой-либо резервный объект или выполнив какие-либо другие операции.

Информационное резервирование – это резервирование с применением избыточности информации. Примерами информационного резервирования являются многократная передача одного и того же сообщения по каналу связи; применение при передаче информации по каналам связи различных кодов, обнаруживающих и исправляющих ошибки, которые появляются в результате отказов аппаратуры и влияния помех; введение избыточных информационных символов при обработке, передаче и отображении информации. Избыток информации позволяет компенсировать искажения передаваемой информации или устранять их.

Функциональное резервирование – резервирование, при котором заданная функция может выполняться различными способами и техническими средствами.

Например, для изготовления детали используется группа станков, каждый из которых может выполнять одну из последовательных операций обработки. Функциональным резервированием будет в этом случае введение в технологическую линию универсального или многооперационного станка. В качестве другого примера можно привести создание конструкционно совмещенных реакционно-массообменных процессов, протекающих в одном аппарате химической технологии. К функциональному резервированию относится и производственно-избыточная избыточность (например, изготовление изделий с повышенным классом точности), часто используемая для обеспечения и повышения надежности объектов химического машиностроения. При этом создаются условия для увеличения надежности и долговечности, поскольку сначала в процессе функционирования объект изнашивается до традиционного класса точности, а затем уже идет обычный процесс изнашивания.

Нагрузочное (или режимное) резервирование – резервирование с применением нагрузочных резервов – предусматривает использование способности объекта воспринимать дополнительные, или избыточные, нагрузки. В химическом машиностроении его реализуют путем введения коэффициентов запаса прочности, снижения допустимых режимных параметров функционирования (давление, частоту вращения).

Резервирование в химической промышленности широко используют для повышения надежности систем энергоснабжения (электро- , тепло- , водоснабжения), резервируются устройства, обеспечивающие безопасность протекания процесса (устанавливают несколько предохранительных клапанов на один резервуар высокого давления).

Рис. 10.1 Классификация методов резервирования

Резервирование позволяет создавать объекты, надежность которых выше, чем надежность составляющих их элементов, однако возможности применения резервирования ограниченны из-за увеличения массы и производственной площади системы и из-за повышения стоимости единицы продукта по сравнению с нерезервированной. Это приводит к задаче выбора оптимального способа резервирования и оптимального числа резервных элементов.

Для анализа структурной надежности технических систем интерес представляет структурное резервирование – введение в структуру объекта дополнительных элементов, выполняющих функции основных элементов в случае их отказа.

Классификация различных способов структурного резервирования осуществляется по следующим признакам:

1) по схеме включения резерва :

- общее резервирование, при котором резервируется объект в целом;

- раздельное резервирование, при котором резервируются отдельные элементы или их группы;

- смешанное резервирование, при котором различные виды резервирования сочетаются в одном объекте;

2) по способу включения резерва :

- постоянное резервирование, без перестройки структуры объекта при возникновении отказа его элемента;

- динамическое резервирование, при котором при отказе элемента происходит перестройка структуры схемы. В свою очередь динамическое подразделяется н а:

а) резервирование замещением, при котором функции основного элемента передаются резервному только после отказа основного;

б) скользящее резервирование, при котором несколько основных элементов резервируется одним или несколькими резервными, каждый из которых может заменить любой основной (те. группы основных и резервных элементов идентичны).

3) по режиму работы резерва :

Нагруженное резервирование, при котором резервные элементы (или один из них) находятся в режиме основного элемента;

Облегченное резервирование, при котором резервные элементы (по крайней мере один из них) находятся в менее нагруженном режиме по сравнению с основными;

Ненагруженное резервирование, при котором резервные элементы до начала выполнения ими функций находятся в ненагруженном режиме.

4) по условиям восстановления работоспособности в процессе эксплуатации:

Резервирование с восстановлением;

Резервирование без восстановления.

Основной характеристикой структурного резервирования является кратность резервирования – отношение числа резервных элементов к числу резервируемых (основных) элементов. Резервирование может быть с целой и дробной кратностью (типа 2:3; 4:2 и т.д.).

Резервирование одного основного элемента одним резервным (т.е. с кратностью 1:1) называется дублированием .

При резервировании с дробной кратностью нормальная работа резервированного соединения возможна при условии, когда число исправных элементов не меньше необходимого для нормальной работы. При резервировании с дробной кратностью один резервный элемент системы приходится на два или более основных элементов. К резервированию с дробной кратностью относится также резервирование со скользящим (плавающим) резервом.

В химическом машиностроении надежность невосстанавливаемых резервируемых аппаратов и технологических линий, как правило, повышают за счет:

– общего и раздельного резервирования с постоянно включенным резервом;

– общего и раздельного резервирования способом замещения;

– резервирования системы со скользящим (плавающим) резервом.

Использование же такого вида структурного резервирования как скользящее возможно лишь при наличии специального диагностического устройства, позволяющего отыскать неисправный элемент и подключить вместо него резервный. При этом, резервные элементы должны быть однотипными. Однако, такой вид резервирования дает наибольший выигрыш надежности.

Количественно повышение надежности системы в результате резервирования или применения высоконадежных элементов можно оценить по коэффициенту выигрыша надежности, определяемому как отношение показателя надежности до и после преобразования системы

Структурная схема резервной группы, состоящей из одного основного и m резервных элементов, представлена на рис. 20.3.3.1.

Рис. 10.2. Структурная схема системы из одного основного и m резервных элементов

Если дана система с постоянно включенным резервом, состоящая из двух параллельно работающих элементов (рис. 10.2, m = 1) с вероятностью безотказной работы основного элемента р 1 , резервного – р 2 , то вероятность безотказной работы такой системы равна

P (t ) = 1 – (1 – p 1 (t )) (1 – p 2 (t ))

В случае равнонадежных элементов:

P (t ) = 1 – (1 – p 1 (t )) 2 = 2р 1 – р 1 2 = р 1 (2 – р 1). (10.1)

Для экспоненциального распределения отказов каждого из двух параллельно работающих элементов p 1 (t ) = p 2 (t ) = exp(–lt ) с учетом (10.1) вероятность безотказной работы системы определяется как P (t ) = 2e - l t – e -2 l t .

Поскольку среднее время безотказной работы одного нерезервируемого элемента равно:

среднее время безотказной работы системы будет:

Тогда выигрыш надежности для системы. состоящей из двух параллельно работающих элементов, по сравнению с одним нерезервируемым элементом равен:

Вероятность безотказной работы системы, состоящей из одного основного и m резервных неравнонадежных элементов (рис. 10.2), определяется по формуле:

В случае равнонадежных элементов эта формула примет вид:

Для экспоненциального распределения вероятности безотказной работы элементов, т. е. p (t ) = e - l t , получаем:

При малых t справедлива простая оценка снизу:

где i – интенсивность отказов i -го элемента.

При идентичных элементах предыдущая формула принимает вид:

Выигрыш надежности W T (2) по среднему времени безотказной работы системы, состоящей из (m + 1) параллельно работающих равнонадежных элементов, по сравнению со средним временем безотказной работы одного нерезервируемого элемента при условии, что закон распределения вероятности безотказной работы каждого элемента экспоненциальный, равен:

Средняя наработка до отказа системы Т (рис. 10.2) в общем случае может быть найдена только численным интегрированием по формуле

Для идентичных элементов средняя наработка до отказа при вероятности безотказной работы элементов р (t ) = exp(–lt ) с учетом определяется как:

При больших значениях m :

10.2.1 По схеме включения резерва при общем резервировании резервируется объект в целом. При раздельном резервировании резервируются отдельные элементы (подсистемы) объекта или их группы.

Примерами общего резервирования (рис. 10.3, а) являются резервные технологические линии или агрегаты большой единичной мощности. При раздельном резервировании (рис. 10.3, б) резервируют отдельные элементы объекта.

Рис. 10.3. Схемы резервирования системы, состоящей из n основных элементов: а) общего резервирования с постоянно включенным резервом (число резервных цепей m = 1); б) раздельного (поэлементного) дублирования с постоянно включенным резервом

Для системы с последовательным соединением n элементов при общем резервировании (дублировании) (рис. 10.3, а) вероятность безотказной работы равна:

При раздельном резервировании (дублировании) (рис. 10.3, б):

Коэффициенты выигрыша надежности системы по вероятности безотказной работы для этих двух случаев соответственно равны:

Отсюда следует, что раздельное резервирование эффективнее общего: например, для системы из трех одинаковых элементов (n = 3) при р = 0,9 Р = 0,9 3 = 0,729; Р (1) = 0,729(2 – 0,729) = 0,9266, Р (2) =0,729(2 – 0,9) = 0,9703. Тогда: G p (1) = 1,27; G p (2) =1,33.

Раздельное резервирование при прочих равных условиях дает больший выигрыш в надежности, чем общее. Раздельное резервирование особенно выгодно при большом числе элементов в системе и при увеличении кратности резервирования.

Вероятность отказа системы, состоящей из n элементов (одного основного и (n – 1) резервного), без учета надежности переключателей рассчитывается по формуле

Система с последовательным соединением n элементов с общим резервированием (m резервных цепей) будет нормально функционировать при сохранении работоспособности хотя бы одной из них.

Для схемы общего резервирования с постоянно включенным резервом вероятность безотказной работы системы (рис. 10.4), ВБР равна (элементы равнонадежны, вероятность безотказной работы каждого элемента равна p (t )):

В свою очередь безотказная работа i -й цепи (i = 1, ..., m ) будет иметь место при безотказной работе каждого из n элементов. Тогда:

Здесь: р ij – вероятность безотказной работы j -го элемента i -й цепи (j = 1, ..., n ); n – число последовательно соединенных элементов цепи.

Рис. 10.4. Блок-схема общего резервирования с постоянно включенным резервом системы с последовательным соединением n элементов

Для случая, когда все элементы равнонадежные (с вероятностью безотказной работы, равной р ), вероятность безотказной работы основной системы из n элементов (отказы случайные и независимые) равна: .

Следовательно, вероятность отказа всей системы, состоящей из одной основной и m резервных систем, будет равна:

Тогда вероятность безотказной работы системы с общим резервированием равна:

Если интенсивность отказов постоянна, т. е. р (t ) = exp (–lt ), то и, пользуясь (10.5), можно найти выигрыш надежности W T (3) по среднему времени безотказной работы при работе системы, состоящей из (m + 1) параллельно работающих резервных систем (рис. 10.4) по сравнению со средним временем безотказной работы нерезервируемой системы:

Выигрыш надежности W T (4) по среднему времени безотказной работы при работе системы, состоящей из (m + 1) параллельно работающих резервных систем (рис. 10.4), по сравнению со средним временем безотказной работы одного элемента:

Рассмотрим случай системы с раздельным резервированием с постоянно включенным резервом, предполагая, что все элементы равнонадежные с вероятностями безотказной работы p (t ) (рис. 10.5).

Рис. 10.5. Блок-схема раздельного резервирования с постоянно включенным резервом системы с последовательным соединением n элементов

Для системы с раздельным резервированием по формуле (10.14) могут быть определены вероятности безотказной работы отдельных элементов с резервированием. Тогда общая вероятность безотказной работы системы с раздельным резервированием определяется по формуле:

Для случая, когда все элементы равнонадежные, вероятность безотказной работы системы с раздельным резервированием равна:

Выигрыш надежности по среднему времени безотказной работы при работе резервируемой системы по сравнению со средним временем безотказной работы основной системы при экспоненциальном законе распределения:

10.2.2 По способу включения резерва. Резервные элементы можно постоянно включать на все время эксплуатации – применять постоянное резервирование (резервирование с постоянно включенным резервом без переключений) или только лишь при отказе основных – резервирование замещением.

При постоянном резервировании резервные элементы подсоединены к основным в течение всего времени работы и находятся в одинаковом с ними рабочем режиме. Постоянное включение резерва является единственно возможным в системах, где недопустим даже кратковременный перерыв в работе (например, в регулирующих системах технологических процессов). Хотя оно отличается простотой (отсутствием переключателей и кратковременных остановок в работе аппаратов), основным недостатком постоянного резервирования является повышенный расход ресурса резервных элементов. По этому способу обычно резервируются насосы, фильтры и т. п.

Если не удается применить постоянную параллельную работу аппаратов в химическом машиностроении, то необходимо использовать резервирование замещением («замещение с ненагруженным резервом»). Замещение производится автоматически или вручную.

При резервировании замещением (или «замещением с ненагруженным резервом») система проектируется таким образом, что при появлении отказа элемента она перестраивается и восстанавливает свою работоспособность путем замещения отказавшего элемента резервным. При этом не требуется регулировка в момент включения резервного элемента; резервный аппарат до включения его в работу может находиться в «теплом» или «холодном» состоянии – это сохраняет ресурс надежности каждого из устройств и повышает общую надежность всей системы. В случае однотипных элементов несколько резервных (или один) могут быть использованы для замены основных элементов в случае отказа.

Скользящее резервирование – это резервирование замещением, при котором группа основных элементов резервируется одним или несколькими резервными элементами, каждый из которых может заменить любой из отказавших элементов данной группы .

Скользящее резервирование используется для резервирования нескольких одинаковых или взаимозаменяемых элементов системы одним или несколькими резервными, причем резервирование может быть как нагруженным, так и ненагруженным. Отказ системы произойдет, если число отказавших основных элементов превысит число резервных. При скользящем (плавающем) резерве любой из резервных элементов может замещать любой основной элемент системы (например, холодильники, насосы). Скользящий резерв дает наибольший выигрыш в повышении надежности, но существенный его недостаток в том, что он возможен лишь для однотипных элементов (подсистем).

Схема скользящего резервирования в блоке очистки моноэтаноламина показана на рис.10.6.

Рис. 10.6. Схема скользящего резервирования в блоке очистки моноэтаноламина:

1 – абсорбер; 2, 3 – насосы; 4 – узел регенерации; 5 – резервный насос

При нагруженном скользящем резервировании с идеальными переключателями расчет надежности системы аналогичен расчету системы типа «m из n ». Если интенсивности отказов основных и резервных элементов постоянны и одинаковы, то вероятность безотказной работы системы, состоящей из n основных и m резервных элементов, в режиме нагруженного резерва можно определять по формуле:

Если вероятность безотказной работы элементов подчиняется экспоненциальному закону, то можно рассчитать и среднюю наработку на отказ системы:

При ненагруженном скользящем резервировании в общем случае характеристики надежности системы выражаются сложными формулами. Однако если интенсивности отказов основных и резервных элементов постоянны и одинаковы, т. е. вероятность безотказной работы элементов подчиняется экспоненциальному закону, то вероятность безотказной работы системы, состоящей из n основных и m резервных элементов, в режиме ненагруженного резерва можно определять по формуле Пуассона:

Так как при ненагруженном скользящем резервировании суммарная интенсивность отказов равна n и отказ системы произойдет в момент отказа (m + 1)-го элемента, средняя наработка на отказ системы:

10.2.3 По режиму работы резерва. Расчет систем с нагруженным резервированием осуществляется по формулам последовательного и параллельного соединения элементов. При этом считается, что отказ резервной группы, состоящей из основного и резервных элементов, произойдет тогда, когда откажет ее последний элемент, и резервные элементы работают в режиме основных как до, так и после их отказа, поэтому надежность резервных элементов не зависит от момента их перехода из резервного в основное состояние.

При резервировании замещением возможны три вида условий работы резервных элементов до момента их включения в работу:

а) нагруженный (горячий) резерв . Внешние условия резерва полностью совпадают с условиями, в которых находится рабочий аппарат. Резервные элементы работают в том же режиме, что и основной элемент, их надежность (вероятность безотказной работы) не зависит от того, в какой момент они включились на место основного. При этом ресурс резервных элементов объекта начинает расходоваться с момента включения в работу всей системы;

б) ненагруженный (холодный) резерв . Резервные элементы выключены и по условию (до момента их включения на место основного) не могут отказать. Внешние условия, в которых находится резерв, настолько легче рабочих, что практически резервные элементы начинают расходовать свой ресурс только с момента включения в работу вместо отказавшего элемента.

в) облегченный (теплый) резерв . Внешние условия, воздействующие на аппарат до момента его включения в работу, – облегченные. Резервные элементы находятся в облегченном режиме до момента их включения на место основного. Во время ожидания в резерве они могут отказать, но с вероятностью меньшей, чем вероятность отказа основного элемента (резерв, находящийся в более легких условиях, чем основной элемент).

Наработка на отказ системы с m -кратным общим нагруженным резервом может быть найдена из выражения:

В случае экспоненциального закона надежности элементов получим:

где L = 1/T О – интенсивность отказов цепи.

После интегрирования представим (10.27) в виде конечной разности: .

Подставляя в это уравнение последовательно m = 1, 2, 3, ..., получим:

При ненагруженном резервировании замещением резервные элементы включаются в работу при отказе основного, затем первого резервного и т. д., поэтому надежность элементов в каждый момент времени зависит от момента их перехода из резервного состояния в основное. При этом считается, что замена отказавшего элемента резервным происходит мгновенно, отказ системы произойдет тогда, когда откажет последний элемент. В нерабочем состоянии элемент не может отказать и его надежность не изменяется.

Ненагруженное резервирование встречается часто, т. к. оно аналогично замене отказавших элементов (деталей, узлов, агрегатов) на запасные.

Многим известны различные системы создания образов дисков и резервного копирования данных, например Acronis True Image, Pagaron Drive Backup, Ghost, Time Machine для Mac-совместимых компьютеров и др. Компания Microsoft также внедрила в свои операционные системы систему резервного копирования данных, которая доступна как для обычных пользователей, так и для системных администраторов. До выпуска операционной системы Windows Vista компания Microsoft предлагала пользователям систему резервного копирования NTBackup и утилиту System Restore, которые имели массу недостатков. С выходом Windows Vista и переходом на формат хранения образов VHD появилась возможность более простого резервного копирования данных и создания образов операционной системы средствами нового комплекса утилит под названием Windows Backup and Restore. После выпуска новых операционных систем этот компонент совершенствовался и модифицировался. В данной статье мы рассмотрим, что предлагает компания Microsoft конечному пользователю для резервирования данных в недавно вышедшей операционной системе Windows 8. Но сначала вкратце расскажем об основных типах резервного копирования, которые реализованы в многочисленных продуктах различных компаний.

Виды резервного копирования

Резервное копирование подразделяется на различные виды в зависимости от задач, которые ставятся перед реализующим его программным обеспечением. В одних случаях пользователям необходимо лишь создавать копии важных файлов, хранящихся на диске, в других - создавать полноценные образы операционной системы с возможностью отката всех предыдущих изменений. При этом для системных администраторов предоставляются возможности централизованного хранения резервных копий данных, что упрощает контроль за версиями резервных копий и восстановление систем по мере необходимости. Естественно, в зависимости от выбранного типа резервного копирования задействуется тот или иной алгоритм сравнения и сохранения файлов - либо побайтовое, либо посекторное копирование с источника данных, когда информация в точности записывается на носитель с бекапом. Для восстановления файлов и данных также могут использоваться функции файловых систем, поддерживающих журналирование и протоколирование изменений, - вначале делается полный слепок файловой системы, а данные в резервную копию сохраняются по мере необходимости, если отдельные файлы помечены как измененные. Файловые системы с расширенной поддержкой контроля версии подходят для такого случая лучшего всего, поскольку существенно экономят место на резервном носителе. Кроме традиционного создания резервных копий файлов, которые не используются в данный момент, существуют алгоритмы резервирования в реальном времени. В этом случае резервное копирование происходит даже тогда, когда файл открыт в какойлибо программе. Такая возможность достигается благодаря использованию снапшотов (snapshot) файловых систем и активно применяется, например, в системах виртуализации для работы с виртуальными дисковыми накопителями. Процесс резервирования данных может происходить несколькими путями. Рассмотрим наиболее распространенные из них.

Клонирование разделов и создание образов

Клонирование подразумевает копирование раздела или разделов диска со всеми файлами и директориями, а также файловыми системами на резервный носитель, то есть создание полной копии данных на другом носителе. Это требует большого количества пространства на резервном носителе, но в то же время позволяет добиться наиболее полного резервирования отдельного ПК или диска с данными. Также особо следует упомянуть о клонировании системы в виде специального образа - виртуального накопителя, то есть отдельного файла, который может содержать в себе несколько разделов диска. Такой образ может быть создан средствами самой операционной системы. Он позволяет сократить объем данных, а также предоставляет возможность впоследствии работать с ним, как с обычным диском, либо подключать его к виртуальным машинам, что упрощает перенос операционных систем с одного сервера или компьютера на другой. Сегодня виртуальные образы набирают популярность за счет гибкости подключения, а также кроссплатформенности и легкого переноса с одного компьютера на другой. Как правило, клонирование или создание образа для резервного копирования происходит достаточно редко, поскольку объем, занимаемый резервной копией, очень большой. Подобные процедуры применяются в большинстве случаев именно для создания копии операционной системы со всеми файлами, а не для резервирования отдельных данных на диске. Для резервирования пользовательских данных, которые часто меняются или задействуются в работе, повсеместно используется другой тип резервного копирования - полное файловое резервирование.

Полное файловое резервирование

Такой тип резервного копирования подразумевает создание дубликатов всех файлов на носителе простым методом - копированием из одного места в другое. Полное файловое резервирование вследствие длительности процесса обычно проводится в нерабочее время, что объясняется слишком большими объемами данных. Такой тип резервирования позволяет сохранить важную информацию, но из-за больших сроков резервирования он не очень подходит для восстановления быстро меняющихся данных. Полное файловое копирование рекомендуется проводить не реже раза в неделю, а еще лучше чередовать его с другими типами файлового копирования: дифференциальным и инкрементным.

Дифференциальное резервирование

Дифференциальное резервирование предполагает копирование только тех файлов, что были изменены с последнего полного резервного копирования. Это позволяет уменьшить объем данных на резервном носителе и при необходимости ускорить процесс восстановления данных. Поскольку дифференциальное копирование обычно производится гораздо чаще, чем полное резервное копирование, оно очень эффективно, так как позволяет восстанавливать те данные, которые подверглись изменению совсем недавно, и отслеживать историю изменения файлов с момента полного копирования.

Инкрементное резервирование (Incremental backup)

Инкрементное резервирование несколько отличается от дифференциального. Оно подразумевает, что при первом запуске происходит резервное копирование только тех файлов, которые были изменены с тех пор, как в последний раз выполнялось полное или дифференциальное резервное копирование. Последующие процессы инкрементного резервирования добавляют только те файлы, которые подверглись изменению с момента предыдущей процедуры резервирования. При этом изменившиеся или новые файлы не замещают старые, а добавляются на носитель независимо. Конечно, в этом случае история изменения файлов увеличивается с каждым этапом резервирования, а процесс восстановления данных для этого типа резервирования происходит гораздо дольше, поскольку необходимо восстановить всю историю изменений файлов, шаг за шагом. Однако при дифференциальном резервировании процесс восстановления более прост: восстанавливается основная копия и в нее добавляются последние данные дифференциального резервирования.

Многие программные пакеты для резервирования используют различные виды резервирования, а зачастую совмещают их с целью большей эффективности и экономии места. Системные утилиты Windows, о которых мы расскажем в этой статье, также задействуют различные виды резервирования, что позволяет более динамично и оперативно восстанавливать данные пользователей в зависимости от ситуации. Для серверных операционных систем Windows доступно большее количество утилит для восстановления, чем для настольных операционных систем Windows, но здесь мы рассмотрим лишь те, что доступны обычным пользователям. Более того, для разных редакций ОС Windows набор компонентов различается, что обусловлено разделением операционных систем на корпоративные и домашние. Для операционных систем Windows существуют две основные утилиты по резервному копированию данных, которые различаются видом резервирования.

Windows Backup And Restore

Компонент Windows Backup And Restore (Архивация и Восстановление) стал доступен пользователям начиная с выхода операционной системы Windows Vista и отвечает за создание полного бекапа операционной системы с возможностью инкрементного резервирования. С выходом операционной системы Windows 8 этот компонент сменил название на Windows 7 File Recovery. Хотя он ничего из своего функционала и не потерял, Microsoft рекомендует использовать для резервирования данных новую утилиту File History, которая включена в операционные системы Windows 8 и Server 2012, но о ней мы расскажем чуть позже. Windows Backup And Restore позволяет создавать автоматический полный бекап на сменный носитель, оптические диски или в специальное место на удаленном сервере.

Последняя возможность доступна только для определенных редакций Windows 7/8, так как позиционируется как решение для ИT-администраторов компаний. Полный бекап системы в случае использования этого компонента предполагает не только сохранение файлов пользователей, но и возможность создания образа всей операционной системы и резервирование отдельных дисков компьютера. Для пользователя также доступно создание исключительно образа системы, который впоследствии можно не только извлечь на новый носитель этого компьютера, но и использовать как виртуальный диск в системах виртуализации. В случае применения данного компонента пользователь может задать те папки, которые необходимо резервировать, а также указать те системные диски, которые нужно сохранять при полном бекапе. При резервировании только файлов пользователя Windows Backup And Restore использует инкрементное резервирование данных, что позволяет получить большее количество слепков файлов в различные моменты времени. Обычно полное резервирование выполняется раз в неделю и предполагает не только резервирование файлов пользователя, но и создание образа системы, а также копирование данных для точек восстановления компонента Windows System Recovery. Процесс восстановления файлов пользователей может происходить прямо из-под операционной системы - он достаточно прост и понятен для большинства пользователей. Восстановление системы при серьезном сбое может быть осуществлено с помощью встроенных утилит Windows Recovery. Для этого необходимо либо создать новый специальный диск восстановления, либо использовать установочный образ операционный системы, с которого она устанавливалась на ПК ранее. При загрузке в режиме восстановления Windows Recovery предложит пользователю на выбор следующие режимы восстановления: восстановление файлов, переход к определенной точке восстановления, извлечение резервного образа системы на основной системный диск. Данные для восстановления в этом случае могут быть взяты с оптического носителя, внешнего или внутреннего накопителя, а также с сетевого хранилища данных. Редакция операционной системы в этом случае роли не играет. Увы, несмотря на то, что Windows Backup And Restore - достаточно мощный и удобный компонент операционной системы, компания Microsoft заявила, что, согласно проведенным исследованиям, этой утилитой пользуются в лучшем случае 5% пользователей. В связи с этим для более простого и эффективного резервирования данных компания Microsoft разработала для пользователей следующее поколение резервирования системы - Windows File History.

Windows File History

Windows File History, новый компонент операционных систем Windows 8 и Server 2012, в некотором роде замещает своего предшественника - Windows Backup And Restore. Он призван заменить только инкрементное файловое резервирование, в то время как создание образов системы и режим полного резервного копирования могут быть выполнены исключительно с помощью Windows 7 File Recovery. Компонент Windows File History изначально разрабатывался как удобное и практичное решение для пользователей, которым необходим прозрачный способ резервирования своих важных данных. При разработке этой утилиты особое внимание было уделено простоте инициализации процесса в сочетании с возможностью удобного и быстрого просмотра всех сохраненных данных. Процесс резервирования с помощью новой утилиты происходит незаметно для пользователя в автоматическом режиме и не требует от него дополнительных действий. Нельзя не отметить модифицирования резервирования на сетевые устройства, что позволяет легко и удобно работать с сохраненными файлами, если используются мобильные подключения или слабые каналы связи.

За основу утилиты Windows File History была взята часть базового функционала Windows Backup And Restore, в которой переделана визуальная составляющая, ответственная за представление сохраненных пользовательских данных. Просмотр ранее сохраненных данных теперь доступен из файлового менеджера Windows Explorer с помощью отдельной вкладки History. Это позволяет быстро найти необходимые файлы и восстановить их в любое место в системе. Несмотря на то что процесс резервирования основывается на инкрементном резервировании, при работе с ним не возникает мысли, что это именно резервирование, это скорее история создания, модифицирования или удаления файлов пользователей, доступная в любой момент. Такой подход к резервированию данных, безусловно, подойдет большинству неискушенных пользователей, поскольку процесс удобен и более нагляден в применении, чем работа с Windows Backup And Restore.

Для резервирования данных с помощью Windows File History можно использовать оптические носители, внешние накопители либо сетевые хранилища данных. Конечно, хранение данных на оптических носителях - это скорее дань традициям, чем реальный метод применения инкрементного резервирования, ведь данные могут меняться очень часто. Оптимальным выбором для обычных пользователей является резервирование на внешний или внутренний накопитель.

Для простоты работы в Windows 8 каждый подключаемый внешний накопитель может использоваться в качестве средства для резервирования с помощью Windows File History. Так, если накопитель подключен, в опциях выпадающего при автозапуске меню теперь присутствует отдельная вкладка, позволяющая в один клик назначить подключенный диск как накопитель для резервирования. При этом даже в том случае, если диск был впоследствии отключен от системы, резервирование данных возобновится, как только он будет установлен обратно. Аналогичный подход применяется и в случае резервирования данных на сетевое хранилище. Отключение от локальной сети никак не повлияет на работу системы, а при появлении сетевого окружения операционная система автоматически начнет новый цикл резервирования согласно расписанию. Прозрачная система активации функций Windows File History - это действительно огромный плюс для пользователя.

По умолчанию резервирование посредством утилиты Windows File History происходит каждый час, однако при необходимости пользователь может сам выбрать промежутки времени между каждым резервированием данных. Пользователю доступна возможность установить промежутки между резервированием от 10 минут до 1 дня. Для Windows File History можно установить только одно текущее место для резервирования, однако, если добавить несколько накопителей в места для резервирования, они могут использоваться попеременно в зависимости от их доступности. Это удобно в случае применения сетевого хранилища и отдельного накопителя. Таким образом, данные будут сохраняться в несколько мест в зависимости от текущей конфигурации. Также нельзя не отметить функцию выбора количества глубины сохраненных копий. Например, по прошествии одного или нескольких месяцев система может автоматически затирать старые данные, заменяя их новыми. Это позволяет экономить пространство в том месте, куда происходит резервирование данных. Кроме того, пользователь может использовать до 25% пространства накопителя для резервирования данных.

Утилита Windows File History по умолчанию резервирует наиболее активно используемые папки, а именно - «Контакты», «Избранное» и «Рабочий стол». Кроме того, резервирование автоматически применяется ко всем используемым папкам «Библиотеки». Пользователь может создавать собственные библиотеки данных, которые, по сути, являются символьными ссылками на реальные папки компьютера. То есть если пользователю необходимо резервировать конкретную папку на ПК, ему перед установкой Windows File History необходимо добавить эту папку в библиотеки. К тому же если некоторые папки нужно исключить из резервирования, то пользователь может выборочно исключить все библиотеки пользователя или же набор часто применяемых папок. С учетом активной интеграции с функцией «облачного» хранения данных Windows Skydrive использование этого «облачного» сервиса может быть нацелено на резервирование важных пользовательских данных, хранящихся в «облаке». Для того чтобы такая связка работала, необходимо лишь установить Skydrive, - после этого он автоматически добавится в библиотеки и будет резервироваться по мере необходимости. Увы, функция резервирования данных на «облако» пока недоступна пользователям, но компания Microsoft уже планирует добавить определенную возможность по резервированию данных на «облачные» хранилища данных в будущих версиях своих ОС.

Таким образом, новая система резервирования Windows File History отлично подходит для большинства пользователей. Простой и понятный интерфейс с возможностью быстрого добавления и восстановления файлов гораздо ближе к современному пользователю, чем предыдущая версия инкрементного резервирования в Windows Backup And Restore.

Резервирование. Методы, способы и типы резервирования

Для повышения надежности сложных систем и отдельных объектов имеются четыре основных пути:

1) повышение надежности элементов системы. Это обычный, легкий путь, но, чтобы им воспользоваться, нужны более надежные комплектующие элементы. Но даже если они имеются, они всегда значительно дороже прежних и нужен экономический расчет;

2) конструктивные мероприятия повышения надежности (к примеру, демпфирование возможных вибраций, переход от статически неопределимой конструкции к статически определимой, всевозможные защитные покрытия твердым металлом, полимерами и т.д.). Этот путь связан с технологией машиностроения и также может явиться предметом специального изучения в теории надежности;

3) коренное изменение принципа функционирования системы данного назначения. Связан с созданием новой техники, это качественный скачок в развитии данной отрасли - он возникает из экономической нецелесообразности прежних инженерных решений.

4) введение различного вида избыточности.

Избыточность - это дополнительные средства и возможности сверх минимально необходимых для выполнения объектом заданных функций

Методом повышения надежности объекта введением избыточности является резервирование .

Существует несколько методов повышения надежности за счет избыточности. Различают резервирование:

Структурное (избыточность в структуре - в количестве элементов системы);

Режимное (избыточность в режимах работы - в количестве элементов системы);

Временное,

Функциональное,

Информационное

И ряд других.

Наибольший интерес представляет структурное, или схемное, резервирование, предусматривающее использование избыточных элементов структуры объекта.

1) По способам резервирование может быть общим и раздельным (рисунок 6.1).

Рисунок 6.1 – Классификация способов резервирования

1.1) Общее резервирование - резервируется весь объект, аппарат или система в целом (рисунок 6.2):

Рисунок 6.2 – Общее резервирование

1.2) Раздельное резервирование - резервируются отдельные элементы системы (рисунок 6.3). Раздельное резервирование выгодно при большом числе аппаратов и увеличении кратности.

Рисунок 6.3 – Раздельное резервирование

Кратностью резервирования называется отношение числа резервных элементов к числу основных элементов объекта.

2) Различают резервирование с целой и дробной кратностью:

2.1) резервированием с целой кратностью называется такое резервирование, при котором для нормальной работы соединения достаточно, чтобы исправным был хотя бы один аппарат (т.е. за основным насосом закреплены один или несколько резервных);

Рисунок 6.4 – Резервирование с целой кратностью

2.2) резервированием с дробной кратностью называется такое резервирование, при котором для нормальной работы соединения может быть неисправным только один аппарат (т.е. на несколько насосов имеется только один резервный).

Рисунок 6.5 – Резервирование с дробной кратностью

Число кратности резервирования:

где m - общее число элементов в группе;

r - число элементов, необходимое для нормальной работы системы.

Например, проанализируем схемы (рисунок 6.6).

Рисунок 6.6 - Схемы с резервированием

По схеме рисунка 6.6,а имеем дублирование и число кратности

Целая кратность.

На схеме рисунка 8.6,б представлена схема с кратностью

Целая кратность.

На схеме рисунка 8.6,в показана система «2 из 3»

Дробная кратность.

3.1) При постоянном резервировании резервные аппараты присоединены к основным в течение всего времени работы и работают одновременно с ними.

3.2) При резервировании замещением резервные аппараты замещают основные после их отказа.

4) Различат три типа структурного резервирования : нагруженный резерв, облегченный резерв, ненагруженный резерв.

4.1) Нагруженный резерв - такой резерв, когда резервные элементы работают в том же режиме нагрузки, что и основной элемент, т.е. основной элемент и резервный теряют надежность в равном темпе.

4.1) Облегченный резерв - такой резерв, когда элементы функционируют в более слабом нагрузочном режиме, чем основной элемент, т.е. резервные элементы теряют надежность замедленно в сравнении с основным элементом.

4.1) Ненагруженный резерв - когда резервный элемент практически не несет никакой нагрузки и его надежность не падает вообще. Это запасные части на складе.

На рисунке 6.7 рассматривается надежность при нагруженном, облегченном и ненагруженном резервах для системы из 1 -го основного элемента и 1 -го резервного.

Рисунок 6.7 - Типы резервирования

Нагруженный резерв (рисунок 6.7а). При 0 < t < t 0 функционируют оба элемента и их надежность падает одинаково. После отказа при t > t 0 первый больше не работает, а второй продолжает работать с той же надежностью вдоль той же кривой.

Облегченный резерв (рисунок 6.7б). При 0 < t < t 0 функционируют оба, но основной (кривая 1) теряет надежность быстрее, чем второй (кривая 2) при пониженной нагрузке. При t > t 0 работает 2-й элемент при полной нагрузке, его надежность падает по кривой 2.

Ненагруженный резерв (рисунок 6.7в). При 0 < t < t 0 работает только 1-й элемент (кривая 1), а при t > t 0 только второй (кривая 2), но она начинается не от t = 0, а от t = t 0 .

Таким образом, надежность облегченного резерва выше нагруженного, а ненагруженного - выше, чем облегченного.

В данной статье мы ознакомим читателя со значением резервирования в широком понимании данного термина. Также будут рассмотрены его виды, общее представление, взаимосвязь с естественными явлениями и многое другое.

Введение

Резервирование - это универсальный принцип, обеспечивающий надежность системы любого типа. Такие виды систем широко распространяются и применяются в природе, технологиях и технике.

К видам резервирования относятся:

аппаратная форма резервирования, ярким примером которой может служить дублирование;
информационный тип резервирования, например, методика, обнаруживающая ошибки и коррелирующая их;
временное резервирование, которое можно наблюдать в методике альтернативного вида логики;
резервирование программного типа представлено функционально равноценными программами.

Технические системы

По определению резервирование необходимо рассматривать как метод, повышающий характеристики и надежность определенного устройства, механизма. А также при помощи данного явления можно поддерживать устройство на определенном, необходимом уровне, при помощи включения запасного набора элементов и связи. Однако это дополнительная мера поддержания, наложенная дополнительно.

Данное понятие можно рассматривать как в узком значении, например, резервировании билетов, так и в широком, например, использование резервных механизмов на промышленных объектах. Однако в обоих случаях это будет способом предотвратить возможные неполадки в дальнейшем развитии событий, которые привели бы к нарушению целостности системы в долгосрочной перспективе. Главная причина необходимости наличия запасных способов поддержания системы в состоянии нормы диктуется набором требований о государственной промышленной безопасности. Большое значение резервирование имеет и в технике, предназначенной для военного ремесла.

При помощи данного явления происходит обеспечение безопасности атомных электростанций, которые ставятся на уровень с физическими разделениями и разнообразием типов оборудования, предназначенных для реализации важнейших принципов единичной формы отказа.

Системы безопасности для таких важных объектов, как АЭС имеют трехкратный вариант резервирования. Последние же российские проекты, реализованные при постройке в КНР, имеют резервирование в четырехкратной форме.

Элемент устройства, относящийся к минимизированным структурам, обеспечивающий его способность выполнять работу, называется основным. Резервные элементы представляют собой детали, предназначение которых заключено в обеспечении работоспособности механизма, вследствие отказа главных частей.

В технологической системе, резервирование можно классифицировать по набору признаков, главными среди которых являются высота уровня резервирования, кратность, состояние запасных элементов до их введения в работу, способность основных и резервных деталей работать совместно.

Отказ части системы в изделии, предназначенном для резерва, может произойти лишь после выхода из рабочего состояния главного устройства и всех запасных элементов системы. Резервированной можно назвать группу элементов, в которой отказ работы одной из них или даже больше, не приведет к поломке всей системы. Все части механизма, способные выполнять свои функции, будут и дальше их делать, а работу недостающих запчастей берет на себя резервное устройство. Этот способ замещения называют функциональным резервированием.

В соответствии с масштабом и единицей расчета различают такие виды резервирования:

общее, в котором резерв необходим для продолжения работы лишь в случаи отказа всего объекта;
раздельное, в котором происходит резервация отдельных частей объекта;
частное, предусматривающее в себе резервирование группы одинакового набора элементов.

Анализируя резервные системы, человек пришел к выводу, что уровень интенсивности отказов резервированного объекта возрастает с увеличением течения времени. Нерезервированная структура имеет одинаковую силу влияния времени на вероятность отказа в соответствии с резервированной. Однако это не указывает на то, что отсутствием поломки в системе и, следовательно, не использованием запаса можно оправдать его отсутствие до момента отказа системы. Основывая мнение на понимании данного явления, можно заключить, что резервирование имеет смысл применять в системах, необходимых для кратковременной эксплуатации, а критически важную систему необходимо обезопасить при помощи других надежных методов.

Важно учитывать особенность предназначения резервной системы. Это обуславливается тем, что метод, используемый для цифровой системы с непрерывным типом деятельности, будет малопригоден для системы с устройством аналогового типа. В силу всего этого и возникает проблема с созданием способа резервирования для всех систем сразу.

Существует способ оценки эффективности резервирования, в котором с использованием коэффициента, отвечающего за повышение надежности, вычисляют показатели безотказности соотношений:

yp = P (t)p / P (t)

γQ = Q (t) / Q (t)p

В таких расчетах P(t) и Q(t) - указывают на возможность безотказной работоспособности и шанс отказа для системы резерва.

P (t) и Q (t) - высота вероятности работы безотказного характера и вероятность, при которой произойдет отказ нерезервируемого типа системы.

Общий тип

В общем резервировании запас делается сразу для всей системы. В зависимости от способа, которым было произведено введение резервного устройства, общее резервирование можно рассматривать на постоянной основе и на замещении. В случае применения общего типа резерва, запасные устройства подключаются к основным и остаются включенными в них на протяжении всего режима работы.

Резервирование постоянного типа

Постоянное резервирование - это форма запаса, в которой имеется относительно простая схема постройки, нет перерывов в работе даже в случаи отказа какого-то элемента.

Очевидным недостатком нагруженного резерва, является повышение расхода энергии и «старение» запасных элементов вместе с основными. Вследствие этого потребность заменить элементы основного состава будет обуславливать наличие замены и запасных.

Замещение

При резервировании средств, любых объектов, которые можно будет использовать с целью возобновить работу системы при ее сбое, этот процесс может происходить путем замещения.

Резервирование способом замещения может выполняться другой системой автоматического типа либо человеческой рукой. В случае использования автоматического вмешательства необходимо, чтобы машина, выполняющая работу, обладала высокой надежностью. Использование ручной замены элементов увеличивает время, потраченное на переключение. Однако высокий показатель надежности оператора, заменяющего деталь, может браться в расчет при сравнении работы человека и машины.

Разделение в резервировании

Раздельный вид резервирования предусматривает введение индивидуального резерва, предназначенного для всех частей системы неизбыточного типа. Оно делится на общее и замещающее. Раздельное замещение характеризуется вероятностью наличия отказа в системе только в случае, если отказ в одном месте произойдет дважды. Математические анализы показывают нам, что использование раздельного резервирования даст более высокий показатель надежности системы.

Взаимосвязь с биологией

В биологии прослеживать резервирование можно благодаря наблюдению за животными. Например, организм, место которого лежит в начале цепи питания, пользуется резервированием для обеспечения воспроизведения вида во множественном числе при помощи большой плодовитости. Травоядное животное, в преобладающем количестве случаев, имеет больше потомков, чем хищник.

Резервирование - это мера предосторожности, которая широко используется и нашим организмом. Примером может послужить дублирование органов внешнего типа (двух глаз, рук, ушей и ноздрей). Вспоминая внутренние органы, можно отметить дублированные половые железы и почки. Наличие данного явления в организме может повышать его функциональный набор возможностей. Дублированные человеческие глаза дают возможность реализовать зрение в стереоскопической форме.

Наукой, что изучает резервирование в живых системах, называется бионика.

Резервирование и организационные системы

В организационной системе резервирование - это наличие субъекта, способного выполнять обязанности руководителя всего объекта, проекта или предприятия, в момент отсутствия главы. Для этого назначаются заместители на ответственные должности. В большинстве случаев предусматривается наличие нескольких заместителей, отвечающих за разные функции руководителя.

Организационные системы, наподобие армии, используют понятие запаса, что по факту является резервированием кадров.

Заключение

Запас можно назвать синонимом к слову "резервирование". Это явление широко используется всеми видами живых и механизированных систем и лежит в основе множества важнейших биологических явлений и процессов. Существует немало способов совершения рассматриваемого действия, каждый из которых имеет свою специфику и значение. Резервирование имеет необычайно огромный размер диаграммы спектра частей всего живого, на который он может распространиться.