谈安全系统设计中的冗余技术

来源 | 薄说安全

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在安全系统设计中，为防护硬件随机性故障造成的功能失效，会用到不同于一般电子产品的设计方法，这些设计方法在功能安全标准如IEC61508、ISO26262有推荐的方法列表，根据电子系统的不同组成部分，可以应用不同的设计方法嘉兴道教灵符网请符。本文来谈谈应用比较多的冗余技术，具体有硬件冗余、信息冗余、软件冗余。

硬件冗余：

硬件冗余是将多个硬件单元复制作为一个整体来提供功能嘉兴道教灵符网请符。从组成部分来看，多个硬件单元可以是相同的，也可以是不同的，如使用相同的硬件，但是操作系统和应用不同，或者只有应用不同的。从最终输出来看，可以没有独立的表决器，由其中一个处理单元准备输出，也可以有独立的表决器。

下面介绍几种典型的冗余架构：

主/从控制架构：以一个计算单元作为主控制输出，另一个计算单元作为从控制嘉兴道教灵符网请符。在下面的架构中，主控制单元和从控制单元都对输入数据进行处理，并进行互相交互的校核，当从控制单元检查主控制单元的输出存在故障时，对主控制单元进行复位。该架构中当从控制单元的检查存在时间上的延迟，需要对故障输出的延迟时间影响增加分析。

双核锁步架构：芯片内的双核锁步架构冗余技术，每条CPU指令都由两个处理器独立地执行，每个处理器读取、写入数据后执行下一条指令，主处理器控制总线，从控制器控制一个监控器，当两个处理器发生不一致时，监控器用来使芯片输出导向安全，输出报警给外部的监控芯片嘉兴道教灵符网请符。为了防止外部瞬态的电磁干扰，两个处理器在执行的时序上采用分时执行的方法。

NooM架构：由两个硬件计算单元构成的2oo2架构，由2个以上的计算单元可以构成22oo2或2oo3架构嘉兴道教灵符网请符。2oo2架构能检查单个单元的故障，但是无法容错。它的共因故障是需要避免的，软件要具备硬件同样等级的安全性水平，硬件设计避免有共用部分，对CPU、内存应引入自检机制，以避免潜伏故障。

2oo2架构的一种近似架构是1oo2D架构，它也是由两个处理单元组成，每个处理单元都有对应的故障检测模块，比如说独立的看门狗，看门狗的输出用来控制选择开关，授权哪个处理单元对外输出嘉兴道教灵符网请符。

多个处理单元的NooM架构有2oo3，兼顾了安全性和可用性嘉兴道教灵符网请符。对于单个处理单元的故障，通常是将其导向安全侧输出，但也有设计为故障后进行重置，分享其状态给其它处理单元。举Boeing 777中的飞控计算机为例，由三个处理单元PFC（Primary Flight Computer）组成，PFC之间通过独立三个通信网络进行通信，每个PFC内部有三个异构的处理器Intel、Motorola和AMD，从而避免处理器的共因故障。每个处理单元在三种状态之间转换：控制、待机和监视，执行器对处理单元的输出进行选择。

信息冗余：

信息冗余增加多余的信息码，用于检测传输数据的错误，也可用于纠错，应用于内存，数据总线和通信网络的数据错误嘉兴道教灵符网请符。常用的有奇偶校验，CRC校验，海明码和算术码。奇偶校验只能检测单bit错误，无法检测双重bit错误。CRC校验还可以应用于校验存储在内存中的数据或程序是否被篡改。

海明码用于存储或传输数据时检测和纠正错误，通过增加额外的奇偶校验位实现嘉兴道教灵符网请符。标准汉明码只能检测和纠正单bit错误。对于双重bit错误，可以添加一个额外的总体奇偶校验位，以可靠地检测两位中的错误。这称为单纠错/双纠错检测 （SECDED）。

算术编码用包含两个字段的编码替代原来的数据：数据部分和编码部分嘉兴道教灵符网请符。能够检测三种类型的错误：

operation error（操作数错误）：计算机使用预期操作符处理操作数得到了错误的结果 嘉兴道教灵符网请符。这种类型的错误，非常类似于传输错误，但不会给代码设计带来新的约束。

operator error（操作符错误）：计算机使用好的操作数，但有一个非预期的运算符嘉兴道教灵符网请符。例如，如果一个加法运算符被替换成乘法运算符，结果是假的，即使乘法计算的结果是正确的。对这种类型的错误的检测，不是数据传输通道存在的错误，需要对运算符增加编码。

operand error（操作错误）：一种情况是地址错误，相当于用一个变量替换了另一个变量嘉兴道教灵符网请符。这种类型的错误发生在传输系统中，在不同的通道之间发生了串扰。类似于传输过程中收到了发送到另一个接收者的数据。另一种情况是存储错误，存储的数据变化或者没有被更新，是过时的数据。

软件 冗余：

软件在同一个处理器执行两次，由外部设备进行表决，可以用于检测内存错误嘉兴道教灵符网请符。需要将软件分别加载到不同的内存区域，因此，各种内存的故障如RAM、ROM、EPROM，都可以在运行过程中检测出来。但软件冗余属于执行程序的冗余，对于共享的硬件处理器故障无法检测。

可以在执行过程中加入指令的自测试，对不一致的数据进行比较，对处理器进行全面的功能测试嘉兴道教灵符网请符。为了进行有效的检测，测试覆盖率必须足够（覆盖应用指令等），并且必须在正确的时间执行（初始化，在每个周期内，定期，在任务结束时）。这种做的缺点是增加了处理器的性能开销。

软件冗余相比硬件冗余更简单，但检测错误的有效性需要应用其它技术进行弥补，采用软件的多样化和自检测技术可以作为很好的补充嘉兴道教灵符网请符。另外，由于软件的冗余执行，执行时间较长，适用于对时间性能要求不高的系统。

总结

以上是三种冗余技术的介绍，都是通过增加冗余的资源以实现故障的检测，有硬件资源的冗余，数据信息的冗余和软件执行层的冗余，通过一些简单的示例进行了说明嘉兴道教灵符网请符。在实际系统的设计中，往往不仅仅采用单一的技术，而是多种冗余技术相结合。同时，冗余技术在于它对随机故障的检测有效性，与异构多样化相结合，实际使用可以提高对系统性故障的检测能力。

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