5-容错设计技术.ppt

提纲 概述 故障模型 故障检测 故障修复 可靠性协议 概述 容错，翻译为“fault-tolerant”,有“容故障”的含义 容错研究关注的领域 大规模集成电路,分布式系统,数据库,互联网,... 网络容错 网络中某个节点或节点的某个部件发生故障时，网络仍然能完成指定的工作。 无线传感器网络容错（因素） 自身容易发生故障 受到外界环境影响 WSNs正常工作，更需要有效的容错设计来满足其可靠性要求。 概述 容错的基本概念 故障(fault)，是指一个设备、元件或组件的一种物理状态，在此状态下它们不能按照所要求的方式工作。 差错(error)，是指一个不正确的步骤、过程或结果。 失效(failure)，是指某个设备中止了它完成所要求功能的能力。 三者的关系 故障只有在某些条件下才能在其输出端产生差错，这些差错由于在系统内部，不容易被观测到。 差错只有积累到一定程度或者在某些系统环境下，才能使系统失效。 故障和差错是面向制造与维修的；失效是面向用户的。 概述 容错的重要性 WSNs对容错设计的新挑战 技术和实现因素 传感器节点通常需要直接暴露在环境中，更易受到物理、化学、生物等外力的破坏，所以自身可靠性差。 传感器节点体积小，能量、计算、存储、通信受限，分布式组网完成任务，本身就是一个挑战。 应用模式 无线传感器网络通常是运行在无人干预模式，它们需要具有更强的容错能力。 新兴的研究和工程领域 处理特定问题的最优方法还不明确，技术与预期应用在快速变化，所以容错处理难以预见。 与传统网络的差异 无线通信网络，以网络为中心，提供网络的互联、互通和互操作,为数据提供正确、可靠的传输。 无线传感器网络，以数据的采集、 数据的处理为中心（必要时，可以牺牲部分节点，保证完成任务）。 容错的重要性(续) 面对挑战的期望 传感器网络的软、 硬件必须具有很强的容错性 ,以保证系统具有高可信性和高强壮性。 在网络节点的软、 硬件出现故障时 ,能够通过应用一定的容错技术使整个系统自动调整或自动重构 ,纠正错误 ,保证任务的正常执行。 无线传感器网络的容错算法不能过于复杂 ,同时还应当支持节能的特性；一般而言 ,要达到越好的容错性 ,将消耗越多的能量；,在设计无线传感器网络的容错算法时 ,还需要在这两者之间进行权衡。 WSNs容错设计需要考虑三个方面 故障模型，故障检测，故障修复 提纲 概述 故障模型 故障检测 故障修复 可靠性协议 故障模型 故障分类 部件级 节点级 网络级 三者关系 网络包含节点 节点包含部件 层次关系决定了高层故障本质由低层故障所造成 部件级模型 部件故障 传感、供电、通信等部件发生故障，测量值偏离了实际值。 传感器节点由计算、通信、存储、能量供应、传感等功能部件组成，每个部件都有可能发生故障。 处理器、存储器、通信部件的可靠性高，不易出错。 传感部件（感应器+模数转换ADC），低成本、能量受限、暴露在外界环境，易发生故障。 部件故障主要归于传感部件故障 部件级模型(续) 部件故障分类 按测量值与实际值的差值的组成与成因，故障分为4类。 固定故障，感应器的读数一直为某个固定的值（通常大于或小于正常的感知范围，不能提供任何感知环境的信息）。 偏移故障，在真实值的基础上附加一个常量。 倍数故障，真实值被放大或缩小某个倍数 方差下降故障，使用时间过长，感应器老化后变得越来越不精确而产生的。 注：没有对测量值的先验知识，仅以结果不能分辨出偏移故障与倍数故障。 提纲 概述 故障模型 故障检测 故障修复 可靠性协议 故障检测 故障检测的分类 部件故障检测（检测传感器部件） 基于空间相关性 基于贝叶斯网络 节点故障检测（定位故障节点） 集中式 分布式 故障检测的目标 检测网络中的异常行为 部件故障检测 部件故障的分类 简单的传感器故障模型 0-1模型（0-不工作；1-正常工作） 直接观察输出结果，判断故障 复杂的传感器故障模型 连续或多级数字输出 基于空间相关性或基于贝叶斯网络，判断故障 故障检测的衡量指标 识别率，发生故障的部件被检测为有故障的概率。 误报率，把正常部件判定为发生故障的概率。 基于空间相关性 基本思想 空间相关性，WSNs中相邻节点的同类传感器所测量的值通常很相近。 一个节点通过周围邻居节点的同类传感器来检测自己的传感器是否发生了故障。 方法分类 需要地理位置信息 不需要地理位置信息 需要地理位置信息 某节点的传感部件测量结果与周围节点（依地理信息判定）测量结果都不同时，这个节点的传感部件可能发生故障。 例 节点1~节点8都感应到了事件的发生，而节点n没有感应到事件的发生，则认为节点n的传感部件发生了故障 如果节点n及节点1~节点7都感应到了事件，则可以判断节点8的传感部件发生了故障。 需要地理位置信息(续) 一种