طراحی سیستم‌های تحمل‌پذیر اشکال

هدف از این درس، آشنایی دانشجویان با مفاهیم و نحوه طراحی سیستم‌های تحمل‌پذیر اشکال با استفاده از انواع روشهای افزونگی در سطوح مختلف سخت‌افزاری، نرم‌افزاری، و اطلاعاتی و همچنین شیوه‌های ارزیابی آن‌ها است.

1. تعاریف، کلیات و مفاهیم پایه
   • مفاهیم اشکال، خطا و خرابی، ویژگی‌های اشکال‌ها، دلایل چهارگانه‌ی بروز اشکال (D-I-C-E)، اشکال‌های گذرا و ماندگار، اشکال‌های دوره‌ای (Intermittent faults)، گستره‌ی مکانی اشکال‌ها
   • قابلیت اطمینان، دسترسی‌پذیری، ایمنی، قابلیت انجام (performability)، اتکاپذیری، مفاهیم MTTF، MTTR، MTBF
   • مدل‌های خطا و اشکال، اشکال‌های ناشی از برخورد ذرات SEU و SET، خطای نرم (Soft Error)، اشکال‌های ناشی از اغتشاش الکترومغناطیس EMI، اشکال‌های ناشی از نوسان منبع تغذیه PSD، به ظهور رسیدن خطا (Error manifestation)، تأخیر به ظهور رسیدن خطا
   • افزونگی، انواع افزونگی شامل افزونگی سخت‌افزاری، افزونگی نرم‌افزاری، افزونگی اطلاعاتی و افزونگی زمانی
   • پرهیز از اشکال (Fault Avoidance)، پوشاندن اشکال (Fault Masking)، تحمل‌پذیری اشکال (Fault Tolerance)، کشف اشکال، بازیابی از اشکال، جلوگیری از انتشار اشکال (Fault Containment)، پوشش کشف اشکال (Fault Detection Coverage)
   • سیستم‌ها با ایمنی بحرانی (Safety-Critical Systems)، سیستم‌ها با مأموریت بحرانی (Mission-Critical Systems)
   • عامل آسیب‌پذیری (Vulnerability Factor) و ارتباط آن با مفهوم تسکین اشکال (Fault Mitigation)، انواع تسکین اشکال شامل تسکین اشکال الکتریکی، تسکین اشکال منطقی و تسکین اشکال زمانی
2. روش‌های افزونگی سخت‌افزاری
   • افزونگی منفعل (Passive Redundancy)، افزونگی فعال (Active Redundancy)، روش‌های افزونگی ترکیبی
   • روش‌های Fault Masking، TMR و NMR
   • روش‌های یدک آماده‌باش (Standby Sparing)، یدک سرد (cold spare)، یدک گرم (warm spare)، یدک داغ (hot spare)
   • روش‌های سخت‌افزاری کشف اشکال، شمارنده‌ی مراقب، پردازنده‌ی مراقب، کشف خطا با وارسی روند برنامه (Control Flow Check)، روش دوگانه‌سازی و مقایسه (DWC)، روش پایه و وارسی کننده (Master/Checker)
3. روش‌های افزونگی نرم‌افزاری
   • تعمیم روش‌های سخت‌افزاری به نرم‌افزاری، TMR نرم‌افزاری، DWC نرم‌افزاری، شمارنده‌ی مراقب نرم‌افزاری، وارسی روند برنامه به شکل نرم‌افزاری برای کشف اشکال، دوگانه‌سازی و مقایسه‌ی نرم‌افزاری
   • روش برنامه‌نویسی N نسخه‌ای (NVP)
   • کد نویسی مبتنی بر assertion و اهمیت آن
   • روش وارسی قابلیت (capability check)، نمونه وارسی قابلیت در ثابت‌افزار (Firmware)، روش‌های وارسی همخوانی (consistency check)، روش‌های وارسی همخوانی در برنامه‌نویسی مبتنی بر حالت (Automata-Based Programming)
   • تحمل‌پذیری اشکال در لایه‌ی کاربرد (ALFT)
   • روش‌های کشف اشکال محاسباتی
4. روش‌های افزونگی زمانی
   • سیستم‌های بی‌درنگ سخت و ارتباط آن‌ها با سیستم‌های با ایمنی بحرانی
   • TMR و NMR زمانی، روش TMR خوش‌بینانه
   • روش‌های مبتنی بر نقطه‌ی وارسی (Check-Pointing)، تعیین فواصل وارسی (Check-Pointing Interval)
   • شرایط اضافه‌بار (Overload Condition)
   • استفاده از قضیه‌ی Partition برای محاسبه‌ی قابلیت اطمینان سیستم‌های افزونگی زمانی
5. روش‌های افزونگی اطلاعاتی
   • مفهوم فاصله‌ی همینگ و بیت خلوص (Parity Bit)
   • کد همینگ، بیت‌های خلوص همپوشان، بیت‌های خلوص افقی و عمودی
   • مدل خطای تک‌بیت (SBE) در مقابل پی‌درپی (Burst)
   • انواع کدهای کشف تک خطا (SED)، تصحیح تک خطا (SEC)، تصحیح تک خطا و کشف دو خطا (SECDED) و فواصل همینگ در آن‌ها
   • کدهای خطی و مفاهیم ماتریس تولید و ماتریس وارسی، بردار عارضه (Syndrome Vector) در کدهای خطی
   • کدهای CRC و کاربرد در کشف خطای پی‌در‌پی
   • Checksum و انواع آن
   • مفهوم نرخ خطای باقی‌مانده Residual Error Rate
6. روش‌های ارزیابی
   • روش‌های تجربی، آزمایشگاهی و تحلیلی ارزیابی (Empirical, Experimental, and Analytical)
   • شبیه‌سازی مونت‌کارلو و اهمیت آن در ارزیابی
   • آزمایش‌های تزریق اشکال، تزریق اشکال فیزیکی، تزریق اشکال مبتنی بر نرم‌افزار (SWIFI)، تزریق اشکال مبتنی بر زنجیره‌ی پویش (SCIFI)، تزریق اشکال مبتنی بر شبیه‌سازی، تزریق اشکال مبتنی بر FPGA
   • روش‌های تحلیلی شامل RBD و مدل مارکوف پیوسته، مدل‌های RBD دارای پل و قضیه‌ی Partition، مفهوم مجموعه‌ی قطع و مجموعه‌ی قطع کمین (minimal cut set)
   • مفهوم SPF (Single Point of Failure) و گلوگاه قابلیت اطمینان
   • ساده‌سازی مدل مارکوف، حل مدل مارکوف برای تحلیل قابلیت اطمینان، دسترسی‌پذیری و ایمنی، تحلیل حالت ماندگار مدل مارکوف (Steady State) و کاربرد آن در تحلیل دسترسی‌پذیری
   • درخت اشکال (Fault Tree)، درخت اشکال ایستا، درخت اشکال پویا، تبدیل درخت اشکال به مدل مارکوف، تحلیل درخت اشکال با شبیه‌سازی مونت‌کارلو

• امتحان میان‌ترم (حدوداً ۳۵٪ با تأثیر مثبت)
• امتحان آخر ترم (حدوداً ۳۵٪ با تأثیر قطعی)
• تمرین‌ها (۱۰٪ البته در صورت تحویل ندادن نمره‌ی منفی دارد)
• پروژه (حدود ۲۰٪)