결함허용시스템 (FTS, Fault Tolerant System)

I. 결함허용시스템 (FTS, Fault Tolerant System)의 개념

• 하드웨어나 소프트웨어의 결함, 오동작, 오류 등이 발생하더라도 규정된 기능을 지속적으로 수행할 수 있는 시스템

II. 결함허용시스템의 주요 단계 및 실현 기술

가. 결함허용시스템의 주요 단계

주요 단계	기법	상세 설명
결함 감지 (Fault Detection)	Ping/Echo, Heartbeat, Exception 처리	시스템 내 Fault 발생 시 해당 모듈은 Fault 상태로 진입하고, 모듈 상태를 분석하여 어느 모듈이 Fault를 유발시켰는지 감지
결함 진단 (Fault Diagnosis)	모니터링, 비교, 시뮬레이션, 오류 비트	Fault가 일시적(Tansient)인지, 영구적(Hard)인지 파악하여 영구적인 경우 해당 모듈을 시스템 구성에서 제거할지 판단
결함 통제 / 복구 (Fault Isolation / Recovery)	중복(Redundancy), 교체, 격리(Isolation)	결함으로 인한 타 모듈에 오류 파급 차단 Fault 유발 모듈을 시스템에서 제거하여 시스템 재구성

나. 결함허용시스템 실현 기술

구분	실현 기술	기술 설명
HW 측면	Duplication with Comparison	하드웨어를 중복하여 그 출력을 비교하여 결함을 감지
	TMR (Triple Modular Redundancy)	3개 이상의 모듈에서 같은 입력에 대해 동일한 연산을 수행하여 다수결의 원칙 기반 결함을 감지
	Watchdog Timer	정상 작동 시 주기적으로 타이머를 초기화시켜 시스템 결함 여부를 감지
	Self Purging Redundancy	N개의 HW에서 출력 결과가 다른 HW의 계산과정을 배제
SW 측면	Check Point	SW 수행 중 검사 시점을 설정하여 오류가 발견되면 발생 이전의 검사 시점으로 돌아가서 재수행
	Recovery Block	재수행(Rollback & Retry)에 근거하여, 검사시점에서 오류가 발견되면 지정된 이전 검사점으로 되돌아가서 같은 기능을 가진 다른 SW 모듈을 수행
	N Self-checking Programming	둘 이상의 Self-Check 컴포넌트가 수행되며 하나는 기능 수행, 다른 하나는 대기 상태로, 결함 발견 시 대기 상태의 컴포넌트가 수행
	N Version Programming	N개의 독립적인 SW 모듈 수행 결과를 비교하여 다수의 수행결과를 채택
DB 측면	Rollback (Undo)	장애 발생 시 데이터베이스에 대한 모든 변경사항, Commit 되지 않은 트랜잭션에 대한 작업 취소
	Check Point	로그 파일에 체크포인트를 기록하고 장애 발생 시 검사점 이전에 처리된 트랜잭션은 회복 작업에서 제외하고 이후에 처리된 내용에 대해서만 회복 작업을 수행
	Shadow Paging	트랜잭션 실행동안 수행 페이지 테이블과 그림자 페이지 테이블을 유지하여 필요 시 회복 작업 수행
	Log File	Commit 되지 않은 작업을 로그 파일 기반 회복
Data 측면	Parity Code	2진 Data 중 “1”의 개수를 홀수 또는 짝수로 규정하여 결함을 감지
	Checksum	하나의 블록 정보 합 기반 정보 결함 감지
	Berger Code	하나의 Data 중 “1”의 개수를 2진 정보로 추가
	Hamming Code	결함 감지 및 단일 결함을 교정하는 코드 기법

• 신속한 결함 복구를 위한 HW 측면의 FTS와 유연한 방식인 SW 측면의 FTS를 용도에 맞게 적용 필요

III. FTS와 HA(High Availability, 고가용성) 비교

항목	FTS	HA
결함시간	0초	30 ~ 300초
Concurrent 유지보수	필수	불필요
동일 성능 가격	10 ~ 20배	2배 이상
응용 프로그램	제한적	대다수 범용 제품
운영체제	전용 운영체제 필요	범용 운영체제
하드웨어	전용 하드웨어 필요	범용 하드웨어

• FTS는 국방, 교통, 우주, 해양 등 미션크리티컬 서비스에 활용 가능
• 서비스 중요도와 비용 효율성 요건에 따라 FTS 및 HA를 선택적 이용 필요

 
[참고]

• 위키백과, “장애 허용(결함 감내) 시스템”, 2019.12