空间机器人软件容错技术研究

论文摘要

随着科学的进步,空间技术的发展以及人类对空间探索的逐步深入,空间机器人已经越来越多地应用于空间活动中,而且这种应用必然会越来越广泛。然而,面对复杂的空间环境,研究如何能够减少太空环境中能量辐射和高能粒子流等对空间机器人产生的负面影响,保障空间机器人在太空中稳定、可靠地运行就成为至关重要的任务。空间机器人一般指的是自由飞行空间机器人,可在行星的大气环境中飞行,有灵活的机械臂,主要完成空间飘浮物的抓取和清理工作。能量辐射和高能粒子对空间机器人的一个相当大的负面影响就是会导致单粒子翻转现象。通常,是用专用的硬件来处理这类问题,但这些专用的硬件虽然能够具有较强的容错功能,但性能较差,且价格昂贵,性价比低,并不适合越来越多的大规模的空间计算,因此,空间机器人的软件容错就显得日益重要。本文就是在这样的大背景下产生的。本文对空间机器人计算机系统的结构进行了一些剖析,并对其它的一些容错软件模型进行了一些分析,在此基础之上,提出了一个致力于保障空间机器人系统正常运行的软件容错模型。在此容错模型基础之上,本文实现了四种软件容错的算法,分别为基于I/O的分布式软件容错算法、基于I/O的集中式软件容错算法、基于检查点的分布式软件容错算法和基于检查点的集中式软件容错算法。这四种算法对于不同的运行环境和不同的容错对象有着不同的表现。基于I/O的件容错算法在通信较多的系统中表现良好;基于检查点的软件容错算法能够在以计算为主的程序中发挥巨大的作用。在课题设计中,用到了几种关键性的技术,包括签名技术和容错技术,并且,采用了I/O签名和检查点签名的方案来检测错误,利用冗余和恢复技术来进行容错处理,使系统的容错性能得到提高。经实验验证,本模型以及相应的算法能够以较高的概率发现程序运行时发生的出错现象,并能够很好地进行容错,基本上能够满足空间机器人系统对容错的需求,而且由于很好地利用了系统的空闲资源进行冗余,所以对性能的影响并不显著。此外,本文中建立的模型以及提出的算法不仅仅对空间机器人系统的软件容错有效,对于其它的分布式系统也可以具有一定的借鉴意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景
• 1.2 空间机器人简介
• 1.2.1 空间机器人介绍
• 1.2.2 空间机器人的工作环境及面临的问题
• 1.2.3 对空间机器人的特殊要求
• 1.3 容错的相关概念
• 1.3.1 软件可靠性
• 1.3.2 软件容错技术
• 1.3.3 自适应
• 1.4 研究现状及发展趋势
• 1.4.1 软件可靠性理论的研究与应用
• 1.4.2 空间机器人的研究与应用
• 1.5 本文的主要内容
• 第2章 空间机器人体系结构及软件容错模型
• 2.1 空间机器人体系结构
• 2.2 空间机器人的软件模型
• 2.3 空间机器人的软件容错技术
• 2.3.1 空间机器人的故障类型
• 2.3.2 硬件容错方法
• 2.3.3 一般的软件容错方法
• 2.3.4 SIHFT概念
• 2.3.5 ABFT技术
• 2.3.6 容错编译技术
• 2.3.7 Chameleon结构
• 2.3.8 NASA的解决方案
• 2.4 软件容错模型
• 2.5 本章小结
• 第3章 基于I/O的软件容错算法
• 3.1 概述
• 3.1.1 签名技术
• 3.1.2 基于程序块的签名
• 3.1.3 控制流分析
• 3.1.4 基于I/O的检错
• 3.2 基于I/O的集中式软件容错算法
• 3.2.1 问题描述
• 3.2.2 算法思想
• 3.3 基于I/O的分布式软件容错算法
• 3.3.1 问题描述
• 3.3.2 算法思想
• 3.4 本章小结
• 第4章 基于内部检查点的软件容错算法
• 4.1 概述
• 4.1.1 检查点介绍
• 4.1.2 检查点的设置
• 4.2 基于检查点的集中式软件容错算法
• 4.2.1 问题描述
• 4.2.2 算法思想
• 4.3 基于检查点的分布式软件容错算法
• 4.3.1 问题描述
• 4.3.2 算法思想
• 4.4 本章小结
• 第5章 算法的实现
• 5.1 重要数据结构
• 5.1.1 Manager
• 5.1.2 Daemon
• 5.1.3 两种方式下Daemon的异同
• 5.1.4 系统运行流程
• 5.2 基于I/O的集中式软件容错算法的实现
• 5.2.1 Manager主要工作流程
• 5.2.2 Daemon主要工作流程
• 5.3 基于I/O的分布式软件容错算法的实现
• 5.3.1 Manager主要工作流程
• 5.3.2 Daemon主要工作流程
• 5.4 基于内部检查点的集中式软件容错算法实现
• 5.4.1 Manager主要工作流程
• 5.4.2 Daemon的主要工作流程
• 5.5 基于内部检查点的分布式软件容错算法实现
• 5.5.1 Manager主要工作流程
• 5.5.2 Daemon的主要工作流程
• 5.6 本章小结
• 第6章 实验验证及分析
• 6.1 仿真实验环境
• 6.2 实验结果及分析
• 6.2.1 错误覆盖率
• 6.2.2 响应时间分析
• 6.2.3 时间性能分析
• 6.2.4 空间性能分析
• 6.3 不足和展望
• 6.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢