【系统分析师之路】第十三章 系统配置与性能评价记忆敲出

【系统分析师之路】第十三章 系统配置与性能评价记忆敲出

一. 信息系统中的性能

说到系统的性能，首先我想到的是需求工程中对于系统需求中的非功能需求的收集中，就包含了性能的需求，还有一个与之对应的PIECES模型，PIECES模型第一个考虑元素便是Preformance性能；质量属性中第一个就是性能Performance；在软件架构体系当中4+1视图模型中的进程模型，这个模型就是侧重系统的性能，可扩充性和吞吐量;可见系统性能的好坏越来越受到重视。在本章节中，主要针对三个性能的考点：阿姆达尔定律，系统性能评价方法，性能指标。

二. 阿姆达尔定律

对系统中某组件采用某种更快的方式，所获得的某种性能的改变程度。它的核心思想是对改进部分在总执行时间中所占的百分比。一般会比较改善前和改善后的加速比， 从而来判断系统改善后的性能。这个考点常考也是比较简单的考点。
提升每个部件的话，成本会相当的高。那么就提升部分的部件来加速系统的性能。

三. 性能指标

和性能指标有关系的有三个周期和两个定义。三个周期分别是：时钟周期，总线周期，指令周期；而两个定义是指MIPS和MFLOPS。
指令周期是取出并执行一条指令的时间；总线周期是访问存储器和IO端口所用的时间；而时钟周期是时钟频率的倒数，CPU的主频就是时钟频率。如果CPU主频（时钟频率）为1GHz的话，那么就说明1秒钟有1G个时钟周期，每个时钟周期为1纳秒。
一个指令周期由若干个总线周期组成，而一个总线周期时间又包含有若干个时钟周期。也就是说，一个指令周期包含若干个时钟周期。总结来说就是时钟周期最小，总线周期其次，最大是指令周期。指令时钟数就是完成一条指令所需要的时间
MIPS是每秒处理百万级的机器指令数，主要用它来衡量标量计算机性能
MFLOPS是每秒百万个浮点数操作，主要用来衡量向量计算机性能。

三. 系统性能评价方法

总结一下就是基准程序法是目前最好的评价性能的方法，而时钟频率法只能应用在x86那个年代了，而指令执行速度法和等效指令速度法都只能用在x86那个年代；而到了数据处理PDR，这个时候就开始不光只看CPU，而开始考虑存储了；到了综合理论性能法，开始考虑的是影响性能的多个因素。

1）时钟频率法

最老的评价信息系统性能的方法，就是看CPU时钟频率并以此我依据得出性能好坏的结论。

2）指令执行速度法

从字面上理解就是根据一条指令执行的速度来判断性能，而一条指令周期还是由若干时钟周期构成的，所以在我看来这种方式的性能评价顶多算是时钟频率法的改进版，而官方定义上是表示机器运算速度的单位是MIPS。

3）等效指令速度法

也叫吉布森混合法，让我联想到的是RISC和CISC。在CISC中指令长短是不一样的，那么只是通过单位时间内执行指令个数来判断的话，明显是不合适的，所以也就有了等效指令速度法这种性能评价方法存在的价值，它考虑了各类指令在程序中所占的比例。

4）数据处理速率法

到这里评价性能的方法已经不光光看CPU的时钟频率或者指令周期等来得出结论了。而是把数据存储和CPU性能一起考虑。PDR值越大性能越好。PDR综合考虑了CPU和存储。

5）综合理论性能法

算出每个部件的计算率，再进行调整得出理论性能。至于改善那个部件对性能提升最大，这就可以和阿姆达尔算法联系在一起了。

6）基准程序法

说白了这个就是综合理论性能法的升级版，简单理解为就是跑分软件。它是目前最广泛使用的性能评价方法。

四. 可靠性指标

在系统可靠性指标的概念中，首先要了解三个概念名词：MTTF，MTBF，MTTR。一般情况下MTTR是一个很小的值，它们三者之间的概念和关系见下面的描述：
MTTR:Mean Time To Repair,平均故障修复时间
MTTF:Mean Time To Failure,平均无故障时间
MTBF:Mean Time Between Failure, 平均故障间隔时间
MTTR+MTTF=MTBF 一般情况下，由于MTTF的值很小很小，所以可以认定为MTBF=MTTF（两个F才有可能约等于）。
系统可用性就是：平均无故障时间 / 平均故障间隔时间 = 平均无故障时间 / （平均无故障时间 + 平均故障修复时间）。当MTTF很小的时候，也就是MTBF约等于MTTF的时候，这个时候可用性就约定于100%

五. 可靠性和可用性之间的区别与联系

官方概念区别：提高可靠性是减少系统中断(故障)的次数，提高可用性需要强调减少从灾难中恢复的时间。
基于上面的理解，系统的可靠性就需要看MTTF，MTTF平均无故障时间越长，那么我们就可以说可靠度高；
而系统的可用性我们看的是MTTR，MTTR是平均故障修复时间，这个时间越短，我们就可以认为可用性高。
归纳起来就是没有故障则可靠，快速恢复则可用。（恢复故障短可用高，无故障时间长更可靠）
可靠性和可用性一般很少区分，在架构中质量属性往往提到的是可用性，不说可靠性。可靠性和可用性几乎没有什么区别。但一个强调的是次数，一个强调的是持续的时间。

六. 可靠性分析中的串联系统和并联系统

失效率就是1-可靠度，可靠度越高的系统，失效率越低。
在计算可靠度和失效率的时候，针对串联系统和并联系统要分开考虑。并联系统的失效率是指，当所有的并联中的系统都失效后，那么系统就失效了；而串联系统的失效率是指任何一个系统部件失效后，那么系统就会失效。
串联系统的可靠性=R1R2R3；串联系统的失效率=r1+r2+r3；
并联系统的可靠性=1-（1-R1）（1-R2）（1-R3），并联系统的可靠性=r1r2r3；
当然这里所说的失效率是一个近似的值而不是一个准确的值。
在考试当中串并联系统会一起出现，也就是混合系统，混合系统的可靠性要学会机会，但是不管题目怎么变化，串联时可靠度相乘，并联时用1减去多个系统的失效率的乘积，这样就可以计算正确。
在串并联系统中还有一种模冗余系统，它使用了表决器，多个子系统同时计算，然后针对计算结果少数服从多数的确认，通过少数服从多数的方式达到了冗余的效果。

七. 可靠性分析与设计的基本概念

在信息系统中，系统常常出现的故障有三种类型的表现形式：一种是永久性的故障，一种是间歇性的故障，一种是瞬时性的故障。
系统出现故障就会影响到系统的可靠性。故障次数越多，系统可靠性就越差；所以可靠性的高低直接影响了系统架构的好坏。
当系统出现故障的时候，能够越快地从故障中恢复过来，我们就说系统可用性强。
故障的恢复和系统容错能力紧密相关，系统容错技术又包括了避错技术和容错技术两类。

八. 故障恢复技术

故障恢复技术包括了前项恢复和后项恢复。
前项恢复比较容易理解，当出现故障的时候，就返回到之前最近的一个备份点重新开始执行就可以了。数据库备份与恢复其实都是使用了前项恢复的技术。（适合屏蔽不可预见的错误）
后项恢复需要和冗余机制合起来理解才可以。当某个时刻出现了故障，系统先不停止执行而是让系统继续执行下去，然后通过N模冗余技术，识别并纠正错误的子系统，这个恢复过程由程序设计者的设计。可见系统恢复能力越强大，系统的可靠性就越高。

九. 系统的避错与冗余的概念

我们在编码的时候，对系统输入信息进行范围全角半角的Check也就是防卫式的编程，对软件的可交付成果物进行评审，强化软件设计的工作都属于系统避错技术，通过有效的系统避错技术，可以提高系统的可靠性。
但是即使避错机制做到完美，我们还不能说系统架构的可靠性很高，往往避错技术还要和容错技术相结合使用，才能达到一个很好的效果。
容错机制就是把错误的内容给包容掉。容错基本的思想就是通过冗余来实现的。换个角度来理解，避错技术相当于冲突管理中的撤退回避，而容错技术相当于冲突管理中的缓和包容了。
冗余技术包括了：结构冗余，信息冗余，时间冗余，冗余附加四个种类。

1）结构冗余

双机热备，集群系统都属于结构冗余，简单理解就是通过增加软硬件的方式来增加系统的冗余性；

2）信息冗余

信息冗余就是为信息中增加一些特殊的信息，来确保信息的完整性不会被破坏，比如CRC码就是用来保证信息完整性；

3）时间冗余

时间冗余就是多次执行相同的计算来保证不发生错误，也就是演算的方式来增加系统冗余；

4）冗余附加

而冗余附加就是为了实现上面三种冗余技术所需要的资源和技术，所需的资源和技术

5）静态动态冗余

换一种分类法，冗余技术又可以分为静态冗余，动态冗余和混合冗余三种。静态是通过表决来屏蔽掉系统错误；动态是定位错误并对故障进行修复，这是静态和动态两者之间的最大的区别。
混合冗余应该是同时使用了了静态和动态冗余的技术的系统；
动态冗余包括了之前提到的，集群系统，热备份系统；
静态冗余包括了模冗余系统，表决器等；
在区块链技术中，如果某一个结点被攻破并被篡改，但是其他上下游的结点没有发生变化，所以可以很快发现某个结点被入侵的问题，并对被入侵的结点实施恢复操作，这就是容错技术和前向恢复技术在区块链技术中的一个应用场景。

十. 系统的容错技术

系统容错技术常见的有：防卫式程序设计，N版本程序设计，恢复块等技术。

1）恢复块技术

是来自于硬件容错设计中的动态冗余技术。它强调运行基本块以后调用接收测试，如果失败的话就调用替换件，如果再运行一次还是失败的话，再调用第二个替换件，以此类推。

2）N版本程序设计

是一种静态故障屏蔽技术，N版本程序设计需要多个子系统同时运行，并使用表决器来选择，N版本程序设计一般在普通的软件系统中是不会使用的。N版本程序设计一般在同样的原始需求之下，制作不同的需求规格说明书，由不同的团队来实施可以互为备份冗余的子系统。可见其实施成本是相当高的。

3）防卫式程序设计

以软件设计师编程的角度，通过防御的方式来提高信息系统的容错能力。比如我们在代码中增加Try-Catch，当发现并且检测到错误的时候，及时从错误的状态恢复到正常的状态，这就是防卫式程序设计技术。

十一. 双机容错技术

双机容错技术包含了双机热备模式，双机互备模式，双机双工模式三种。

1）双机热备

双机热备就是专门准备一台PC作为Backup用，这种方式下长期备用服务器会处于待机状态，效率低下，于是就有了双机互备。

2）双机互备

双方互相为对方备份的方式，哪怕一方因为故障停止，另一方跑两个服务就好了，这种方式需要心跳线；

3）双机双工

双机双工就是最早的集群技术，它强调两台机器上跑同一个服务。

十二. 高性能主机VS集群

从可伸缩性上看，虽然可以向高性能主机中增加内存提高CPU主频等方式升级，但这样做对于系统性能的提升是有限的。
而集群方式的话，只要直接增加非高性能的主机就好了，所以集群在可伸缩性上完胜高性能主机。
从可用性上看，高性能主机一旦出现故障，服务器就必须停止运行了，而集群的话某一台主机出现故障，不会影响到其他的主机，所以在可用性上，集群一定要比高性能主机强。
从性价比的角度看，向高性能主机中增加内存提高CPU主频等方式升级，获得的性能提升是有限的，而集群中使用了负载均衡技术，增加廉价的主机后往往性能可以提升很多。
从可管理的角度看，集群可以管理物理节点分散的服务器，也就是说它的服务器可以放置在互联网任何地方。而高性能主机显然不具备这个能力。
从透明性的角度看，集群对用户是高度透明的。
现在看来集群于高性能主机的关系可以归纳为：三个臭皮匠顶个诸葛亮；诸葛亮雇不起或找不到的前提下，还是找三个臭皮匠经济又实惠。