Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Анимация, демонстрирующая, как один сбой может привести к другим сбоям в сети.

Отказ каскадный процесс , в системе взаимосвязанных частей , в которых отказ одной или нескольких частей может вызвать сбой других частей и так далее. Такой отказ может произойти во многих типах систем, включая системы передачи энергии, компьютерные сети, финансы, транспортные системы, организмы, человеческое тело и экосистемы.

Каскадные отказы могут возникать при выходе из строя одной части системы. Когда это происходит, другие части должны компенсировать отказавший компонент. Это, в свою очередь, приводит к перегрузке этих узлов, в результате чего они также выходят из строя, вызывая отказ дополнительных узлов один за другим.

В передаче энергии [ править ]

Каскадный отказ является обычным явлением в электрических сетях, когда один из элементов выходит из строя (полностью или частично) и переключает свою нагрузку на соседние элементы в системе. Затем эти соседние элементы выталкиваются за пределы своих возможностей, поэтому они становятся перегруженными и перекладывают свою нагрузку на другие элементы. Каскадный отказ - распространенный эффект, наблюдаемый в высоковольтных системах, где единственная точка отказа (SPF) в полностью загруженной или слегка перегруженной системе приводит к внезапному всплеску напряжения на всех узлах системы. Этот импульсный ток может привести к отказу уже перегруженных узлов, вызывая дополнительные перегрузки и, таким образом, вывести из строя всю систему за очень короткое время.

Этот процесс отказа проходит каскадом по элементам системы, как рябь на пруду, и продолжается до тех пор, пока практически все элементы в системе не выйдут из строя и / или система не станет функционально отключенной от источника своей нагрузки. Например, при определенных условиях большая электросеть может выйти из строя после выхода из строя одного трансформатора.

Мониторинг работы системы в режиме реального времени и разумное отключение частей могут помочь остановить каскад. Другой распространенный метод - вычисление запаса безопасности для системы путем компьютерного моделирования возможных отказов, установление безопасных рабочих уровней, ниже которых ни один из рассчитанных сценариев не приведет к каскадному отказу, и выявление наиболее вероятных частей сети. вызвать каскадные отказы. [1]

Одна из основных проблем предотвращения сбоев в электросети заключается в том, что скорость управляющего сигнала не превышает скорость распространяющейся перегрузки по мощности, т. Е. Поскольку и управляющий сигнал, и электрическая мощность движутся с одинаковой скоростью, это не так. можно изолировать сбой, отправив предупреждение заранее, чтобы изолировать элемент.

Вопрос о том, связаны ли отказы в электросети, изучался в Daqing Li et al. [2], а также Paul DH Hines et al. [3]

Примеры [ править ]

Каскадный отказ вызвал следующие отключения электроэнергии :

В компьютерных сетях [ править ]

Каскадные сбои также могут возникать в компьютерных сетях (например, в Интернете ), в которых сетевой трафик серьезно ухудшается или останавливается в или между более крупными участками сети из-за сбоя или отключения оборудования или программного обеспечения. В этом контексте каскадный отказ известен под термином « каскадный отказ» . Каскадный отказ может затронуть большие группы людей и системы.

Причиной каскадного сбоя обычно является перегрузка одного критически важного маршрутизатора или узла, из-за которой узел отключается даже на короткое время. Это также может быть вызвано отключением узла для обслуживания или обновления. В любом случае трафик направляется по другому (альтернативному) пути или через него. В результате этот альтернативный путь становится перегруженным, что приводит к его снижению и т. Д. Это также повлияет на системы, которые зависят от узла в регулярной работе.

Симптомы [ править ]

К симптомам каскадного сбоя относятся: потеря пакетов и высокая задержка в сети не только для отдельных систем, но и для целых участков сети или Интернета. Высокая задержка и потеря пакетов вызваны тем, что узлы не могут работать из-за перегрузки , в результате чего они все еще присутствуют в сети, но без какой-либо полезной связи, проходящей через них. В результате маршруты по-прежнему могут считаться действительными без фактического обеспечения связи.

Если из-за каскадного сбоя происходит отключение достаточного количества маршрутов, весь раздел сети или Интернета может стать недоступным. Хотя это и нежелательно, это может помочь ускорить восстановление после этого сбоя, поскольку время ожидания соединений истекает, и другие узлы откажутся от попыток установить соединения с секциями, которые были отключены, уменьшая нагрузку на задействованные узлы.

Распространенным явлением во время каскадного отказа является сбой при ходьбе , когда секции опускаются, вызывая отказ следующей секции, после чего первая секция возвращается обратно. Эта пульсация может пройти несколько раз через одни и те же секции или соединительные узлы, прежде чем стабильность будет восстановлена.

История [ править ]

Каскадные отказы - явление относительно недавнее, связанное со значительным увеличением трафика и высокой степенью взаимосвязанности между системами и сетями. Термин был впервые применен в этом контексте в конце 1990-х годов голландским ИТ-специалистом и постепенно стал относительно общим термином для такого крупномасштабного сбоя. [ необходима цитата ]

Пример [ править ]

Сбои в сети обычно начинаются при выходе из строя одного сетевого узла. Первоначально трафик, который обычно проходит через узел, останавливается. Системы и пользователи получают ошибки о невозможности доступа к хостам. Обычно резервные системы интернет-провайдера реагируют очень быстро, выбирая другой путь через другую магистраль. Путь маршрутизации через этот альтернативный маршрут длиннее, с большим количеством переходов и, следовательно, через большее количество систем, которые обычно не обрабатывают внезапно предложенный объем трафика.

Это может привести к выходу из строя одной или нескольких систем на альтернативном маршруте, создавая аналогичные собственные проблемы.

Также в этом случае затронуты связанные системы. Например, разрешение DNS может дать сбой, и то, что обычно вызывает взаимное соединение систем, может разорвать соединения, которые даже не участвуют напрямую в фактических системах, которые вышли из строя. Это, в свою очередь, может привести к возникновению проблем с кажущимися несвязанными узлами, которые сами по себе могут вызвать еще один каскадный сбой.

В декабре 2012 года во всем мире произошла частичная потеря (40%) службы Gmail на 18 минут. Эта потеря обслуживания была вызвана обычным обновлением программного обеспечения балансировки нагрузки, которое содержало неправильную логику - в этом случае ошибка была вызвана логикой, использующей несоответствующее все вместо более подходящего некоторых . Каскадная ошибка была исправлена ​​путем полного обновления одного узла в сети вместо частичного обновления всех узлов одновременно.

Каскадное разрушение конструкции [ править ]

Некоторые несущие конструкции с дискретными элементами конструкции могут подвергаться «эффекту застежки-молнии», когда выход из строя одного элемента конструкции увеличивает нагрузку на соседние элементы. В случае обрушения пешеходной дорожки Hyatt Regency подвесная дорожка (которая уже была перенапряжена из-за ошибки в конструкции) вышла из строя, когда вышла из строя одна вертикальная штанга подвески, что привело к перегрузке соседних штанг, которые вышли из строя последовательно (например, как застежка-молния ). Мост, который может иметь такое повреждение, называется критическим для разрушения, и многочисленные обрушения моста были вызваны выходом из строя одной детали. Правильно спроектированные конструкции используют соответствующий коэффициент безопасности и / или альтернативные пути нагружения для предотвращения этого типа механического каскадного разрушения.[4]

Другие примеры [ править ]

Биология [ править ]

Биохимические каскады существуют в биологии, где небольшая реакция может иметь общесистемные последствия. Одним из отрицательных примеров является ишемический каскад , в котором небольшая ишемическая атака высвобождает токсины, которые убивают гораздо больше клеток, чем исходное повреждение, что приводит к высвобождению большего количества токсинов. Текущие исследования направлены на то, чтобы найти способ блокировать этот каскад у пациентов с инсультом, чтобы минимизировать ущерб.

При изучении вымирания иногда вымирание одного вида вызывает вымирание многих других. Такой вид известен как ключевой вид .

Электроника [ править ]

Другой пример - генератор Кокрофта-Уолтона , который также может испытывать каскадные отказы, при которых отказ одного диода может привести к отказу всех диодов за доли секунды.

Еще одним примером этого эффекта в научном эксперименте был взрыв в 2001 году нескольких тысяч хрупких стеклянных фотоумножителей, использованных в эксперименте Супер-Камиоканде , где ударная волна, вызванная отказом одного детектора, по-видимому, вызвала сжатие другие детекторы в цепной реакции.

Финансы [ править ]

Основная статья: Системный риск
Основная статья: Каскады в финансовых сетях

В сфере финансов риск каскадных сбоев финансовых учреждений называется системным риском : банкротство одного финансового учреждения может привести к банкротству других финансовых учреждений (его контрагентов ), распространяясь по всей системе. [5] Учреждения, которые считаются представляющими системный риск, считаются либо « слишком большими, чтобы потерпеть неудачу » (TBTF), либо «слишком взаимосвязанными, чтобы потерпеть неудачу» (TICTF), в зависимости от того, почему они кажутся представляющими угрозу.

Однако обратите внимание, что системный риск возникает не из-за отдельных организаций как таковых, а из-за взаимосвязей. Подробные модели в экономике и финансах см. В Elliott et al. (2014) и Acemoglu et al. (2015). [6] [7]

Связанный (хотя и отдельный) тип каскадных сбоев в финансах происходит на фондовом рынке, примером чего является Flash Crash 2010 года .

Полезную основу для изучения и прогнозирования последствий каскадных сбоев в финансах см. [8] [5] Была разработана структура, основанная на теории сетей и каскадных сбоях, которая предоставляет полезные инструменты для политиков и для тестирования макропруденциального динамического стресса. [9]

Взаимозависимые каскадные отказы [ править ]

Рис.1: Иллюстрация взаимозависимых отношений между различными инфраструктурами
Рис. 2. Схематическое изображение перколяционных переходов первого и второго рода. Во втором случае гигантская компонента непрерывно стремится к нулю на пороге перколяции p = . В случае первого порядка гигантская компонента скачкообразно стремится к нулю.

Разнообразные инфраструктуры, такие как водоснабжение , транспорт , заправочные станции и электростанции , связаны друг с другом и зависят друг от друга в своем функционировании, см. Рис. 1. Благодаря такой связи взаимозависимые сети чрезвычайно чувствительны к случайным сбоям и, в частности, к целевым атакам , таким образом, отказ небольшой части узлов в одной сети может вызвать итеративный каскад отказов в нескольких взаимозависимых сетях. [10] [11] Отключение электричествачасто возникают в результате каскада сбоев между взаимозависимыми сетями, и проблема ярко проиллюстрирована несколькими крупномасштабными отключениями электроэнергии, произошедшими в последние годы. Блэкауты - это увлекательная демонстрация той важной роли, которую играют зависимости между сетями. Например, отключение электроэнергии в Италии в 2003 году привело к повсеместному отказу железнодорожной сети , систем здравоохранения и финансовых услуг и, кроме того, серьезно повлияло на телекоммуникационные сети . Частичный отказ системы связи, в свою очередь, еще больше ухудшил систему управления электрической сетью , таким образом создав положительную обратную связь по электросети.[12] Этот пример подчеркивает, как взаимозависимость может значительно увеличить ущерб во взаимодействующей сетевой системе. Недавно была разработана основа для изучения каскадных отказов между связанными сетями на основе теории перколяции. [13] Каскадные отказы могут привести к внезапному коллапсу по сравнению с перколяцией в одной сети, где отказ сети является непрерывным, см. Рис. 2. Было показано, что каскадные отказы в пространственно встроенных системах приводят к крайней уязвимости. [14] Для динамического процесса каскадных отказов см. Исх. [15] Модель устранения отказов во избежание каскадных отказов была разработана Ди Муро и др. [16]

Кроме того, было показано, что такие взаимозависимые системы, когда они встроены в космос, чрезвычайно уязвимы для локальных атак или сбоев. Выше критического радиуса повреждения отказ может распространиться на всю систему. [17]

Каскадные отказы и распространение локализованных атак на пространственные мультиплексные сети со структурой сообщества изучались Вакниным и др. [18] Об универсальных характеристиках каскадных отказов во взаимозависимых сетях сообщалось Duan et al. [19] Метод смягчения каскадных отказов в сетях с использованием локализованной информации был разработан Смоляком и др. [20]

Полный обзор каскадных отказов в сложных сетях см. В Valdez et al. [21]

Модель каскадных отказов перегрузки [ править ]

Модель каскадных отказов из-за распространения перегрузки - это модель Моттера – Лая. [22] Пространственно-временное распространение таких отказов было изучено Jichang Zhao et al. [23]

См. Также [ править ]

  • Затемнения
  • Хрупкая система
  • Эффект бабочки
  • Византийский провал
  • Каскадный откат
  • Цепная реакция
  • Теория хаоса
  • Кеш-давка
  • Коллапс при скоплении
  • эффект домино
  • Без гвоздя (пословица)
  • Сетевая наука
  • Теория сети
  • Взаимозависимые сети
  • Синдром Кесслера
  • Теория перколяции
  • Прогрессивный коллапс
  • Добродетельный круг и порочный круг
  • Злая проблема

Ссылки [ править ]

  1. ^ Чжай, Чао (2017). «Моделирование и идентификация наихудшего каскадного отказа в энергосистемах». arXiv : 1703.05232 [ cs.SY ].
  2. ^ Дацин, Ли; Инань, Цзян; Руи, Канг; Хавлин, Шломо (20.06.2014). «Пространственный корреляционный анализ каскадных отказов: перегрузки и отключения электроэнергии» . Научные отчеты . 4 (1): 5381. Bibcode : 2014NatSR ... 4E5381D . DOI : 10.1038 / srep05381 . ISSN 2045-2322 . PMC 4064325 . PMID 24946927 .   
  3. ^ Хайнс, Пол DH; Добсон, Ян; Резаи, Пуйя (2016). «Каскадные перебои в подаче электроэнергии распространяются локально в графике влияния, который не является фактической топологией сети». Транзакции IEEE в системах питания : 1. arXiv : 1508.01775 . DOI : 10.1109 / TPWRS.2016.2578259 . ISSN 0885-8950 . S2CID 2097502 .  
  4. ^ Петроски, Генри (1992). Инженеру - это человек: роль неудач в проектировании конструкций . Винтаж. ISBN 978-0-679-73416-1.
  5. ^ а б Хуанг, Сюйцин; Воденская, Ирена; Хавлин, Шломо; Стэнли, Х. Юджин (2013). «Каскадные отказы в двудольных графах: модель распространения системного риска» . Научные отчеты . 3 : 1219. arXiv : 1210.4973 . Bibcode : 2013NatSR ... 3E1219H . DOI : 10.1038 / srep01219 . ISSN 2045-2322 . PMC 3564037 . PMID 23386974 .   
  6. ^ Аджемоглу, Дарон; Оздаглар, Асуман; Тахбаз-Салехи, Алиреза (2015). «Системный риск и стабильность в финансовых сетях». Американский экономический обзор . Американская экономическая ассоциация. 105 (2): 564–608. DOI : 10,1257 / aer.20130456 . hdl : 1721,1 / 100979 . ISSN 0002-8282 . S2CID 7447939 .  
  7. ^ Эллиотт, Мэтью; Голуб, Вениамин; Джексон, Мэтью О. (2014). «Финансовые сети и распространение» (PDF) . Американский экономический обзор . Американская экономическая ассоциация. 104 (10): 3115–3153. DOI : 10,1257 / aer.104.10.3115 . ISSN 0002-8282 .  
  8. ^ Ли, Вт; Kenett, DY; Ямасаки, К. Стэнли, HE; Хэвлин, S (2017). «Рейтинг экономического значения стран и отраслей». Журнал сетевой теории в финансах . 3 : 1–17. arXiv : 1408.0443 . DOI : 10,21314 / JNTF.2017.031 . ISSN 2055-7795 . S2CID 6729106 .  
  9. ^ Леви-Карсьенте, Сари; Kenett, Dror Y .; Авакян, Адам; Стэнли, Х. Юджин; Хавлин, Шломо (2015). «Динамическое макропруденциальное стресс-тестирование с использованием теории сетей». Журнал "Банковское дело и финансы" . 59 : 164–181. DOI : 10.1016 / j.jbankfin.2015.05.008 .
  10. ^ «Отчет Комиссии по оценке угрозы для Соединенных Штатов от атаки электромагнитным импульсом (ЭМИ)» (PDF) .
  11. ^ Ринальди, СМ; Peerenboom, JP; Келли, Т.К. (2001). «Выявление, понимание и анализ взаимозависимостей критически важной инфраструктуры». Журнал IEEE Control Systems . 21 (6): 11–25. DOI : 10.1109 / 37.969131 .
  12. ^ V. Rosato, Иссахарофф, Л., Tiriticco Ф., Мелони, S., Porcellinis, SD, и Setola, R. (2008). «Моделирование взаимозависимых инфраструктур с использованием взаимодействующих динамических моделей». Международный журнал критических инфраструктур . 4 : 63–79. DOI : 10.1504 / IJCIS.2008.016092 .
  13. ^ С. В. Булдырев, Р. Паршани, Г. Пол, Х. Э. Стэнли, С. Хэвлин (2010). «Катастрофический каскад отказов во взаимозависимых сетях» . Природа . 464 (7291): 1025–8. arXiv : 1012.0206 . Bibcode : 2010Natur.464.1025B . DOI : 10,1038 / природа08932 . PMID 20393559 . S2CID 1836955 .  
  14. ^ Башан, Амир; Березин, Йехиель; Булдырев, Сергей В .; Хавлин, Шломо (2013). «Крайняя уязвимость взаимозависимых пространственно встроенных сетей». Физика природы . 9 (10): 667–672. arXiv : 1206.2062 . Bibcode : 2013NatPh ... 9..667B . DOI : 10.1038 / nphys2727 . ISSN 1745-2473 . S2CID 12331944 .  
  15. ^ Чжоу, D .; Bashan, A .; Cohen, R .; Березин, Ю .; Шнерб, Н .; Хавлин, С. (2014). «Одновременные перколяционные переходы первого и второго рода во взаимозависимых сетях». Phys. Rev. E . 90 (1): 012803. arXiv : 1211.2330 . Bibcode : 2014PhRvE..90a2803Z . DOI : 10.1103 / PhysRevE.90.012803 . PMID 25122338 . S2CID 180058 .  
  16. ^ Ди Муро, Массачусетс; Ла Рокка, CE; Стэнли, HE; Havlin, S .; Браунштейн, Лос-Анджелес (09.03.2016). «Восстановление взаимозависимых сетей» . Научные отчеты . 6 (1): 22834. arXiv : 1512.02555 . Bibcode : 2016NatSR ... 622834D . DOI : 10.1038 / srep22834 . ISSN 2045-2322 . PMC 4783785 . PMID 26956773 .   
  17. ^ Березин, Йехиэль; Башан, Амир; Данцигер, Майкл М .; Ли, Дацин; Хавлин, Шломо (11 марта 2015). «Локализованные атаки на пространственно встроенные сети с зависимостями» . Научные отчеты . 5 (1): 8934. Bibcode : 2015NatSR ... 5E8934B . DOI : 10.1038 / srep08934 . ISSN 2045-2322 . PMC 4355725 . PMID 25757572 .   
  18. ↑ D Vaknin, B Gross, SV Buldyrev, S Havlin (2020). «Распространение локализованных атак на пространственные мультиплексные сети со структурой сообщества». Physical Review Research . 2 (4): 043005. arXiv : 1912.05677 . Bibcode : 2020PhRvR ... 2d3005V . DOI : 10.1103 / PhysRevResearch.2.043005 . S2CID 209324155 . CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  19. ^ Дуань, Дунли; Lv, Чанчунь; Си, Шубин; Ван, Чжэнь; Ли, Дацин; Гао, Цзяньси; Хавлин, Шломо; Стэнли, Юджин; Боккалетти, Стефано (2019). «Универсальное поведение каскадных отказов во взаимозависимых сетях» . Труды Национальной академии наук . 116 (45): 22452–22457. Bibcode : 2019PNAS..11622452D . DOI : 10.1073 / pnas.1904421116 . PMC 6842597 . PMID 31624122 .  
  20. ^ Смоляк, О Леви, И Воденска, С Булдырев, С Хавлин (2020). «Устранение каскадных отказов в сложных сетях» . Научные отчеты . `0 (1): 16124. Bibcode : 2020NatSR..1016124S . DOI : 10.1038 / s41598-020-72771-4 . S2CID 222109558 . CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  21. ^ Лукас Д Вальдес, Луи Шехтман, Кристиан Э Ла Рокка, Синь Чжан, Сергей В Булдырев, Пол А Трунфио, Лидия А Браунштейн, Шломо Хавлин (2020). «Каскадные отказы в сложных сетях». Журнал сложных сетей 1 . 8 (2).CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  22. ^ Моттер, AE; Лай, YC (2002). «Каскадные атаки на сложные сети». Phys. Rev. E . 66 (6 Pt 2): 065102. arXiv : cond-mat / 0301086 . Bibcode : 2002PhRvE..66f5102M . DOI : 10.1103 / PhysRevE.66.065102 . PMID 12513335 . S2CID 17189308 .  
  23. ^ Чжао, J .; Li, D .; Sanhedrai, H .; Cohen, R .; Хавлин, С. (2016). «Пространственно-временное распространение каскадных отказов перегрузки в пространственно встроенных сетях» . Nature Communications . 7 : 10094. Bibcode : 2016NatCo ... 710094Z . DOI : 10.1038 / ncomms10094 . PMC 4729926 . PMID 26754065 .  

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Тосиюки Миядзаки (1 марта 2005 г.). «Сравнение стратегий защиты от каскадного выхода из строя в сетях SF со степенью корреляции» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 20 февраля 2009 года.
  • Расс Купер (1 июня 2005 г.). "(В) Secure Shell?" . RedmondMag.com. Архивировано из оригинала на 2007-09-28 . Проверено 8 сентября 2007 .
  • Министерство внутренней безопасности США (5 февраля 2007 г.). «Cascade Net (программа моделирования)» . Центр обороны и безопасности Отечества. Архивировано из оригинала на 2008-12-28 . Проверено 8 сентября 2007 .
  • Лукас Д Вальдес, Луи Шехтман, Кристиан Э Ла Рокка, Синь Чжан, Сергей В Булдырев, Пол А Трунфио, Лидия А Браунштейн, Шломо Хавлин (2020). «Каскадные отказы в сложных сетях». Журнал сложных сетей . 8 (2).CS1 maint: uses authors parameter (link)

Внешние ссылки [ править ]

  • Космическая погода: затемнение - серьезный отказ электросети
  • Демонстрационный апплет каскадирования отказов (виртуальная лаборатория Университета Монаша)
  • А.Е. Моттер, Я.-К. Лай, Каскадные атаки на сложные сети, Physical Review E (Rapid Communications) 66, 065102 (2002).
  • П. Круситти, В. Латора и М. Маркиори, Модель каскадных отказов в сложных сетях, Physical Review E (Rapid Communications) 69, 045104 (2004).
  • Стратегии защиты от каскадных отказов сети - сокращенный подход
  • Добсон, Б.А. Каррерас и Д.Е. Ньюман, препринт Модель вероятностного каскадного отказа, зависящая от нагрузки, Вероятность в технических и информационных науках, т. 19, нет. 1, январь 2005 г., стр. 15–32.
  • Nova: крушение рейса 111 2 сентября 1998 года. Рейс 111 Swissair, летевший из Нью-Йорка в Женеву, врезался в Атлантический океан у побережья Новой Шотландии с 229 людьми на борту. Первоначально считали теракт. После расследования на сумму 39 миллионов долларов, выплаты страховки на 1,5 миллиарда долларов и более четырех лет следователи разгадывают загадку: каскадные отказы. Что стало наследием Swissair 111? «У нас есть окно во внутреннюю структуру дизайна, сдержек и противовесов, защиты и безопасности». -Дэвид Эванс, главный редактор «Недели безопасности полетов».
  • PhysicsWeb story: Место аварии нейтринной лаборатории
  • Структура и динамика крупномасштабных организационных сетей (Дэн Браха, Институт сложных систем Новой Англии)
  • От единой сети к сети сетей