Redundanz – erhöhte Betriebssicherheit der Steuerungs- und Überwachungssysteme

In der IT gibt es das Konzept der Redundanz, das sich auf den Einsatz zusätzlicher Ressourcen bezieht, um ein System zuverlässiger zu machen. Redundanz kann die Verwendung von zwei oder mehr identischen Komponenten beinhalten, die sich im Falle eines Ausfalls gegenseitig ersetzen können.

Was ist Redundanz? Definition des Begriffs

Redundanz (von lateinisch redundare – überflüssig) – bedeutet einen Überschuss an Informationen in einem System, der bei einem Ausfall eines Teils des Systems genutzt werden kann. In der IT und Telekommunikation ist es das Prinzip, Daten an mehreren Orten zu speichern (z. B. auf mehreren Festplatten), um ihre Sicherheit zu gewährleisten. Redundanz kann auch zur Verbesserung der Systemleistung eingesetzt werden – z. B. verwenden Computersysteme das so genannte Daten-Caching, d. h. die vorübergehende Speicherung von Daten in einem Zwischenspeicher, um einen schnelleren Zugriff zu ermöglichen.

Was ist Redundanz?

Redundanz ist ein Begriff aus der IT- und Telekommunikationsbranche. Er bezieht sich auf ein Backup oder eine zweite Kopie von Daten oder Hardware, die im Falle eines Ausfalls oder einer Beschädigung der ersten verwendet wird. Redundanz gewährleistet die Betriebskontinuität und kann das Risiko eines Datenverlusts verringern.

Redundante Daten können auf verschiedene Weise gesichert werden. Die einfachste Möglichkeit besteht darin, die Daten zu sichern. Diese Sicherungen können auf einem anderen Speichermedium, z. B. einer Festplatte oder einem USB-Stick, oder in der Cloud gespeichert werden. Eine andere Möglichkeit der Datenredundanz besteht darin, die Daten auf viele verschiedene Geräte oder Server zu verteilen.

Hardware-Redundanz bedeutet, dass Ersatzgeräte oder -komponenten vorhanden sind, die im Falle eines Ausfalls verwendet werden können. Die Ersatzgeräte können identisch sein oder sich geringfügig unterscheiden, aber sie müssen die gleichen Funktionen wie die Hauptgeräte erfüllen können.

Redundanz kann nützlich sein, wenn eine der Systemkomponenten ausfällt oder beschädigt wird. Wenn eine Komponente des Systems beschädigt wird oder ausfällt, kann eine zweite Komponente ihre Funktionen übernehmen und die Betriebskontinuität sicherstellen. Redundanz kann auch das Risiko von Datenverlusten verringern.

Redundanz – Beispiele

Ein gutes Beispiel für Redundanz ist die Verwendung von zwei unabhängigen Stromquellen in einem IT-System. Wenn eine Quelle ausfällt, kann die andere die Kontinuität des Systembetriebs gewährleisten. Ein weiteres Beispiel für Redundanz ist die Verwendung von zwei unabhängigen Datenzugangswegen. Wenn ein Pfad blockiert ist oder nicht zur Verfügung steht, kann der andere den Zugriff auf die Daten gewährleisten.

Redundanz hat ihre Vor- und Nachteile. Der Vorteil liegt in der erhöhten Zuverlässigkeit des Systems, da der Ausfall einer Komponente das System nicht komplett zum Erliegen bringt. Der Nachteil hingegen sind die höheren Kosten für die Wartung des Systems, da zusätzliche Komponenten gekauft und gewartet werden müssen.

Arten der Redundanz – NVP-Programmierung

Unter Redundanz versteht man in der Programmierung und bei Informationssystemen die Redundanz von Daten oder Funktionen zur Erhöhung der Systemzuverlässigkeit. Im Rahmen der NVP-Programmierung (Non-Networked VLSI Projects) wird Redundanz häufig zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Chips eingesetzt. Hier sind einige Arten von Redundanz, die in der NVP-Programmierung verwendet werden:

1. Zeitliche Redundanz: Dabei wird dieselbe Operation mehrmals zu verschiedenen Zeitpunkten ausgeführt und die Ergebnisse werden verglichen. Wenn die Ergebnisse unterschiedlich sind, bedeutet dies, dass ein Fehler aufgetreten ist. Diese Technik wird häufig in Systemen eingesetzt, die eine hohe Zuverlässigkeit erfordern.
2. Räumliche Redundanz: Hier geht es um die Duplizierung von Komponenten in einem System. Wenn wir beispielsweise zwei identische Prozessoren haben, die parallel dieselben Berechnungen durchführen, und einer von ihnen ausfällt, kann der andere seine Funktionen übernehmen.
3. Informationsredundanz: Bezeichnet das Hinzufügen zusätzlicher Bits zu den Daten, um Fehler zu erkennen und zu korrigieren. Hamming-Codes sind ein Beispiel für eine Technik, die Informationsredundanz zur Fehlerkorrektur verwendet.
4. Modulare Redundanz: In diesem Fall werden ganze Module dupliziert, um die Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Fällt ein Modul aus, werden seine Funktionen von einem anderen funktionierenden Modul übernommen.
5. Systemredundanz: In diesem Fall werden ganze Systeme dupliziert. Dies wird bei kritischen Systemen, wie z. B. Flugsteuerungssystemen, eingesetzt, bei denen der Ausfall eines Systems katastrophale Folgen haben kann.
6. Hardwareredundanz: Hier werden zusätzliche Hardwarekomponenten wie Netzteile, Festplatten oder Lüfter hinzugefügt, um die Betriebskontinuität bei Ausfall einer Komponente zu gewährleisten.
7. Software-Redundanz: Hierbei werden mehrere Softwareversionen erstellt, die parallel ausgeführt werden. Wenn eine Softwareversion ausfällt, kann eine andere Version deren Funktionen übernehmen.

Im Zusammenhang mit der NVP-Programmierung ist die Redundanz ein Schlüsselelement zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit bei verschiedenen Arten von Fehlern, wie z. B. durch Strahlung oder Spannungsschwankungen verursachte Fehler. Der Einsatz von Redundanz macht das System robuster gegenüber Fehlern und Ausfällen, was bei vielen kritischen Anwendungen von entscheidender Bedeutung ist.

Siehe auch: Milliarde wie viele Nullen?

Redundanz in Steuerungssystemen

Im Zusammenhang mit Kontrollsystemen bedeutet Redundanz die Duplizierung kritischer Systemkomponenten wie Netzwerkserver, Switches oder Datenbanken, um die Wahrscheinlichkeit eines Systemausfalls zu verringern.

In der Praxis bedeutet dies, dass bei einem Ausfall einer Systemkomponente eine andere Komponente, die im „Hot-Standby“-Modus arbeitet, sofort deren Funktionen übernehmen kann. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass das System auch bei einem Ausfall einer einzelnen Komponente ordnungsgemäß funktioniert. Im Zusammenhang mit Datenbanken wird Redundanz eingesetzt, um die Wiederherstellung von Daten nach teilweisem Verlust oder Beschädigung zu erleichtern. In Bezug auf relationale Datenbanken wird eine Situation angestrebt, in der Datenbanken normalerweise normalisiert sind, aber absichtliche Datenredundanz angewendet wird, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Moderne Konstruktionen, wie z. B. Flugzeuge, die ein vollständig computergestütztes Steuersystem – Fly-by-Wire – verwenden, setzen auf Redundanz, um die Sicherheit zu gewährleisten. In einem solchen System wird eine Komponente, die eine fehlerhafte Entscheidung trifft, von den beiden anderen überstimmt, so dass ein korrektes Funktionieren des Kontrollsystems gewährleistet ist.

Auch in Telekommunikationssystemen, wo die Zuverlässigkeit der Übertragung eine wichtige Rolle spielt, ist Datenredundanz unerlässlich. Die Beseitigung unnötiger Redundanz, z. B. durch Datenkompression, ermöglicht eine effizientere Nutzung der Ressourcen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Redundanz in vielen Kontroll- und Überwachungssystemen nicht nur notwendig, sondern oft auch üblich und erwartet ist. Ihre Verwendung ermöglicht einen zuverlässigeren Betrieb von Steuerungssystemen, was zu einer höheren Sicherheit und Effizienz im Systembetrieb führt.

Redundanz in Automatisierungssystemen

Im digitalen Zeitalter, in dem Automatisierungssysteme in vielen Industriezweigen eine Schlüsselrolle spielen, ist Redundanz nicht nur wünschenswert, sondern unverzichtbar geworden. Im Zusammenhang mit der Automatisierung ist Redundanz nicht nur eine Überflüssigkeit, sondern vor allem ein Instrument zur Gewährleistung der Sicherheit und Kontinuität des Systembetriebs.

Wenn wir über die Anwendung von Redundanz in unseren Automatisierungssystemen nachdenken, müssen wir überlegen, welche Art von Redundanz wir brauchen. Handelt es sich um Datenredundanz in den Systemen oder um die Duplizierung von kritischen Schaltkreiskomponenten? Die Wahl hängt von den Besonderheiten der Anwendung und den potenziellen Kosten ab, die mit einem möglichen Ausfall verbunden sind.

In der Informationstheorie ist Redundanz die Menge an Informationen, die über das zur Lösung eines Problems erforderliche Minimum hinausgeht. In der Praxis wird Redundanz in Automatisierungssystemen eingesetzt, um die Wahrscheinlichkeit eines Systemausfalls zu verringern. So findet man Datenredundanz besonders häufig in Telekommunikationssystemen, bei denen die Zuverlässigkeit der Übertragung eine wichtige Rolle spielt.

Bei relationalen Datenbanken wird eine Situation angestrebt, in der die Datenbanken in der Regel normalisiert werden, um unnötige Duplikate zu vermeiden. Die absichtliche Datenredundanz wird jedoch genutzt, um die Wiederherstellung von Daten nach teilweisem Verlust oder Beschädigung zu erleichtern.

Manche erkennen redundanten Code nicht an und bezeichnen ihn als Zombie-Code oder doppelten Code. Im Zusammenhang mit der Automatisierung kann jedoch jede Information, jedes Stück Code, in einer kritischen Situation entscheidend sein.

Die Kosten, die mit der Implementierung von Redundanz in Automatisierungssystemen verbunden sind, können hoch sein, insbesondere wenn es um den Kauf von Hardware oder Softwarelizenzen geht. Diese Kosten sind jedoch oft gering im Vergleich zu den potenziellen Verlusten, die durch den Ausfall eines unzureichend geschützten Systems entstehen.

Moderne Konstruktionen, wie z. B. Flugzeuge mit einem vollständig computergesteuerten Kontrollsystem, zeigen, wie wichtig Redundanz in der Automatisierung ist. In solchen Systemen wird das Element, das die falsche Entscheidung trifft, von den beiden anderen überstimmt, so dass ein korrektes Funktionieren des Steuerungssystems gewährleistet ist.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Redundanz in Automatisierungssystemen kein Luxus, sondern eine Notwendigkeit ist. Sie ist eine Investition in die Sicherheit, Zuverlässigkeit und langfristige Effizienz des Systems.

Wie geht man mit Redundanz um?

Der Umgang mit Redundanz, d. h. der Redundanz von Daten oder Funktionen, ist in vielen Bereichen von entscheidender Bedeutung, insbesondere bei IT-, Steuerungs- und Kommunikationssystemen. Hier sind einige Schritte und Strategien, die für einen effektiven Umgang mit Redundanz angewendet werden können:

1. Analyse und Identifizierung: Der erste Schritt besteht darin, zu verstehen, wo und warum Redundanz auftritt. Ist sie beabsichtigt (z. B. zur Erhöhung der Zuverlässigkeit) oder unbeabsichtigt (z. B. doppelte Daten)?
2. Normalisierung der Daten: Im Zusammenhang mit Datenbanken ist die Normalisierung der Prozess der Beseitigung redundanter Daten. Dadurch wird sichergestellt, dass die Daten in einer geordneten und eindeutigen Weise gespeichert werden, wodurch das Risiko von Fehlern und Ungenauigkeiten verringert wird.
3. Datenkompression: Im Bereich der Signal- und Bildverarbeitung ermöglicht die Komprimierung die Reduzierung redundanter Informationen unter Beibehaltung der wichtigsten Merkmale des Signals oder Bildes.
4. Einsatz von RAID-Technologien: In Datenspeichersystemen ermöglichen RAID-Technologien (Redundant Array of Independent Disks) die Nutzung von Redundanz, um die Zuverlässigkeit und Leistung von Festplatten zu erhöhen.
5. Systeme mit redundanter Hardware: In kritischen Anwendungen wie Rechenzentren oder Kontrollsystemen werden häufig redundante Stromversorgungen, Server oder andere Komponenten eingesetzt, um die Geschäftskontinuität bei einem Ausfall zu gewährleisten.
6. Fehlerkorrekturprotokolle: Bei der digitalen Kommunikation werden Fehlerkorrekturprotokolle eingesetzt, die Redundanz nutzen, um Übertragungsfehler zu erkennen und zu beheben.
7. Regelmäßige Überprüfungen und Audits: Regelmäßige Überprüfungen von Systemen und Datenbanken helfen dabei, redundante Daten oder Funktionen zu erkennen und zu entfernen.
8. Schulung und Ausbildung: Die Aufklärung des Teams über die Bedeutung von und den Umgang mit Redundanz ist entscheidend. Ein gut informiertes Team wird besser in der Lage sein, Daten zu verwalten und unnötige Redundanzen zu vermeiden.
9. Automatisierung: Tools und Software können helfen, Redundanzen automatisch zu erkennen und zu beseitigen, insbesondere in großen Systemen.
10. Planung und Strategie: Bei der Implementierung neuer Systeme oder der Aufrüstung bestehender Systeme ist es wichtig, von Anfang an Strategien für den Umgang mit Redundanz zu berücksichtigen.

Redundanz wird zwar oft als Problem angesehen, kann aber auch ein Vorteil sein, wenn sie richtig gehandhabt wird. Entscheidend ist, dass man sich darüber im Klaren ist, wann Redundanz von Vorteil ist (z. B. zur Erhöhung der Zuverlässigkeit) und wann sie zum Problem wird (z. B. wenn sie unnötige Kosten oder Komplexität verursacht).

Redundanz – häufig gestellte Fragen

Was bedeutet Redundanz?

Es ist eine andere Bezeichnung für überflüssig, unnötig, nicht benötigt oder normalerweise redundant.

Was ist Datenredundanz?

Redundanz ist eine andere Bezeichnung für die Menge an Informationen, die notwendig ist, damit die Informationen ohne inhaltliche Verluste weitergegeben werden können.

Was ist Redundanz in der Anwendung?

Es handelt sich um die doppelte oder mehrfache Duplizierung bestimmter Elemente oder Funktionen eines Systems, die für das reibungslose Funktionieren dieses Systems entscheidend sind. Sie wird eingesetzt, um die Kontinuität des Systembetriebs zu gewährleisten und gleichzeitig die Zuverlässigkeit zu erhöhen.

Woraus besteht die Redundanzkonfiguration?

Bei der Redundanzkonfiguration handelt es sich einfach um die Verdoppelung von wichtigen Systemkomponenten, so dass bei Ausfall einer Komponente eine Ersatzkomponente deren Rolle übernimmt, ohne den Prozess zu unterbrechen.