فشل متتالي
الفشل المتتالي هو فشل في نظام من الأجزاء المترابطة حيث يؤدي فشل جزء واحد أو عدد قليل من الأجزاء إلى فشل الأجزاء الأخرى، وينمو بشكل تدريجي نتيجة للتغذية الراجعة الإيجابية . يمكن أن يحدث هذا عندما يفشل جزء واحد، مما يزيد من احتمالية فشل أجزاء أخرى من النظام. [1] [2] قد يحدث مثل هذا الفشل في العديد من أنواع الأنظمة، بما في ذلك نقل الطاقة، والشبكات الحاسوبية، والتمويل، وأنظمة النقل، والكائنات الحية، والجسم البشري، والنظم البيئية.
قد تحدث حالات فشل متتالية عندما يفشل جزء واحد من النظام. وعندما يحدث هذا، يتعين على الأجزاء الأخرى تعويض المكون الفاشل. وهذا بدوره يؤدي إلى زيادة تحميل هذه العقد، مما يتسبب في فشلها أيضًا، مما يدفع العقد الإضافية إلى الفشل واحدة تلو الأخرى.
في نقل الطاقة
يعد الفشل المتتالي أمرًا شائعًا في شبكات الطاقة عندما يفشل أحد العناصر (كليًا أو جزئيًا) وينقل حمولته إلى العناصر القريبة في النظام. ثم يتم دفع هذه العناصر القريبة إلى ما هو أبعد من قدرتها بحيث تصبح محملة بشكل زائد وتنقل حمولتها إلى عناصر أخرى. الفشل المتتالي هو تأثير شائع يُرى في أنظمة الجهد العالي ، حيث تؤدي نقطة فشل واحدة (SPF) في نظام محمل بالكامل أو محمل قليلاً إلى ارتفاع مفاجئ في جميع عقد النظام. يمكن أن يؤدي هذا التيار المفاجئ إلى حث العقد المحملة بالفعل على الفشل، مما يؤدي إلى المزيد من الأحمال الزائدة وبالتالي إيقاف النظام بأكمله في وقت قصير جدًا.
تتدفق عملية الفشل هذه عبر عناصر النظام مثل موجة على بركة وتستمر حتى تتضرر جميع عناصر النظام تقريبًا و/أو ينفصل النظام وظيفيًا عن مصدر الحمل. على سبيل المثال، في ظل ظروف معينة، قد تنهار شبكة طاقة كبيرة بعد فشل محول واحد.
إن مراقبة تشغيل النظام في الوقت الفعلي ، وفصل الأجزاء بحكمة يمكن أن يساعد في إيقاف الشلال. وهناك تقنية شائعة أخرى وهي حساب هامش أمان للنظام من خلال محاكاة الكمبيوتر للأعطال المحتملة، لتحديد مستويات التشغيل الآمنة التي لا يُتوقع أن يتسبب أي من السيناريوهات المحسوبة تحتها في حدوث فشل متتالي، وتحديد أجزاء الشبكة التي من المرجح أن تتسبب في حدوث فشل متتالي. [3]
أحد المشاكل الأساسية في منع أعطال الشبكة الكهربائية هو أن سرعة إشارة التحكم ليست أسرع من سرعة انتشار الحمل الزائد للطاقة، أي بما أن إشارة التحكم والطاقة الكهربائية تتحركان بنفس السرعة، فليس من الممكن عزل الانقطاع عن طريق إرسال تحذير مسبق لعزل العنصر.
أمثلة
تسبب الفشل المتتالي في انقطاع التيار الكهربائي التالي :
- انقطاع التيار الكهربائي في شمال شرق أمريكا عام 1965
- انقطاع التيار الكهربائي في جنوب البرازيل عام 1999
- انقطاع التيار الكهربائي في شمال شرق أمريكا في عام 2003
- انقطاع التيار الكهربائي في إيطاليا في عام 2003
- انقطاع التيار الكهربائي في لندن عام 2003
- انقطاع التيار الكهربائي في أوروبا في عام 2006
- انقطاع التيار الكهربائي في شمال الهند في عام 2012
- انقطاع التيار الكهربائي في جنوب أستراليا في عام 2016
- انقطاع التيار الكهربائي في جنوب شرق أمريكا الجنوبية في عام 2019
- انقطاع التيار الكهربائي في جميع أنحاء كينيا في عام 2022
- انقطاع التيار الكهربائي في جميع أنحاء كينيا في عام 2023
في شبكات الكمبيوتر
يمكن أن تحدث الأعطال المتتالية أيضًا في شبكات الكمبيوتر (مثل الإنترنت ) حيث تتعطل حركة المرور على الشبكة بشدة أو تتوقف إلى أو بين أقسام أكبر من الشبكة، بسبب فشل أو فصل الأجهزة أو البرامج. في هذا السياق، يُعرف الفشل المتتالي بمصطلح الفشل المتتالي . يمكن أن يؤثر الفشل المتتالي على مجموعات كبيرة من الأشخاص والأنظمة.
إن سبب فشل التسلسل عادة هو التحميل الزائد لجهاز توجيه أو عقدة واحدة بالغة الأهمية، مما يتسبب في توقف العقدة، حتى ولو لفترة وجيزة. ويمكن أن يحدث ذلك أيضًا بسبب إيقاف تشغيل العقدة للصيانة أو الترقيات. وفي كلتا الحالتين، يتم توجيه حركة المرور إلى أو من خلال مسار (بديل) آخر. ونتيجة لذلك، يصبح هذا المسار البديل مثقلًا بالحمل الزائد، مما يتسبب في توقفه، وهكذا. وسوف يؤثر ذلك أيضًا على الأنظمة التي تعتمد على العقدة للتشغيل المنتظم.
أعراض
تتضمن أعراض فشل التسلسل ما يلي: فقدان الحزم وارتفاع زمن انتقال الشبكة ، ليس فقط للأنظمة الفردية، ولكن لأقسام كاملة من الشبكة أو الإنترنت. يحدث ارتفاع زمن الانتقال وفقدان الحزم بسبب فشل العقد في العمل بسبب انهيار الازدحام ، مما يجعلها لا تزال موجودة في الشبكة ولكن بدون الكثير من الاتصالات المفيدة أو أي اتصال مفيد يمر عبرها. ونتيجة لذلك، لا يزال من الممكن اعتبار المسارات صالحة، دون أن توفر الاتصالات فعليًا.
إذا تعطل عدد كافٍ من المسارات بسبب فشل متتالي، فقد يصبح قسم كامل من الشبكة أو الإنترنت غير قابل للوصول. وعلى الرغم من عدم الرغبة في ذلك، إلا أنه قد يساعد في تسريع التعافي من هذا الفشل حيث ستتوقف الاتصالات عن العمل وستتوقف العقد الأخرى عن محاولة إنشاء اتصالات بالقسم (الأجزاء) التي أصبحت مقطوعة، مما يقلل الحمل على العقد المعنية.
من الأحداث الشائعة أثناء فشل الشلال هو فشل المشي ، حيث تنخفض الأقسام، مما يتسبب في فشل القسم التالي، وبعد ذلك يعود القسم الأول إلى العمل. يمكن أن تمر هذه الموجة عدة مرات عبر نفس الأقسام أو العقد المتصلة قبل استعادة الاستقرار.
تاريخ
إن حالات الفشل المتتالية هي تطور حديث نسبيًا، مع الزيادة الهائلة في حركة المرور والترابط العالي بين الأنظمة والشبكات. تم تطبيق المصطلح لأول مرة في هذا السياق في أواخر التسعينيات من قبل أحد المتخصصين الهولنديين في تكنولوجيا المعلومات، وأصبح ببطء مصطلحًا شائعًا نسبيًا لهذا النوع من الفشل واسع النطاق. [ بحاجة لمصدر ]
مثال
تبدأ أعطال الشبكة عادةً عندما تفشل عقدة شبكة واحدة. في البداية، تتوقف حركة المرور التي تمر عادةً عبر العقدة. تتلقى الأنظمة والمستخدمون أخطاء حول عدم القدرة على الوصول إلى المضيفين. عادةً، تستجيب الأنظمة المكررة لمزود خدمة الإنترنت بسرعة كبيرة، وتختار مسارًا آخر عبر العمود الفقري المختلف. يكون مسار التوجيه عبر هذا المسار البديل أطول، مع المزيد من القفزات وبالتالي المرور عبر المزيد من الأنظمة التي لا تعالج عادةً كمية حركة المرور المعروضة فجأة.
يمكن أن يؤدي هذا إلى تعطل نظام واحد أو أكثر على طول الطريق البديل، مما يؤدي إلى خلق مشاكل مماثلة.
تتأثر الأنظمة ذات الصلة أيضًا في هذه الحالة. على سبيل المثال، قد تفشل عملية حل DNS ، وقد يؤدي ما قد يتسبب عادةً في ترابط الأنظمة إلى قطع الاتصالات التي لا تشارك بشكل مباشر في الأنظمة الفعلية التي توقفت عن العمل. وقد يؤدي هذا بدوره إلى ظهور مشكلات في العقد التي تبدو غير ذات صلة، مما قد يتسبب في فشل آخر في السلسلة من تلقاء نفسه.
في ديسمبر 2012، حدث فقدان جزئي (40%) لخدمة Gmail على مستوى العالم، لمدة 18 دقيقة. كان سبب فقدان الخدمة هذا هو تحديث روتيني لبرنامج موازنة التحميل الذي احتوى على منطق معيب - في هذه الحالة، كان الخطأ ناتجًا عن استخدام المنطق لـ "الكل" غير المناسب بدلاً من "البعض" الأكثر ملاءمة. [4] تم إصلاح الخطأ المتتالي عن طريق التحديث الكامل لعقدة واحدة في الشبكة بدلاً من التحديث الجزئي لجميع العقد في وقت واحد.
الفشل الهيكلي المتتالي
يمكن أن تخضع بعض الهياكل الحاملة للأحمال ذات المكونات الهيكلية المنفصلة لـ"تأثير السوستة"، حيث يؤدي فشل عنصر هيكلي واحد إلى زيادة الحمل على الأعضاء المجاورة. في حالة انهيار ممر هايات ريجنسي ، فشل ممر معلق (كان بالفعل مفرط الإجهاد بسبب خطأ في البناء) عندما فشل قضيب تعليق عمودي واحد، مما أدى إلى زيادة تحميل القضبان المجاورة التي فشلت بشكل متسلسل (أي مثل السوستة ) . يُطلق على الجسر الذي يمكن أن يعاني من مثل هذا الفشل اسم الكسر الحرج، وقد نتجت انهيارات جسور عديدة عن فشل جزء واحد. تستخدم الهياكل المصممة بشكل صحيح عامل أمان مناسب و/أو مسارات تحميل بديلة لمنع هذا النوع من الفشل الميكانيكي المتتالي. [5]
سلسلة الكسر
سلسلة الكسر هي ظاهرة في سياق الجيولوجيا وتصف تحفيز تفاعل متسلسل للكسور اللاحقة من خلال كسر واحد. [6] يؤدي الكسر الأولي إلى انتشار كسور إضافية، مما يتسبب في تأثير متتالي في جميع أنحاء المادة.
يمكن أن تحدث سلسلة من الكسور في مواد مختلفة، بما في ذلك الصخور والجليد والمعادن والسيراميك. [7] ومن الأمثلة الشائعة على ذلك انحناء السباغيتي الجافة ، والتي تتكسر في معظم الحالات إلى أكثر من قطعتين، كما لاحظ ريتشارد فاينمان لأول مرة . [7]
في سياق هشاشة العظام ، فإن سلسلة الكسر هي زيادة خطر حدوث كسور العظام اللاحقة بعد الكسر الأولي. [8]
أمثلة أخرى
علم الأحياء
توجد سلاسل كيميائية حيوية في علم الأحياء، حيث يمكن لتفاعل صغير أن يخلف آثارًا على مستوى النظام بأكمله. ومن الأمثلة السلبية على ذلك الشلال الإقفاري ، حيث يؤدي نوبة إقفارية صغيرة إلى إطلاق سموم تقتل خلايا أكثر بكثير من الضرر الأولي، مما يؤدي إلى إطلاق المزيد من السموم. يهدف البحث الحالي إلى إيجاد طريقة لمنع هذا الشلال في مرضى السكتة الدماغية لتقليل الضرر.
في دراسة الانقراض، قد يؤدي انقراض نوع واحد في بعض الأحيان إلى حدوث انقراضات أخرى عديدة. ويُعرف هذا النوع باسم النوع الرئيسي .
الالكترونيات
هناك مثال آخر وهو مولد كوكروفت-والتون ، والذي قد يتعرض أيضًا لفشل متتالي حيث يمكن أن يؤدي فشل أحد الصمامات الثنائية إلى فشل جميع الصمامات الثنائية في جزء من الثانية.
ومن الأمثلة الأخرى لهذا التأثير في تجربة علمية انفجار عدة آلاف من أنابيب مضاعفة الضوء الزجاجية الهشة في عام 2001، والتي استخدمت في تجربة سوبر كاميوكاندي ، حيث يبدو أن موجة الصدمة الناجمة عن فشل أحد أجهزة الكشف قد تسببت في انفجار أجهزة الكشف الأخرى في تفاعل متسلسل.
تمويل
في مجال التمويل ، يُشار إلى خطر الفشل المتتالي للمؤسسات المالية بالمخاطر النظامية : قد يؤدي فشل مؤسسة مالية واحدة إلى فشل مؤسسات مالية أخرى ( أطرافها المقابلة )، مما يؤثر على النظام بأكمله. تُعتبر المؤسسات التي يُعتقد أنها تشكل خطرًا نظاميًا إما " أكبر من أن يُسمَح لها بالإفلاس " (TBTF) أو "مترابطة للغاية بحيث لا يمكن السماح لها بالإفلاس" (TICTF)، اعتمادًا على سبب ظهورها كتهديد.
ولكن تجدر الإشارة إلى أن المخاطر النظامية لا ترجع إلى المؤسسات الفردية في حد ذاتها، بل ترجع إلى الترابطات المتبادلة. وقد تم تطوير أطر لدراسة وتوقع آثار الفشل المتتالي في الأدبيات البحثية. [9] [10] [11]
يحدث نوع مشابه (وإن كان متميزًا) من الفشل المتتالي في التمويل في سوق الأوراق المالية، ويتجلى ذلك في الانهيار المفاجئ في عام 2010. [11]
الأعطال المتتالية المترابطة
ترتبط البنى التحتية المتنوعة مثل إمدادات المياه والنقل ومحطات الوقود والطاقة معًا وتعتمد على بعضها البعض للعمل، انظر الشكل 1. ونظرًا لهذا الاقتران، تكون الشبكات المترابطة حساسة للغاية للفشل العشوائي، وخاصة للهجمات المستهدفة ، بحيث يمكن أن يؤدي فشل جزء صغير من العقد في شبكة واحدة إلى إحداث سلسلة متكررة من الفشل في العديد من الشبكات المترابطة. [12] [13] غالبًا ما تنتج الانقطاعات الكهربائية عن سلسلة من الفشل بين الشبكات المترابطة، وقد تم توضيح المشكلة بشكل كبير من خلال العديد من حالات الانقطاع واسعة النطاق التي حدثت في السنوات الأخيرة. تعد الانقطاعات دليلًا رائعًا على الدور المهم الذي تلعبه التبعيات بين الشبكات. على سبيل المثال، أدى انقطاع التيار الكهربائي في إيطاليا عام 2003 إلى فشل واسع النطاق في شبكة السكك الحديدية وأنظمة الرعاية الصحية والخدمات المالية ، بالإضافة إلى التأثير بشدة على شبكات الاتصالات . أدى الفشل الجزئي لنظام الاتصالات بدوره إلى إضعاف نظام إدارة الشبكة الكهربائية ، وبالتالي إنتاج ردود فعل إيجابية على شبكة الطاقة. [14] يؤكد هذا المثال على كيفية قدرة الترابط المتبادل على تضخيم الضرر في نظام الشبكة المتفاعلة بشكل كبير.
نموذج لحالات الفشل المتتالية بسبب التحميل الزائد
النموذج المستخدم في حالات الفشل المتتالية بسبب انتشار الحمل الزائد هو نموذج موتر-لاي. [15]
انظر أيضا
- انقطاع التيار الكهربائي
- نظام هش
- تأثير الفراشة
- الفشل البيزنطي
- التراجع المتتالي
- تفاعل متسلسل
- نظرية الفوضى
- تدافع المخابئ
- انهيار الازدحام
- تأثير الدومينو
- لعدم وجود مسمار (مثل)
- علم الشبكات
- نظرية الشبكات
- الشبكات المترابطة
- متلازمة كيسلر
- نظرية التسرب
- الانهيار التدريجي
- الدائرة الفاضلة والدائرة المفرغة
- مشكلة شريرة
مراجع
- ^ "الفشل المتتالي - نظرة عامة | مواضيع ScienceDirect". www.sciencedirect.com .
- ^ أولريش، مايك. "الفصل 22 - معالجة الأعطال المتتالية". جوجل - هندسة موثوقية الموقع .
- ^ تشاي، تشاو (2017). "نمذجة وتحديد أسوأ حالات الفشل المتتالي في أنظمة الطاقة". arXiv : 1703.05232 [cs.SY].
- ^ "سبب تعطل خدمة Gmail: قامت Google بتكوين خوادم موازنة التحميل بشكل غير صحيح (مُحدّث)". 11 ديسمبر 2012.
- ^ بيتروسكي، هنري (1992). الهندسة من صفات الإنسان: دور الفشل في التصميم الإنشائي . مجلة فينتيج. رقم ISBN 978-0-679-73416-1.
- ^ Boast, P. Baveye, CW (1998). "هندسة الكسور وعمليات التجزئة وفيزياء ثبات المقياس: مقدمة". Revival: Fractals in Soil Science (1998) . CRC Press. doi :10.1201/9781315151052. ISBN 9781315151052.
{{cite journal}}:CS1 maint: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( الرابط ) - ^ ab Heisser, Ronald H.; Patil, Vishal P.; Stoop, Norbert; Villermaux, Emmanuel; Dunkel, Jörn (28 August 2018). "التحكم في سلاسل الكسر من خلال الالتواء والإخماد". وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم . 115 (35): 8665–8670. arXiv : 1802.05402 . Bibcode :2018PNAS..115.8665H. doi : 10.1073/pnas.1802831115 . ISSN 0027-8424. PMC 6126751. PMID 30104353 .
- ^ ميلتون، ل. جوزيف؛ أمين، شرياسي (26 يونيو 2013). "هل هناك "تسلسل" محدد للكسور؟". تقارير BoneKEy . 2 : 367. doi :10.1038/bonekey.2013.101. PMC 3935254. PMID 24575296 .
- ^ Acemoglu, Daron; Ozdaglar, Asuman; Tahbaz-Salehi, Alireza (2015). "المخاطر النظامية والاستقرار في الشبكات المالية". American Economic Review . 105 (2). American Economic Association: 564–608. doi :10.1257/aer.20130456. hdl : 1721.1/100979 . ISSN 0002-8282. S2CID 7447939.
- ^ جاي، براسانا؛ كاباديا، سوجيت (2010-08-08). "العدوى في الشبكات المالية". وقائع الجمعية الملكية أ: العلوم الرياضية والفيزيائية والهندسية . 466 (2120): 2401-2423. رمز Bibcode :2010RSPSA.466.2401G. doi :10.1098/rspa.2009.0410. ISSN 1364-5021. S2CID 9945658.
- ^ ab Elliott, Matthew; Golub, Benjamin; Jackson, Matthew O. (2014-10-01). "الشبكات المالية والعدوى". American Economic Review . 104 (10): 3115–3153. doi :10.1257/aer.104.10.3115. ISSN 0002-8282.
- ^ "تقرير لجنة تقييم التهديد الذي تتعرض له الولايات المتحدة من هجوم النبضة الكهرومغناطيسية (EMP)" (PDF) .
- ^ Rinaldi, SM; Peerenboom, JP; Kelly, TK (2001). "تحديد وفهم وتحليل الترابطات بين البنية التحتية الحرجة". مجلة أنظمة التحكم IEEE . 21 (6): 11–25. doi :10.1109/37.969131.
- ^ V. Rosato، Issacharoff، L.، Tiriticco، F.، Meloni، S.، Porcellinis، SD، & Setola، R. (2008). "نمذجة البنى التحتية المترابطة باستخدام نماذج ديناميكية متفاعلة". المجلة الدولية للبنى التحتية الحرجة . 4 : 63-79. doi :10.1504/IJCIS.2008.016092.
{{cite journal}}:CS1 maint: أسماء متعددة: قائمة المؤلفين ( الرابط ) - ^ Motter, AE; Lai, YC (2002). "Cascade-based attack on complex networks". 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.
قراءة إضافية
- توشيوكي ميازاكي (1 مارس 2005). "مقارنة استراتيجيات الدفاع ضد الانهيار المتتالي على شبكات SF مع ارتباطات الدرجة" (PDF) . مؤرشف من الأصل (PDF) في 2009-02-20.
- روس كوبر (1 يونيو 2005). "(In)Secure Shell؟". RedmondMag.com. مؤرشف من الأصل في 2007-09-28 . تم الاسترجاع في 2007-09-08 .
- وزارة الأمن الداخلي الأمريكية (5 فبراير 2007). "Cascade Net (simulation program)". مركز الدفاع والأمن الداخلي. مؤرشف من الأصل في 2008-12-28 . تم الاسترجاع في 2007-09-08 .
روابط خارجية
- الطقس الفضائي: انقطاع التيار الكهربائي – فشل هائل في شبكة الطاقة
- برنامج تجريبي لفشل متتالي (المختبر الافتراضي لجامعة موناش)
- AE Motter و Y.-C. Lai، الهجمات القائمة على التسلسل على الشبكات المعقدة، المراجعة الفيزيائية E (الاتصالات السريعة) 66، 065102 (2002).
- P. Crucitti و V. Latora و M. Marchiori، نموذج للفشل المتتالي في الشبكات المعقدة، المراجعة الفيزيائية E (الاتصالات السريعة) 69، 045104 (2004).
- استراتيجيات الحماية من الأعطال المتتالية للشبكة الكهربائية – نهج مختصر
- إ. دوبسون، وب. أ. كاريراس، ودي. إي. نيومان، طبعة أولية لنموذج يعتمد على التحميل للفشل المتتالي الاحتمالي، الاحتمالية في علوم الهندسة والمعلومات، المجلد 19، العدد 1، يناير 2005، ص 15-32.
- نوفا: تحطم الرحلة 111 التابعة لشركة الخطوط الجوية السويسرية في الثاني من سبتمبر 1998. تحطمت الرحلة 111 التابعة لشركة الخطوط الجوية السويسرية في طريقها من نيويورك إلى جنيف في المحيط الأطلسي قبالة سواحل نوفا سكوشا وعلى متنها 229 شخصًا. كان يُعتقد في البداية أنها حادثة إرهابية. وبعد تحقيقات بقيمة 39 مليون دولار، وتسوية تأمينية بقيمة 1.5 مليار دولار وأكثر من أربع سنوات، تمكن المحققون من حل اللغز: الفشل المتتالي. ما هو إرث الرحلة 111 التابعة لشركة الخطوط الجوية السويسرية؟ "لقد أصبح لدينا نافذة على البنية الداخلية للتصميم، والضوابط والتوازنات، والحماية، والسلامة". - ديفيد إيفانز، رئيس تحرير أسبوع السلامة الجوية.
- قصة فيزياء ويب: حادث يتسبب في إغلاق مختبر النيوترينو
- بنية وديناميكيات الشبكات التنظيمية واسعة النطاق (دان براها، معهد نيو إنجلاند للأنظمة المعقدة)
- من شبكة واحدة إلى شبكة من الشبكات أرشيف 2015-11-14 على موقع واي باك مشين
