Каскадна відмова – це відмова в системі взаємопов’язаних частин, при якій відмова однієї або кількох частин призводить до відмови інших частин, що прогресивно зростає в результаті позитивного зворотного зв’язку. Це може статися, коли одна частина виходить з ладу, збільшуючи ймовірність відмови інших частин системи. Такий відмову може статися в багатьох типах систем, включаючи передачу енергії, комп’ютерні мережі, фінанси, транспортні системи, організми, людський організм та екосистеми.
Каскадні відмови можуть виникати, коли один із компонентів системи виходить з ладу. У такому разі інші компоненти змушені компенсувати його функції. Це, своєю чергою, призводить до перевантаження відповідних вузлів і їхньої відмови, що надалі спричиняє вихід з ладу інших вузлів.
У передачі енергії Каскадні відмови є поширеним явищем в електричних мережах, коли один із їхніх елементів виходить з ладу (повністю або частково) і передає своє навантаження сусіднім елементам системи. Унаслідок цього сусідні елементи перевантажуються, перевищуючи свою пропускну здатність, і, своєю чергою, передають навантаження іншим елементам. Каскадні відмови часто спостерігаються у високовольтних системах, де єдина точка відмови (SPF) у повністю навантаженій або незначно перевантаженій системі спричиняє раптове зростання навантаження на всі вузли системи. Таке зростання навантаження може призвести до відмови вже перевантажених вузлів, викликаючи подальші перевантаження і, зрештою, виведення з ладу всієї системи за дуже короткий проміжок часу.
Цей процес виходу з ладу каскадом поширюється по елементах системи, подібно до брижів на ставку, і триває доти, доки практично всі елементи системи не будуть порушені та/або система не стане функціонально відключеною від джерела навантаження. Наприклад, за певних умов велика електромережа може вийти з ладу після виходу з ладу одного трансформатора.
Моніторинг роботи системи в режимі реального часу та розумне відключення частин можуть допомогти зупинити каскад. Іншим поширеним методом є розрахунок запасу міцності для системи шляхом комп'ютерного моделювання можливих збоїв, встановлення безпечних робочих рівнів, нижче яких жоден з розрахованих сценаріїв не передбачає виникнення каскадних збоїв, та визначення частин мережі, які найімовірніше спричинять каскадні збої.
Однією з основних проблем запобігання каскадним відмовам в електромережах є те, що швидкість поширення керуючого сигналу не перевищує швидкість поширення перевантаження потужності. Оскільки і керуючий сигнал, і електроенергія поширюються практично з однаковою швидкістю, неможливо завчасно локалізувати відмову, надіславши попереджувальний сигнал для ізоляції відповідного елемента.
Приклади Каскадна відмова спричинила такі перебої з електроживленням:
Відключення електроенергії у Північно-Східній Америці у 1965 році Відключення електроенергії на півдні Бразилії у 1999 році Відключення електроенергії у Північно-Східній Америці у 2003 році Відключення електроенергії в Італії у 2003 році Відключення електроенергії в Лондоні у 2003 році Європейське затемнення у 2006 році Відключення електроенергії на півночі Індії у 2012 році Відключення електроенергії в Південній Австралії у 2016 році Відключення електроенергії на південному сході Південної Америки у 2019 році Відключення електроенергії в Чилі у 2025 році Відключення електроенергії в Іспанії, Португалії та Франції у 2025 році
У комп'ютерних мережах Каскадні відмови також можуть виникати в комп'ютерних мережах (таких як Інтернет ), в яких мережевий трафік серйозно порушений або зупинений до або між більшими ділянками мережі, що спричинено збоєм або відключенням апаратного чи програмного забезпечення. У цьому контексті каскадна відмова відома під терміном, власне, каскадна відмова. Вона може вплинути на великі групи людей і систем.
Причиною каскадної відмови зазвичай є перевантаження одного критично важливого маршрутизатора або вузла, що призводить до його виходу з ладу, навіть короткочасного. Це також може бути спричинено виведенням вузла з ладу для технічного обслуговування або оновлення. В будь-якому випадку трафік спрямовується на інший (альтернативний) шлях або через нього. В результаті цей альтернативний шлях перевантажується, що призводить до його виходу з ладу тощо. Це також вплине на системи, які залежать від вузла для нормальної роботи.
Симптоми Симптоми каскадної відмови включають: втрату пакетів та високу затримку мережі не лише для окремих систем, а й для цілих ділянок мережі або Інтернету.
Висока затримка та втрата пакетів спричинені вузлами, які не працюють через перевантаження, що призводить до їхньої присутності в мережі, але без значного або будь-якого корисного зв'язку, що проходить через них. Як результат, маршрути все ще можна вважати дійсними, навіть якщо вони фактично не забезпечують зв'язок.
Якщо внаслідок каскадної відмови виходить з ладу достатня кількість маршрутів, цілий сегмент мережі або навіть Інтернету може стати недоступним. Хоча це є небажаним явищем, воно може сприяти швидшому відновленню після збою, оскільки після завершення часу очікування з'єднань інші вузли припиняють спроби встановити з'єднання з недоступними сегментами, зменшуючи навантаження на задіяні вузли.
Поширеним явищем під час каскадної відмови є «ходяче» руйнування, коли секції опускаються, що призводить до руйнування наступної секції, після чого перша секція знову піднімається. Ця брижа може пройти кілька разів через ті самі секції або з'єднувальні вузли, перш ніж відновиться стабільність.
Історія Каскадні відмови – це відносно недавнє явище, пов'язане з масовим збільшенням трафіку та високою взаємозв'язністю між системами та мережами. Цей термін вперше застосував у цьому контексті наприкінці 1990-х років голландський ІТ-фахівець і поступово став відносно поширеним терміном для позначення такого роду масштабних збоїв.
Приклад Збої в мережі зазвичай починаються, коли виходить з ладу один мережевий вузол. Спочатку трафік, який зазвичай проходить через вузол, зупиняється. Системи та користувачі отримують помилки про те, що не можуть дістатися до хостів. Зазвичай резервні системи інтернет-провайдера реагують дуже швидко, вибираючи інший шлях через іншу магістраль. Шлях маршрутизації через цей альтернативний маршрут довший, з більшою кількістю переходів і, як наслідок, проходить через більше систем, які зазвичай не обробляють обсяг трафіку, що раптово пропонується.
Це може призвести до виходу з ладу однієї або кількох систем вздовж альтернативного маршруту, створюючи власні аналогічні проблеми.
У цьому випадку також зачіпаються пов'язані системи. Наприклад, може статися збій у розв'язанні проблем із DNS, і те, що зазвичай призводить до взаємозв'язку систем, може розірвати з'єднання, які навіть не пов'язані безпосередньо з самими системами, що вийшли з ладу. Це, своєю чергою, може спричинити проблеми у вузлах, які на перший погляд не пов'язані між собою, що може призвести до подальшого каскадного збою.
У грудні 2012 року у всьому світі на 18 хвилин сталася часткова втрата (40%) роботи служби Gmail. Ця втрата служби була спричинена плановим оновленням програмного забезпечення для балансування навантаження, яке містило помилкову логіку — у цьому випадку помилка була спричинена використанням невідповідного «всі» замість більш доречного «деякі». Каскадну помилку було виправлено шляхом повного оновлення одного вузла в мережі замість часткового оновлення всіх вузлів одночасно.
Каскадна структурна відмова Деякі несучі конструкції з дискретними структурними компонентами можуть бути схильні до «ефекту блискавки», коли руйнування одного конструктивного елемента збільшує навантаження на сусідні елементи.
У випадку обвалу доріжки Hyatt Regency підвісна доріжка (яка вже була перевантажена через помилку в будівництві) зруйнувалася, коли зруйнувався один вертикальний підвісний стрижень, перевантаживши сусідні стрижні, які послідовно руйнувалися (тобто як блискавка). Міст, який може мати таке руйнування, називається критичним до руйнування, і численні обвалення мостів були спричинені руйнуванням однієї деталі. Правильно спроектовані конструкції використовують адекватний коефіцієнт запасу міцності та/або альтернативні шляхи навантаження для запобігання цьому типу механічного каскадного руйнування.
Каскад переломів
Каскад тріщин – це явище в контексті геології, яке описує запуск ланцюгової реакції наступних тріщин одним тріщиною. Початкова тріщина призводить до поширення додаткових тріщин, спричиняючи каскадний ефект по всьому матеріалу.
Каскади руйнування можуть виникати в різних матеріалах, включаючи гірські породи, лід, метали та кераміку. Поширеним прикладом є згинання сухих спагеті, які в більшості випадків розламуються на більш ніж 2 частини, як вперше спостерігав Річард Фейнман.
У контексті остеопорозу каскад переломів – це підвищений ризик подальших переломів кісток після першого.
Інші приклади
Біологія Біохімічні каскади існують у біології, де невелика реакція може мати наслідки для всієї системи. Одним із негативних прикладів є ішемічний каскад, при якому невелика ішемічна атака вивільняє токсини, які знищують набагато більше клітин, ніж початкове пошкодження, що призводить до вивільнення більшої кількості токсинів. Поточні дослідження спрямовані на пошук способу блокування цього каскаду у пацієнтів з інсультом, щоб мінімізувати пошкодження.
У вивченні вимирання іноді вимирання одного виду спричиняє вимирання багатьох інших. Такий вид відомий як ключовий вид.
Електроніка Іншим прикладом є генератор Кокрофта-Уолтона, який також може зазнавати каскадних збоїв, коли один несправний діод може призвести до виходу з ладу всіх діодів за частку секунди.
Ще одним прикладом цього ефекту в науковому експерименті була імплозія у 2001 році кількох тисяч крихких скляних фотопомножувачів, що використовувалися в експерименті Супер-Каміоканде, де ударна хвиля, спричинена відмовою одного детектора, ймовірно, спровокувала імплозію інших детекторів у ланцюговій реакції.
Фінанси У фінансах ризик каскадних банкрутств фінансових установ називається системним ризиком : банкрутство однієї фінансової установи може призвести до банкрутства інших фінансових установ (її контрагентів ), що пошириться на всю систему. Установи, які вважаються такими, що становлять системний ризик, вважаються або «занадто великими, щоб збанкрутувати» (, TBTF), або «занадто взаємопов'язаними, щоб збанкрутувати» (, TICTF), залежно від того, чому вони становлять загрозу.
Однак зауважте, що системний ризик зумовлений не окремими установами як такими, а взаємозв'язками. У дослідницькій літературі розроблено рамки для вивчення та прогнозування наслідків каскадних збоїв.
Споріднений (хоча й окремий) тип каскадного провалу у фінансах відбувається на фондовому ринку, прикладом чого є раптові обвали 2010 року.
Взаємозалежні каскадні відмови
Різноманітні інфраструктури, такі як водопостачання, транспорт, паливні та електростанції, пов'язані між собою та залежать одна від одної для функціонування, (див. рис. 1).
Завдяки цьому зв'язку взаємозалежні мережі надзвичайно чутливі до випадкових збоїв, зокрема до цілеспрямованих атак, так що відмова невеликої частини вузлів в одній мережі може спровокувати ітеративний каскад збоїв у кількох взаємозалежних мережах.
Відключення електроенергії часто є результатом каскаду збоїв між взаємозалежними мережами, і ця проблема яскраво проілюстрована кількома масштабними відключеннями електроенергії, що сталися останніми роками. Відключення електроенергії є захопливою демонстрацією важливої ролі, яку відіграють залежності між мережами.