Herramientas del sistema para la detección de errores de hardware

261 Pages·2009·2.49 MB·Spanish

Instituto de Computaci(cid:243)n
Facultad de Ingenier(cid:237)a
Universidad de la Repœblica
Proyecto de Grado
Herramientas del sistema operativo
para combatir el Software Aging
Daniel G. Pedraja, Fabricio S. GonzÆlez, Agustin Van Rompaey
Tesis
14 de Diciembre de 2009
Montevideo - Uruguay
Tribunal:
Tutores: Gerardo Ares
AndrØs Aguirre HØctor Cancela
Ariel Sabiguero Jorge Merlino
Resumen. El hardware falla, no podemos hacer nada al respecto. Diferentes
causashacenquelosprogramasydatosquenosotrosalmacenamosenmedios
digitales no sean estÆticos y se degraden con el paso del tiempo. Esto ocurre
tantoenlosmediosdealmacenamiento,comoenloscomponenteselectr(cid:243)nicos
delsistema.Estasmodi(cid:28)cacionespuedenocasionarseporfallosenelhardware
(corrupci(cid:243)ndememoria),fallosenelsoftware(unbu(cid:27)erover(cid:29)owqueescribe
enunÆreadememoriaquenoseespera)uotrosmotivos.Elresultadoesque,
laimagenquetenemosdelsoftwareenmemoriaylaimagenoriginalendisco
di(cid:28)eren.Aesteefectoseloconocecomosoftwareaging.
Enestetrabajosepresentaunaherramientaaniveldelsistemaoperativo
que permite mitigar los efectos del software aging causado por errores de
hardwareenlamemoriaprincipaldelsistemaysuprototipaci(cid:243)nenelsistema
operativoLinux.SepresentaademÆs,unconjuntodeexperimentosyanÆlisis
de resultados, que justi(cid:28)can el grado de cubrimiento de errores que logra la
herramienta, su aceptable efecto en la performance general del sistema, la
efectividad comparativa de algunas de las estrategias que utiliza y el efecto
delaincorporaci(cid:243)ndelasmismasenunambienteconrequerimientosdealta
disponibilidad.
Palabras clave:
Envejecimiento de Software, Errores Temporales, Rejuvenecimiento,
SistemasOperativos,kernelLinux,Administraci(cid:243)ndememoria
Keywords:
Software Aging, Soft Errors, Rejuvenation, Operative Systems, Linux
kernel,MemoryManagement

˝ndice general
˝ndice de (cid:28)guras 7
Cap(cid:237)tulo 1. Introducci(cid:243)n 9
1.1. Motivaci(cid:243)n 10
1.2. Objetivos 12
1.3. Pœblico objetivo 16
Cap(cid:237)tulo 2. Estado del arte 17
2.1. Relevamiento objetivo 17
2.2. TØcnicas de rejuvenecimiento 23
2.3. Soluciones al envejecimiento 24
2.4. Investigaci(cid:243)n del Manejo de memoria en Linux 25
Cap(cid:237)tulo 3. Prototipo 45
3.1. Motivaci(cid:243)n 46
3.2. Objetivos Iniciales 47
3.3. Selecci(cid:243)n de plataforma y herramientas 47
3.4. Revisi(cid:243)n de Objetivos 50
3.5. Especi(cid:28)caci(cid:243)n Funcional 50
3.6. Arquitectura 53
3.7. Diseæo 56
3.8. Implementaci(cid:243)n 84
3.9. Veri(cid:28)caci(cid:243)n 97
3.10. Pruebas de performance 103
3.11. Proceso de Desarrollo 109
Cap(cid:237)tulo 4. Resultados 117
4.1. Frames de s(cid:243)lo lectura 117
4.2. Bœsqueda de soft errors 120
4.3. Retraso de detecci(cid:243)n 122
4.4. Efecto en la disponibilidad 123
Cap(cid:237)tulo 5. Conclusiones y Trabajo a futuro 125
5.1. Conclusiones 125
5.2. Trabajo a futuro 127
Bibliograf(cid:237)a 129
ApØndice A. Glosario 131
ApØndice B. Manual de usuario 135
5
6 ˝ndice general
B.1. Modos de Funcionamiento 135
B.2. Registro de Procesos 136
B.3. Archivos de Estad(cid:237)sticas 138
ApØndice C. Porcentaje de frames de solo lectura 141
ApØndice D. Agente Inyector 153
ApØndice E. CosmicRayn 155
ApØndice F. C(cid:243)digo para pruebas de inyecci(cid:243)n 157
F.1. Inyector 157
F.2. Hola Mundo 157
F.3. Increment 158
F.4. Function 158
ApØndice G. Salidas de las pruebas de performance 161
G.1. Pruebas de performance AB 161
G.2. Pruebas de performance POV-Ray Benchmark 177
G.3. Pruebas de performance POV-Ray O(cid:30)ce 218
˝ndice de (cid:28)guras
1. Clasi(cid:28)caci(cid:243)n de errores y acciones correctivas 19
2. Modelo de Paginaci(cid:243)n de x86 27
3. Modelo de Paginaci(cid:243)n de Linux 28
4. Mapa de la memoria f(cid:237)sica en el Linux kernel 29
5. Zoned Page Frame Allocator 32
6. Espacio de memoria virtual de un proceso 36
7. Representaci(cid:243)n del Espacio de Memoria 38
8. Diagrama de Arquitectura 54
9. Complemento de struct page 58
10. Maquina de estados de un frame 59
11. Diseæo de mØtodos de bœsqueda 72
12. Diseæo de procesamiento de Errores 80
13. Inyecci(cid:243)n en una constante 100
14. Inyecci(cid:243)n en una funci(cid:243)n 100
15. Inyecci(cid:243)n en una llamada 101
16. Tiempo total de los tests 105
17. Tiempo por pedido 106
18. Pedidos por segundo 107
19. Tiempo para estar en el 80% mÆs rapido 108
20. Tiempo de Parseo 109
21. Tiempo de etapa Photon 110
22. Tiempo de Render 111
23. Tiempo total 112
24. Tiempo de parseo 113
25. Tiempo de render 114
26. Tiempo total 115
27. Cronograma Efectivo 116
28. Porcentaje de frames read-only por proceso antes de la prueba 119
29. Porcentaje de frames read-only durante la pruba 120
7

Cap(cid:237)tulo 1
Introducci(cid:243)n
El envejecimiento de software, o "software aging" es un fen(cid:243)meno que œlti-
mamente ha empezado a cobrar importancia, siendo objetivo de varios estudios e
investigaciones. Consiste en la degradaci(cid:243)n con el tiempo del estado de un proceso
o de su ambiente. Esta degradaci(cid:243)n se debe a la acumulaci(cid:243)n de errores durante la
ejecuci(cid:243)n de un programa lo que eventualmente afecta a su performance o provoca
quefalle.ComoseverÆenlasecci(cid:243)n2.1estoserrorespuedentenerdiversosor(cid:237)genes
dentro de las distintas capas de software y hardware que componen un sistema de
c(cid:243)mputoyllevaneventualmentealadegradaci(cid:243)nenlaperformancedelsoftware,o
incluso a una falla total. En la secci(cid:243)n 2.1.1 se ubica dichos errores en una taxono-
m(cid:237)a de acuerdo al tipo de fallas que causan, identi(cid:28)cÆndose como causa de mayor
interØs para el proyecto la ocurrencia de errores de hardware conocidos como (cid:16)soft
errors(cid:17).Paraevitarestasfallas,sehanbuscadosolucionesalproblemaaqu(cid:237)tratado.
Como se verÆ en las secci(cid:243)n 2.1 las mÆs utilizadas son variaciones de una tØcnica
pro-activa,llamadarejuvenecimientodesoftware,o"softwarerejuvenation",lacual
consisteendetenerlaejecuci(cid:243)ndelsoftware,limpiarsuestadointernoosuambien-
tedeejecuci(cid:243)n,y(cid:28)nalmentevolverainiciarlaejecuci(cid:243)n.Existendistintosenfoques
sobre cuÆndo y c(cid:243)mo se debe aplicar el rejuvenecimiento, ver secci(cid:243)n 2.2. Mientras
algunos se basan en predicciones de acuerdo a estad(cid:237)sticas del sistema como puede
ser el consumo de recursos, otros apuestan a la redundancia de nodos para poder
ejecutar rejuvenecimiento individual y transparente de los mismos, ante la eviden-
cia de fallas. Se puede encontrar en el mercado algunas soluciones de software que
toman en cuenta el problema de software aging, e intentan atacarlo. En la secci(cid:243)n
2.3 se presenta un relevamiento de las mismas. Como se verÆ incluyen servidores
web, suites de herramientas, e incluso sistemas operativos. La mayor(cid:237)a de estas
herramientas solucionan el envejecimiento causado por el agotamiento de recursos.
Existen casos en que se intenta mitigar la ocurrencia de errores en Æreas particu-
lares de la memoria, pero esto se hace por razones de seguridad, para solucionar
vulnerabilidades del kernel ante ataques y no errores del hardware.
El presente trabajo se enfoca en el estudio de tØcnicas nuevas o existentes para
mitigarlosefectosdelsoftwareaging.DentrodeunÆreatanextensa,secentrarÆla
atenci(cid:243)nenelenvejecimientoprovocadoporlaocurrenciadeerroresenelhardware,
en particular, en el que constituye la memoria principal de un sistema de c(cid:243)mputo
moderno. Existen diversos factores que pueden provocar cambios en los bits alma-
cenadosenlasplacasquecomponendichamemoria,comopuedenserlaemisi(cid:243)nde
part(cid:237)culas alfa, los rayos c(cid:243)smicos o la interferencia electromagnØtica. Se verÆ estos
y otros factores en detalle en la secci(cid:243)n 2.1.1, pero por ahora basta con mencionar
que la frecuencia con que ocurren estos errores bajo ciertas condiciones como la al-
turasobreelniveldelmarolaproximidadcondispositivoselectr(cid:243)nicos,noespara
nadadespreciable,llegandoaprovocarefectosobservablesenlaperformancedeun
9
10 1.INTRODUCCI(cid:211)N
sistemadecomputo.Secuanti(cid:28)carÆmÆsclaramentelavariaci(cid:243)ndelafrecuenciade
aparici(cid:243)n de errores en la memoria en la secci(cid:243)n 2.1.1 y en contraparte se mostrara
en la secci(cid:243)n 4.2 en base a experimentos, estudios y datos de fabricantes, la baja
tasa de los mismos cuando no se presenta ninguna de las condiciones mencionadas.
El principal objetivo planteado para el proyecto fue llevar las tØcnicas para
combatir el envejecimiento y en particular los soft errors, al contexto de los ser-
vicios brindados por el sistema operativo, de(cid:28)niendo y prototipando herramientas
estÆndar para detectar la ocurrencia de los errores mencionados y tomar acciones
para contrarrestar sus efectos en los procesos del espacio de usuarios. La secci(cid:243)n
1.2 detallarÆ los objetivos y el alcance planteados, trazando esto en los productos
o aportes del proyecto que determinan su cumplimiento. All(cid:237) se harÆ tambiØn una
introducci(cid:243)n a dichos productos, los cuales se verÆn con mayor profundidad a lo
largo de los cap(cid:237)tulos 2, 3 y 4.
UnadelasmotivacionesmÆsgrandesdelproyectofueadentrarseenunÆrea,la
del envejecimiento de software, la cual es relativamente joven y cuenta todav(cid:237)a con
mucho campo para explorar. Particularmente, fueron muy pocos los antecedentes
a nivel de sistemas operativos que se pudieron encontrar sobre el tratamiento del
tema. Se dedicarÆ la primer secci(cid:243)n de este cap(cid:237)tulo a explicar la motivaci(cid:243)n de
este proyecto y de la elecci(cid:243)n del prototipo realizado. Desde un principio se pens(cid:243)
en Linux como el sistema operativo ideal para el desarrollo de las herramientas
planteadas. Esto es debido a cuatro razones fundamentales. La primera es que el
mismo es open source, lo que facilita la investigaci(cid:243)n y modi(cid:28)caci(cid:243)n de su c(cid:243)digo,
necesidades fundamentales para el proyecto. La segunda es la gran comunidad que
hay detrÆs del mismo, la cual es un importante soporte en un desarrollo de este
tipo.Laterceraessucalidaddesistemamultiplataforma,locualampl(cid:237)aelespectro
de aplicaci(cid:243)n del producto desarrollado, en especial en el universo de los sistemas
embebidos donde se encuentran distintas arquitecturas y Linux es cada vez mÆs
utilizado. Finalmente, la cuarta raz(cid:243)n es la experiencia previa de los autores como
usuarios del sistema e incluso haciendo pequeæas modi(cid:28)caciones a su nœcleo con
(cid:28)nesacadØmicos.LaposibilidaddetrabajarconelkerneldeLinuximplic(cid:243)unamo-
tivaci(cid:243)n extra, pero tambiØn un reto muy importante que se centr(cid:243) en comprender
su funcionamiento y en particular el de su subsistema de administraci(cid:243)n de la me-
moria, el Memory Manager (MM), a tal nivel que permitiera realizar importantes
modi(cid:28)cacionesalnœcleodelsistemaoperativo,sinperderlaestabilidadoriginal.Se
dedicarÆ la secci(cid:243)n 2.4 a dar un resumen introductorio al funcionamiento del MM
que sirva como contexto para el prototipo desarrollado. La tarea de investigaci(cid:243)n
de Linux fue muy exigente y demand(cid:243) mÆs tiempo del esperado, manteniendo con-
tinuidadhastalasœltimasetapasdelproyecto.Afortunadamente,alcabodeunaæo
y medio de haber comenzado, se pudo completar el alcance que se deseaba para
redondear el mismo. No obstante todav(cid:237)a queda mucho trabajo a futuro para con-
tinuarlohechoyseguiradentrÆndoseenestaÆrea.SededicarÆelcap(cid:237)tulo5deeste
documento a presentar las conclusiones (cid:28)nales del proyecto y algunas propuestas
para la continuaci(cid:243)n del mismo.
1.1. Motivaci(cid:243)n
Como se dijo, tal vez la mayor motivaci(cid:243)n para la selecci(cid:243)n del proyecto fue la
posibilidad de hacer una contribuci(cid:243)n a un Ærea relativamente joven c(cid:243)mo la del
software aging. La problemÆtica que la misma trata resulta de gran interØs ya que