Implementação e Avaliação da Técnica ACCE para Detecção e Correção de Erros de Fluxo de ...

105 Pages·2013·2.91 MB·Portuguese

UNIVERSIDADEFEDERALDORIOGRANDEDOSUL
INSTITUTODEINFORMÁTICA
PROGRAMADEPÓS-GRADUAÇÃOEMCOMPUTAÇÃO
RAFAELBALDIATIPARIZI
Implementação e Avaliação da Técnica
ACCE para Detecção e Correção de Erros
de Fluxo de Controle no LLVM
Dissertaçãoapresentadacomorequisitoparcial
paraaobtençãodograude
MestreemCiênciadaComputação
Prof.Dr.ÁlvaroFreitasMoreira
Orientador
Prof.Dr.LuigiCarro
Co-orientador
PortoAlegre,maiode2013
CIP–CATALOGAÇÃONAPUBLICAÇÃO
Parizi,RafaelBaldiati
Implementação e Avaliação da Técnica ACCE para Detecção
eCorreçãodeErrosdeFluxodeControlenoLLVM/RafaelBal-
diatiParizi.–PortoAlegre: PPGCdaUFRGS,2013.
105 f.: il.
Dissertação(mestrado)–UniversidadeFederaldoRioGrande
do Sul. Programa de Pós-Graduação em Computação, Porto Ale-
gre, BR–RS, 2013. Orientador: Álvaro Freitas Moreira; Co-
orientador: LuigiCarro.
1.Tolerânciaafalhas. 2.Errosdefluxodecontrole. 3.ACCE.
4.LLVM. I.Moreira,ÁlvaroFreitas. II.Carro,Luigi. III.Título.
UNIVERSIDADEFEDERALDORIOGRANDEDOSUL
Reitor: Prof.CarlosAlexandreNetto
Vice-Reitor: Prof.RuiVicenteOppermann
Pró-ReitordePós-Graduação: Prof.AldoBoltenLucion
DiretordoInstitutodeInformática: Prof.LuísdaCunhaLamb
CoordenadordoPPGC:Prof.LuigiCarro
Bibliotecária-chefedoInstitutodeInformática: BeatrizReginaBastosHaro
“Ao ser produzido, o conhecimento novo supera outro
que antes foi novo e se fez velho
e se dispõe a ser ultrapassado por outro amanhã.”
— PAULO FREIRE
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus por me disponibilizar uma vida repleta de desafios que, ao superá-
los,encho-mededisposiçãoecoragemparaseguircrescendopessoaleprofissionalmente.
Agradeço à minha mãe, que sempre se fez presente na minha vida, assumindo o papel de
paiemãe,mostrando-meocaminhoemeensinandoaseguiremfrente. Aomeupai,que
dealgumlugarmeprotegeemedáforçasparabatalharpelosmeusobjetivos. Aosdemais
familiares, que me ajudam das mais variadas formas, com ações de apoio e carinho. Aos
meus amigos, pelo companheirismo, amizade e que entenderam minha ausência em di-
versas festas e confraternizações. Ao CNPQ, pelo auxílio, fundamental e imprescindível
paraaminhasubsistênciaemPortoAlegre. Aomeuorientador,ProfessorÁlvaroMoreira,
pelo apoio e ensinamentos, acompanhando constantemente as atividades relacionadas ao
trabalho. Ao professor Luigi Carro e ao Ronaldo Ferreira, que colaboraram de forma
efetiva no desenvolvimento do trabalho. Aos colegas do laboratório 67-202 no Instituto
de Informática da UFRGS, pelo companheirismo e amizade. Por fim, a todos que direta
ou indiretamente colaboraram para minha formação profissional, pessoal e acadêmica,
Obrigado!
SUMÁRIO
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
LISTA DE FIGURAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
LISTA DE TABELAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
RESUMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
ABSTRACT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.1 ContextoeMotivação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2 ObjetivoseResultadosAlcançados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.3 OrganizaçãodoTexto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2 FALHAS TRANSIENTES E ERROS DE FLUXO DE CONTROLE . . . 16
2.1 FalhasTransientesdeHardware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2 ErrosdeFluxodeControle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 CFESdetectadosecorrigidosporACCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.4 TratamentodeCFEscomSoftware . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3 LLVM E LLVM-IR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.1 LLVM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.1.1 Arquitetura . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
3.1.2 ALinguagemIntermediáriaLLVM-IR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
4 IMPLEMENTAÇÃO DE ACCE NO LLVM . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.1 ObtençãodeAssinaturasparaosBlocosBásicos . . . . . . . . . . . . . 24
4.1.1 Cálculodapartesuperiordasassinaturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.1.2 Cálculodaparteinferiordasassinaturas . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
4.2 Transformaçãodeprogramas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2.1 Adiçãodenovasvariáveisglobais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2.2 TransformaçãodeFunções . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.3 Transformação de Programas em Tempo de Compilação: Implementa-
çãonoLLVM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4 DetecçãodeErrosdeFluxodeControleemTempodeExecução . . . . 41
4.5 CorreçãodoControledoProgramaemTempodeExecução . . . . . . . 42
5 EXPERIMENTOS E RESULTADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.1 ObjetivoseConclusõesdosExperimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
5.2 MetodologiadosExperimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.2.1 BenchmarksUtilizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.2.2 InjeçãodeFalhas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.2.3 CenáriosdeExperimentação . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.3 Experimentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.3.1 AplicaçãoIndividualdeTransformaçõesseguidasporACCE . . . . . . . 56
5.3.2 AplicaçãodeCombinaçõesdeTransformaçõesseguidasporACCE . . . . 65
5.3.3 AvaliaçãodeACCEemtermosdeConsumoEnergéticoeDesempenho . . 68
6 CONCLUSÕES E TRABALHOS FUTUROS . . . . . . . . . . . . . . . 70
REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
ANEXO I - SINTAXE DA LINGUAGEM LLVM-IR . . . . . . . . . . . . . . . 77
ANEXO II - ARTIGOS PUBLICADOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
ABFT AlgorithmBasedFaultTolerance
ACCE AutomaticCorrectionofControl-flowErrors
A_sig AssinaturaSemelhante
CEDA ControlflowErrorsDetectionthroughAssertions
CFC ControlFlowChecking
CFE ControlFlowError
CFG ControlFlowGraph
CFCSS ControlFlowCheckingbySoftwareSignatures
CRC32 32-bitCyclicRedundancyCheck
FEH FunctionErrorHandler
FFT FastfourierTransform
GCC GnuCompilerCollection
GDB GnuDebbuger
GEH GlobalErrorHandler
IDE IntegratedDevelopmentEnvironment
LLVM LowLevelVirtualMachine
LLVM-IRLowLevelVirtualMachineIntermediateRepresentation
NES NodeExitSignature
Net Network
NS NodeSignature
NT NodeType
PC ProgramCounter
S Signature
SSA SingleStaticAssignment
SIHFT SoftwareImplementedHardwareFaultTolerance
YACCA YetAnotherControlflowCheckingApproach
LISTA DE FIGURAS
Figura2.1: Exemplo de código fonte e seu grafo de fluxo de controle (OLGA
etal.,2006) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
Figura3.1: EtapasdacompilaçãorealizadaspeloLLVM. . . . . . . . . . . . . . 21
Figura3.2: ComandoseprocessodecompilaçãodoLLVM. . . . . . . . . . . . 21
Figura3.3: Exemplodeutilizaçãodeinstruçõesφ . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
Figura4.1: Exemplodegrafodefluxodecontrole. . . . . . . . . . . . . . . . . 25
Figura4.2: AdiçãodenovasvariáveisglobaisporACCE. . . . . . . . . . . . . . 31
Figura4.3: RepresentaçãodatransformaçãorealizadaporACCEnasfunçõesdos
programas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
Figura4.4: Transformaçãodeblocodeentradadefunção. . . . . . . . . . . . . . 33
Figura4.5: Representaçãodatransformaçãorealizadaemblocosbásicosregulares. 35
Figura4.6: BlocosFEH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
Figura4.7: FunçãoGEH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
Figura4.8: ComandosparaaativaçãodeACCEduranteacompilaçãodeprogra-
mascomoLLVM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
Figura4.9: ExemplodedetecçãodeerrodefluxodecontroleporACCE . . . . . 42
Figura4.10: ExemplodecorreçãodeCFEporACCEemblocosdamesmafunção
-Blocosbásicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
Figura4.11: ExemplodecorreçãodeCFEporACCEemblocosdamesmafunção
-FEH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
Figura4.12: Exemplo de correção de CFE por ACCE em blocos de funções dife-
rentes-representaçãodafunção1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
Figura4.13: Exemplo de correção de CFE por ACCE em blocos de funções dife-
rentes-representaçãodafunção2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
Figura4.14: Exemplo de correção de CFE por ACCE em blocos de funções dife-
rentes-representaçãodeGEH. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
Figura5.1: ProcessodeaplicaçãodatécnicaACCEnoLLVM. . . . . . . . . . . 50
Figura5.2: Esquematizaçãodocenário2dosexperimentos. . . . . . . . . . . . . 55
Figura5.3: Esquematizaçãodocenário3dosexperimentos. . . . . . . . . . . . . 55
Figura5.4: Esquematizaçãodocenário4dosexperimentos. . . . . . . . . . . . . 55
Figura5.5: TaxasdecorreçãodeACCEquandocombinadacom1transformação. 56
Figura5.6: DesviopadrãodacorreçãodeACCEquandocombinadacom1trans-
formação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
Figura5.7: Efeitodeloop-reducesobreacorreçãodeCFEsnosbenchmarks. . . 57
Figura5.8: Taxa de correção de falhas de algumas transformações aplicadas em
Dijkstra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
Figura5.9: CFGcorrespondenteaocódigodaListagem5.1 . . . . . . . . . . . . 61
Figura5.10: CFG correspondente ao código da Listagem 5.1 transformado com
Loop-rotate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Figura5.11: CFG da função main do programa basicmath antes da aplicação de
loop-rotate. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
Figura5.12: CFG da função main após a aplicação da transformação loop-rotate
embasicmath . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
Figura5.13: CFG da função main de bitcount após a aplicação da transformação
loop-rotate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
Figura5.14: CFGdafunçãomaindefft compiladocominstcombine . . . . . . . . 66
Figura5.15: TaxasdecorreçãodeACCEnocenáriodetransformaçõescombinadas. 67
Figura5.16: Desviopadrãonocenáriodetransformaçõescombinadas. . . . . . . 67
Figura6.1: SintaxedeumsubcojuntodeLLVM-IR . . . . . . . . . . . . . . . . 77
Figura6.2: ExemplodeprogramaemLinguagemLLVM-IR . . . . . . . . . . . 82
LISTA DE TABELAS
Tabela4.1: BlocoseseuspredecessoresobtidosapartirdoCFGdaFigura4.1. . 25
Tabela4.2: NetseseuspredecessoresobtidosapartirdoCFGdaFigura4.1. . . . 26
Tabela4.3: NetserespectivosA_Sig. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
Tabela4.4: NS eNES deblocos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
u u
Tabela4.5: NS eNES deblocos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
l l
Tabela4.6: NS eNES deblocos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
Tabela4.7: NS eNES deblocosembits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
u u
Tabela4.8: d ed dosblocosembits. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1 2
Tabela5.1: Programasdebenchmark disponíveisnasuíteMibench . . . . . . . . 52
Tabela5.2: ResultadosdacorreçãodeCFEscomACCEparacadaotimizaçãodo
LLVM. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
Tabela5.3: Número de blocos básicos correspondente a cada benchmark para
cadaumadastransformaçõesdisponibilizadaspeloLLVM . . . . . . 60
Tabela5.4: Valores da correção de falhas resultante da aplicação das combina-
çõesdetransformaçõesnosbenchmarkscomparadoscomobaseline . 68
Tabela5.5: Avaliação de energia de três programas transformados com otimiza-
çõesfornecidaspeloLLVM,seguidasporACCE. . . . . . . . . . . . 69
Tabela5.6: Avaliação do tempo de execução de três programas otimizados pelas
transformaçõesfornecidaspeloLLVMeACCE. . . . . . . . . . . . 69
Tabela6.1: TiposdeLLVM-IR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78
Tabela6.2: ComandosemLLVM-IR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
Tabela6.3: Instruçõesdetérmino . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80