Zuverlässige Systeme Fehlertoleranz

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1 Zuverlässige Systeme Fehlertoleranz

2 Inhalt Übersicht und Namenskonventionen Was ist Fehlertoleranz Eine Anleitung in 4 Phase Redundanz und Vielfältigkeit Hardwareseitige Fehlertoleranz Softwareseitige Fehlertoleranz Fazit 1

3 Übersicht Fehlerursachen Beeinträchtigungen Fehlzustände Ausfälle Verfahren Fehlerverhinderung Zuverlässigkeit Mittel Fehlertoleranz Validation Fehlerbeseitigung Fehlervorhersage Verfügbarkeit Kenngrößen Funktionsfähigkeit Sicherheit Vertraulichkeit 2

4 Namenskonventionen Error: Failure: Fault: Fehler, Begriff für den Fehlzustand, d.h. Systemzustand, der zum Fehler geführt hat. Fehler im System Ausfall, Bezeichnung für Fehlverhalten von Hard- oder Software Fehler, wird für die anerkannte oder hypothetische Fehlerursache verwendet. 3

5 Fehlertoleranz in vier Phasen 1. Fehlererkennung Was für ein Fehler ist aufgetreten? 2. Schadensabschätzung Wo ist der Fehler aufgetreten? Welche Teile sind betroffen? 3. Wiederherstellung Wie wird der Fehler behoben? 4. Betrieb wiederaufnehmen / fortsetzen Kann der Betrieb fehlerfrei fortgesetzt werden? 4

6 1. Techniken der Fehlererkennung Funktionsüberprüfung Memorytest beim Bootvorgang Konsistenzprüfung Checksummen bei komprimierten Dateien Signalabgleich Spannungsüberwachung Hardwareüberwachung S.M.A.R.T. Überwachung bei Festplatten 5

7 2. Schadensabschätzung Kann das System nach dem Fehler den Betrieb wieder aufnehmen oder treten Folgefehler auf? Predefined Failure semantics Vordefinierte Systemroutinen bei Ausfällen Hazard analysis Besteht Gefahr für Personen oder Equipment? Severity analysis Wie ernst ist der Fehler für den Folgebetrieb? 6

8 3. Wiederherstellung Backward recovery: Einen vorherigen, fehlerfreien Systemzustand wieder herstellen. Beispielsweise durch Image Dateien. Forward recovery: Einen neuen, fehlerfreien Systemzustand herstellen. Beispielsweise durch Rücksetzen von Datenleitungen oder Neustart. 7

9 4. Betrieb fortsetzen Nachdem der Fehler behandelt worden ist, soll der Betrieb wieder aufgenommen werden. Voraussetzung hierfür ist, dass das Fehlverhalten idealer weise keine Auswirkungen auf den weiteren Betrieb nehmen kann. Problem: Folgefehler müssen erkannt und ebenfalls behandelt werden. 8

10 Wie wird Fehlertoleranz erreicht Redundandcy (Redundanz) Identische Bausteine sind mehrfach vorhanden Diversity (Vielfältigkeit/Mannigfaltigkeit) Bausteine mit gleicher Aufgabe sind in unterschiedlichen Ausführungen vorhanden 9

11 Redundancy and Diversity Domain of information: Redundante Speicherung der Daten Sichere Datenstrukturen Error correcting codes (ECC): Erkennt und repariert Bitfehler Implementierung basiert auf Hamming-Distance Robust data structure: Checksummen, Rückmeldungen, Handshake 10

12 Redundancy and Diversity Domain of space: Fallbacksysteme durch Notstrom, Reservesysteme Redundanz der Hardware (RAID) Active redundancy: Parallel arbeitende Componenten (TMR) Passive/standby standby redundancy: Hot standby,, Ausfallsystem arbeitet im Hintergrund Cold standby,, Notfallsystem startet bei Ausfall 11

13 Redundancy and Diversity Domain of time: Doppelte Berechnung durch verschiedene und unterschiedliche Algorithmen Multiple calculation: Mehrere, verschiedene Algorithmen berechnen ein Ergebnis bzw. bestätigen Ergebnis Repeated messages: Nachrichten werden (auf Anfrage) mehrfach versand 12

14 Techniken für Fehlertoleranz Redundanz in Hardware oder Software Verschiedene Umsetzungen (Algorithmen oder Systeme) werden parallel verknüpft Rücksprungpunkte oder Backups werden angelegt, die zur Laufzeit wiederhergestellt werden können. Mischformen sind möglich und verbessern den Grad der Fehlertoleranz. 13

15 Hardware Fehlertoleranz Statische Redundanz Parallele Berechnung mit anschließender Überprüfung von Checksummen Dynamische Redundanz Not- oder Backupsystem vorhanden. Umschalten zwischen vorhandenen Systemen Hybride Redundanz Kombination aus statischer und dynamischer Redundanz 14

16 Statische Redundanz Multistage TripleModularReduncy (TMR) arrangement 15

17 Dynamische Redundanz N modular standby sparing system 16

18 Hybride Redundanz N modular redundancy with spares 17

19 Beispiele Datenbanken. Speichern Daten redundant, aber mehr mit dem Ziel des parallelen Zugriffs. Backupsysteme oder Notstrom. Schaltet sich bei Versagen des Hauptsystems automatisch ein. RAID Systeme. Speichern Daten redundant und können ebenfalls defekte Festplatten erkennen und diese abkapseln. 18

20 Software Fehlertoleranz Unterscheidung zwischen Softwarefehler, vgl. mit Hardwarefehler Fehler im System, die auf Softwareprobleme zurückzuführen sind. Problemstellung: Kopie einer Software enthält die selben Fehler. Sind unabhängige Entwicklerteams sicherer? 19

21 Exception Handling Fehlerbehandlung an Hand von Exceptions. Vorteile: Voter entfallen in der Software Dezentrale Fehlerbehandlung in einzelnen Routinen (ausfallsicher) Nachteile: Dezentrale Fehlerbehandlung behindert Wartbarkeit Setzt korrekt implementierte Routinen voraus. Erschwert die Verifikation des Quellcodes 20

22 N version Programming Es existieren N unterschiedliche Implementierungen einer Routine. Aus diesen N Routinen werden zufällig M Routinen ausgewählt und berechnet. Per Voter wird analog zum TMC das richtige Ergebnis validiert. Beispiel: Verschiedene Sortieralgorithmen 21

23 N version Programming Vorteile: Designfehler werden erkannt Sichert (M-1)/2 Fehler ab Nachteile: Hohe Entwicklungskosten durch viele Entwickler Leistungseinbußen durch viele parallele, bzw. sequenzielle Berechnungen Gemeinsame Fehler nicht ausgeschlossen 22

24 Recovery Blocks Vor jeder Routine werden Rüchsprungpunkte, bzw. Backups der Laufzeitumgebung angelegt Berechnet die Routine ein falsches Ergebnis, bzw. führt die Berechnung zum Fehlverhalten, wird der alte Zustand wieder hergestellt. Die Berechnung wird dann von einer anderen Routine übernommen. 23

25 Recovery Blocks Vorteile: Kein Voter benötigt Kurzzeitige Hardwareausfälle können behandelt werden Unterteilung in Subroutinen möglich Nachteile: Benötigt zusätzlichen Speicher und Akzeptanzberechnungen (schwer zu implementieren) Zeitverlust durch Rücksprung (Realtime( Systeme?) 24

26 Fazit Fehlertoleranz basiert immer auf Redundanz Techniken müssen bereits beim Systementwurf berücksichtigt werden Es können nur bewusste Fehler behandelt werden. 25

27 Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit. Alle Klarheiten beseitigt? 26

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