Effiziente Überwachung von Laufzeiteigenschaften in Soft- und Hardware

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1 Effiziente Überwachung von Laufzeiteigenschaften in Soft- und Hardware Normann Decker 1 Philip Gottschling 2 1 Institut für Softwaretechnik und Programmiersprachen Universität zu Lübeck decker@isp.uni-luebeck.de 2 Institut für Rechnersysteme TU Darmstadt gottschling@rs.tu-darmstadt.de KoSSE-Workshop 214 Lübeck, 11. Dezember 214

2 Übersicht Laufzeitverifikation Spezifikation itorsynthese Beobachtung/Instrumentierung Implementierung In Software In Hardware Zusammenfassung N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop 214 1/22

3 Laufzeitverifikation Spezifikation System Synthese Beobachtung itor Bewertung N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop 214 2/22

4 Laufzeitverifikation Vollständige Verifikation nicht immer möglich Reaktive Systeme abhängig von Eingaben System bei Auslieferung unvollständig (Dynamische Bibliotheken, Komponenten) Physische Einflüsse (Hardware, Betriebsbedingungen) Überwachung existierender Systeme Testen, Analyse von Log-Daten N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop 214 3/22

12 Spezifikation Spezifikation System Synthese Beobachtung itor Bewertung Beobachtung: Sequenz von Ereignissen e 1 e 2 e 3... Spezifikation: Eigenschaften (Form) von Sequenzen N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop 214 5/22

13 Spezifikation Spezifikation System Synthese Beobachtung itor Bewertung Beobachtung: Sequenz von Ereignissen e 1 e 2 e 3... Spezifikation: Eigenschaften (Form) von Sequenzen N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop 214 5/22

14 Spezifikation - Beispiele Ereignisse definieren: a, b, c,..., z. B. a ˆ= Fehler aufgetreten b ˆ= Initialisierung abgeschlossen c ˆ= Funktion f() aufgerufen... Niemals a : Always(Not a) Kein Fehler in der Initialisierungsphase : (Not a) Until b (Always Not error) And Eventually job_done N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop 214 6/22

18 Spezifikation Abstrakt, deklarativ (kein programmieren der Spezifikation) Eindeutige Bedeutung Automatische Verarbeitung (z. B. itorsynthese) Optimierung N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop 214 7/22

25 itorsynthese Übersetzung, Analyse, Optimierung Spezifikation (deklarativ) itor (operational, mit Ausgabe) Synthese eines operationalen Modells (z. B. Zustandsmaschine) Optimierung (z. B. semantische Redundanz, spezifische Implementierung) Vollautomatisch N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop 214 9/22

29 Beobachtung und Ausführung Übersetzung, Analyse, Optimierung Spezifikation (deklarativ) itor (operational, mit Ausgabe) N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop /22

30 Beobachtung und Ausführung Übersetzung, Analyse, Optimierung Implementierung Spezifikation (deklarativ) itor (operational, mit Ausgabe) Programmcode (ausführbar) N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop /22

31 Beobachtung und Ausführung Übersetzung, Analyse, Optimierung Implementierung Spezifikation (deklarativ) itor (operational, mit Ausgabe) Programmcode (ausführbar) Beobachtung des Systems Ausgabe oder Kommunikation (interne) Systemereignisse, -zustände (z. B. Funktionsaufrufe, Speicherzugriffe) Trace-Schnittstellen Instrumentierung des Programmcodes N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop /22

34 Beobachtung und Ausführung Übersetzung, Analyse, Optimierung Implementierung Spezifikation (deklarativ) itor (operational, mit Ausgabe) Programmcode (ausführbar) Ausführung des itors im gleichen Prozess (z. B. bei Code-Instrumentierung) als separate Komponente (z. B. als Dienst in einer SOA) auf dedizierter Hardware (z. B. FPGA) N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop /22

38 Anwendung: Software Überwachung der Kommunikation von Diensten Analyse von Logfiles Unit Testing: junit RV N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop /22

39 Anwendung: Software Überwachung der Kommunikation von Diensten Analyse von Logfiles Unit Testing: junit RV N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop /22

40 Anwendung: Testen mit junit RV Example (Instrumentierung: Definition von Ereignissen) String classundertest = "mypackage.classundertest"; private static Event start = called(classundertest, "starttask"); private static Event initok = returned(classundertest, "initialize"); private static Event end = called(classundertest, "endtask"); Definition der Ereignisse Beobachtung Weitere Beispiele Variable x > 1, Zugriff auf Variable x, Exception wurde geworfen N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop /22

41 Anwendung: Testen mit junit RV Example (Eigenschaft: Definition eines itors) private static itor myitor1 = new itor( Always(a) ); Komplexere Eigenschaften durch zeitliches und logisches Verknüpfen von Ereignissen Auf start folgt irgendwann end und Kein start vor initok Always (start Eventually end) And ((Not start) Until initok) N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop /22

42 Anwendung: Testen mit junit RV Example (Ausführung: Definition von public class MyTest { // Instrumentierung: Definition von Ereignissen... // Eigenschaften: Definition der "myitor2",...}) public void test1() {... } N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop /22

43 Laufzeitverifikation in Hardware FPGA itor System Target Platform (MP)SoC Trace Port monitor status configuration CONIRAS Kontinuierliche nicht-intrusive Laufzeitanalyse von SoCs AbsInt, Accemic, TU Darmstadt (RS), U zu Lübeck (ISP) Akquise von Trace-Daten, WCET-Analyse, Laufzeitverifikation N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop /22

48 Vorteile von FPGAs Schnelle und parallele Verarbeitung von Daten Extrem viele Freiheitsgrade Beliebig oft neu konfigurierbar N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop /22

51 Probleme bei der Verwendung von FPGAs Entwicklungstools sind schlecht zu integrieren Hardwarebeschreibung nicht intuitiv Synthese von itoren in Hardware dauert lange Beschreibung Synthese Programmierung N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop /22

54 Ansatz: Generische itore in Hardware Hardware (für itore) wird nur ein mal Synthetisiert Reduzierung der Freiheitsgrade durch Parameter Parameter lassen sich nachträglich ohne erneute Synthese ändern Einfache Beschreibung HDL (Verilog) Syntheseprozess N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop /22

57 itore in Hardware Einmalig (dauert lange): Beschreibung des itorsystems Syntheseprozess Beliebig oft (geht schnell): Anpassen von Parametern Anpassen des Verhaltens (Automaten) N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop 214 2/22

63 Vorteile des Prinzips Automatische Überwachung von Laufzeiteigenschaften Parallele Ausführung vieler Beobachtungsaufgaben N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop /22

64 Vorteile des Prinzips Automatische Überwachung von Laufzeiteigenschaften Parallele Ausführung vieler Beobachtungsaufgaben N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop /22

65 Zusammenfassung Spezifikation System Beobachtung Synthese private static itor myitor = new itor( Always(a) ); itor Bewertung FPGA itor System Target Platform (MP)SoC Trace Port monitor status configuration N. Decker, P. Gottschling KoSSE-Workshop /22