UNIVERSITÄT PADERBORN Die Universität der Informationsgesellschaft Selbstheilende Systeme Seminar: Autonomic Computing Frank Nillies - [email protected] Gliederung Motivation Definition: Selbstheilung vs. Fehlertoleranz Selbstheilung in 4 Phasen Formale Methoden Beispiele und Ausblick IBM / Microsoft Framework Fazit / Literatur Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 2 Motivation 75% - 90% aller IT Kosten entfallen auf Wartung und Reparatur Computernetze werden immer komplexer Jeder PC/System ist anders konfiguriert Fehlertolerante/Sicherheitskritische Systeme sind bereits im Einsatz Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 3 Fehlertoleranz vs. Selbstheilung DIN/ISO Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 4 Fehlertoleranz vs. Selbstheilung Systeme für spezielle Anwendungsgebiete entwickelt Beliebige Hardware – Software Kombination 100% Erhalt der Spezifikationen Kein Ausfall des Systems erlaubt Realisierung durch redundante Hardware Grundfunktionalität gewährleisten Systemausfall soll minimiert werden Wartungsaufwand reduzieren Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 5 Definition Selbstheilung Selbstheilung verwendet bei einem Fehler einen Teil seiner Ressourcen dazu, den Fehler Schritt für Schritt zu beheben; Fehlertoleranz hingegen versucht trotz eines Fehlers die Spezifikationen zu 100% zu erfüllen Fehlertolerante Systeme können nur auf Fehler reagieren, die während der Designphase berücksichtig worden sind; Ein selbst-heildendes System passt sich dynamisch und lernfähig seiner Umgebung an. Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 6 Selbstheilung in 4 Phasen Kontextbewusstsein 1. Fehlererkennung 2. Schadensabschätzung 3. Wo ist der Fehler aufgetreten? Welche Teile sind betroffen? Wiederherstellung 4. Was für ein Fehler ist aufgetreten? Wie wird der Fehler behoben? Betrieb wiederaufnehmen / fortsetzen Kann der Betrieb fehlerfrei fortgesetzt werden? Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 7 1. Fehlererkennung Problematik: Was ist ein Fehler? Wie erkennt man Fehler? Lösung: Redundante Informationen Logbücher Neuronale Netze Trainiertes Verhalten Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 8 1. Fehlererkennung Funktionsüberprüfung, Konsistenzprüfung RAM Self Test Scandisk Checksummen ParityBit Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 9 1. Fehlererkennung Signalabgleich, Harwareüberwachung S.M.A.R.T. Überwachung bei HDDs Temperatursensoren in CPUs Spannungsüberwachung Netzwerkkabeltest Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 10 2. Ursachenforschung Problematik: Wo ist der Fehler aufgetreten? Welche Systemeinheiten sind betroffen? Lösung: Funktionsprüfung BlackBox Prinzip Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 11 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? Eher bekannt aus der Fehlertoleranz, Einsatz je nach Anwendungsgebiet. Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 12 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. Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 13 4. Betrieb fortsetzen Betrieb läuft weiter, die betroffenen Komponenten sind aber nicht nutzbar. Benutzer sollte idealerweise von dem Fehler nichts bemerken, ggf. wird der Administrator per eMail oder Logfile informiert. Problem: Folgefehler müssen erkannt und ebenfalls behandelt werden. Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 14 Gliederung Motivation Definition: Selbstheilung vs. Fehlertoleranz Formale Methoden, angelehnt an Fehlertoleranz Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 15 Fehlerer- & Ursachenerkennung Redundandcy (Redundanz) Identische Bausteine sind mehrfach vorhanden Diversity (Vielfältigkeit/Mannigfaltigkeit) Bausteine mit gleicher Aufgabe sind in unterschiedlichen Ausführungen vorhanden Agenten Intelligente Systemkomponenten in Hardware oder Software Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 16 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 Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 17 Redundancy and Diversity Domain of space: Fallbacksysteme durch Notstrom, Reservesysteme Redundanz der Hardware (RAID) Active redundancy: Parallel arbeitende Componenten (TMR) Passive/standby redundancy: Hot standby, Ausfallsystem arbeitet im Hintergrund Cold standby, Notfallsystem startet bei Ausfall Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 18 Redundancy and Diversity Domain of time: Doppelte Berechnung durch verschiedene und unterschiedliche Algorithmen Multiple calculation: Mehrere, verschiedene Algorithmen berechnen ein Ergebnis bzw. bestätigen Ergebnisse Repeated messages: Nachrichten werden (auf Anfrage) mehrfach versand Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 19 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 Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 20 Statische Redundanz Multistage TripleModularReduncy (TMR) arrangement Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 21 Dynamische Redundanz N modular standby sparing system Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 22 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? Software kann altern, Zombieprozesse im Speicher Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 23 Exception Handling Fehlerbehandlung an Hand von Exceptions. Vorteile: Voter entfallen in der Software Dezentrale Fehlerbehandlung in einzelnen Routinen (ausfallsicher) Allgemeine Reaktion auf Fehler möglich Nachteile: Dezentrale Fehlerbehandlung behindert Wartbarkeit Setzt korrekt implementierte Routinen voraus (Erschwert die Verifikation des Quellcodes) Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 24 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 Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 25 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 Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 26 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. Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 27 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?) Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 28 Gliederung Motivation Definition: Selbstheilung vs. Fehlertoleranz Formale Methoden Beispiele und Ausblick, Fazit Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 29 Beispiele Grid Computing: IBM Grid Apple Xgrid Intel LESC Sun N1 Grid Engine … Eclipse SDK VisualStudio SDK IBM Trivoli IBM Rejuvention … Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 30 Beispiele RAID Systeme FPGAs Xilinx LoadBalancer Managed Network Cisco Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 31 Realität und Vision – Ausblick Woran wird geforscht: Was ist real: Selbstheilung, angelehnt an Fehlertoleranztechniken Überwachung der Systeme Kooperation mit dem Benutzer, Administrator oder Entwickler Intelligente Integration Kontextbewusstsein Integration bereits auf Compilerebene Interoperable Hardware … Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 32 Fazit Probleme: Vorteile: Geringere Kosten Weniger Ausfälle Einfachere Integration Kaum detaillierte Informationen verfügbar IBM derzeit als de fakto Monopolist Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 33 Literatur Neil Storey: Safety-Critical Computer Systems, Prentice Hall 1996 IBM Research Center: http://www-128.ibm.com/developerworks/autonomic/ Workshop on Selfhealing Systems 2002 Workshop on Selfhealing Systems 2004 Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 34 Fragen ? Vielen Dank für eure Aufmerksamkeit. Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 35 Autonomic Computing The Vision of Autonomic Computing, Watson Research Center, IEEE 2003 Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 36 Speiseplan Palmgarten Guten Appetit. Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 37 Hybride Redundanz N modular redundancy with spares Autonomic/Organic Computing - Thema: Selbstheilung 38
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