[논문 리뷰] Inherent Diversity in Replicated Architectures

Peter Okech, Nicholas McGuire외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 07.

Distributed systems and fault tolerance참고 문헌 11인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 현대 하드웨어/소프트웨어 실행 플랫폼에서의 본질적 비결정성—특히 커널 수준의 실행 경로에서—를 활용하여 복제 아키텍처에서 런타임 다양성을 생성할 수 있음을 보여준다. 동일한 프로그램을 반복적이고 병렬적으로 실행할 때 커널 실행 경로를 추적한 결과, 측정 가능한 경로 변동성이 존재함을 입증하였으며, 이는 잔류하는 운영체제 결함이 드물게 실행되는 경로에 존재하더라도, 2-out-of-2 중복을 통해 안전성 기반 시스템에서 결함 탐지가 가능함을 시사한다.

ABSTRACT

In this paper, we report our ongoing investigations of the inherent non-determinism in contemporary execution environments that can potentially lead to divergence in state of a multi-channel hardware/software system. Our approach involved setting up of experiments to study execution path variability of a simple program by tracing its execution at the kernel level. In the first of the two experiments, we analyzed the execution path by repeated execution of the program. In the second, we executed in parallel two instances of the same program, each pinned to a separate processor core. Our results show that for a program executing in a contemporary hardware/software platform , there is sufcient path non-determinism in kernel space that can potentially lead to diversity in replicated architectures. We believe the execution non-determinism can impact the activation of residual systematic faults in software. If this is true, then the inherent diversity can be used together with architectural means to protect safety related systems against residual systematic faults in the operating systems.

연구 동기 및 목표

• 현대 하드웨어/소프트웨어 플랫폼에서의 본질적 비결정성이 복제 시스템에서 런타임 다양성을 생성할 수 있는지 조사하기.
• 이 다양성이 운영체제의 잔류 체계적 결함을 탐지하는 아키텍처적 수단으로서의 잠재력을 평가하기.
• 커널 영역의 경로 변동성이 애플리케이션 또는 운영체제 변경 없이 안전성 관련 시스템의 결함 내성 향상에 활용될 수 있는지 평가하기.
• 동일한 프로그램 인스턴스가 별도의 코어에서 병렬 실행될 때 실행 경로의 분리 현상이 2-out-of-2 구성에서 결함 탐지에 사용될 수 있는지 검증하기.
• 복잡한 플랫폼에서의 비결정성이 비정상 경로 결함에 대해 결함 커버리지 확보에 활용될 수 있음을 경험적으로 입증하기, 특히 운영체제 코드의 드문 경로 결함에 초점 맞추기.

제안 방법

• 프로그램 실행 중 실행 경로를 관찰하기 위해 동적 프로그램 분석을 활용해 커널 수준의 시스템 호출을 추적하였다.
• 동일한 입력 조건에서 간단한 프로그램을 반복 루프로 실행하여 커널 영역에서의 경로 변동성을 분석하였다.
• 이중 코어 시스템에서 두 동일한 프로그램 인스턴스를 별도의 프로세서 코어에 고정하여 병렬 실행 중 커널 실행 경로를 비교하였다.
• 추적 데이터를 활용해 다수의 실행 및 병렬 인스턴스 간 실행 경로를 비교하고, 경로 선택의 분리 현상을 식별하였다.
• 경로 빈도를 분석하고 드문 경로를 잔류 체계적 결함이 발생할 가능성이 높은 위치로 식별하였다.
• 경로 선택의 독립성을 가정하고, 경로 다양성 기반의 2-out-of-2 결함 탐지 모델을 제안하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 현대 플랫폼에서 동일한 프로그램을 반복 실행할 때 커널 수준의 실행 경로 선택이 얼마나 변동되는가?
• RQ2 동일한 프로그램이 별도의 코어에서 병렬 실행될 경우 경로 변동성은 어떻게 나타나는가?
• RQ3 관측된 커널 실행 경로의 비결정성이 복제 아키텍처에서 효과적인 다양성을 생성하는 데 사용될 수 있는가?
• RQ4 두 레플리카가 동일한 드문 결함 경로를 선택할 확률이 2-out-of-2 구성에서 결함 탐지에 유용할 정도로 낮은가?
• RQ5 본질적 실행 비결정성이 안전성 기반 시스템에서 잔류 결함을 탐지하는 실현 가능한 아키텍처 수단이 될 수 있는가?

주요 결과

• 동일한 프로그램을 현대 플랫폼에서 반복 실행할 경우, 동일한 입력 조건에서도 커널 수준의 실행 경로에 측정 가능한 변동성이 존재한다.
• 동일한 프로그램의 두 인스턴스가 별도의 코어에서 병렬 실행될 경우, 그들의 커널 실행 경로가 상당히 분리되며, 이는 본질적 비결정성을 시사한다.
• 실행 경로의 비결정성은 캐싱, 분기 예측, 스케줄링 등을 포함한 현대 하드웨어 및 소프트웨어 스택 간 복잡한 상호작용 때문임을 밝혔다.
• 두 레플리카가 동일한 드문 결함 경로를 선택할 확률이 낮아, 본질적 다양성을 활용한 2-out-of-2 결함 탐지의 실현 가능성이 높아진다.
• 드물게 실행되는 경로에 존재하는 잔류 체계적 결함은 서로 다른 레플리카에서 독립적으로 활성화될 가능성이 높으며, 비교를 통해 탐지 가능하다.
• 본질적 비결정성에서 유래하는 다양성이 안전성 기반 시스템에서 아키텍처 수준의 결함 탐지 메커니즘으로 활용될 수 있음을 연구가 확인하였다.