[논문 리뷰] Software-Based Fault Recovery via Adaptive Diversity for COTS Multi-Core Processors

Andrea Höller, Tobias Rauter외 3명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 10.

Radiation Effects in Electronics참고 문헌 14인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 COTS 다중코어 프로세서의 영구적 하드웨어 장애를 복구하기 위한 소프트웨어 기반 장애 복구 메커니즘을 제안한다. 이 메커니즘은 적응형 소프트웨어 다양성을 활용하여 고장 난 하드웨어 컴포넌트를 회피함으로써 하드웨어 수정 없이도 장애를 마스킹할 수 있도록 한다. 정적 컴파일 기법(예: 레지스터 전용 컴파일러 플래그)을 통해 런타임에 다양한 소프트웨어 복제본을 동적으로 생성함으로써, 고장 난 하드웨어 요소를 우회할 수 있다.

ABSTRACT

The ever growing demands of embedded systems to satisfy high computing performance and cost efficiency lead to the trend of using commercial off-the-shelf hardware. However, due to their highly integrated design they are becoming increasingly susceptible to hardware errors (e.g. caused by radiation-induced soft-errors or wear-out effects). Since such faults cannot be fully prevented, systems have to cope with their effects. At the same time there is the trend of multi-core processors in embedded systems. Approaches to achieve fault tolerance by using the multiple cores to establish redundancy have been presented in literature. However, typically only homogeneous redundancy techniques are considered to tolerate soft errors. However, there is a lack of appropriate reaction mechanisms for restoring the system in case of permanent hardware faults. Here, we propose the basic idea of enhancing multi-core redundancy techniques with a cost-efficient automated introduction of diversity in the executed software replicas. Recently, these automated software diversity techniques have attracted attention in the security domain. We propose to use these techniques to recover from permanent hardware faults. This is achieved by adapting the software execution in such a way that permanent faults are mitigated.

연구 동기 및 목표

• 안정성에 중요한 임베디드 시스템에서 사용되는 COTS 다중코어 프로세서에서 증가하는 영구적 하드웨어 고장 문제에 대응한다.
• 동일한 복제 구조를 사용하는 다중코어 장애 내성 기법의 한계를 극복하며, 복제된 코어에서 발생하는 영구적 고장을 복구할 수 없다.
• cybersecurity 분야에서 개발된 자동화된 소프트웨어 다각화 기법을 활용해 비용 효율적인 장애 복구를 가능하게 한다.
• 실행 중인 복제 코어에서 감지된 영구적 하드웨어 고장을 우회하기 위해 소프트웨어 실행을 적응적으로 조정하는 런타임 메커니즘을 개발한다.
• 정적 다양성 기법을 사용해 고장을 마스킹하는 소프트웨어 변형을 생성하는 원격 바이너리 생성 프로세스를 도입한다.

제안 방법

• 원격 서버를 활용해 소스 코드 변형 및 컴파일러 플래그 조작(예: -ffixed-reg)과 같은 정적 다양성 기법을 사용해 다양한 소프트웨어 바이너리를 생성한다.
• QEMU 기반 프레임워크를 통해 하드웨어 고장을 시뮬레이션(예: 레지스터, 명령어 디코더, 메모리 고장)하고, 마스킹 커버리지를 평가한다.
• 고장 주입 시뮬레이션의 출력 결과를 고장 없는 하드웨어에서 실행된 골드런 참조 출력과 비교하여 장애 마스킹 확률을 평가한다.
• 특정 하드웨어 고장을 마스킹할 가능성이 가장 높은 바이너리 변형을 선택하고 임베디드 장치로 전송한다.
• 선택된 다양한 바이너리를 다중코어 시스템에 통합하여 고장 난 코어에서의 실행을 대체하거나 재구성한다.
• 내장된 자기 진단 테스트와 복제 기법(예: TMR)을 사용해 고장을 탐지하고, 적응형 다각화 기반 복구 프로세스를 트리거한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자동화된 소프트웨어 다각화 기법이 다중코어 시스템에서 영구적 하드웨어 고장을 복구하는 데 효과적으로 적용될 수 있는가?
• RQ2 레지스터 또는 명령어 디코더 고장과 같은 특정 하드웨어 고장 유형을 마스킹하는 데 가장 효과적인 정적 다양성 기법(예: 컴파일러 플래그, 코드 변형)은 무엇인가?
• RQ3 소프트웨어 기반 고장 주입과 테스트 입력 세트를 사용해 장애 마스킹 확률을 정확하게 추정할 수 있는가?
• RQ4 실시간 임베디드 시스템에 동적 소프트웨어 다각화를 도입할 경우 성능 및 결정성의 상충 관계는 어떻게 발생하는가?
• RQ5 재발하는 고장을 탐지하고 복제 코어에서 실행의 다양성을 적응적으로 조정하여 어떻게 대응할 수 있는가?

주요 결과

• -ffixed-reg 등의 컴파일러 플래그를 사용하면 고장 난 레지스터의 사용을 효과적으로 피할 수 있으며, 이는 레지스터 수준의 하드웨어 고장을 마스킹하는 바이너리 생성에 기여한다.
• QEMU 기반 프레임워크를 통한 고장 주입은 소프트웨어 바이너리에 하드웨어 고장을 시뮬레이션함으로써 장애 마스킹 커버리지의 정확한 추정을 가능하게 한다.
• 골드런 참조 출력과 일치하는 테스트 입력의 비율은 고장 없는 하드웨어에서의 출력과 비교했을 때 장애 마스킹 확률에 대한 신뢰할 수 있는 근사치를 제공한다.
• 정적 다양성 기법을 고장 주입 및 확률적 평가와 결합하면 알려진 영구적 하드웨어 고장을 우회하는 소프트웨어 변형을 생성할 수 있다.
• 이러한 접근 방식은 하드웨어 수정 없이도 영구적 고장을 복구할 수 있으며, 전통적인 장애 내성 기법에 비해 저비용 대안을 제공한다.
• 자동화된 소프트웨어 다각화를 다중코어 복제 시스템에 통합하면 임베디드 응용 분야에서 시스템 가용성을 향상시키는 실현 가능한 길이 된다.