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Replication of non-deterministic objects
This thesis discusses replication of non-deterministic objects in distributed systems to achieve fault tolerance against crash failures. The objects replicated are the virtual nodes of a distributed application. Replication is viewed as an issue that is to be dealt with only during the configuration of a distributed application and that should not affect the development of the application. Hence, replication of virtual nodes should be transparent to the application. Like all measures to achieve fault tolerance, replication introduces redundancy in the system. Not surprisingly, the main difficulty is guaranteeing the consistency of all replicas such that they behave in the same way as if the object was not replicated (replication transparency). This is further complicated if active objects (like virtual nodes) are replicated, and these objects themselves can be clients of still further objects in the distributed application. The problems of replication of active non-deterministic objects are analyzed in the context of distributed Ada 95 applications. The ISO standard for Ada 95 defines a model for distributed execution based on remote procedure calls (RPC). Virtual nodes in Ada 95 use this as their sole communication paradigm, but they may contain tasks to execute activities concurrently, thus making the execution potentially non-deterministic due to implicit timing dependencies. Such non-determinism cannot be avoided by choosing deterministic tasking policies. I present two different approaches to maintain replica consistency despite this non-determinism. In a first approach, I consider the run-time support of Ada 95 as a black box (except for the part handling remote communications). This corresponds to a non-deterministic computation model. I show that replication of non-deterministic virtual nodes requires that remote procedure calls are implemented as nested transactions. Unfortunately, effects of failures are not local to the replicas of a virtual node: when a failure occurs, nested remote calls made to other virtual nodes must be undone. Also, using transactional semantics for RPCs necessitates a compromise regarding transparency: the application must identify global state for it cannot be determined reliably in an automatic way. Further study reveals that this approach cannot be implemented in a transparent way at all because the consistency criterion of Ada 95 (linearizability) is much weaker than that of transactions (serializability). An execution of remote procedure calls as transactions may thus lead to incompatibilities with the semantics of the programming language. If remotely called subprograms on a replicated virtual node perform partial operations, i.e., entry calls on global protected objects, deadlocks that cannot be broken can occur in certain cases. Such deadlocks do not occur when the virtual node is not replicated. The transactional semantics of RPCs must therefore be exposed to the application. A second approach is based on a piecewise deterministic computation model, i.e., the execution of a virtual node is seen as a sequence of deterministic state intervals. Whenever a non-deterministic event occurs, a new state interval is started. I study replica organization under this computation model (semi-active replication). In this model, all non-deterministic decisions are made on one distinguished replica (the leader), while all other replicas (the followers) are forced to follow the same sequence of non-deterministic events. I show that it suffices to synchronize the followers with the leader upon each observable event, i.e., when the leader sends a message to some other virtual node. It is not necessary to synchronize upon each and every non-deterministic event — which would incur a prohibitively high overhead. Non-deterministic events occurring on the leader between observable events are logged and sent to the followers just before the leader executes an observable event. Consequently, it is guaranteed that the followers will reach the same state as the leader, and thus the effects of failures remain mostly local to the replicas. A prototype implementation called RAPIDS (Replicated Ada Partitions In Distributed Systems) serves as a proof of concept for this second approach, demonstrating its feasibility. RAPIDS is an Ada 95 implementation of a replication manager for semi-active replication for the GNAT development system for Ada 95. It is entirely contained within the run-time support and hence largely transparent for the application
Tolerância a falhas em sistemas de comunicação de tempo-real flexíveis
Nas últimas décadas, os sistemas embutidos distribuídos, têm sido usados em
variados domínios de aplicação, desde o controlo de processos industriais até
ao controlo de aviões e automóveis, sendo expectável que esta tendência se
mantenha e até se intensifique durante os próximos anos.
Os requisitos de confiabilidade de algumas destas aplicações são
extremamente importantes, visto que o não cumprimento de serviços de uma
forma previsível e pontual pode causar graves danos económicos ou até pôr
em risco vidas humanas.
A adopção das melhores práticas de projecto no desenvolvimento destes
sistemas não elimina, por si só, a ocorrência de falhas causadas pelo
comportamento não determinístico do ambiente onde o sistema embutido
distribuído operará. Desta forma, é necessário incluir mecanismos de
tolerância a falhas que impeçam que eventuais falhas possam comprometer
todo o sistema.
Contudo, para serem eficazes, os mecanismos de tolerância a falhas
necessitam ter conhecimento a priori do comportamento correcto do sistema
de modo a poderem ser capazes de distinguir os modos correctos de
funcionamento dos incorrectos.
Tradicionalmente, quando se projectam mecanismos de tolerância a falhas, o
conhecimento a priori significa que todos os possíveis modos de
funcionamento são conhecidos na fase de projecto, não os podendo adaptar
nem fazer evoluir durante a operação do sistema. Como consequência, os
sistemas projectados de acordo com este princípio ou são completamente
estáticos ou permitem apenas um pequeno número de modos de operação.
Contudo, é desejável que os sistemas disponham de alguma flexibilidade de
modo a suportarem a evolução dos requisitos durante a fase de operação,
simplificar a manutenção e reparação, bem como melhorar a eficiência usando
apenas os recursos do sistema que são efectivamente necessários em cada
instante. Além disto, esta eficiência pode ter um impacto positivo no custo do
sistema, em virtude deste poder disponibilizar mais funcionalidades com o
mesmo custo ou a mesma funcionalidade a um menor custo.
Porém, flexibilidade e confiabilidade têm sido encarados como conceitos
conflituais.
Isto deve-se ao facto de flexibilidade implicar a capacidade de permitir a
evolução dos requisitos que, por sua vez, podem levar a cenários de operação
imprevisíveis e possivelmente inseguros. Desta fora, é comummente aceite
que apenas um sistema completamente estático pode ser tornado confiável, o
que significa que todos os aspectos operacionais têm de ser completamente
definidos durante a fase de projecto.
Num sentido lato, esta constatação é verdadeira. Contudo, se os modos como
o sistema se adapta a requisitos evolutivos puderem ser restringidos e
controlados, então talvez seja possível garantir a confiabilidade permanente
apesar das alterações aos requisitos durante a fase de operação.
A tese suportada por esta dissertação defende que é possível flexibilizar um
sistema, dentro de limites bem definidos, sem comprometer a sua
confiabilidade e propõe alguns mecanismos que permitem a construção de
sistemas de segurança crítica baseados no protocolo Controller Area Network
(CAN). Mais concretamente, o foco principal deste trabalho incide sobre o
protocolo Flexible Time-Triggered CAN (FTT-CAN), que foi especialmente
desenvolvido para disponibilizar um grande nível de flexibilidade operacional
combinando, não só as vantagens dos paradigmas de transmissão de
mensagens baseados em eventos e em tempo, mas também a flexibilidade
associada ao escalonamento dinâmico do tráfego cuja transmissão é
despoletada apenas pela evolução do tempo.
Este facto condiciona e torna mais complexo o desenvolvimento de
mecanismos de tolerância a falhas para FTT-CAN do que para outros
protocolos como por exemplo, TTCAN ou FlexRay, nos quais existe um
conhecimento estático, antecipado e comum a todos os nodos, do
escalonamento de mensagens cuja transmissão é despoletada pela evolução
do tempo.
Contudo, e apesar desta complexidade adicional, este trabalho demonstra que
é possível construir mecanismos de tolerância a falhas para FTT-CAN
preservando a sua flexibilidade operacional.
É também defendido nesta dissertação que um sistema baseado no protocolo
FTT-CAN e equipado com os mecanismos de tolerância a falhas propostos é
passível de ser usado em aplicações de segurança crítica.
Esta afirmação é suportada, no âmbito do protocolo FTT-CAN, através da
definição de uma arquitectura tolerante a falhas integrando nodos com modos
de falha tipo falha-silêncio e nodos mestre replicados.
Os vários problemas resultantes da replicação dos nodos mestre são, também
eles, analisados e várias soluções são propostas para os obviar.
Concretamente, é proposto um protocolo que garante a consistência das
estruturas de dados replicadas a quando da sua actualização e um outro
protocolo que permite a transferência dessas estruturas de dados para um
nodo mestre que se encontre não sincronizado com os restantes depois de
inicializado ou reinicializado de modo assíncrono.
Além disto, esta dissertação também discute o projecto de nodos FTT-CAN
que exibam um modo de falha do tipo falha-silêncio e propõe duas soluções
baseadas em componentes de hardware localizados no interface de rede de
cada nodo, para resolver este problema. Uma das soluções propostas baseiase
em bus guardians que permitem a imposição de comportamento falhasilêncio
nos nodos escravos e suportam o escalonamento dinâmico de tráfego
na rede. A outra solução baseia-se num interface de rede que arbitra o acesso
de dois microprocessadores ao barramento. Este interface permite que a
replicação interna de um nodo seja efectuada de forma transparente e
assegura um comportamento falha-silêncio quer no domínio temporal quer no
domínio do valor ao permitir transmissões do nodo apenas quando ambas as
réplicas coincidam no conteúdo das mensagens e nos instantes de
transmissão. Esta última solução está mais adaptada para ser usada nos
nodos mestre, contudo também poderá ser usada nos nodos escravo, sempre
que tal se revele fundamental.Distributed embedded systems (DES) have been widely used in the last few
decades in several application fields, ranging from industrial process control to
avionics and automotive systems. In fact, it is expectable that this trend will
continue over the years to come.
In some of these application domains the dependability requirements are of
utmost importance since failing to provide services in a timely and predictable
manner may cause important economic losses or even put human life in risk.
The adoption of the best practices in the design of distributed embedded
systems does not fully avoid the occurrence of faults, arising from the nondeterministic
behavior of the environment where each particular DES operates.
Thus, fault-tolerance mechanisms need to be included in the DES to prevent
possible faults leading to system failure.
To be effective, fault-tolerance mechanisms require an a priori knowledge of
the correct system behavior to be capable of distinguishing them from the
erroneous ones.
Traditionally, when designing fault-tolerance mechanisms, the a priori
knowledge means that all possible operational modes are known at system
design time and cannot adapt nor evolve during runtime. As a consequence,
systems designed according to this principle are either fully static or allow a
small number of operational modes only. Flexibility, however, is a desired
property in a system in order to support evolving requirements, simplify
maintenance and repair, and improve the efficiency in using system resources
by using only the resources that are effectively required at each instant. This
efficiency might impact positively on the system cost because with the same
resources one can add more functionality or one can offer the same
functionality with fewer resources.
However, flexibility and dependability are often regarded as conflicting
concepts. This is so because flexibility implies the ability to deal with evolving
requirements that, in turn, can lead to unpredictable and possibly unsafe
operating scenarios. Therefore, it is commonly accepted that only a fully static
system can be made dependable, meaning that all operating conditions are
completely defined at pre-runtime.
In the broad sense and assuming unbounded flexibility this assessment is true,
but if one restricts and controls the ways the system could adapt to evolving
requirements, then it might be possible to enforce continuous dependability.
This thesis claims that it is possible to provide a bounded degree of flexibility
without compromising dependability and proposes some mechanisms to build
safety-critical systems based on the Controller Area Network (CAN).
In particular, the main focus of this work is the Flexible Time-Triggered CAN
protocol (FTT-CAN), which was specifically developed to provide such high
level of operational flexibility, not only combining the advantages of time- and
event-triggered paradigms but also providing flexibility to the time-triggered
traffic. This fact makes the development of fault-tolerant mechanisms more
complex in FTT-CAN than in other protocols, such as TTCAN or FlexRay, in
which there is a priori static common knowledge of the time-triggered message
schedule shared by all nodes. Nevertheless, as it is demonstrated in this work,
it is possible to build fault-tolerant mechanisms for FTT-CAN that preserve its
high level of operational flexibility, particularly concerning the time-triggered
traffic. With such mechanisms it is argued that FTT-CAN is suitable for safetycritical
applications, too.
This claim was validated in the scope of the FTT-CAN protocol by presenting a
fault-tolerant system architecture with replicated masters and fail-silent nodes.
The specific problems and mechanisms related with master replication,
particularly a protocol to enforce consistency during updates of replicated data
structures and another protocol to transfer these data structures to an
unsynchronized node upon asynchronous startup or restart, are also
addressed.
Moreover, this thesis also discusses the implementations of fail-silence in FTTCAN
nodes and proposes two solutions, both based on hardware components
that are attached to the node network interface. One solution relies on bus
guardians that allow enforcing fail-silence in the time domain. These bus
guardians are adapted to support dynamic traffic scheduling and are fit for use
in FTT-CAN slave nodes, only. The other solution relies on a special network
interface, with duplicated microprocessor interface, that supports internal
replication of the node, transparently. In this case, fail-silence can be assured
both in the time and value domain since transmissions are carried out only if
both internal nodes agree on the transmission instant and message contents.
This solution is well adapted for use in the masters but it can also be used, if
desired, in slave nodes