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    容错技术介绍

    常见的增强鲁棒性机制的介绍一起其他比较有效地系统检测缺陷方法。下载本文PDF文档
    容错的目标是降低或者最小化故障对系统可用性、可靠性、安全性、持续性等得影响。在软件容错中,常常使用fault(缺陷),error(错误),failure(故障)来表示系统异常的由来。系统缺陷在某种特定环境下被激活,到至系统产生错误,系统错误运行是的是的系统发生某种故障。

    常见方法

    容错按系统级别划分,分为三个级别,硬件容错、软件容错以及系统容错。硬件容错常用的方法包括使用冗余、多备份技术、增加内存、能源系统冗余等。硬件错误通常能够够在两个物理机上进行隔离处理。软件容错主要是正对软件的鲁棒性特征进行增强。常见的方法有checkpoint/restart,recovery blocks,N-Version Programs等。对于系统容错,设计一个独立与目标系统的子系统,通过定义定义规则来容忍系统缺陷。对缺陷的处理,有以下几类技术:

    1. 使用缺陷避免技术来避一些错误。使用成熟的设计方法论、验证以及确认方法论、代码检查、上线前的演练等。
    2. 在可能会存在的缺陷时,可以选择缺陷移除技术,例如测试、集成测试、回归测试、背靠背测试等;
    3. 或者是在遭遇错误是,缺陷回避的方式,是的潜在的缺陷不会被激活。常见技术是通过重新配置系统来达到避免的目标;
    4. 缺陷容忍技术,系统能够对缺陷进行侦测、诊断、孤立、覆盖、不错、以及系统恢复。使用以上多种技术混合。

     

    常见的机遇鲁棒性的方法

    1. Process Pairs

    Pocess Pairs:保证系统在某一个时候总能有一个进程来处理客户的输入请求。他能处理短暂的软件错误。

    框架代码如下:

        //create shadow process; primary return
        int ft = backup();//server process. 
        ...
        forever{
            wait_for_request(Request);
            process_request(Request);
        }

    backup()实现如下:

        int backup(){
            int ret, restarts = 0;//count number of child procs
            for(;;restarts++){
                ret = fork();//clone process
                if(ret == 0){//child?
                    return restarts;
                }
                while(ret != waitpid(ret,0,0))
                    ;//parent waits for child to terminate
            }
        }

    2. Graceful Degradation

    在系统遭遇某个错误不能提供完整功能,系统可以降低自己服务能力。

    上述backup()方法中while循环中waitpid需要等待到child创建成功??赡苡涝恫换岢晒?,需要改进。

    backup()实现如下:代码增加了line 6,7

        int backup(){
            int ret, restarts = 0;//count number of child procs
            for(;;restarts++){
                ret = fork();//clone process
                if(ret < 0 ){
                    log("backup:    ....");
                    return -1;//即便fork不成功,也可以返回
                }
                if(ret == 0){//child?
                    return restarts;
                }
                while(ret != waitpid(ret,0,0))
                    ;//parent waits for child to terminate
            }
        }

    3. Selective Retry

    重复调用仅当有机会重试成功。例如,内存短缺消失;主要针对突然地高负载资源短缺。它能够增加资源分配成功的可能性

    代码如下:

        //create backup process; primary return
        int ft = backup();//server process. 
        ...
        forever{
            //可能成功,如果条件应许。不成功,继续forever
            if(ft < 0 ){ ft = backup();}//可能死循环;状态一直打断。
            wait_for_request(Request);
            process_request(Request);
        }

    4. State Handling

    在系统不能提供服务后,又要保证client的无状态属性。服务端需要持续保存当前的状态,用于故障后的重试。

        //create backup process; primary return
        int ft = backup();//server process. 
        ...
        forever{
            wait_for_request(Request);
            get_session_state(Request);
            if(num_retries < N){//定义重复次数
                process_request(Request);
                store_session_state(Request);
            }else{
                return_error();
            }
            
        }

    5. Linking Process

    有些程序进程见是相互以来的,如果某个进程出错,其他以来的进程需要侦测到错误,明确做相应的处理,通常为结束全部依赖进程。

        int fd[2];//pipe fd 管道技术
        int backup(){
            ...
            pipe(fd);
            ret = fork();
            if(ret == 0){
                close(fd[1]);//写端
                return restarts++;
            }//parent closes other end
            close(fd[0]);//读端
        }

    6. Rejuvenation

    Rejuvenation常用于不可重现得一些问题,比如资源耗尽,线程间的不同调度等。通常是使用以下几类,1. 周期性,如每周星期天4am;2.基于负载,如没10000个请求后;3. 预测式,在线监控系统可能预测之后某个时候可能会有crash,提前干预。

        int ft = backup();//server process. 
        ...
        for(i = 0; i < N || ft <0; ++i){
            if(ft < 0 ){ 
                ft = backup(); 
                if ( ft >= 0 ) i = 0;//reset index
            }
            wait_for_request(Request);
            process_request(Request);
        }

    7. Checkpointing

    周期性的保存进程的状态。如果需要crash错误,回滚到最近保存的状态。

    代码如下:

        pid grandparent = getpid();//after two forks
        ...
        //Simple Verision: for N requests
        for(int nxt_ckpt = 0;;nxt_ckpt--){
            if(nxt_ckpt <= 0){
                pid parent = getpid();
                if(backup() >= 0 && grandparent != parent){//fork sucessful and not first fork
                    kill(grandparent,KILL);
                    grandparent = parent;
                    nxt_ckpt = N;
                }
            }
            wait_for_request(Request);
            process_request(Request);
        }

    backup()同上:

        int backup(){
            int ret, restarts = 0;//count number of child procs
            for(;;restarts++){
                ret = fork();//clone process
                if(ret < 0 ){
                    log("backup:    ....");
                    return -1;//即便fork不成功,也可以返回
                }
                if(ret == 0){//child?
                    return restarts;
                }
                while(ret != waitpid(ret,0,0))//死循环
                    ;//fork新的child如果当前child已经crashed了。
            }
        }

    8. Update Lost

    在两个checkpoint点之间系统故障,需要保存客户请求。在rollback的时候重新处理这些请求。

        request_no = 0;
        ...
        for(int nxt_ckpt = 0;;nxt_ckpt--){
            //周期校检,如果校检点不是最新状态
            if(checkpoint(&nxt_ckpt) == RECOVERY){
                //处理log
                while((request_no+1,R) in log){
                    process_request(R);
                    request_no++;
                }
            }
            wait_for_request(Request);
            log_to_disk(++request_no,Request);//保存所有请求
            pocess_request(Request);
        }

    9. Application State Scrubbing

    系统状态的保证可以通过checkpoint以及logging的方式,但是在对特定的运用是,就需要应用自身能保存并回滚状态。

    代码如下:

        int ft = backup();
        restore_application_state();//child读最新的校检点
        ...
        for(int nxt_scrub = N;;nxt_scrub--){
            //周期处理 after N request 
            ...
            //only if child process
            if(nxt_scrub <= 0 && ft >= 0){
                if(save_application_state() >= 0){
                    exit(0);
                }
            }
            wait_for_request(Request);
            pocess_request(Request);
        }

    10. Process Pools

    主要针对资源漏洞的问题,在N个请求后,结束进程。操作系统释放所有进程资源?;蛘呤褂米试丛し峙浼际?,按照经验设定好某些请求资源的需求量,当侦测到程序需要求是,分配资源。

    11. Recovery Block

    框架结构如下:

        ensure { postcondition} by
            {primary alternative}
            else by {2nd alternative}
            else by {3rd alternative}
            ...
            else by {final alternative}
            else error;

    比如一个处理数组排序:

        ensure { A.sort()} by //检查A是否已经排序完成
            {A.my_new_quick_sort();}
            else by {A.simple_bubble_sort();}//老式但是鲁棒性的方法
            else throw exception;//如果所有方法都不满足,抛出异常

    代码实现如下:

        forever{
            if(! alternative_left()){
                throw exception;
            }
            /*
            生成一个child执行下一个替代方法。
            */
            backup(parent);
            set_watchdog(timeout);//watchdog处理性能故障
            execute next alternative;
            
            /*
            替代方法执行成功,满足判断条件,结束父进程,返回
            */
            if(postcondition()){
                reset_watchdog();//成功后重置watchdog
                parent.terminate();
                return ;
            }
            exit(0)
        }

    12. Microreboot

    通过解耦系统组件,使得系统在遭遇故障时,组需要重启需要的组件,而不必重启整个系统。

    核心是组件和数据分离。数据的处理通过持久化存储的方式保证一致。

    13. State Correction

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