phd thesis: the algorithms for protection of operating systems with special emphasis on the neutron...

The Algorithms for Protection of Operating Systemswith Special Emphasis on the Neutron Radiation

Algorytmy ochrony systemów operacyjnych ze

szczególnym uwzględnieniem wpływu promieniowania

neutronowego

Bartłomiej Świercz

promotor: prof. dr hab. inż. Andrzej Napieralski

Katedra Mikroelektroniki i Technik InformatycznychPolitechnika Łódzka

Łódź, 27.10.2008

Plan prezentacji

Projekt CARE i współpraca z ośrodkiem DESY

Wpływ promieniowania neutronowego na systemy komputerowe

Cel, założenia i tezy pracy doktorskiej

Wykonane badania i opracowane oprogramowanie

Algorytm ochrony systemów operacyjnych przed błędamipojedynczymi

Podsumowanie wykonanych prac i wnioski

Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 2 / 34

Projekt CARE

X–FEL

FLASH


Akcelerator X-FEL i FLASH


Tunel akceleratora X-FEL i FLASH

Promieniowanie neutronowe

Promieniowanie gamma


Wpływ promieniowania neutronowego na tranzystor MOS

Neutron jest obojętnyelektrycznie

Reakcja jądrowa (n, α)

Cząstka α (He++) o dużejenergii LET

Oddziaływanie poprzez jonizację

Błędy pojedyncze = Single Event Upsets (SEU)


Błędy SEU w pamięci SRAM

VDD

BL

WL

VDD

WL

BL

M1M2

M3 M4

M5M6

"off

SEU strike Rejestry procesora

Pamięć podręczna (cache)

Bufory

Vnode [V]

Time [s]

Initial

value

Error occurs

SEU strike0

SEU

V1 V2

V1 V2

Regeneration

Feedback


Błędy SEU w pamięci DRAM

Column

Row

Sensitive node

T

C

Pamięć główna komputera

Bufory dużej wielkości

Vnode [V]

Time [s]

Initial

value

Noise margin

Error occurs

SEU strike0

N+

P substrate

C

SEU


Propagacja błędów SEU w układach

cout

cin

x

y s

SEU

Propagacja błędów = Single Event Transient


Ochrona przed błędami pojedynczymi

Ochrona sprzętowa

Elementy i układy półprzewodnikowe projektowane w technologiirad-hard (dedykowany proces technologiczny)

Redundancja sprzętowa

Izolacja systemów elektronicznych od źródła promieniowania zapomocą przegród betonowych lub ołowianych

Ochrona programowa

Projektowanie oprogramowania z uwzględnieniem błędówsprzętowych:algorytmy SIHFT (Software Implemented Hardware Fault Tolerance)kody detekcji i korekcji błędów EDAC (Error Detection and Correction)wykrywanie błędów poprzez zmianę obliczeń algorytmicznych(Algorithm Based Fault Tolerance)

Dedykowane kompilatory i biblioteki automatyzujące proces


Izolacja źródła promieniowania


Cel i założenia przeprowadzonych badań

Opracowanie programowych metod ochrony systemówkomputerowych przed błędami pojedynczymi

Zastosowanie systemów komputerowych zbudowanych zestandardowych i powszechnie dostępnych elementów (COTS)

Przeźroczyste dla aplikacji algorytmy ochrony

Algorytmy ochrony przed błędami realizowane na poziome systemuoperacyjnego


Tezy pracy (1/2)

Teza I w języku angielskim:

The implementation of the memory error detection algorithms at theoperating systems kernel level allows to protect commonly used computersystems against Single Event Upsets generated by the neutron radiation

Teza I w języku polskim:

Implementacja algorytmów wykrywających błędy w pamięci na poziomiejądra systemu operacyjnego pozwala na ochronę powszechnie stosowanychsystemów komputerowych przed błędami pojedynczymi powstającymi naskutek oddziaływania promieniowania neutronowego


Tezy pracy (2/2)

Teza II w języku angielskim:

The exploitation of interrupts generated by the computer system’s memorymanagement unit allows for a transparent protection of applicationsagainst Single Event Upsets

Teza II w języku polskim:

Wykorzystanie przerwań generowanych przez jednostkę zarządzaniapamięcią w systemach komputerowych pozwala na przeźroczystą ochronęaplikacji przed błędami pojedynczymi


System operacyjny sCore

Architektura wzorowana namikrojądrze

Zastosowanie języka C++ imechanizmów generycznych

Wielozadaniowość zwywłaszczaniem

Planista typu Round–Robin

Dwie wersje: pamięć płaska ipamięć wirtualna

Wsparcie dla architektury IA–32


Algorytm EDAC Task

Asynchroniczny wąteksystemowy

Ochrona danych tylko doodczytu

Zaimplementowany w jądrzesystemu sCore


Eksperyment z izotopem 241AmBe

AmBe

Moderator

sCore


Wyniki eksperymentu

Eksperyment trwał 18godzin

9 wykrytych iskorygowanych błędówSEU

1 błąd nie wykryty


Eksperyment w tunelu Linac II


Komputer w tunelu Linac II


Wyniki eksperymentu

Eksperyment trwał 23godziny


42 błędy nie wykryte

116585 nie obsłużonychprzerwań

5 restartów systemu (3wykonane przezwatchdog)


Algorytmy skanujące aktywnie pamięć — podsumowanie

Zalety

Prosta zasada działania

Łatwa implementacja w systemie

Wady

Niska skuteczność

Ochrona danych tylko do odczytu

Asynchroniczny tryb pracy

Mała skalowalność


Algorytm IDI

Schemat blokowy algorytmu IDI (Interrupt Driven Immunity)wykorzystującego jednostkę zarządzania pamięcią MMU (Memory

Management Unit)


Komputer przemysłowy typu PC–104


Komputer przemysłowy w tunelu Linac II


Wyniki eksperymentu

Eksperyment trwał 14dni i 8 godzin


0 błędów nie wykrytych

0 nie obsłużonychprzerwań

0 restartów systemu


Wydajność algorytmu IDI


Algorytm IDI — podsumowanie

Zalety

Przejrzysta zasada działania

Ochrona danych do odczytu i do zapisu

Synchroniczny tryb działania względem odwołań do pamięci

Wysoka skuteczność

Duża wydajność

Elastyczność i skalowalność

Wady

Skomplikowana implementacja w jądrze systemu operacyjnego


Wnioski wynikające z przeprowadzonych badań

Możliwa jest skuteczna ochrona przed błędami pojedynczymi powszechniedostępnych systemów komputerowych za pomocą programowychalgorytmów ochrony pamięci — dowód tezy I

Niestandardowa konfiguracja i wykorzystanie jednostki zarządzaniapamięcią (MMU) pozwoliło na przeźroczystą ochronę aplikacji przedbłędami pojedynczymi — dowód tezy II

Unikalne właściwości opracowanego algorytmu IDI pozwalają na jegozastosowanie w urządzeniach narażonych na występowanie błędówpojedynczych w pamięci (eksperymenty fizyczne, urządzenia lotnicze imedyczne)


Możliwe zastosowania opracowanego algorytmu

Satelity i stacje kosmiczne



Samoloty pasażerskie



W 2000 roku magazyn Forbes pisze:

It’s ridiculous. I’ve got a $300,000

server that doesn’t work. The thing

should be bullet-proof.

A firma Cisco twierdzi, że:

All future designs that require

highest availability must counter

unavoidable SEUs.


Podsumowanie przeprowadzonych prac

Opracowanie jądra systemu operacyjnego sCore

Napisanie autorskiego symulatora IARadSim

Implementacja w jądrze sCore algorytmu EDAC Task

Opracowanie i implementacja w jądrze sCore autorskiego algorytmuInterrupt Driven Immunity (IDI)

Przeprowadzenie szeregu symulacji i badań z wykorzystaniemIARadSim, izotopu 241AmBe oraz wewnątrz tunelu akceleratoraLinac II, wykonanie stanowiska badawczego

Autor lub współautor 18 artykułów z prezentowanej tematykiBest Paper Award — Mixdes 2006Distinguished Paper Award — OWD 2007

Przyznany został grant promotorski nr N515 011 31/0369


Dziękuję za uwagę

phd thesis: the algorithms for protection of operating systems with special emphasis on the neutron...

Education

p publiczna obrona doktoratu

p publiczna obrona doktoratud

wnioskibartomiej wiercz

flashbartomiej wiercz

ppubliczna obrona doktoratud

p substrate

w jzyku polskim

w jzyku angielskim