符合生存性的协同检查点技术研究与实现

论文摘要

大量实时系统作为安全关键实时系统的核心在运行着。在攻击、错误和失效影响下,系统已经不能保持完整的正常工作能力,生存性研究的目的就是保存受危害的信息,维护重要和关键服务。要对系统的生存性进行评估,必须首先定义系统对同一要求提供不同形式的替换服务集,对关键服务和一般服务给予不同级别的保护。其次对其提供的服务进行分析,量化服务的特征和可用性概率。必须保证实时系统高度的可靠性和严格的时间确定性。实时调度算法与检查点(checkpoint)的结合是实现系统容错的重要支撑机制。利用检查点能缩短恢复过程,提高可用性。通常检查点的实现,分为系统级和应用级,并各有其优点和缺点。但大多数研究对系统的故障概率分布的假设不一定符合实际情况。本文首先对生存性研究,实时容错调度算法,检查点技术研究的现状进行综述。分析了系统级和用户级检查点的优点和缺点,介绍了结合两者优点的协同检查点算法。然后对协同检查点进行了实时容错调度的研究,分析了检查点和任务集的可调度性之间的约束条件,以符合生存性要求,帮助系统在不同性能情况下选择适合的检查点策略。最后在BLCR基础上设计并实现了协同检查点系统。系统由系统级模块、用户界面模块和系统性能监控预测模块构成,能根据当前性能和失效情况决定是否执行协同检查点。在linux环境下进行了实验模拟。实验结果显示,协同检查点减少了检查点的执行个数,但取得了和周期检查点类似的效果。因此减少了检查点开销,提高了系统的实时容错能力。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 引言
• 1.2 研究现状
• 1.3 本文的主要工作
• 1.4 论文结构
• 第二章 生存性与实时容错技术概述
• 2.1 生存性研究概述
• 2.1.1 生存性定义
• 2.1.2 系统生存性分析
• 2.1.3 生存性对服务的要求
• 2.2 实时系统概述
• 2.2.1 实时系统特性
• 2.2.2 实时系统生存性技术
• 2.2.2.1 软件容错技术
• 2.2.2.2 系统级容错技术
• 2.2.3 检查点实时容错调度
• 2.3 失效分布对检查点的影响
• 2.3.1 缺陷，错误，失效及其关系
• 2.3.2 具体环境下失效的分析
• 2.4 小结
• 第三章 容错检查点技术研究
• 3.1 单机检查点分类
• 3.2 检查点的内部实现机制
• 3.2.1 用户级检查点
• 3.2.2 系统级检查点
• 3.2.3 两种实现机制的比较
• 3.3 协同检查点分析
• 3.3.1 检查点评价标准
• 3.3.2 最差竞争情况分析
• 3.3.3 期望情况分析
• 3.4 协同检查点实时研究
• 3.4.1 以任务为单位对k个错误进行容错
• 3.4.2 对超周期内k个错误进行容错
• 3.4.3 调度算法和实例
• 3.5 小结
• 第四章 协同检查点系统设计
• 4.1 检查点系统设计原则
• 4.2 系统模块设计
• 4.2.1 检查点内核模块
• 4.2.2 检查点用户界面模块
• 4.2.3 系统监控和事件预测模块
• 4.3 检查点优化技术
• 4.3.1 时延隐藏
• 4.3.2 减小检查点文件大小
• 4.4 小结
• 第五章 协同检查点系统实现
• 5.1 进程上下文信息
• 5.2 进程上下文存取
• 5.2.1 基于信号和线程的回调函数
• 5.2.2 检查点保存过程
• 5.2.3 关键信息获取
• 5.2.3.1 寄存器状态
• 5.2.3.2 进程地址空间
• 5.2.3.3 信号
• 5.2.3.4 文件
• 5.2.3.5 多线程进程
• 5.3 进程上下文恢复
• 5.3.1 恢复寄存器
• 5.3.2 恢复进程映像
• 5.3.3 恢复打开的文件
• 5.4 协同检查点实验分析
• 5.5 小结
• 第六章 结论
• 6.1 总结
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 在学期间研究成果