Reconfiguracion Dinamica de Arquitecturas Software aplicada a la Tolerancia a Fallos

Reconfiguración Dinámica de Arquitecturas Software Aplicada a la Tolerancia a Fallos

3rd Workshop on Autonomic and SELF-adaptive Systems (WASELF’10)September 7th 2010 – Valencia (Spain)

Cristóbal Costa-Soria1, Jennifer Pérez2, Jose A. Carsí1

Diego Alonso3, Francisco Ortiz3, Juan A. Pastor3

1 Universidad Politécnica de Valencia (UPV)2 Universidad Politécnica de Madrid (UPM)3 Universidad Politécnica de Cartagena (UPCT)

Introducción

Reconfiguración para la tolerancia a fallos

Dynamic PRISMA

Conclusiones

Indice

Introducción

Importancia creciente del software– Automoción, aviónica, telecomunicaciones, control de

infraestructuras, etc.

Necesidad de funcionamiento correcto y garantía de servicio, sobre todo en sistemas críticos– Fault-avoidance (programación estructurada,

reutilización del software, métodos formales)– Fault-removal (testeado, verificación y validación)

NO SON SUFICIENTES

Necesidad de introducir tolerancia a fallos– El sistema debe seguir cumpliendo su función a pesar

de eventuales fallos (garantía de funcionamiento)

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Tolerancia a fallos

Muchas de las técnicas y estrategias se basan en el uso de redundancia– Replicado de elementos hardware evita fallos debidos

al desgaste o a la actuación de agentes externos– Versionado de elementos software evita fallos

debidos a bugs, bloqueos, etc.

Ejecución concurrente elementos redundantes– Enmascaramiento de fallos– Uso de elementos de sincronización y votación

• Más recursos• Más complejidad

– Enfoque estático • La estrategia debe definirse en tiempo de diseño

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Agrobot: robot agrícola para la supervisión deplagas y falta de agua

Sistema de visión Elemento crítico para garantizar funcionalidad– Inspección de plantas– Movimiento (evitar obstáculos y selección objetivos)

Tolerancia a fallos Sistema Visión– Compuesto por elementos redundantes – Duplicado y con posibilidad de reasignación dinámica de

tareas

Caso de estudio

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Tolerancia a fallos con redundancia estática

Redundancia en Sistema de Visión:– Detección de fallos irrecuperables (e.g. vídeo)– Enmascaramiento de fallos a través de sistemas de

votación (e.g. procesamiento imágenes)

Inconvenientes– Sincronización entre elementos: + complejidad– Redundancia: + recursos computacionales

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VisionSystem

ImgOutputPort

VisionStatusPort

VideoCaptureCard

ImageProcSoftw-v1VideoIn ImageOut

Fault Detected

ImageProcCard

VideoIn ImageOut



Voting Connect.Video

Forwarder

FaultDetected

Introducción


Dynamic PRISMA

Conclusiones

Indice

Tolerancia a fallos: Reconfiguración

¿Por qué no usar técnicas de reconfiguración para recuperarse ante un fallo?

Detección fallo Reconfiguración– El sistema cambia su estructura para que el resto de

componentes puedan ofrecer un servicio aceptable

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Opciones para recuperarse de un fallo– Renuncia de tareas

Se degrada la funcionalidad– Reasignación de tareas entre otros componentes

Se degrada el rendimiento– Introducción de repuestos

Preserva funcionamiento y rendimiento

Sólo si sistema soporta reconfiguración dinámica


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VisionSystemImgOutput

Port

VisionStatusPort

ImageProcCard

VideoIn ImageOut

ImageProcSoftware

VideoIn ImageOut

ImageProcCard

VideoIn ImageOut

10/22

VideoCaptureCard

IPC-Conn

SupervisorUnrecoverable Fault

VCC-Conn

ImageProcSoftware

VideoIn ImageOut

Monitorización fallos +Políticas reconfiguración +

Mecanismos reconfiguración

Versión de repuesto. Accesible para el sistema

pero desactivada inicialmente.

Ventajas– Redundancia dinámica (i.e. activada bajo demanda)

Menos elementos concurrentes– Menor consumo recursos computacionales (y energéticos)– Menor uso de sincronizaciones

– Mayor flexibilidad• Los elementos averiados pueden eliminarse del sistema• Pueden introducirse nuevos elementos


Inconvenientes– Mecanismos reconfiguración complejos y costosos de

desarrollar (parada segura, modificación de estructuras en memoria, transferencia estado, carga dinámica de tipos,…)

– Dificultad para separar • políticas de reconfiguración • mecanismos de reconfiguración • resto de funcionalidad del sistema


Port

VisionStatusPort

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VideoCaptureCard

IPC-ConnImageProcCard

VideoIn ImageOut

SupervisorUnrecoverable Fault

ImageProcSoftware

VideoIn ImageOut

VCC-Conn

Monitorización fallos +Políticas/decisiones reconfiguración +

Mecanismos reconfiguración _

Bajo mantenimiento

Baja reutilización

Reconfiguración: consideraciones

Diseño de sistemas dinámicamente reconfigurables

La reconfiguración debe definirse a un alto nivel de abstracción– Evita la dependencia tecnológica– Facilita el mantenimiento del código

Debe separarse la funcionalidad de reconfiguración del resto del sistema– Facilita el mantenimiento y la reutilización

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addComponent(TypeName=“ImageProcSoftware”, Path=“Types\Agrobot.ImageProcSoftware”);createComponentInstance(ID=“imProc1”, Type=“ImageProcSoftware”, Params=... );attach(ID1=“imProc1”, Port1=“p1”, ID2=“VCC-Conn1”, Port2=“p2”);detach(...)destroy(...)

Funcionalidad Sistema

Mecanismos Reconfiguración

Políticas Reconfiguración

Encapsulación funcionalidad en Aspectos

Operaciones definidas en

términos arquitectónicos

Introducción


Dynamic PRISMA

Conclusiones

Indice

Dynamic PRISMA

PRISMA– Modelo arquitectónico orientado a aspectos – Proporciona un lenguaje formal para la descripción de

arquitecturas software• Basado en OASIS [Letelier, 98] y en π-Calculus [Milner, 91]

• Un elemento arquitectónico es un proceso observable con estado y comportamiento

– Independiente de tecnología • Modelos compilables a C# (PRISMANET)

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Elemento Arquitectónico Simple Elemento Arquitectónico Complejo

Dynamic PRISMA

PRISMA– Modelo arquitectónico orientado a aspectos – Proporciona un lenguaje formal para la descripción de

arquitecturas software• Basado en OASIS [Letelier, 98] y en π-Calculus [Milner, 91]

• Un elemento arquitectónico es un proceso observable con estado y comportamiento

– Independiente de tecnología • Modelos compilables a C# (PRISMANET)

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Elemento Arquitectónico Simple Elemento Arquitectónico Complejo

Mecanismos de reconfiguración

Dynamic PRISMA

Soporte para la reconfiguración dinámica y evolución de tipos arquitectónicos

Componente Evolver– Importado por cada sistema reconfigurable– Proporciona concerns reconfiguración a la arquitectura

• Reconfiguración ad-hoc y programada

– Personalizable

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Políticas de reconfiguraciónReglas ECA (Event-Condition-Action) para reconfigurar la arquitectura

Monitoring: captura eventos, información de la configuración y estado de los elementos arquitect.

Effector: Parada segura, transferencia estado, creación/destrucción instancias y conexiones

Coordination: Ejecución transaccional del proceso de reconfiguración

Reconfiguración dinámica con Dynamic PRISMA

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Port

VisionStatusPort

VideoCaptureCard


VideoIn ImageOut

VisionWatchdog

Unrecoverable Fault

ImageProcSoftware

0..*

VideoIn ImageOut

VCC-Conn

VisionSystemEvolver

InternalEventsPort

ExternalEventsPort

Faulty Output

Reconfig.Coord.

Reconfig.Analysis

MonitoringReconfig.Effector

0. Detección de fallos

1. Acciones a tomar frente a fallos


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Port

VisionStatusPort

VideoCaptureCard


VideoIn ImageOut

VisionWatchdog

Unrecoverable Fault

ImageProcSoftware

0..*

VideoIn ImageOut

VCC-Conn

VisionSystemEvolver

InternalEventsPort

ExternalEventsPort

Faulty Output

Reconfig.Coord.

Reconfig.Analysis




ReconfigurationAnalysis aspect VisionSystemEvolution...

Triggers REPAIRIMAGEPROCESSUNIT when

{failingComponent="ImageProcCard"} faultyOutput?(failingComponent); ...

Transactionsin RepairImageProcessingUnit():

PREPARE ::= oldImProcCardID=imageProcCard-list[0] VCCConnID=VCC-Conn-list[0] IPCConnID=IPC-Conn-list[0] RECONF;

RECONF ::= create-ImageProcSoftware!(cameraPos, output newImProcID) attach-Att_VCCConn_IPCSW!(VCCConnID, newImProcID, output newAttID) attach-Att_IPCSW_IPCConn!(newImProcID, IPCConnID, output newAttID) detach-Att_VCCConn_IPC!(VCCConnID, oldImProcCardID) detach-Att_IPC_IPCConn!(oldImProcCardID, IPCConnID) destroy-ImageProcCard!(oldImProcCardID) END;

... [more transactions]End_Aspect VisionSystemEvolution;

Reconfiguration Triggers(Eventos y Condiciones)

Configuration Transactions (Acciones)


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Port

VisionStatusPort

VideoCaptureCard


VideoIn ImageOut

VisionWatchdog

Unrecoverable Fault

ImageProcSoftware

0..*

VideoIn ImageOut

VCC-Conn

VisionSystemEvolver

InternalEventsPort

ExternalEventsPort

Faulty Output

Reconfig.Coord.

Reconfig.Analysis



2. Ejecución transaccional del proceso de reconfiguración



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Port

VisionStatusPort

VideoCaptureCard


VideoIn ImageOut

VisionWatchdog

Unrecoverable Fault

ImageProcSoftware

0..*

VideoIn ImageOut

VCC-Conn

VisionSystemEvolver

InternalEventsPort

ExternalEventsPort

Faulty Output

Reconfig.Coord.

Reconfig.Analysis





3. Realización cambios + transferencia estado


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Port

VisionStatusPort

VideoCaptureCard


VideoIn ImageOut

VisionWatchdog

Unrecoverable Fault

ImageProcSoftware

0..*

VideoIn ImageOut

VCC-Conn

VisionSystemEvolver

InternalEventsPort

ExternalEventsPort

Faulty Output

Reconfig.Coord.

Reconfig.Analysis






ImageProcSoftware

VideoIn ImageOut


22/22


Port

VisionStatusPort

VideoCaptureCard


VideoIn ImageOut

VisionWatchdog

Unrecoverable Fault

VCC-Conn

VisionSystemEvolver

InternalEventsPort

ExternalEventsPort

Faulty Output

Reconfig.Coord.

Reconfig.Analysis






ImageProcSoftware

VideoIn ImageOut


23/22


Port

VisionStatusPort

VideoCaptureCard


VideoIn ImageOut

VisionWatchdog

Unrecoverable Fault

VCC-Conn

VisionSystemEvolver

InternalEventsPort

ExternalEventsPort

Faulty Output

Reconfig.Coord.

Reconfig.Analysis






ImageProcSoftware

VideoIn ImageOut

4. Información estado final (verificación corrección)


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Port

VisionStatusPort

VideoCaptureCard


VideoIn ImageOut

VisionWatchdog

Unrecoverable Fault

VCC-Conn

VisionSystemEvolver

InternalEventsPort

ExternalEventsPort

Faulty Output

Reconfig.Coord.

Reconfig.Analysis






ImageProcSoftware

VideoIn ImageOut



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Port

VisionStatusPort

VideoCaptureCard

IPC-Conn

VisionWatchdog

Unrecoverable Fault

VCC-Conn

VisionSystemEvolver

InternalEventsPort

ExternalEventsPort

Faulty Output

Reconfig.Coord.

Reconfig.Analysis






ImageProcSoftware

VideoIn ImageOut


Introducción


Dynamic PRISMA

Conclusiones

Indice

Conclusiones

Propuesta para incorporar técnicas de reconfiguración dinámica al diseño de sistemas tolerantes a fallos– Mayor flexibilidad para adaptarse en tiempo ejecución– Menor consumo de recursos

Dynamic PRISMA– Soporte a la reconfiguración dinámica de arquitecturas– Énfasis en la separación de concerns

facilita mantenimiento código• Separando el código de reconfiguración del código

funcional• Separando las políticas de reconfiguración (cambios de

alto nivel) de los mecanismos de reconfiguración (cambios de bajo nivel)

– Políticas de reconfiguración definidas a un alto nivel de abstracción (en PRISMA AO-ADL)

Trabajos futuros

Trabajos futuros– Estudio de la tolerancia a fallos del subsistema de

reconfiguración: Comportamiento transaccional Redundancia del subsistema

– Estudio del tiempo de respuesta necesario para reaccionar

Cristóbal Costa-Soria

Information Systems and Software Engineering Research GroupDepartment of Information Systems and ComputationUniversidad Politécnica de ValenciaSpain

Home page: http://issi.dsic.upv.es/~ccosta

Email: [email protected]

The PRISMA project: http://prisma.dsic.upv.es

3nd Workshop on Autonomic and SELF-adaptive Systems (WASELF’10)September 7th 2010 – Valencia (Spain)

Gracias por su atención

http://issi.dsic.upv.es/~ccosta

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