Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron...
-
Upload
bartlomiej-swiercz -
Category
Education
-
view
704 -
download
2
description
Transcript of Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron...
![Page 1: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/1.jpg)
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
![Page 2: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/2.jpg)
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
![Page 3: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/3.jpg)
Projekt CARE
X–FEL
FLASH
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 3 / 34
![Page 4: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/4.jpg)
Akcelerator X-FEL i FLASH
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 4 / 34
![Page 5: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/5.jpg)
Tunel akceleratora X-FEL i FLASH
Promieniowanie neutronowe
Promieniowanie gamma
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 5 / 34
![Page 6: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/6.jpg)
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)
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 6 / 34
![Page 7: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/7.jpg)
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
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 7 / 34
![Page 8: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/8.jpg)
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
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 8 / 34
![Page 9: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/9.jpg)
Propagacja błędów SEU w układach
cout
cin
x
y s
SEU
Propagacja błędów = Single Event Transient
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 9 / 34
![Page 10: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/10.jpg)
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
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 10 / 34
![Page 11: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/11.jpg)
Izolacja źródła promieniowania
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 11 / 34
![Page 12: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/12.jpg)
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
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 12 / 34
![Page 13: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/13.jpg)
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
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 13 / 34
![Page 14: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/14.jpg)
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
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 14 / 34
![Page 15: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/15.jpg)
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
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 15 / 34
![Page 16: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/16.jpg)
Algorytm EDAC Task
Asynchroniczny wąteksystemowy
Ochrona danych tylko doodczytu
Zaimplementowany w jądrzesystemu sCore
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 16 / 34
![Page 17: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/17.jpg)
Eksperyment z izotopem 241AmBe
AmBe
Moderator
sCore
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 17 / 34
![Page 18: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/18.jpg)
Wyniki eksperymentu
Eksperyment trwał 18godzin
9 wykrytych iskorygowanych błędówSEU
1 błąd nie wykryty
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 18 / 34
![Page 19: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/19.jpg)
Eksperyment w tunelu Linac II
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 19 / 34
![Page 20: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/20.jpg)
Komputer w tunelu Linac II
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 20 / 34
![Page 21: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/21.jpg)
Wyniki eksperymentu
Eksperyment trwał 23godziny
4 wykrytych iskorygowanych błędówSEU
42 błędy nie wykryte
116585 nie obsłużonychprzerwań
5 restartów systemu (3wykonane przezwatchdog)
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 21 / 34
![Page 22: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/22.jpg)
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
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 22 / 34
![Page 23: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/23.jpg)
Algorytm IDI
Schemat blokowy algorytmu IDI (Interrupt Driven Immunity)wykorzystującego jednostkę zarządzania pamięcią MMU (Memory
Management Unit)
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 23 / 34
![Page 24: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/24.jpg)
Komputer przemysłowy typu PC–104
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 24 / 34
![Page 25: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/25.jpg)
Komputer przemysłowy w tunelu Linac II
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 25 / 34
![Page 26: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/26.jpg)
Wyniki eksperymentu
Eksperyment trwał 14dni i 8 godzin
12186 wykrytych iskorygowanych błędówSEU
0 błędów nie wykrytych
0 nie obsłużonychprzerwań
0 restartów systemu
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 26 / 34
![Page 27: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/27.jpg)
Wydajność algorytmu IDI
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 27 / 34
![Page 28: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/28.jpg)
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
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 28 / 34
![Page 29: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/29.jpg)
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)
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 29 / 34
![Page 30: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/30.jpg)
Możliwe zastosowania opracowanego algorytmu
Satelity i stacje kosmiczne
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 30 / 34
![Page 31: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/31.jpg)
Możliwe zastosowania opracowanego algorytmu
Samoloty pasażerskie
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 31 / 34
![Page 32: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/32.jpg)
Możliwe zastosowania opracowanego algorytmu
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.
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 32 / 34
![Page 33: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/33.jpg)
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
Bartłomiej Świercz (DMCS, PŁ) Publiczna obrona doktoratu Łódź, 27.10.2008 33 / 34
![Page 34: Phd Thesis: The Algorithms for Protection of Operating Systems with Special Emphasis on the Neutron Radiation](https://reader036.fdocuments.net/reader036/viewer/2022081404/558c1ca5d8b42ab1528b45a4/html5/thumbnails/34.jpg)
Dziękuję za uwagę