基于软件实现的故障注入系统设计与仿真.pdf

哈尔滨工业大学硕十学位论文摘要计算机的可靠性问题一直是人们关注的焦点，为了提高计算机系统的可 靠性，人们采用了容错技术，因此对计算机容错性能的评测就成为了一个重 要的课题故障注入技术被证明为评测容错性能的一种有效手段本文以评 测星载计算机的容错性能为应用背景， 设计了一种基于软件实现的故障注入 系统重点研究了用软件实现的故障注入方法，并对其进行了仿真首先阐述故障注入方法在评测星载计算机系统容错性能中的应用，并对 故障注入方法进行了一些研究和比较设计了一个由控制器、故障注入器、 数据采集器、分析器和故障库组成的软件实现的故障注入系统 S I F I S( S o f t w a r e I m p l e m e n t e d F a u l t I 句 e c t i o n S y s t e m ) ，并给出了 该系统模拟目 标系 统故障的原理其次， 由于星载计算机是用于空间环境， 因此会受到单粒子事件的影响， 造成单粒子事件故障，这种故障主要是发生在星载计算机的存储器中，通过 对内存故降进行分析， 提出了适用于该故障注入系统的单粒子事件故障模型 在研究基于软件的故障注入方法的基础上，针对星载计算机系统的特点，提 出了基于修改目 标系统的调试中断的故障注入方法。

最后，本文在两台P C兼容机上实现了S I F I S的仿真系统，用于验证前 面所提出的荃于软件实现的故障注入方法详细介绍了仿真系统的设计思想 和实现过程，包括硬件环境和软件环境的选择、各模块的实现及故障注入方 法的实现等关健词故障注入;星载计算机;故障模型;仿真系统哈尔滨工业大学硕士学位论文Ab s t r a c tT h e r e l i a b i l i t y o f c o m p u t e r s i s b e i n g t h e f o c u s o f m a n y c o m p u t e r r e s e a r c h e r s . T o e n h a n c e t h e r e l i a b i l i t y o f c o m p u t e r s , m a n y t e c h n i q u e s t o t o l e r a n t f a u l t s i n c o m p u t e r s a r e p u t f o r w a r d , w h i c h m a k e s t h e e v a l u a t i o n o f f a u l t - t o l e r a n t p e r f o r m a n c e o f c o m p u t e r s t o b e a n i m p o rt a n t r e s e a r c h p r o b l e m. I t h a s b e e n p r o v e n t h a t f a u l t i n j e c t i o n i s a n e f f e c t i v e m e t h o d t o e v a l u a t e f a u l t - t o l e r a n t p e r f o r m a n c e . I n t h i s t h e s i s , a s o f t w a r e i m p l e m e n t e d f a u l t i n j e c t i o n s y s t e m, w h i c h w i l l b e u s e d t o e v a l u a t e f a u l t t o l e r a n c e o f o n b o a r d c o m p u t e r s , i s d e s i g n e d . I n t h e s y s t e m f a u l t i n j e c t i o n m e t h o d s b a s e d o n s o f t w a r e r e a l i z a t i o n a r e s t u d i e d s p e c i a l l y , a n d s i mu l a t i o n s a r e c a r r i e d o u t .F i r s t l y , m e t h o d s o f f a u l t i n j e c t i o n t h a t b e u s e d t o e v a l u a t e f a u l t t o l e r a n c e o f o n b o a r d c o m p u t e r s y s t e m s a r e p r e s e n t e d , s t u d y a n d c o m p a r i s o n o f m e t h o d s o f f a u l t i n j e c t i o n a r e a l s o g i v e n . A k in d o f s o ft w a r e i m p l e m e n t e d f a u l t i n j e c t i o n s y s t e m , w h i c h i s f o r m e d o f c o n t r o l l e r , f a u l t i n j e c t o r , d a t a c o l l e c t o r , a n a l y z e r a n d f a u l t l a b , i s d e s i g n e d , a n d t h e p r i n c i p l e o f s i m u l a t i o n o f t a r g e t s y s t e m f a u l t s b y‘ t h e s y s t e m i s g i v e nS e c o n d l y , b e c a u s e o f i t r u n n i n g i n s p a t i a l e n v i r o n m e n t , o n b o a r d c o m p u t e r s a r e a f f e c t e d b y s i n g l e e l e m e n t a r y p a r t i c l e , w h i c h c a u s e s s i n g l e e v e n t p h e n o m e n o n f a u l t t h a t o c c u r s m a i n l y i n m e m o ry o f o n b o a r d c o m p u t e r s . T h r o u g h a n a l y s i s o n m e m o ry f a u l t s , a m o d e l 山 a t b e u s e d t o a n a l y s i s s i n g l e e v e n t p h e n o m e n o n f a u l t i s p u t f o r w a r d . A c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f o n b o a r d c o m p u t e r s y s t e m s , a m e t h o d o f f a u l t i n j e c t i o n t h a t b a s e d o n m o d i f i c a t i o n o f t a r g e t s y s t e m d e b u g i n t e r r u p t i s p r e s e n t e d .F i n a l l y , u s i n g t w o P C s , t h e s i m u l a t i o n s y s t e m o f s o ft w a r e i m p l e m e n t e d f a u l t i n j e c t i o n s y s t e m i s i m p l e m e n t e d , w h i c h i s u s e d t o v e r i 斤t h e m e t h o d o f s o ft w a r e i m p l e m e n t e d f a u l t i n j e c t i o n 洲 f o r w a r d a f o r e . I n t h i s s y s t e m , t h e d e s i g n i d e a a n d i m p l e m e n t a t i o n p r o c e s s w h ic h i n c l u d e s e l e c t i o n o f h a r d w a r e a n d s o ft w a r e e n v i r o n m e n t , i m p l e m e n t a t i o n o f a l l m o d u l e s a n d r e a l i z a t i o n o f f a u l t i n j e c t i o n m e t h o d a n d s o o n a r e e x p l a i n e d i n d e t a i l .K e y w o r d s F a u l t i n j e c t i o n ; O n b o a r d c o m p u t e r s ; F a u l t m o d e l ; S i m u l a t i o n s y s t e m哈尔滨工业人学硕 卜 学位论文第1 章 绪论1 . 1 前言当前，随着计算机技术的发展和计算机应用领域的不断拓宽，人们对各 类计算机应用系统的可靠性要求也越来越高。

尤其是在航天、航空、金融等 重要领域，如果计算机系统不能在规定的时间内稳定可靠地工作，将会造成 巨大的经济损失，甚至导致灾难性后果因此，人们希望自己所依赖的计算 机系统是个高度可靠的系统计算机系统的可靠性是指系统在一定环境下， 在给定的时间内能按预定要求完成一定功能的概率提高计算机系统可靠性的技术途径很多，但归纳起来大体上可分为两大 类:避错技术和容 错技术川 避错技术是指通过采用正确的设计技术和质量 控制方法尽量避免把错误引入系统，也就是防止故障出现或引入容错技术 是指利用外加资源冗余的技术使系统在发生故障时仍能提供正确的服务对 一个系统而言，无论采用多少避错设计方法，也无法做到完美无缺和绝对无 错这就需要采用容错技术以使错误发生时不影响系统的特性，或是错误发 生时对用户的影响限制在某些容许的范围内容错技术是当前提供计算机系统可靠性最重要的手段计算机容错的含 义是 “ 在内部出现故障的情况下，计算机仍能正确地运行程序并给出正确结 果” 的能力[z 1 容错技术通过冗余结构提供的信息来克服故障的影响，保证 预定任务的正确执行一个容错系统中所采用的容错机制就是利用容错技术 进行故障处理的重要机构。

容错系统可靠性的提高，原则上不依赖工艺水平 等因素而仅与系统的结构有关 有关计算机容错技术的各种理论以及实际的 研究已发展成计算机科学技术的一个重要分支，称为容错计算目 前，国内 航天部门 采用星载计算机一般都为国内自 行研制的具有高可 靠性的容错计算机系统星载计算机，即卫星上搭载的计算机，必须满足长 寿命、高可靠、抗辐射和嵌入性等要。