面向S698處理器的軟件故障注入工具研究與實現(xiàn)*

董 劍 佟雙軍 左德承 劉宏偉

哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱150001

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面向S698處理器的軟件故障注入工具研究與實現(xiàn)*

董 劍 佟雙軍 左德承 劉宏偉

哈爾濱工業(yè)大學，哈爾濱150001

故障注入技術通過人為引入故障，加速系統(tǒng)失效，能夠在短時間內(nèi)有效地評估容錯計算機系統(tǒng)的容錯性能。通過對S698芯片以及當前軟件故障注入技術的研究，設計實現(xiàn)了一款針對S698處理器的軟件故障注入工具S-SFI，能夠進行關鍵寄存器被修改、代碼段破壞、進入非法工作區(qū)、死循環(huán)、軟件不喂狗和接口器件工作異常等類型故障的注入。該工具利用串口通信的方式在宿主機端提供了良好的交互界面。通過實驗對S-SFI的各項功能進行了驗證，并分析了各類型故障對目標系統(tǒng)的影響程度。 關鍵詞 軟件故障注入；S698處理器；中斷處理

計算機系統(tǒng)的可靠性評估是一項非常復雜的工作[1]。通常采用的模型分析方法隨著系統(tǒng)軟硬件規(guī)模的快速增長而變得越來越困難。對于實際系統(tǒng)，模型分析中涉及到的故障激勵和錯誤的傳播過程過于復雜，如果在建模的過程中將實際系統(tǒng)假設成較為簡單的模型，分析結果就沒有太大的參考意義。通過實驗方式來評估系統(tǒng)可靠性已經(jīng)成為一種非常有吸引力的驗證系統(tǒng)容錯機制的方法。其中，將物理故障注入目標系統(tǒng)硬件是一種較為常用的方式[2]。諸如引腳級故障注入、重離子輻射和電源干擾都是這種故障注入方式的常用方法[3-4]，該方法的優(yōu)點是能模擬真實的硬件故障，但缺點是需要針對特定的目標系統(tǒng)附加額外的硬件和故障注入設備。另外，目前高復雜度、高速度的硬件系統(tǒng)也使故障注入設備的研制變得非常困難，甚至不可能。通過對系統(tǒng)的仿真模型執(zhí)行故障注入也是評估可靠性的常用方法，但該方法耗時多，需要花大量時間開發(fā)仿真系統(tǒng)。基于軟件實現(xiàn)的故障注入技術[5-6]正逐漸受到關注，通過某種途徑(插入陷阱指令或者讓目標程序在調(diào)試模式下執(zhí)行)中斷目標程序的執(zhí)行，利用軟件代碼模擬系統(tǒng)軟硬件故障。這種方式實現(xiàn)復雜度低、成本小，具有很強的可擴展性。

本文設計并實現(xiàn)一款面向S698處理器芯片的軟件故障注入工具S-SFI(Software Fault Injector for S698)。S698是一款商業(yè)化的基于SPARC V8標準的32位RISC處理器，其內(nèi)部集成64位的浮點處理單元(FPU)、PCI控制器等片上外設。該芯片適用于高可靠實時控制，廣泛應用于工業(yè)控制、工程機械、航天航空、醫(yī)用電子設備和商用電子設備等領域。所提出的軟件故障注入工具能完成關鍵寄存器修改、代碼段破壞、進入非法工作區(qū)、死循環(huán)和接口器件工作異常等多種類型的故障注入。應用程序開發(fā)者能夠通過故障注入之后系統(tǒng)的執(zhí)行效果來檢驗嵌入式應用的容錯性能，有效輔助系統(tǒng)開發(fā)人員完成容錯應用的研制。

故障注入技術提出于上世紀70年代，主要用于驗證容錯系統(tǒng)的設計。按照實現(xiàn)方式的不同可以分為基于仿真的實現(xiàn)、基于硬件實現(xiàn)和基于軟件實現(xiàn)3大類。基于仿真方式的故障注入需要對目標系統(tǒng)建立仿真模型，對模型的精確性要求較高。基于硬件方式的故障注入需要使用額外的硬件，并且容易對目標系統(tǒng)造成永久性損壞。而軟件實現(xiàn)的故障注入通過修改程序執(zhí)行時內(nèi)存映像、處理器寄存器或應用程序源代碼等方式來模擬故障的發(fā)生，其實現(xiàn)成本低、對目標系統(tǒng)依賴性小、對其硬件沒有損壞、具有較好的可移植性。目前國內(nèi)外研究機構已開發(fā)了多款軟件故障注入工具，如表1所示。

從表1中可以看出，F(xiàn)IAT[7]的故障注入位置是由用戶在應用程序這個層面上選擇的，而其對內(nèi)存映像故障注入的具體位置是通過編譯器和裝載信息獲取的，這就決定了它無法注入瞬時故障。FERRARI[8]的運行受限于帶有ptrace接口函數(shù)的故障注入目標系統(tǒng)，無法對不帶有操作系統(tǒng)環(huán)境的嵌入式應用執(zhí)行故障注入。DOCTOR[9]適用于分布式系統(tǒng)。Xception[1]對處理器要求較高，需要用到調(diào)試硬件編程接口，而這在很多情況下無法獲取。FTAPE[10]的故障注入需要修改驅(qū)動程序，并且該方法只能注入比特位翻轉(zhuǎn)類型的故障。GOOFI[11]只是提供了一個通用的框架，它的主要目的是為對不同的故障注入目標系統(tǒng)執(zhí)行故障注入提供一個通用的操作平臺，因為該平臺是利用面向?qū)ο蟮乃枷朐O計的，所以能方便地擴展故障注入功能。目前的GOOFI版本只提供了對運行前引入故障這種方法的支持，這是其局限性。JACA[12]雖然能夠?qū)ava應用程序執(zhí)行高層次故障注入(例如修改變量值)，但其運行依賴于Java語言的反射機制，僅僅適用于對Java程序的故障注入。從上述對這些軟件注入工具的分析來看，軟件故障注入工具需要針對其依賴的運行環(huán)境和編譯環(huán)境進行設計，同時受到這些因素的影響，其功能也有一定的局限性。而目前國內(nèi)尚未發(fā)現(xiàn)能夠運行于S698處理器的故障注入工具。為此，通過對現(xiàn)有工具中針對不同注入方式以及不同故障類型的注入技術的研究，提出了一款支持國產(chǎn)S698處理器的軟件注入工具S-SFI。

1 S-SFI的設計與實現(xiàn)

1.1 SFI的運行環(huán)境

S-SFI可分為服務端和控制端兩部分，分別運行在宿主機和基于S698處理器的目標系統(tǒng)上。具體運行環(huán)境如圖1所示。

S-SFI的服務端運行在以S698芯片為處理器的目標硬件系統(tǒng)上，以串口中斷處理程序的方式注冊到目標系統(tǒng)的中斷向量表中。故障注入目標程序連同服務端相關代碼在集成開發(fā)環(huán)境Orion 5.0中編輯、編譯、鏈接生成可執(zhí)行程序之后，開發(fā)環(huán)境通過宿主機COM1串口下載可執(zhí)行程序到目標硬件(對應DSU調(diào)試支持接口)之上運行。宿主機COM1口和目標硬件的DSU口共同組成了程序下載運行調(diào)試的物理通道。目標系統(tǒng)提供一個串口(UART1)與宿主機機串口2相連，構成故障注入工具控制端與服務端之間的故障注入與結果回收通道。

圖1 S-SFI的運行環(huán)境

表1 國外經(jīng)典軟件故障注入工具

工具名稱實現(xiàn)單位注入特點FIAT美國CMU大學破壞任務內(nèi)存映像FERRARI美國Texas大學利用UNIXptrace接口函數(shù)提供的調(diào)試功能注入故障DOCTOR美國Michigan大學能注入處理器、內(nèi)存、通信故障Xception葡萄牙Coimbra大學對處理器內(nèi)部調(diào)試硬件編程FTAPE美國Illinois大學修改驅(qū)動程序模擬磁盤、內(nèi)存等故障GOOFI瑞典Chalmers大學面向?qū)ο蟮墓收献⑷牍ぞ撸猛ㄓ脭?shù)據(jù)庫存儲數(shù)據(jù)JACA巴西Campinas大學利用Java語言的反射機制對Java程序執(zhí)行故障注入

1.2 S-SFI的功能設計

S-SFI的服務端和控制端的具體功能結構如圖2所示。

控制端位于宿主機上，是用戶配置故障注入?yún)?shù)、進行故障注入、觀察運行結果的交互界面。由于目標程序運行在嵌入式環(huán)境下，而這種環(huán)境所能提供的人機交互方式非常有限且不直觀，為此選擇將工具的控制部分實現(xiàn)在能夠運行Windows的宿主機上，方便用戶操作。S-SFI的控制端主要包含串口通信支撐模塊、故障注入?yún)?shù)生成模塊和命令發(fā)送與結果回收模塊。串口通信支撐模塊主要包含與目標系統(tǒng)進行串口通信的一些功能。它提供串口選擇、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)和配置串口波特率等串口相關功能給其他模塊，供控制端與服務端通信使用。故障注入?yún)?shù)生成模塊為用戶提供配置界面，并且根據(jù)用戶的輸入合理地組織故障注入命令。命令發(fā)送與結果回收模塊一方面接收參數(shù)生成模塊的故障注入命令數(shù)據(jù)并進行相應的改造以形成控制命令字節(jié)流，通過串口發(fā)送到工具的服務端。另一方面還需接收解析服務端發(fā)來的反饋結果顯示給用戶。這3個模塊統(tǒng)一協(xié)作，使得用戶能夠在PC機上配置故障注入?yún)?shù)、執(zhí)行故障注入并得到反饋結果。

服務端位于目標系統(tǒng)之上，是工具的核心部分，主要包含了關鍵寄存器修改、代碼段破壞、進入非法工作區(qū)、死循環(huán)、軟件不喂狗和接口器件工作異常這6種故障的實際注入模塊和系統(tǒng)狀態(tài)反饋模塊。命令接收與解析模塊接收串口上收到的故障注入命令字節(jié)流并解析出命令的含義，將相關參數(shù)放到相應的數(shù)據(jù)結構中供后續(xù)的故障注入使用。不同的故障類型所對應的參數(shù)需求如表2所示。在S-SFI的注入命令格式為‘b’+faultType+parameters+‘e’，命令字長度不固定，用b和e字符指示命令的開頭與結尾，它們之間的內(nèi)容如果與‘b’，‘e’相同則需要用‘’字符進行轉(zhuǎn)義。命令的第1個字節(jié)描述故障類型，其余位用來表示注入故障的參數(shù)，命令字長度不固定。

圖2 S-SFI總體功能結構

1.3 S-SFI的實現(xiàn)

(1) 關鍵寄存器的修改

S698包含72個普通寄存器以及大量的系統(tǒng)寄存器，普通寄存器能通過匯編指令訪問到，系統(tǒng)寄存器可通過C程序訪問。目標系統(tǒng)處理器有用戶、特權2種工作模式。在中斷處理程序中，處理器處于特權模式，能讀寫所有存儲器和寄存器。

表2 每種故障類型注入所需的參數(shù)變量

系統(tǒng)寄存器分布于內(nèi)存地址空間上，中斷發(fā)生時不會被硬件自動保存，能夠在中斷處理程序中直接修改。而普通的72個寄存器，在中斷發(fā)生之時會采用SPARC架構特有的窗口機制保存部分通用寄存器。因此，實現(xiàn)寄存器修改的關鍵就是找到被寄存器滑動窗口所隱藏的寄存器。圖3中給出了寄存器窗口的結構。

圖3 具有8組寄存器窗口的寄存器結構

在S698中，當發(fā)生函數(shù)調(diào)用(包含中斷調(diào)用)時，隱含的save指令使窗口按圖中逆時針的方向移動一個格，使得被調(diào)函數(shù)在新的窗口運行，前一窗口的out寄存器組變成當前窗口的in寄存器組，這種特性常常使得函數(shù)調(diào)用變得高效，但卻使我們無法在中斷處理程序中訪問被注入的目標程序的寄存器。為此，對中斷注冊函數(shù)catch_interrupt進行了反匯編分析，得到了S698中斷的注冊過程。在此基礎上，設計了窗口寄存器的訪問方法。在用于注入的串口中斷處理子程序中，先通過restore執(zhí)行回到進入中斷處理程序之前的寄存器窗口B，利用該窗口的sp寄存器的值，可以訪問并修改內(nèi)存中保存的窗口B的寄存器的內(nèi)容，待中斷返回后，注入的故障值就會被恢復到相應的寄存器中。在這里還需要注意，涉及修改寄存器的代碼部分不能使用局部變量，因為局部變量存儲在內(nèi)存中的堆棧段，堆棧段通過sp寄存器(窗口中的o6寄存器)訪問，而sp寄存器在窗口變換的過程中對應的物理寄存器不同，其值會發(fā)生變化，故障注入會因不能正確訪問到變量值而失敗。

(2)代碼段的破壞

代碼段的破壞需要起始破壞地址、終止破壞地址和待注入破壞值3個參數(shù)。由于控制端發(fā)過來的地址可能不是4字節(jié)對齊的，所以在進行故障注入時首先需判斷起始地址，如果是4字節(jié)對齊地址，利用整型指針指向當前待破壞代碼段起始位置，以每次四字節(jié)的速度執(zhí)行故障值的寫入。如不是4字節(jié)對齊地址，需利用字節(jié)指針先處理前面若干字節(jié)，按照字節(jié)依次寫入故障值。因為Sparc處理器內(nèi)存的存儲格式是大端模式，其在存儲4字節(jié)變量的時候，將變量的最高字節(jié)存放在內(nèi)存的最小地址上，舉例來說，如果內(nèi)存地址0x40037280-0x40037283處存儲了整型內(nèi)容0x12574538，那么這個數(shù)據(jù)中的字節(jié)0x12會被存放在地址0x40037280處，字節(jié)0x38會被存儲到0x40037283處。對于S-SFI來說，因為只接受4字節(jié)為單位的代碼段破壞故障值，所以如果用戶指定的代碼段首地址不是4字節(jié)對齊，為保持一致性，在對4字節(jié)對齊地址之前的內(nèi)存單元進行破壞時，要仔細選擇寫入的字節(jié)。圖左邊表示向內(nèi)存地址0x40037280寫入破壞值 0x12574538之后的內(nèi)存形態(tài)，如果用戶指定的故障注入地址以0x4003727E開始，如圖4中左側畫“??”處，那么，要保證在破壞前2個內(nèi)存單元之后，內(nèi)存單元中的數(shù)據(jù)分布要與圖中右側的形式一致。

圖4 多字節(jié)代碼段破壞值在內(nèi)存中的分布

(3) 其它注入功能的實現(xiàn)

進入非法工作區(qū)主要是對目標程序的PC和nPC寄存器的修改。由于這2個寄存器都會被寄存器滑動窗口保存起來，注入方法與寄存器修改類似。非法工作區(qū)的地址采用隨機地址，在實驗中，進入非法工作區(qū)后系統(tǒng)大多數(shù)會崩潰。死循環(huán)故障使用匯編語言向中斷返回地址寫入死循環(huán)機器代碼，將其寫入PC寄存器所指向的代碼段地址。通過對brach指令機器碼的分析獲得實現(xiàn)死循環(huán)的機器代碼。接口器件的工作異常采用了基于定時器的注入方式，定時器中斷處理程序中采用循環(huán)的方式將故障值數(shù)組中的每個故障值注入到指定的接口控制系統(tǒng)寄存器中。

2 實驗

實驗所采用的目標系統(tǒng)為歐比特提供的s698開發(fā)系統(tǒng)，目標程序為整型和浮點矩陣計算程序。實驗中針對6種類型的故障共進行了5110次注入。表3對注入結果進行了統(tǒng)計。

表3 故障注入實驗結果統(tǒng)計

在共計5110次的故障注入測試中，有722次導致目標系統(tǒng)崩潰，比例達到了14.13%。有100次導致運行結果不正確，比例為1.96%，故障注入后仍舊得到正確結果的比例為83.91%。首先來看寄存器故障注入部分，對大部分寄存器執(zhí)行的故障注入對目標系統(tǒng)的運行結果沒有影響，這可能是因為目標程序運行中并沒有用到這些寄存器，在導致目標系統(tǒng)運行結果不正確的100次故障中，o0，o4，o5，Y，F(xiàn)SR寄存器的故障注入占有的百分比相對多些，說明程序在執(zhí)行的過程中經(jīng)常用到它們，這些寄存器對于得到正確的計算結果非常重要。在導致目標系統(tǒng)崩潰的525次故障中，fp，sp，PSR，PC，nPC，WIM和TBR占有的百分比最多，o2次之，這是由于前面幾個寄存器都是堆棧指針(程序要通過它來訪問變量)或者控制寄存器，它們的故障對系統(tǒng)影響非常大，當其值被改變后，程序可能訪問到了錯誤的內(nèi)存位置或進入不正確的狀態(tài)而導致系統(tǒng)運行崩潰。從表中也可以看出，關鍵寄存器修改、破壞代碼段、進入死循環(huán)和進入非法工作區(qū)這幾種類型故障注入后引起系統(tǒng)的崩潰或者錯誤率都到90%以上，證明它們對于目標程序來說都是非常致命的故障。在系統(tǒng)設計時，要著重研究如何檢測與應對這些對系統(tǒng)運行而言非常關鍵的故障。

3 總結

經(jīng)過對S698處理器的深入研究，本文利用基于串口和定時器中斷的故障注入手段，開發(fā)了一款軟件故障注入工具S-SFI，能完成關鍵寄存器修改、代碼段破壞、進入非法工作區(qū)、死循環(huán)、軟件不喂狗、接口器件工作異常這6種類型故障的注入，并通過實驗對各項功能進行了驗證。S-SFI基于中斷控制注入的執(zhí)行，實現(xiàn)了運行時的故障注入，可在線調(diào)整注入?yún)?shù)，能極大提高基于S698的容錯系統(tǒng)的調(diào)試與驗證效率。在下一步工作中，將展開對故障注入數(shù)據(jù)的分析工作，為用戶提供更加直觀的系統(tǒng)容錯能力參考數(shù)據(jù)。

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A Software Fault Injector for S698 Processor

Dong Jian, Tong Shuangjun, Zuo Decheng, Liu Hongwei

Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China

Thefaultinjectiontechnologycanacceleratesystemfailurebyinjectingthefault,whichcaneffectivelyevaluatethefaulttoleranceperformanceoffaulttolerantcomputersysteminashortperiodoftime.ByresearchingthesoftwarefaulttechniquesandS698chip,asoftwarefaultinjectorforS698chip(S-SFI)isdesignedandimplemented,whichcaninjectfaults,suchasthekeyregistersmodification,codesegmentwreckage,illegalworkareaentrance,thedeadcycle,errorofwatchdogandabnormalinterface,intothesoftwaresystemrunningonS698.Finally,thefunctionsofS-SFIisevaluatedbyexperiments,andtheinfluenceofeachtypeoffaultonthetargetsystemisanalyzedaccordingtotheexperimentalresults.

Softwarefaultinjection; S698chip;Interruption

*國家自然科學基金(61100029)

2014-10-29

董 劍(1978-)，男，山東章丘人，博士，教授，主要研究方向為容錯計算技術；佟雙軍(1990-)，男，哈爾濱人，碩士研究生，主要研究方向為容錯機制驗證；左德承(1971-)，男，黑龍江五常人，博士，教授，主要研究方向為容錯計算與移動計算；劉宏偉(1971-)，男，黑龍江大慶人，博士，教授，主要研究方向為軟件可靠性。

TP302.8

A

1006-3242(2016)04-0083-06