Fehlertolerierende Softwarearchitekturen (Vorlesung mit Übung) - Cheatsheet

Definition und Bedeutung von Fehlertoleranz

Definition:

Fähigkeit eines Systems, trotz Fehlern im Hardware- oder Softwarebetrieb weiterzulaufen.

Details:

• Erhöht Systemsicherheit und Zuverlässigkeit.
• Kernkonzepte: Redundanz, Diversität, Fehlererkennung und -korrektur.
• Typische Methoden: N-version programming, Checkpointing, Error detection codes.
• Wichtige Metriken: Mean Time Between Failures (MTBF), Mean Time To Repair (MTTR).
• Beispielhafte Anwendungsbereiche: Luft- und Raumfahrt, Medizintechnik, Bankenwesen.

Unterschiede zwischen Fehlervermeidung und Fehlertoleranz

Definition:

Unterschiede zwischen Fehlervermeidung und Fehlertoleranz – Konzepte der Fehlerhandhabung in Softwarearchitekturen

Details:

• Fehlervermeidung: Proaktiver Ansatz, um das Auftreten von Fehlern zu verhindern.
• Techniken: Formale Verifikation, statische Code-Analyse, Testen, gutes Design.
• Ziel: Systemfehler vermeiden (Fault Avoidance).
• Fehlertoleranz: Reaktiver Ansatz, um mit bereits aufgetretenen Fehlern umzugehen.
• Techniken: Redundanz, Recovery Blöcke, Checkpointing, Selbstüberwachung.
• Ziel: Fortsetzung des Betriebs trotz Fehler (Fault Tolerance).

Physikalische und logische Fehlererkennung

Definition:

Physikalische Fehlererkennung: Erkennung von Hardwarefehlfunktionen. Logische Fehlererkennung: Erkennung von Software- oder Datenfehlern.

Details:

• Implementierung durch Hardware-Redundanz, Paritätsbits, Checksummen, Fehlerkorrekturcodes
• Techniken wie Exception Handling, Assertions, logische Konsistenzprüfungen
• Beispiel für Hardware: ECC-Speicher (Error-Correcting Code)
• Beispiel für Software: Try-Catch-Blöcke in Programmcode
• Ziel: Sicherstellung der Systemzuverlässigkeit und -verfügbarkeit

Fehlermaskierung vs. Fehlerkorrektur

Definition:

Fehlermaskierung: Verbergen von Fehlern durch Umgehung oder Neutralisierung Fehlerkorrektur: Erkennen und Beheben von Fehlern im System.

Details:

• Fehlermaskierung: Ziel ist es, dass der Fehler das System nicht beeinflusst.
• Beispiel: Triple Modular Redundancy (TMR) nutzt drei Module und Mehrheitsvotum.
• Fehlerkorrektur: Ziel ist es, den Fehler tatsächlich zu beheben.
• Beispiel: Hamming-Code und CRC (Cyclic Redundancy Check) korrigieren Fehler in Daten.
• Fehlermaskierung: Sofortige Problemlösung,sichtbarer Fehler bleibt verborgen,führt zu potenziellen Akkumulation unerkannter Fehler
• Fehlerkorrektur: Längerer Prozess, umfasst Fehlerdiagnose und -behebung,kann zur Systemverlangsamung führen aufgrund zusätzlicher Verarbeitung

Redundanzstrategien: Daten-, Hardware- und Software-Redundanz

Definition:

Strategien zur Erhöhung der Fehlertoleranz durch das Einführen von Redundanzen auf Daten-, Hardware- und Software-Ebene.

Details:

• Daten-Redundanz: Mehrfache Speicherung derselben Daten. Angewendet bei RAID-Systemen, Replikation in Datenbanken.
• Hardware-Redundanz: Mehrfache Auslegung von Hardwarekomponenten. Beispiele: Dual-Modular-Redundancy (DMR), Triple-Modular-Redundancy (TMR).
• Software-Redundanz: Mehrfache Implementierung derselben Funktionalität. Techniken: N-Versionen-Programmierung, Recovery-Blöcke.
• Ziel: Erhöhung der Systemzuverlässigkeit und Fehlertoleranz.

Rollback und Rollforward-Strategien

Definition:

Rollback und Rollforward-Strategien sind Techniken zur Fehlerbehandlung in fehlertoleranten Softwaresystemen.

Details:

• Rollback: System wird in früheren, fehlerfreien Zustand zurückversetzt
• Typischerweise durch Nutzung von Checkpoints
• Rollforward: Fehlerbehebung durch Anwenden korrekter Operationen ab einem definierten Punkt
• Anwendung in Datenbanksystemen und zeitkritischen Systemen

Model Checking und Theorem Proving

Definition:

Verifikation von Softwaremodellen und mathematischen Beweisen; verwendet zur Analyse und Sicherstellung von korrektem Verhalten fehlertoleranter Systeme.

Details:

• Model Checking
• Automatische Verifikation eines Modells durch vollständige Zustandsraumanalyse
• Verwendet temporale Logik zur Spezifikation von Eigenschaften (z.B. LTL, CTL)
• Beispiel: Prüfung, ob ein Zustand in jedem möglichen Pfad erreicht wird
• Werkzeuge: SPIN, UPPAAL, NuSMV

• Theorem Proving
• Beweis der Korrektheit eines Systems durch formale mathematische Methoden
• Beweis ist interaktiv oder automatisch
• Verwendet Logik, Kalkül und Axiomatik
• Werkzeuge: Coq, Isabelle, HOL Light

Einsatz von Checkpoints und Backups

Definition:

Techniken zur Wiederherstellung nach Fehlern in fehlertoleranten Systemen; unverzichtbar in der Softwarearchitektur, um Systemrobustheit zu erhöhen.

Details:

• Checkpointing: Periodisches Speichern des Systemzustands
• Backups: Kopien von Daten zu bestimmten Zeitpunkten
• Ziel: Minimieren von Datenverlust und Ausfallzeiten
• Werkzeuge: Spezielle Software für automatische Speicherung und Wiederherstellung
• Strategien: Vollständige, inkrementelle und differenzielle Backups
• Formeln/Überlegungen: Optimale Checkpoint-Frequenz meist aus Balancierung von Performance und Wiederherstellungszeit
• Fähigkeit zur kontinuierlichen Verfügbarkeit: Erhöht Vertrauenswürdigkeit des Systems