실시간 시스템에서의 장애 허용 설계

장애 허용 시스템의 개요

실시간 시스템에서 장애 허용(fault tolerance)은 시스템의 일부가 실패하더라도 전체 시스템이 정상적으로 작동을 계속할 수 있는 능력을 의미한다. 이는 특히 안전성이나 지속적인 서비스가 중요한 응용 분야에서 매우 중요하다. 장애 허용을 구현하기 위해 다양한 전략이 사용될 수 있다.

장애 유형

실시간 시스템에서 고려해야 할 주요 장애 유형은 다음과 같다:

하드웨어 장애: 하드웨어 구성 요소의 고장
소프트웨어 오류: 코드 버그, 메모리 누수 등
통신 오류: 네트워크 장애, 데이터 손실 등

장애 허용 설계 전략

이중화 (Redundancy)

이중화는 가장 기본적인 장애 허용 방법 중 하나이다. 시스템의 중요한 구성 요소를 복제하여 하나의 구성 요소가 실패하더라도 다른 구성 요소가 이를 대체할 수 있게 한다.

하드웨어 이중화: 예를 들어, 이중 전원 공급 장치, 이중 네트워크 인터페이스 카드(NIC) 등이 있다.
소프트웨어 이중화: 이중화된 소프트웨어 모듈을 사용하여 주 모듈이 실패할 경우 백업 모듈이 대신 작업을 수행한다.

체크포인트 및 롤백 (Checkpointing and Rollback)

체크포인트는 시스템의 현재 상태를 주기적으로 저장하는 메커니즘이다. 장애가 발생했을 때 시스템은 마지막 체크포인트로 되돌아가서 정상적인 작업을 재개할 수 있다.

$S_{checkpoint} = S_{current} \cup S_{saved}$

여기서 $S_{checkpoint}$ 는 체크포인트 상태, $S_{current}$ 는 현재 시스템 상태, $S_{saved}$ 는 저장된 상태이다.

에러 검출 및 수정 (Error Detection and Correction)

에러 검출 및 수정 메커니즘은 시스템 내의 오류를 탐지하고 이를 자동으로 수정할 수 있는 기능을 제공한다.

에러 검출 코드 (Error Detection Code): 패리티 비트, 체크섬, CRC 등
에러 수정 코드 (Error Correction Code): 해밍 코드, Reed-Solomon 코드 등

실시간 시스템에서의 장애 허용 구현

주기적 감시 (Periodic Monitoring)

시스템 상태를 주기적으로 감시하여 장애 발생 여부를 실시간으로 확인한다. 이를 통해 빠르게 대응할 수 있다.

타임아웃 메커니즘 (Timeout Mechanism)

특정 작업이 정해진 시간 내에 완료되지 않으면 이를 장애로 간주하고 적절한 조치를 취한다.

우선순위 기반 스케줄링 (Priority-based Scheduling)

실시간 시스템에서는 작업의 중요도에 따라 우선순위를 부여하고, 중요한 작업이 먼저 수행되도록 한다. 장애 상황에서도 중요한 작업이 영향을 받지 않도록 설계한다.

예제: 우선순위 기반 스케줄링

우선순위 기반 스케줄링의 간단한 예는 다음과 같다. 아래의 코드에서는 높은 우선순위 작업이 먼저 수행된다.

#include <stdio.h>
#include <pthread.h>

void *high_priority_task(void *arg) {
    printf("High priority task is running\n");
    return NULL;
}

void *low_priority_task(void *arg) {
    printf("Low priority task is running\n");
    return NULL;
}

int main() {
    pthread_t high, low;
    pthread_create(&high, NULL, high_priority_task, NULL);
    pthread_create(&low, NULL, low_priority_task, NULL);
    pthread_join(high, NULL);
    pthread_join(low, NULL);
    return 0;
}

이 예제에서는 high_priority_task가 먼저 실행되어야 한다. 실시간 시스템에서는 이러한 스케줄링을 통해 중요한 작업이 지연되지 않도록 한다.

Preempt RT에서의 장애 허용

Preempt RT의 역할

Preempt RT는 실시간 시스템의 커널을 보다 결정론적이고 응답성이 좋게 만들어준다. 장애 허용을 설계할 때 Preempt RT의 기능을 활용하면 시스템의 신뢰성을 높일 수 있다.

커널의 결정론적 특성

Preempt RT는 커널의 비결정론적인 동작을 최소화하여 실시간 응용 프로그램의 예측 가능성을 높인다. 이로 인해 장애 상황에서도 예측 가능한 동작을 보장할 수 있다.

우선순위 역전 방지

Preempt RT는 우선순위 역전(priority inversion) 문제를 해결하여 높은 우선순위 작업이 낮은 우선순위 작업에 의해 지연되지 않도록 한다. 이는 장애 상황에서도 중요한 작업이 제때 수행되도록 보장한다.

Preempt RT에서의 이중화 구현

프로세스 이중화

Preempt RT 환경에서 프로세스 이중화를 구현하면 중요한 프로세스가 실패할 경우 백업 프로세스가 대신 동작할 수 있다. 이를 위해 프로세스 간의 상태 동기화 메커니즘을 활용한다.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <unistd.h>
#include <signal.h>

void backup_process() {
    while(1) {
        printf("Backup process running\n");
        sleep(2);
    }
}

void main_process() {
    while(1) {
        printf("Main process running\n");
        sleep(1);
    }
}

int main() {
    pid_t pid = fork();
    if (pid == 0) {
        backup_process();
    } else {
        main_process();
    }
    return 0;
}

위의 예제에서 메인 프로세스가 실패하면 백업 프로세스가 계속해서 동작한다.

체크포인트 및 롤백 구현

Preempt RT 시스템에서 체크포인트 및 롤백을 구현하는 방법은 주기적으로 프로세스 상태를 저장하고, 필요할 때 이 상태로 되돌아가는 것이다.

#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <setjmp.h>

jmp_buf checkpoint;

void checkpoint_save() {
    if (setjmp(checkpoint) == 0) {
        printf("Checkpoint saved\n");
    } else {
        printf("Rollback to checkpoint\n");
    }
}

void process_task() {
    static int counter = 0;
    checkpoint_save();
    counter++;
    if (counter == 3) {
        longjmp(checkpoint, 1);
    }
    printf("Process task counter: %d\n", counter);
}

int main() {
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        process_task();
    }
    return 0;
}

위의 예제에서 setjmp와 longjmp를 사용하여 체크포인트를 저장하고 롤백하는 과정을 보여준다.

에러 검출 및 수정 구현

Preempt RT 시스템에서 에러 검출 및 수정을 위해 다양한 알고리즘과 메커니즘을 사용할 수 있다. 예를 들어, 데이터 전송 시 CRC를 사용하여 데이터의 무결성을 확인할 수 있다.

#include <stdio.h>
#include <stdint.h>

uint32_t crc32(uint32_t crc, const void *buf, size_t size) {
    const uint8_t *p = buf;
    crc = crc ^ ~0U;
    while (size--) {
        crc = crc32_table[(crc ^ *p++) & 0xFF] ^ (crc >> 8);
    }
    return crc ^ ~0U;
}

int main() {
    const char *data = "Hello, World!";
    uint32_t crc = crc32(0, data, 13);
    printf("CRC32: %08x\n", crc);
    return 0;
}

위의 예제에서는 데이터의 CRC32를 계산하여 데이터의 무결성을 확인한다.

Preempt RT 실시간 시스템에서의 장애 허용 설계는 시스템의 안정성과 신뢰성을 높이기 위해 매우 중요하다. 이중화, 체크포인트 및 롤백, 에러 검출 및 수정 등의 메커니즘을 활용하여 시스템이 다양한 장애 상황에서도 지속적으로 작동할 수 있도록 설계해야 한다. Preempt RT의 기능을 활용하면 이러한 메커니즘을 더욱 효율적으로 구현할 수 있다.