基于B/S 结构的多核微处理器实速故障诊断技术

高吉普，徐长宝，辛明勇，陈军健，刘德宏

（1.贵州电网有限责任公司电力科学研究院，贵州贵阳 550002；2.南方电网数字电网研究院有限公司，广东 广州 510663）

多核微处理器在数据并行处理方面，有很大的优势。该处理器通过加载和存储指令对共享主存进行访问，能够保持完整的地址空间，且每个微处理器都具备独立专用缓存模块。由于IC 设计技术和制造技术的不断发展，芯片集成设计变得越来越复杂，晶片体积越来越小是造成芯片制造缺陷的主要原因，而故障检测仅仅局限于对芯片进行筛选，无法及时发现故障问题，为此，各大学者提出了故障诊断技术。文献[1]提出了BC 网络的g-超条件诊断度技术，在每一个由非故障节点组成的分支中至少有g+1 个顶点时，系统能一次性识别出故障节点数量，从而能够对异构环境下系统互连网的自故障诊断进行精确测量；文献[2]提出了强鲁棒性开路故障诊断策略，通过构造一种非对称负载和非平衡空载系统，结合改进归一化平均电流派克矢量模型，实现故障诊断。然而这两种技术受到多核微处理器系统并发不确定性影响，导致即使利用同一个测试用例进行多次测试，也无法保证所有测试用例都能得到充分测试。因此，提出了一种基于B/S结构的多核微处理器实速故障诊断技术。

1 故障诊断原理分析

多核微处理器是目前应用最多的处理器，其包括两个以上完整的计算机引擎，通过控制总线的全部指令信号，能够支持多核微处理器同时在线运行。通过分析多核微处理器故障诊断原理，设计详细的诊断流程。

1.1 基于B/S结构的多核微处理器

使用的一种基于B/S 结构的多核微处理器，其结构是在信息技术不断进步和发展的背景下产生的，弥补了传统C/S 体系结构的缺陷。

基于B/S结构的多核微处理器结构图如图1所示。

图1 基于B/S结构的多核微处理器

由图1 可知，该处理器主要是由表示层、业务层和数据层组成的，通过任务分配完成网络分析与挖掘[3]。该过程涉及到大量的数学运算，为提高多核微处理器性能，浏览器端负责内容的显示和交互，服务器端负责复杂的数据计算和逻辑处理[4]。采用B/S 结构的多核微处理器实现了“分而治之”的策略，线程化应用程序通过分解模式，在给定时间使用多个执行内核执行更多的任务[5]。

1.2 故障诊断原理

1.2.1 返回地址堆栈

由于呼叫指令CALL 与IP 内容修改指令是一一对应的，所以返回地址堆栈是一个硬件堆栈，主要用于存储返回的目标地址信息。因此，当呼叫指令CALL 出现时，多核微处理器的处理程序将会发出下一条呼叫指令，并将返回的目标地址信息压入返回地址堆栈顶部[6]。当IP 内容修改指令出现时，多核微处理器会自动弹出返回地址堆栈顶部的目标地址，如果返回的目标地址无法在所有返回地址中找到，那么说明多核微处理器的处理过程失败[7]。

1.2.2 面向返回编程

面向返回编程可以对ret-to-lib 攻击进行诊断，其中攻击者重用整个LIBC 库，在故障诊断过程中，从存储器(目标程序或者共享库)中找到一段代码，然后构建一个有效的插件把一系列Gadget 连接起来[8]。

图2 显示了基于B/S 结构的多核微处理器的故障诊断原理。

图2 基于B/S结构的多核微处理器的故障诊断原理

由图2 可知，在Return 指令中，可以使用库文件中的Gadget 链接执行故障排除操作[9]。

2 多核微处理器实速故障诊断

2.1 死锁故障诊断

死锁场景是在开发多核微处理器时，验证芯片是否能够正常工作时出现的场景，由共享响应通道引起的死锁场景如图3 所示。

图3 由共享响应通道引起的死锁场景

由图3 可知，E1-E8 表示路由器，H1-H8 表示跟踪节点，R1-R8 表示推送节点，S1-S8 表示请求节点。WBD 技术的应用改善了替代运营协议的性能，由于数据需要返回到WBD 事务，因此必须为传输数据分配通道[10]。

在执行期间，写回请求由跟踪节点到请求节点的响应通道发送。例如，H2 通过响应通道将回写请求发送到S2[11]。因为多核微处理器支持请求节点，所以直接将数据推给请求节点，因此，该过程存在通道共享：举例来说，S4 将读取的响应包推到S6，而且还使用R2 到R3 响应通道[12]。在共享信道时会出现死锁可能，因此，在芯片模拟仿真过程中的确出现了死锁。据此，设计了死锁故障诊断步骤如下：

步骤一：通过动态配置的缓存一致性协议，可以应用到不同的多核微处理器中。根据多核微处理器结构，对功能和性能的要求进行功能容错和性能调整。在可配置协议的基础上，引入了微操作机制的分布式目录控制器[13-14]。图4 展示了分布式目录控制器的总体结构。

图4 分布式目录控制器的总体结构

步骤二：目录是通过硬件工作后生成的，优点是速度快，缺点是很难修改。引入微操作机制后，通过配置一致性协议，能够通过改变相关程序来改变信号传输路径。

步骤三：死锁通过监视跟踪节点和请求节点之间的读写事务等待时间，判断是否发生了死锁。

步骤四：为了提高性能，跟踪节点和请求节点的默认协议为WBD 协议。若等待时间超过某一阈值，跟踪节点和请求节点之间的链路就会阻塞，还可能出现死锁。

步骤五：分布式目录控制器进入调试模式，将写回数据(WBD)转换为请求协议，启动重传机制后，逐步清除阻塞链。在释放死锁之后，它会恢复到正常模式和WBD，以高性能形式继续诊断[15]。

2.2 链路故障诊断

对于链路故障问题，需通过测试能够确定多核微处理器是否存在故障问题[16]。

以单输出响应为例，可将电路输入响应序列集合描述为：

式中，xn表示输入响应序列。

结合输出向量函数，构建电路输出响应表达式：

式中，f(·)表示输出函数。

在输入激励作用下，有：

式中，an表示激励序列，λ表示激励参数。

对于故障，存在：

当计算结果符合式（4）时，表明链路有故障，通过测试代码λ可以发现故障。

3 实 验

为了验证提出的基于B/S 结构的多核微处理器实速故障诊断技术研究合理性，进行实验验证分析。

3.1 实验设置

在32 位Ubuntu14.04 操作系统上建立了ROP 攻击的实验平台，以验证面向返回转换的ROP 攻击的效果。

3.1.1 参数设置

不同ROP 攻击的诊断周期决定了诊断的准确性，这取决于其链长。因此，小型链长一般为10～15 hops。设置Gadget 链的长度为15 hops。为减少误报和漏报现象，实现最佳诊断效果，将诊断周期设为6 s 或9 s，并进行对比实验。

3.1.2 ROP真实攻击诊断

在Ubuntu 下，用ROP 漏洞选择四个小程序，要求一串较长的输入参数，该程序需要GCC 编译为二进制可以执行的文件。四个程序漏洞说明如表1所示。

表1 程序漏洞说明

用ROPgadget 构建了30 条Gadget 链，这30个攻击脚本是从数据库中选择的。每一条Gadget 链的长度均超过15 hops，总共进行了30 次攻击。

3.2 性能评估

为了评估所研究方法在真实操作中的总体性能，使用UnixBench5.1.3 对多核微处理器性能进行评估。在ROP 攻击下，选用UnixBench 对基于B/S 结构的多核微处理器进行整体性评估。将性能测试工具应用到Linux 系统中，测试的项目包括字符串处理、浮点运算、调用、管道吞吐、管道上下文交互、函数吞吐、文件读写、脚本测试。对于这些项目，使用多核微处理器的处理时间如表2 所示。

表2 测试项目处理时间对比分析

由表2 可知，在ROP 攻击下，诊断项目处理速率均在可接受范围之内。

基于此，分别使用g-超条件诊断度技术、强鲁棒性开路故障诊断策略和基于B/S 结构的多核微处理器实速故障诊断技术，对比分析项目处理速率，对比结果如图5 所示。

图5 三种诊断技术项目处理时间对比

由图5 可知，使用g-超条件诊断度技术处理除了字符串项目外，其余均超过标准时间，其中处理调用项目所耗费时间最长为83 s；使用强鲁棒性开路故障诊断策略处理除了字符串项目外，其余均超过标准时间，其中处理调用项目所耗费时间最长为79 s；使用基于B/S 结构的多核微处理器实速故障诊断技术，除了管道吞吐项目比标准时间长1 s 外，其余所有项目处理时间均在标准时间范围内。

4 结束语

在B/S 结构的基础上，提出了多核微处理器实时故障诊断技术，通过一致性协议能够显著提高不同架构下系统的灵活性。由实验结果可知，该技术具有良好的诊断效果。然而，由于不同的配置不能形成统一的缓存一致性协议，导致了极大的死锁风险。为此，需要设置一致性缓存协议，以达到灵活配置，以优化更大的空间，保证一致性协议的使用更加合理。