Adaptação dinâmica do Timeout para Detectores de Defeito usando Informações do Protocolo SNMP.

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1 Adaptação dinâmica do Timeout para Detectores de Defeito usando Informações do Protocolo SNMP. Francisco Carlos Vogt Raul Ceretta Nunes CT Centro de Tecnologia PPGEP Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Produção Laboratório de Tolerância a Falhas GMicro/DELC Universidade Federal de Santa Maria (UFSM) Santa Maria, RS Brasil. fcvogt@gmail.com, ceretta@inf.ufsm.br Abstract: Fault Detector in distributed systems, as in the Internet, provides a bigger degree of reliable for consensus applications. The trustworthiness is acquired when communication times are respected. This communication of distributed processes depends on the behavior of the net to be carried through. The information of SNMP protocol is used as reference to carry through dynamic adaptation of timeout in Wavelets filters. Resumo: Detectores de defeitos em sistemas distribuídos, como na internet, para prover um maior grau de confiança para aplicações de consenso. A confiabilidade é adquirida quando tempos de comunicação são respeitados. Esta comunicação de processos distribuídos depende do comportamento da rede para ser realizado. As informações do protocolo SNMP são utilizadas como referência para realizar adaptação dinâmica do timeout em filtros Wavelets. Palavras-chaves: Adaptação de Timeout, Detectores de defeito e SNMP. Introdução Aplicações distribuídas são cada vez mais populares e cada vez mais somos dependentes de seu bom funcionamento. Para garantir que aplicações distribuídas não parem e causem prejuízos materiais e temporais devemos aplicar mecanismos que tolerem eventuais falhas. Um dos grandes problemas encontrados para a realização de computação distribuída é não confiabilidade da rede que interconecta os processos distribuídos associado a sua característica não-determinística. Como conseqüência não podemos precisar a eficiência na troca de mensagens entre os membros das aplicações distribuídas.

2 Do ponto de vista teórico, num modelo de rede parcialmente síncrono, onde num tempo finito os tempos de comunicação serão conhecidos, o problema do indeterminismo pode ser resolvido e pode-se criar um oráculo que substitui a noção de tempo pela noção de estado, ou seja, pode-se criar um detector de defeitos não confiável [Chandra e Toueg, 1996]. Para tal, deve se empregar um tempo To (timeout), no detector de defeitos, para o recebimento de mensagens de controle. Na prática, dentro de um período de tempo To um processo monitor q deve receber uma mensagem de um processo monitorado p para ter consciência de que o processo está correto. Com o passar do tempo o timeout deve ser atualizado para dar suporte aos atrasos motivados pelo tráfego de rede. Para que o timeout seja adaptado aos atrasos, provocados pela rede, uma maneira é utilizar estatísticas sobre tempos de chegada das últimas mensagens de controle. Cada tempo é assim uma amostra usada num preditor, resultando numa estimativa probabilística para o timeout [Chandra e Toueg, 1996 e 2000] [Nunes, 2003]. Uma outra forma de adaptar o timeout é utilizando informações do protocolo SNMP (Simple Network Management Protocol) [Tanenbaum, 1997] [Subramanian, 2000]. O protocolo SNMP é um protocolo de gerência de rede que pode fornecer informações sobre seu estado. Usar o SNMP também permite a detecção de defeitos associando um timeout em mensagens trap enviadas pelo agente [Reichenbach, 2002] ou através de informações coletas do SNMP e analisadas em uma rede neural que gere uma estimativa de To e que considere os atrasos para o recebimento de mensagens [Lima e Mâcedo, 2005]. No presente artigo apresentamos e discutimos o problema de adaptação do timeout em sistema parcialmente síncrono usando informações do protocolo SNMP. Através deste protocolo avalia-se o comportamento de rede e a influência o atraso das mensagens de controle, a fim de gerar uma estimativa para o novo To dos detectores de defeitos presentes no serviço de detecção de defeitos adaptativo AFDService [Nunes, 2003]. Para analisar as informações SNMP e determinar com maior precisão o To usa-se Wavelets, como em [Barford et. al., 2002]. O artigo divide-se nas seguintes partes: a seção 2 apresenta os elementos do protocolo SNMP úteis para a resolução do problema; a seção 3 detalha os detectores de defeito e a seção 4 aborda os trabalhos relacionados com o desenvolvimento de adaptação de timeout para detectores de defeito baseados em informações do protocolo SNMP. Finalmente a seção 5 discute as soluções propostas e realiza as considerações finais. 2. Protocolo SNMP O protocolo SNMP foi projetado para realizar o gerenciamento de rede. O protocolo SNMP é divido em três partes: agentes, gerentes e MIB (Management Information Base) [Mccloghire e Rose, 1991]. Cada dispositivo na rede deve manter uma MIB SNMP que armazena as informações de forma padronizada permitindo que qualquer gerente de rede acesse o dispositivo e leia as informações, permitindo realizar a coleta das informações de

3 rede. As informações encontradas na MIB são organizadas em objetos que descrevem o comportamento dos dispositivos da rede, como por exemplo: saturação, tempo de comunicação, perda de pacotes, retransmissão entre outras 175 informações disponíveis. O protocolo pode operar em UDP (User Datagram Protocol) ou TCP (Transmission Control Protocol) [Subramanian, 2000] pela porta 161 e o gerente pela porta 162. As mensagens são implementas usando dois modelos de envio, o pull e push [Nunes, 2003]. No modelo push, de tempos em tempos o agente envia informações do estado de algumas variáveis através de mensagens conhecidas como Traps [Tanenbaum, 1997] [Subramanian, 2000] [Reichenbach, 2002]. No modelo pull as informações são requisitadas pelo gerente a um agente. Neste caso um timeout é aberto até o recebimento da resposta, caso contrario é declarado falho aquele dispositivo. 3. Detectores de Defeitos Usamos detectores de defeito para atribuir confiabilidade aos sistemas distribuídos implementados sobre redes assíncronas, onde não são conhecidos os tempos de chegada de mensagens heartbeat I`m alive!. Para permitir o controle temporal [Chandra e Toueg, 1996] utilizam o modelo parcialmente síncrono, permitindo o controle do tempo para o recebimento das mensagens heartbeat. Os detectores defeito funcionam como oráculos para aplicações de consenso, retirando a responsabilidade de realizar o controle do indeterminismo gerado pela comunicação de rede.. O uso de detectores de defeito não confiáveis, propostos por [Chandra e Toueg, 1996], aplica duas propriedades básicas: completeness e accuracy, que dizendo respeito à capacidade do detector de identificar os processos falhos e encontrar com precisão o processo falho evitando falsas suspeitas. Os processos suspeitos são adicionados em uma lista de suspeitos [Chandra e Toueg, 1996], e para declarar a falha de um processo suspeito, o processo suspeito é monitorado. Nos modelos propostos encontramos métricas que definem o QoS (Qualidade de Serviço) para os detectores de defeito. As métricas aplicadas aos detectores de defeito proposto devem atender os requisitos de Qos propostos por [Chen, Toueg e Aguilera, 1999], sendo eles: Detection time(td): Mistake recurrence time (T MR ): Mistake duration(t M ): É tempo de detecção de defeitos. É o tempo de recuperação entre duas suspeitas. E o tempo de duração de uma suspeita que apresenta quanto tempo foi necessário para corrigir uma falsa suspeita.

4 O uso das métricas é fundamental para comparar os resultados de abordagens diferentes de desenvolvimento empregadas para a construção de detectores de defeito e como é realizada das estimativas de timeout das mensagens de controle. 4. Adaptação de timeout baseado em informações SNMP O timeout em sistemas parcialmente síncronos não pode ser estático, devido à variação dos tempos de comunicação ao longo do tempo, o que poderia levar os detectores de defeitos a tomarem decisões equivocadas sobre o estado dos processos. Para minimizar o problema o To é corrigido com o passar do tempo para que ele seja adequado para atender os requisitos de qualidade de serviço (QoS) do detector. A maior parte dos modelos são baseado em estatísticas realizadas com os tempos das mensagens recebidas para determinar o timeout. Para resolver o problema de adaptação dinâmica de timeout podemos utilizar informações dos protocolos de rede como amostra do comportamento da rede. Em especial o protocolo SNMP, que disponibiliza informações padronizadas do comportamento de redes, trazendo benefícios para a composição do timeout. Entre os benefícios encontramos a diminuição da possibilidade de suspeitar de processos corretos ou indicar processos falhos como corretos. Usando informações de gerenciamento de redes do protocolo SNMP, existem três possibilidades para realizar a detecção de defeitos. Na primeira, usada para detectar defeitos, fica restrita a localização e correção dos problemas de rede usando o protocolo SNMP. Mas, foi encontrada uma contribuição importante que diz respeito a isolar e dividir em grupos de problemas de rede. Através do uso de variáveis do protocolo e filtros Wavelets [Barford et al, 2002]. Que também demonstra facilmente a ocorrência de ciclos diários, semanais e mensais do tráfego de rede. O modelo de [Barford et al, 2002] é implementado utilizado as seguintes variáveis SNMP: ifhcinoctets, ifhcoutoctets, ifhcinucastpktse e ifhcoutucastpkts. As variáveis descrevem a entrada e saída de octetos e pacotes unicast ajudando a determinar o desempenho da rede no momento da coleta. Na segunda, o detector de defeitos é próprio serviço SNMP, através das mensagens do protocolo são analisada a estabilidade dos estado dos processos O protocolo SNMP fornece a ferramenta fundamental verificar o funcionamento do agente, as mensagens, semelhante à idéia de [Chandra e Toueg, 1996], a qual usa mensagens de controle heartbeat. Neste caso as mensagens trap, vindas de um agente do protocolo SNMP, funcionam como heartbeats. Os nodos gerenciados devem possuir uma MIB própria contendo informações de qual gerente deve reportar as mensagens [Reichenbach, 2002]. Na terceira, o detector de defeitos utiliza mensagens heartbeat, mas adapta o timeout usando informações do SNMP. As informações SNMP são extraídas da MIB do dispositivo de rede e usadas para alimentar uma rede neural [Lima e Mâcedo]. A rede neural é capaz de aprender o comportamento da rede e indicar o melhor timeout a ser utilizado. As

5 estimativas devem suportar o atraso que a rede pode gerar, devido a congestionamentos e queda de links. Este modelo faz uso das seguintes variáveis SNMP: ifinucastptks: ifoutucastptks: ifoutqlen: udpindatagrams: udpoutdatagrams: udpnoports: Taxa de pacotes unicast recebidos Número total de pacotes Unicast transmitidos. total de pacotes na fila de saída Taxa de datagramas recebidos Taxa de datagramas enviados Taxa de datagramas que não foram enviados para uma porta válida 5. Solução proposta A solução que estamos propondo visa utilizar as informações do protocolo SNMP para adaptar dinamicamente o timeout das mensagens de controle, semelhante ao encontrado em [Lima e Mâcedo]. A diferença é que ao invés de redes neurais estamos investigando o uso de Wavelets [Barford et al, 2002] para gerar a estimativa do timeout. Um timeout inicial To é gerado pelo preditor wavelet baseado nas amostras armazenadas, as quais são responsáveis pela descrição do comportamento da rede em um período de tempo analisado. As informações de rede são coletadas no momento da chegada de um heartbeat e colocadas em um arquivo ou anexadas a uma estrutura de dados em uso na memória principal. O arquivo de amostras armazena os seguintes dados: o tempo de chegada e as respectivas informações do protocolo SNMP. Para realizar a estimativa inicial do To o preditor é alimentado com as amostras coletadas anteriormente. Então o timeout inicial To é estabelecido para o detector de defeitos e o timeout para a próxima mensagem é adaptado dinamicamente no preditor usando o tempo de chegada da última mensagem e as variáveis SNMP. O preditor utilizado pelo AFDService implementa vários métodos probabilísticos, entre eles um baseado em séries temporais [Nunes, 2003]. A nossa nova abordagem de preditor de defeitos é baseada em Wavelets, que nada mais é do que um filtro probabilístico baseado na freqüência das ocorrências. Desta forma, as amostras estarão sendo analisadas para gerar uma estimativa para o timeout. Empregado em detectores de defeito, o preditor deve produzir estimativas de timeout adaptando-se dinamicamente às condições de funcionamento da rede, e evitando que processos sejam adicionados na lista de suspeitos, permitindo que não ocorra um aumentando de overhead do sistema e por conseqüência atendendo os requisitos de QoS do detector. O Digrama abaixo demonstra o funcionamento do modelo (Figura 1). Os resultado da nova abordagem serão analisados e avaliados de forma comparativa com os resultados obtidos pelos vários modelos empregados no AFDService, em especial

6 com os resultados obtidos pelo preditor baseado em séries temporais, a fim de determinar se atinge-se os mesmos níveis de QoS. Figura 1 Diagrama do detector de defeitos baseado em informações SNMP para adaptação dinâmica de timeout. Considerações finais No presente trabalho apresentamos o problema da detecção de defeitos em sistemas distribuídos assíncronos e foi discutindo alguns elementos o nosso modelo para resolver o problema de adaptação dinâmica do timeout baseado informações do protocolo SNMP,

7 onde as estimativas são geradas por preditores baseados em wavelets. Entendemos que este é um caminho promissor para ser implementado como preditor de timeout, devido à possibilidade de isolar determinadas características encontradas nas amostras. Atualmente estamos trabalhando para determinar com precisão dos parâmetros e variáveis da MIB que melhor indicam o comportamento de rede e que devem ser analisadas. Além disto, também devemos determinar qual o melhor algoritmo de wavelet que deve ser utilizado para resolver o problema da adaptação dinâmica do timeout em detectores de defeitos. Referências Bibliográficas K. MCCLOGHIRE, M. ROSE; Management Information Base for Network Management of TCP/IP-based internets: MIB-II - Internet Request for Comments (RFC) Março Lima, Fábio; Mâcedo, Raimundo - Adapting Failure Detectors to Communication Network Load Fluctuations Using SNMP and Artificial Neural Nets - Distributed Systems Laboratory LaSiD - Computing Science Department, Federal University of Bahia Salvador, BA Brazil Lima, Fábio Ramon Lima; Macêdo, Raimundo José de Araújo; - Improving the Quality of Service of Failure Detectors with SNMP and Artificial Neural Networks Laboratório de Sistemas Distribuídos LaSiD - Departamento de Ciência da Computação Universidade Federal da Bahia - Salvador-BA, Brazil. Reichenbach, Fabien Service SNMP de détection de faute pour des Systèmes Répartis Laboratoire de Système Répartis Ecole Polytechique Fédérale de Lausanne EPFL Départament d Informatique Février Barford, Paul; Kline, Jeffery; Plonka, David; Ron, Amos A Signal Analysis of Network Traffic Anomalies - Dep. Computer Sciences - University of Wisconsin IMW 02 - Marseille França Chandra, T.; Toueg, S., - Unreliable Failure Detectors for Reliable Distributed - Systems Journal of the ACM, 43(2): March Chandra, T.; Hadzilacos, V.; Toueg S. - The Weakest Failure Detector for Solving Consensus - Journal of the ACM, 43(4): July Chen, W.; Toueg, S.; Aguilera, M. - On the quality of service of failure detectors - Proc. of the First Int. Conf. on Dependable Systems and Networks Tanenbaum, Andrew S. Redes de Computadores. 3. ed. Rio de Janeiro - Editora Campus, Subramanian, Mani - Network Management Principles and Practice Georgia Institute of Technology Nunes, Ceretta Raul Adaptação Dinâmica de Timeout de Detectors de Defeito através de uso de Séries Temporais - (Tese de Doutorado) UFRGS Universidade Federal do Rio Grande do Sul Instituto de Informática - Programa de pós-graduação em Computação Porto Alegre - Setembro, 2003.

8 Barford, Paul; Kline, Jeffery; Plonka, David; Ron, Amos A Signal Analysis of Network Traffic Anomalies - Dep. Computer Sciences - University of Wisconsin IMW 02 - Marseille França 2002.