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s
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m
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s
i
n
f
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r
m
á
t
i
c
o
s
Los si
s
temas de
s
oftware, por el
hecho de
s
er producto
s
de la
creación humana,
s
on vulnerable
s
a lo
s
errores de programación.
E
s
to
s
errore
s
ocurren en varia
s
formas, que incluyen la
s
incon
s
i
s
-
tencia
s
de diseño, lo
s
errore
s
de
sintaxi
s
y los
s
emántico
s
. En lo
s
sistema
s
de u
s
o común, e
s
to
s
de-
fectos causan inconveniente
s
y
mole
s
tia
s
; pero no
s
on particu-
larmente
s
erio
s
.
S
in embargo,
re
s
ultan muy grave
s
para lo
s
sistema
s
donde la
s
eguridad e
s
crítica, en lo
s
cuale
s
un fallo
puede cau
s
ar la muerte, daño
s
o
E
l desarrollo alcanzado por la
indu
s
tria informática ha con-
llevado una notable reducción en
enfermedades a las personas, gran-
de
s
pérdidas económicas, fracaso
de mi
s
iones, afectaciones al medio
ambiente, conflictos armados, etc.
s
e mantiene más o menos cons-
tante para diferentes lenguajes de
programación. Desde un punto de
vi
s
ta fisiológico, esto significa
que el programador tiene una
probabilidad constante de intro-
ducir defectos, por lo tanto, si se
duplica el tamaño de un módulo
s
oftware, este contendrá el doble
de defectos [2, 4].
P
ara contrarres-
tar lo anterior, generalmente, se
aplica la técnica
d
ivi
d
e y ve
n
cerás,
con la fragmentación del software
en varios módulos de tamaño
manejable.
S
in embargo, el pro-
ce
s
o de construir software a partir
de cajas
n
egras tiene el potencial
de introducir más defectos. El
problema reside en las interfaces
entre módulos, presentes donde-
quiera que un módulo interactúe
con otro [5]. Mediante investiga-
ciones empíricas en software real,
se ha encontrado que los defectos
los porcentaje
s
de avería
s
del[1, 2].en las interfaces son proporcionales
hardware, debido a la
s
continua
s
Lo
s
costos asociados a los fallosal número de interacciones, es decir,
mejoras tecnológica
s
. En e
s
te en-de
s
oftware, además de la pérdidaN
x
para N módulos, donde el ex-
torno, el elemento clave en di
s
-económica directa, también inclu-ponente varía entre x = 1,2 para
ponibilidad de lo
s
s
i
s
tema
s
hayen los gastos para corregir lossoftware alfa, en vías de desarrollo,
pasado a
s
er la confiabilidad deldefectos que causaron el falloy x = 1,1 para versiones maduras [6].
software. Hoy día, la caída de unde
s
pués de que el sistema está
S
egún un estudio realizado por la
sistema se debe má
s
al re
s
ultadoimplementado, y que se estima enNA
S
A en el año 2002, el tamaño del
de un fallo de
s
oftware que de un10 mil U
S
D/defecto, principal-software utilizado en sus misiones
fallo de hardware. A pe
s
ar de lo
s
mente por el tiempo requerido porespaciales se ha incrementado ex-
esfuerzo
s
para eliminar lo
s
de-un programador para encontrar yponencialmente durante los últi-
fecto
s
(bug
s
) ante
s
de de
s
plegararreglar el problema en el códigomos años [7]. Entonce
s
, es de
esto
s
s
istemas, e
s
prudente a
s
u-[2, 3].esperar que en el futuro próximo
mir que los errore
s
s
iempre exi
s
-
S
e ha observado que la densidadse produzca un crecimiento no-
tirán y casi siempre conducirán apromedio de defectos en un módu-table de fallos a causa de los
un fallo.lo de programa —errores/línea—defectos inherentes al software, a
menosqueseapliquenotras
medidasparaneutralizaresta
tendencia.
C
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s
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s
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l
s
o
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-
w
a
r
e
[
8
,
9
,
10
]
Defectos determinísticos (bohrbugs):
idealmente debieron haber sido elimi-
nados durante la fase de depuración
(debugging); pero a pesar de que el
software haya sido exhaustivamente
probado, pueden quedar ocultos al-
gunos errores de diseño, incluso en
programas maduros, por ejemplo, los
sistemas operativos de uso comer-
cial, sobre todo cuando e
s
tán com-
puestos de partes viejas y partes
relativamente nuevas asociadas con
actualizaciones, nuevas funciona-
T
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c
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S.A.
39
pero con diferente
s
implementa-
ciones.
Defectos aleatorio
s
o de incerti-
dumbre (heisenbug
s
):
s
on defec-
tos en el software que
s
ólo
s
e
manifie
s
tandurantecoinciden-
cias específicas de evento
s
.
P
or
ejemplo, algunas operacione
s
pue-
den dejar el
s
oftware en un e
s
tado
que provoque un error en una
operación ejecutada a continuación;
otro ejemplo es la pérdida de
s
incro-
nización entre lo
s
hilo
s
de un
proceso, donde lo
s
errore
s
ocurren
durante alguna
s
ejecucione
s
, pero
no ocurren cuando
s
e repite la ejecu-
ción. Se dice que e
s
to
s
errore
s
s
on
causado
s
por fallas tran
s
itoria
s
. El
reintento de la operación o el reinicio
del proceso,
s
i este ha caído.
Defecto
s
a
s
ociado
s
al envejeci-
miento (aging-related bug
s
): lo
s
recurso
s
como el e
s
pacio para
swap, la memoria libre di
s
ponible,
gresiva por defecto
s
en el
s
oft-
ware —pérdida de memoria y
liberación incompleta de recur
s
o
s
después de su u
s
o—. La e
s
tima-
ción de la ta
s
a de agotamiento de
los recurso
s
y, por lo tanto, el
momento esperado de la falla, han
sido los focos de la
s
inve
s
ti-
gacione
s
s
obre rejuvenecimiento
del software. Según e
s
te principio,
la caída de un
s
i
s
tema puede
evitar
s
e mediante el reinicio perió-
dico de un proce
s
o o nodo,
s
egún
una predicción ba
s
ada en la
s
mediciones de la ta
s
a de agota-
miento de determinado
s
recur
s
o
s
.
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d
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r
e
lidades, etc. La única forma deEn general se usan dos grandes enfoques que se complementan: el
neutralizarlo
s
e
s
mediante la diver-primero, orientado a minimizar los errores de programación y, el segundo
sidad de di
s
eño
s
, en la cual
s
eque, con la aceptación de los defectos inevitables, se concentra en el
utilizan varias aplicacione
s
quedi
s
eño de sistemas inmunes a ellos. En la figura 1 se muestra una
proveen la mi
s
ma funcionalidadpanorámica general de las características de ambos [2].
problema puede
s
er re
s
uelto con el
F
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1
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de
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o
s
—
El de
s
arrollo de metodologías formales y herramientas para el diseño de
s
oftware ha contribuido notablemente a la disminución de la tasa de
errore
s
en el producto final, aunque nunca se llega a su eliminación total.
etc.
s
e degradan de manera pro-
E
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o
s
—
P
ara que un sistema resulte inmune a los defectos, debe ser capaz de
recuperar
s
e por sí mismo ante la ocurrencia de un fallo (reconfiguración)
o mantenerse en un estado de funcionamiento que evite que los defectos
latente
s
lleguen a manifestarse (rejuvenecimiento).
R
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El campo de los sistemas tolerantes a fallas ha evolucionado debido a la
nece
s
idad de construir sistemas suficientemente confiables a partir de
di
s
po
s
itivos físicos poco confiables. El éxito de las técnicas tolerantes a
fallo
s
en el campo del hardware sugirió que un enfoque similar sería útil
para enfrentar los errores del software [2]. En este sentido se han
de
s
tacado dos técnicas de reconfiguración del software que constituyen
diferentes implementaciones de un mismo concepto: utilización de varias
ver
s
ione
s
de código para realizar la misma tarea. Estas técnicas son:
Š
P
rogramación de N versiones —N-Version Programming (NV
P
)—
Š
Bloques de recuperación —Recovery Blocks (RB)—
La programación de N versiones fue propuesta por primera vez en 1977
y, como su nombre sugiere, se basa en disponer de varias (N > 2)
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S.A.
ver
s
iones de programa
s
equivalente
s
ba
s
adas en las mismas especi-gradual en la disponibilidad del
ficaciones [1, 11]. E
s
ta técnica utiliza la redundancia con un enfoque deservicio y en la calidad de los
replicación y votación. La
s
ver
s
ione
s
deben ser desarrolladas pordatos y, eventualmente, pueden
equipo
s
de programadore
s
independiente
s
y, de ser posible, esos equi-conllevar a la caída total del
po
s
deben u
s
ar diferente
s
algoritmo
s
y lenguajes de programación parasistema. El rejuvenecimiento del
software —Software Rejuvenation
(
S
R)— es un enfoque proactivo
que implica detener periódica-
mente la ejecución de un software,
limpiar los estados internos y
luego reiniciar el software. No eli-
mina los defectos asociados al
envejecimiento, sino evita que
estos lleguen a manifestarse como
fallos impredecibles del sistema.
En la figura 4A se muestra el
diagrama de estados de un pro-
ceso sin rejuvenecimiento. A par-
tir de un estado inicial S
0
, el
sistema se degradará progresiva-
mente y alcanzará el estado de
falla probable S
P
.
S
i un defecto de
software llega a manife
s
tarse, se
alcanzará el estado de
f
allo S
F
y
habrá que reiniciar el sistema para
llevarlo al estado original. En la
figura 4B, donde se utiliza rejuve-
necimiento, puede apreciarse que
desde el estado S
P
es po
s
ible lle-
var oportunamente el sistema a su
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s
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e
s
minimizar la probabilidad de errore
s
comunes. Las N versiones se
ejecutan paralelamente por vario
s
proce
s
adores y, los resultados se
comparan mediante una unidad de adjudicación que implementa un
algoritmo de deci
s
ión (
F
igura 2).
Por otra parte, la técnica de lo
s
bloque
s
de recuperación utiliza un
enfoque dinámico de la redundancia. En cada momento se ejecuta un
solo programa y, por lo tanto, no hay fuertes requerimientos de hard-
ware. El enfoque de lo
s
RB (
F
igura 3) e
s
s
imilar al de la NV
P
en el sentido
de que
s
e e
s
criben varia
s
rutina
s
para un mismo problema.
S
in embargo,
la ejecución
s
e realiza de manera diferente: antes de entrar a un RB se
establece un punto de recuperación (R
P
1); entonces, corre el primer
módulo (M1) y produce un re
s
ultado.
S
e realiza un test de aceptación, y
la ejecución normal continúa
s
i el te
s
t e
s
s
atisfactorio; de lo contrario,
se retorna el
s
istema al punto de recuperación y se invoca el segundo
módulo (M2). A
s
í,
s
uce
s
ivamente, continúa el proceso hasta que el test
de aceptación re
s
ulte
s
ati
s
factorio o
s
e agoten las alternativas, en cuyo
ca
s
o se genera una excepción.
estado inicial a través del estado
de rejuvenecimiento S
R
, antes de
que se produzca un fallo. En este
caso, a diferencia del anterior, el
momento de la indisponibilidad
será previamente programado pa-
F
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ra que su costo resulte mínimo.
El rejuvenecimiento del software
es tan intuitivo como reiniciar una
P
C de vez en cuando, pero ha sido
aplicado en sistemas de software
de gran escala [1, 12]. Es, además,
similar al mantenimiento preven-
tivo en los sistemas hardware:
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s
defectos del
s
oftware, cuando
s
e activan, no siempre causan fallos
inmediatos, sino llevan el
s
i
s
tema a un estado en el cual comienza a
decaer. E
s
te decaimiento tiene
s
íntoma
s
como la pérdida de memoria,
ruptura de puntero
s
, el bloqueo de ficheros que nunca se liberan, la
acumulación de errore
s
numérico
s
, etc. que acusan una degradación
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41
implica que alguno
s
s
ervicio
s
queden indisponible
s
temporal-
mente, la idea es evitar que, en el
futuro, ocurran fallo
s
ine
s
perado
s
de mayor duración. El u
s
o de e
s
ta
técnica puede incrementar la con-
fiabilidad de un
s
i
s
tema en do
s
órdene
s
de magnitud [13].
El factor clave para lograr que la
indisponibilidad programada
s
ea
preferible a la indi
s
ponibilidad
inesperada está en determinar con
qué frecuencia debe
s
er rejuve-
necido un
s
istema.
S
i lo
s
fallo
s
inesperado
s
s
on cata
s
trófico
s
, en-
tonce
s
s
e ju
s
tifica un calendario de
rejuvenecimiento má
s
agre
s
ivo en
términos de costo y di
s
ponibilidad.
Si los fallo
s
ine
s
perado
s
tienen un
costo
s
imilar a la indi
s
ponibilidad
programada, entonce
s
e
s
má
s
apro-
piado un enfoque reactivo. Gene-
ralmente, la
s
dos técnica
s
utilizada
s
para determinar el ciclo óptimo de
rejuvenecimiento son:
Š
La técnica de medicione
s
,
que e
s
tima el momento del re-
juvenecimiento a partir del e
s
-
tado de los recur
s
o
s
del
s
i
s
tema
[14, 15].
Š
La técnica de modelación, que
usamodelo
s
matemático
s
—cadena
s
de Markov, rede
s
estocá
s
tica
s
de Petri— y
s
imu-
lación, para estimar el momento
del rejuvenecimiento, ba
s
ada en
el rendimiento previ
s
to [10, 16].
Esta
s
técnica
s
s
on e
s
pecialmente
útile
s
durante la fa
s
e de operación
del sistema, con vista a neutralizar
los defecto
s
remanente
s
del pro-
ceso de especificación del
s
oftware
[17]. A partir de la ba
s
e teórica
s
e
han desarrollado varia
s
herramien-
tas que facilitan la modelación y
simulación de esto
s
proce
s
o
s
[18,
19, 20].
C
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e
El enfoque orientado a minimizar los defectos y el diseño de software
reconfigurable, sólo son aplicables en un entorno de producción; sin
embargo, no son accesibles para quienes utilizan software previamente
di
s
eñado. Un ejemplo clásico son los sistemas operativos Windows, de
utilización mundial, y de los cuales solamente el fabricante tiene acceso
al código fuente. También es cierto que las técnicas antes mencionadas
s
e ju
s
tifican cuando el costo de un fallo inesperado es muy supe
r
ior al
co
s
to de un fallo programado.
P
or lo tanto, en la mayoría de las
e
s
taciones de trabajo donde se ejecutan procesos de oficina en tiempo
diferido, puede ser recomendable un enfoque reactivo —reiniciar el
s
i
s
tema
s
i falla—.
En general, las empresas cuentan con planes para el mantenimiento de
s
u hardware instalado; pero no es común que se realice un mante-
nimiento proactivo de las aplicaciones y sistemas operativos. Aunque
en lo
s
diagnósticos de seguridad informática usualmente se identi
f
ica el
concepto fallo
d
e
p
rograma como un riesgo, las medidas que se
proponen son, generalmente, reactivas, orientadas a establecer bancos
de programas y aplicaciones para ejecutar reinstalaciones en caso de
fallo
s
. Específicamente, para las empresas de telecomunicaciones
re
s
ultan de particular interés el posible uso de los productos de
reconfiguración disponibles en el mercado para las estaciones de t
r
abajo
directamente vinculadas a los procesos de gestión de la red y los
s
ervicio
s
, y el rejuvenecimiento del software en algunos servidores
donde corren procesos críticos para el mantenimiento de los servicios de
telecomunicaciones.
C
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l
u
s
i
o
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e
s
Aunque existen dos enfoques fundamentales encaminados a elevar la
confiabilidad del software, en un entorno de diseño, estos métodos
deben combinarse para enfrentar la creciente complejidad de los
s
i
s
tema
s
; pero en el caso práctico de los
u
s
u
arios de software, re
s
ultan
de interés particular las técnicas de rejuvenecimiento.
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Nota: en este artículo se ha decidido hacer una excepción en relación con las normas para citas, notas
o referencias bibliográficas y la bibliografía específicas de la revista.
P
or su particularidad, se ha
re
s
petado la forma en que las han utilizado los autores.
