CN116069638B - 一种基于内核态模拟分布式异常状态的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及异常系统状态模拟技术领域，尤其涉及一种基于内核态模拟分布式异常状态的方法。该方法具体包括以下步骤：用户态进行分布式异常场景设计及组合，并写入共享内存；将预设操作进行hook，在内核中读取调用第一预设信息；目标系统执行预设异常模拟的流程；流程触发hook，hook读取共享内存中的异常场景，并获取其中的第二预设信息，对比第二预设信息和第一预设信息，并根据对比结果进行相应操作。该基于内核态模拟分布式异常状态的方法基于系统内核态，可以满足支持全类型语言，全类型应用的异常状态模拟，并且满足支持系统的全部异常类型，能真实的模拟出各种组合式的场景错误，并针对分布式系统异常进行复杂的环境错误模拟。

Description

一种基于内核态模拟分布式异常状态的方法

技术领域

本发明涉及异常系统状态模拟技术领域，尤其涉及一种基于内核态模拟分布式异常状态的方法。

背景技术

生产环境中运行的分布式系统，难免会出现各种难以预料的突发事件。同时，随着云原生的发展，不断推进微服务进一步解耦；不断增长的数据和用户规模促使基础设施向大规模分布式演进。分布式系统天生有着各种相互依赖，可以出错的地方数不胜数，处理不好就会导致业务受损，或者是其他各种无法预期的异常行为。

基于此，目前常用的基于内核态模拟分布式异常状态的方法通过用户采用了部分开源技术，基本兼容主流语言，或是依赖一些集群，或是只支持java语言构建的系统，不能满足全类型语言的支持，异常类型也较少。

为解决上述问题，亟待提供一种基于内核态模拟分布式异常状态的方法，解决以上问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于内核态模拟分布式异常状态的方法，实现基于系统内核态可以满足支持全类型语言，全类型应用的异常状态模拟，并且满足支持系统的全部异常类型，能真实的模拟出各种组合式的场景错误，并针对分布式系统异常进行复杂的环境错误模拟。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于内核态模拟分布式异常状态的方法，包括以下步骤：

S1，用户态进行分布式异常场景设计及组合，并写入共享内存；

S2，将预设操作进行hook，在内核中读取调用第一预设信息；

S3，目标系统执行预设异常模拟的流程；以及

S4，所述流程触发所述hook，所述hook读取所述共享内存中的所述异常场景，并获取其中的第二预设信息，对比所述第二预设信息和所述第一预设信息，并根据对比结果进行相应操作。

作为一种可选方案，步骤S3中目标系统执行预设异常模拟的流程包括如下步骤：

S31，针对所述目标系统的系统调用进行所述hook；

S32，改变函数的行为，当所述目标系统做了相应的操作后触发所述hook的函数来模拟异常。

作为一种可选方案，所述第一预设信息为内核中读取调用进程的进程名和进程启动参数。

作为一种可选方案，所述预设操作包括文件操作、网络、内存、线程、路径以及系统调用中的一个或多个。

作为一种可选方案，步骤S4中，如果判断所述第二预设信息与所述第一预设信息相同，则获取数据结构中相应的错误类型，并指向与所述错误类型向对应的操作。

作为一种可选方案，步骤S4中，如果判断所述第二预设信息与所述第一预设信息不同，则正常执行所述目标系统原有的流程。

作为一种可选方案，其特征在于，步骤S1包括以下步骤：

S11，UI层进行所述异常场景的组合设计形成异常模拟的json报文；

S12，设计好的所述异常场景下发到Redis集群，探针每隔预设时间扫描Redis获取下发的任务，并根据所述异常场景解析对应的json字段；

S13，根据启动命令字段判断是启动新的异常模拟还是停止原有的异常模拟，并根据判断结果对链表执行相应动作；以及

S14，扫描所述链表并写入所述共享内存。

作为一种可选方案，步骤S13具体所述相应动作包括：

如果是开始任务则根据开始时间和结束时间判断是否是有效的所述异常场景，并将有效的所述异常场景写入所述链表中；以及

如果是停止任务则根据任务ID到所述链表中查找对应的任务，找到任务则从所述链表中移除。

作为一种可选方案，步骤S14包括以下步骤：

S141，超过执行时间的任务从所述链表中移除并同步更新所述共享内存；

S142，判断新下发的所述任务在所述链表中是否存在的所述异常场景，并判断是否更新开始时间以及结束时间，以及是否更新错误场景。

作为一种可选方案，所述异常场景包括任务ID、进程名、进程启动参数、启动停止命令、异常开始时间、异常结束时间、异常类型、异常的返回错误值、抖动率以及报文的丢包率。

本发明的有益效果为：

本发明提供一种基于内核态模拟分布式异常状态的方法，具体包括以下步骤：S1，用户态进行分布式异常场景设计及组合，并写入共享内存；S2，将预设操作进行hook，在内核中读取调用第一预设信息；S3，目标系统执行预设异常模拟的流程；S4，流程触发hook，hook读取共享内存中的异常场景，并获取其中的第二预设信息，对比第二预设信息和第一预设信息，并根据对比结果进行相应操作。该基于内核态模拟分布式异常状态的方法基于系统内核态，可以满足支持全类型语言，全类型应用的异常状态模拟，并且满足支持系统的全部异常类型，能真实的模拟出各种组合式的场景错误，并针对分布式系统异常进行复杂的环境错误模拟。同时，该基于内核态模拟分布式异常状态的方法基于系统内核态模拟大规模分布式系统中的异常状态，提前发现问题，以提高系统从故障中恢复的能力，提高系统健壮性。进一步地，该基于内核态模拟分布式异常状态的方法以通过目标系统执行预设异常模拟流程，便于用户随时部署、随时开始以及随时停止异常模拟，操作灵活。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于内核态模拟分布式异常状态的方法的逻辑图一；

图2是本发明实施例提供的基于内核态模拟分布式异常状态的方法的逻辑示意图二。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分结构而非全结构。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内结构的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。

如图1和图2所示，本实施例提供一种基于内核态模拟分布式异常状态的方法，具体包括以下步骤：

S1，用户态进行分布式异常场景设计及组合，并写入共享内存；

S2，将预设操作进行hook，在内核中读取调用第一预设信息；

S3，目标系统执行预设异常模拟的流程；

S4，流程触发hook，hook读取共享内存中的异常场景，并获取其中的第二预设信息，对比第二预设信息和第一预设信息，并根据对比结果进行相应操作。

该基于内核态模拟分布式异常状态的方法基于系统内核态，可以满足支持全类型语言，全类型应用的异常状态模拟，并且满足支持系统的全部异常类型，能真实的模拟出各种组合式的场景错误，并针对分布式系统异常进行复杂的环境错误模拟。同时，该基于内核态模拟分布式异常状态的方法基于系统内核态模拟大规模分布式系统中的异常状态，提前发现问题，以提高系统从故障中恢复的能力，提高系统健壮性。进一步地，该基于内核态模拟分布式异常状态的方法以通过目标系统执行预设异常模拟流程，便于用户随时部署、随时开始以及随时停止异常模拟，操作灵活。

具体而言，支持全类型语言是指能够支撑所有现有开发语言编写的程序，且在Linux操作系统上能运行的都支持。因为，能在linux上运行的程序都最终会执行到内核，通过对内核函数进行hook就能实现全类型语言支持。

其中，用户态和内核态是操作系统的两种运行级别，两者最大的区别就是特权级不同。用户态拥有最低的特权级，内核态具有较高的特权级。分布式是一个需要非常巨大的计算能力才能解决的问题分成许多小的部分，然后把这些部分分配给多个计算机进行处理，最后把这些计算结果综合起来得到最终的结果。

进一步地，Windows和Linux都提供了相应的实现机制，hook实现就是通过截获调用函数，并改变函数的行为，预先获取系统调用函数然后替换掉系统的函数成自己编写的函数。这样当目标系统需要调用系统的函数时就会进入我们自己编写的函数，来实现改变执行结果。

本实施例中，引入hook技术就相当于控制的一部分操作系统，用户想要模拟应用的异常时，只需要在UI层选择想要的场景，然后启动自己的应用。内核hook的函数会根据用户需要的错误返回给用户的应用。这样就达到了模拟用户系统异常的目的。

其中，步骤S3中目标系统执行预设异常模拟的流程包括如下步骤：针对目标系统的系统调用进行hook，改变函数的行为，当目标系统做了相应的操作后就会触发hook的函数来模拟异常。比如目标系统执行一个文件打开，则针对打开操作的函数进行hook。在hook函数里返回文件打开失败，就可以模拟文件打开失败。

具体而言，第一预设信息为内核中读取调用进程的进程名和进程启动参数。同时，第二预设信息也是共享内存中的数据结构的进程名和进程启动参数。该方法能够便于第一预设信息和第二预设信息的对比。

作为一种可选方案，步骤S1包括以下步骤：

S11，UI层进行异常场景的组合设计形成异常模拟的json报文；

S12，设计好的异常场景下发到Redis集群，探针每隔预设时间扫描Redis获取下发的任务，并根据异常场景解析对应的json字段；

S13，根据启动命令字段判断是启动新的异常模拟还是停止原有的异常模拟，并根据判断结果对链表执行相应动作；以及

S14，扫描链表并写入共享内存。

该步骤为用户态的具体设置异常场景的存入方法，通过该步骤有利于满足支持全类型语言，全类型应用的异常状态模拟，并且满足支持系统的全部异常类型，能真实的模拟出各种组合式的场景错误，并针对分布式系统异常进行复杂的环境错误模拟。

进一步地，内核中有很多错误类型，以及很多系统调用。异常场景的组合设计可以把不同的系统调用或者错误类型进行组合形成一个异常场景。例如文件的打开、读写进行组合就可以形成一个磁盘错误的场景。

如图2所示，其中，异常场景包括任务ID、进程名、进程启动参数、启动停止命令、异常开始时间、异常结束时间、异常类型、异常的返回错误值、抖动率以及报文的丢包率等。通过设计多种异常场景，有利于真实的模拟出各种组合式的场景错误，并针对分布式系统异常进行复杂的环境错误模拟，有利于扩大基于内核态模拟分布式异常状态的方法的适用范围。具体地，这里的异常场景为全部异常类型，指的是操作系统的各种异常，即操作系统可能出现的问题都可以模拟。UI层是进行错误的组合变成一个固定的错误场景，例如open和read可能出现的错误组合成一个磁盘异常，这个场景就可以供用户选择，不需要用户自己去选择什么错误，因为用户并不知道每个hook函数是模拟什么错误的。上层UI进行组合设计后，用户可以直观的看到各种类型的错误，只需要关心需要模拟哪些的分布式异常然后选择对应的场景就可以了。该方法有利于降低对用户专业知识的要求，有利于进一步提高本实施例的基于内核态模拟分布式异常状态的方法的适用范围。

上述步骤S12中预设时间为1秒～50秒。可以理解的是，探针扫描Redis的间隔时间越短，扫描频率越高。示例性地，本实施例的预设时间为5秒，以便于在保证运行速度的情况下，尽可能提高扫描的频率。

步骤S13具体相应动作包括：如果是开始任务则根据开始时间和结束时间判断是否是有效的异常场景，并将有效的异常场景写入链表中；如果是停止任务则根据任务ID到链表中查找对应的任务，找到任务则从链表中移除。该步骤针对启动命令字段对链表作出相应的动作，有利于简化链表内容，进而有利于提高运行速度。

请继续参见图2，其中，步骤S14包括以下步骤：

S141，超过执行时间的任务从链表中移除并同步更新共享内存；

S142，判断新下发的任务在链表中是否存在的异常场景，并判断是否更新开始时间以及结束时间，以及是否更新错误场景。

该步骤能够及时更新共享内存信息，有利于保证信息交互的效率和准确性，避免发生信息冲突和信息错误。

此外，步骤S2中预设操作包括文件操作、网络、内存、线程、路径以及系统调用中的一个或多个，即针对文件操作、网络、内存、线程、路径以及系统调用进行hook，以便于保证该基于内核态模拟分布式异常状态的方法能够模拟文件操作、网络、内存、线程、路径以及系统调用等多种进行异常模拟分析，有利于扩大该基于内核态模拟分布式异常状态的方法的适用范围和应用的灵活性。

可选地，步骤S4中，如果判断第二预设信息与第一预设信息相同，则目标系统存在异常故障，则获取数据结构中相应的错误类型，并指向与错误类型向对应的操作。具体地根据不同hook获取不同的数据字段。如果是执行接口错误，则在内核中返回相应的错误结果，如果是获丢包率则在网络收发过程中在开始时间和结束时间内根据要求的丢包率随机对数据包进行丢弃.如果是抖动率就在磁盘IO操作过程中执行一定的抖动错误。如果是其他类型则执行相应的操作(例如：CPU满载、内存满载)。该方法能够根据具体的错误类型进行相应的操作，将基于内核态模拟分布式异常状态的方法的处理具体化，便于用户操作。可以理解的是，该目标系统异常故障会传送给目标系统，以便于用户及时了解相应信息。

此外，当目标系统执行操作时，首先中断来从用户态跳转到内核态运行的。

步骤S4中，如果判断第二预设信息与第一预设信息不同，则正常执行目标系统原有的流程。

本基于内核态模拟分布式异常状态的方法，基于目标系统的流程执行，触发hook来模拟目标系统异常错误提高目标系统的健壮性。

注意，以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施方式的限制，上述实施方式和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明的要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于内核态模拟分布式异常状态的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，用户态进行分布式异常场景设计及组合，并写入共享内存；

S2，将预设操作进行hook，在内核中读取调用第一预设信息；

S3，目标系统执行预设异常模拟的流程；以及

S4，所述流程触发所述hook，所述hook读取所述共享内存中的所述异常场景，并获取其中的第二预设信息，对比所述第二预设信息和所述第一预设信息，并根据对比结果进行相应的操作；

所述第一预设信息为内核中读取调用进程的进程名和进程启动参数，所述第二预设信息是共享内存中的数据结构的进程名和进程启动参数；

步骤S4中，如果判断所述第二预设信息与所述第一预设信息相同，则获取数据结构中相应的错误类型，并指向与所述错误类型向对应的操作；

如果判断所述第二预设信息与所述第一预设信息不同，则正常执行所述目标系统原有的流程；

步骤S1包括以下步骤：

S11，UI层进行所述异常场景的组合设计形成异常模拟的json报文；

S12，设计好的所述异常场景下发到Redis集群，探针每隔预设时间扫描Redis获取下发的任务，并根据所述异常场景解析对应的json字段；

S13，根据启动命令字段判断是启动新的异常模拟还是停止原有的异常模拟，并根据判断结果对链表执行相应动作；以及

S14，扫描所述链表并写入所述共享内存。

2.根据权利要求1所述的基于内核态模拟分布式异常状态的方法，其特征在于，步骤S3中目标系统执行预设异常模拟的流程包括如下步骤：

S31，针对所述目标系统的系统调用进行所述hook；

S32，改变函数的行为，当所述目标系统做了相应的操作后触发所述hook的函数来模拟异常。

3.根据权利要求1所述的基于内核态模拟分布式异常状态的方法，其特征在于，所述第一预设信息为内核中读取调用进程的进程名和进程启动参数。

4.根据权利要求1所述的基于内核态模拟分布式异常状态的方法，其特征在于，所述预设操作包括文件操作、网络、内存、线程、路径以及系统调用中的一个或多个。

5. 根据权利要求1所述的基于内核态模拟分布式异常状态的方法，其特征在于，步骤S13具体所述相应动作包括：

如果是开始任务则根据开始时间和结束时间判断是否是有效的所述异常场景，并将有效的所述异常场景写入所述链表中；以及

如果是停止任务则根据任务ID到所述链表中查找对应的任务，找到任务则从所述链表中移除。

6.根据权利要求5所述的基于内核态模拟分布式异常状态的方法，其特征在于，步骤S14包括以下步骤：

S141，超过执行时间的任务从所述链表中移除并同步更新所述共享内存；

S142，判断新下发的所述任务在所述链表中是否存在的所述异常场景，并判断是否更新开始时间以及结束时间，以及是否更新错误场景。

7.根据权利要求1所述的基于内核态模拟分布式异常状态的方法，其特征在于，所述异常场景包括任务ID、进程名、进程启动参数、启动停止命令、异常开始时间、异常结束时间、异常类型、异常的返回错误值、抖动率以及报文的丢包率。