Évaluation de la sûreté de fonctionnement d applications basées sur le Web

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1 Évaluation de la sûreté de fonctionnement d applications basées sur le Web Mohamed Kaâniche, Karama Kanoun {Mohamed.Kaaniche; Karama.Kanoun}@laas.fr Journée SEE «Sûreté de fonctionnement des réseaux de télécommunication - évaluation quantitative» Jeudi 9 janvier 2003, ENST, Paris

2 Contexte et objectif Architecture répartie à large échelle avec interactions multiples Utilisateurs U2 Fournisseur 1 Fournisseurs externes Fournisseur 2 Approche de modélisation évaluer l impact des défaillances sur la qualité de service aider les fournisseurs e-commerce dans les choix d architectures U1 Internet Fournisseur e-commerce Fournisseur n 2

3 Approche de modélisation Description hiérarchique de l application et spécification du comportement des utilisateurs fonctionnel + architecture(s) de mise en œuvre Construction et traitement de modèle(s) de sûreté de fonctionnement basés sur la description hiérarchique hypothèses de fautes et mesures 3

4 Description hiérarchique Profil des utilisateurs User 1 User 2 User k Niveau Utilisateurs Fonctions activées par les utilisateurs F1 F2 Fn Niveau Fonctions Services internes & externes implémentant chaque fonction, et leurs interactions Niveau Services Fournisseur e-commerce Fournisseurs externes Si 1 Si 2 Si m Se 1 Se 2 Se p z Architecture sur laquelle les services sont mis en œuvre Fournisseur e-commerce Ri 1 Fournisseurs externes Ri 2 Ri k Re 1 Re 2 Re p Niveau Ressources 4

5 Niveau Utilisateur : profil opérationnel p 22 p s2 F2 Start p s1 p 21 p 12 p 32 F1 p 51 F5 p 25 p 5x p 1x p 2x Exit p 23 p 3x F3 p 33 p 14 p 4x p 34 p 41 p s4 F4 p 43 User 1 Niveau Utilisateurs User 2 User k Chemin de Start à Exit une session utilisateur lors d une visite au site P ij Probabilité d activer Fj après Fi Niveau Fonctions F1 F2 Fn Niveau Services internes externes Si 1 Si 2 Si m Se 1 Se 2 Se p Niveau Ressources internes externes Ri 1 Ri 2 Ri k Re 1 Re 2 Re p 5

6 Fonctions Services Services Fonctions Login Register Search Select Browse Open Account Get Quotes Web Transactions commerciales Authentification Application Base de Données Niveau Utilisateurs User 1 User 2 User k F1 F2 Niveau Fonctions Fn Niveau Services internes externes Si 1 Si 2 Si m Se 1 Se 2 Se p Niveau Ressources internes externes Ri 1 Ri 2 Ri k Re 1 Re 2 Re p 6

7 Fonction Services End WS q 5,6 End q 2,4 q 4, Begin WS AS DB AS WS End q 1,2 q 2,5 q 4,7 q 7,8 q 8,9 q 9,10 WS: web server AS: application server DB: database server User 1 Niveau Utilisateurs User 2 User k Chemin de Begin à End un scénario d exécution possible Niveau Fonctions F1 F2 Fn Niveau Services internes externes Si 1 Si 2 Si m Se 1 Se 2 Se p Niveau Ressources internes externes Ri 1 Ri 2 Ri k Re 1 Re 2 Re p 7

8 Services Ressources À chaque service externe on associe une ressource (boîte noire) Services internes : analyse détaillée de l architecture du fournisseur e-commerce Répartition des services sur le support matériel machine dédiée à chaque serveur plusieurs serveurs sur la même machine Tolérance aux fautes serveurs non-redondés serveurs redondés Politiques de maintenance User 1 Niveau Utilisateurs User 2 User k ressources dédiées ressources partagées maintenance immédiate maintenance différée F1 F2 Niveau Fonctions Fn Hypothèses de fautes permanentes, transitoires Niveau Services internes externes Si 1 Si 2 Si m Se 1 Se 2 Se p Niveau Ressources internes externes Ri 1 Ri 2 Ri k Re 1 Re 2 Re p 8

9 Modélisation Disponibilité Niveau Utilisateurs A(U 1 ) A(U q ) Start F Fn Exit F1 F2 Fn Start F1 Fn Exit Niveau Fonctions Si 1 Si m Se 1 Se p A(F 1 ) Modèle(s) Disponibilité Niveau Utilisateurs A(F n ) Modèle(s) Disponibilité Niveau Fonctions A(Si 1 ) A(Si k ) Niveau Services A(Se 1 ) A(Se p ) Si 1 Si 2 Si m Ri 1 Ri 2 Ri k Se 1 Se 2 Se p Niveau Ressources Re 1 Re 2 Re p Modèle(s) Disponibilité Niveau Services A(Ri 1 ) A(Ri m ) Modèle(s) Disponibilité Niveau Ressources A(Re p ) A(Re 1 ) 9

10 Techniques de modélisation Plusieurs techniques possibles à chaque niveau : Arbres de fautes, digrammes de fiabilité, chaînes de Markov, réseaux de Petri stochastiques, etc. Analyse des dépendances choix de la technique appropriée Interactions matériel logiciel Détection d erreur et recouvrement Maintenance 10

11 Travel Agency Travel Agency TAFE-SS Users TAFE-CS trip details Abstract Service Interface Flight Hotel Car Flight reservation component systems Hotel booking component systems Car rental component systems 11

12 Function and User Levels Home p 12 p 32 p 27 p 47 p 24 Start Exit Book p 54 Search p 57 p 56 p 45 p 34 p 44 p 23 p 37 p 67 Pay p 13 Browse P ij p 33 Probability of invoking Fj after Fi Path from Start à Exit User execution scenario 12

13 User execution scenarios User scenario 1: Start-Home-Exit 2: Start-Browse-Exit 3: Start-{Home; Browse}*-Exit 4: Start-Home-Search-Exit 5: Start-Browse-Search-Exit 6: Start-{Home; Browse}*-Search-Exit 7: Start-Home- {Search-Book}*-Exit 8: Start-Browse- {Search-Book}*-Exit 9: Start-{Home; Browse}*- {Search-Book}*-Exit 10: Start-Home- {Search-Book}*-Pay-Exit 11: Start-Browse- {Search-Book}*- Pay-Exit 12: Start-{Home - Browse}*- {Search-Book}*- Pay-Exit Probability π 1 π 2 π 3 π 4 π 5 π 6 π 7 π 8 π 9 π 10 π 11 π 12 13

14 Two operational profiles: A, B User scenario Class A (%) Class B (%) 1: Start-Home-Exit : Start-Browse-Exit SC : Start-{Home; Browse}*-Exit : Start-Home-Search-Exit : Start-Browse-Search-Exit } } } SC : Start-{Home; Browse}*-Search-Exit : Start-Home- {Search-Book}*-Exit 8: Start-Browse- {Search-Book}*-Exit 9: Start-{Home; Browse}*- {Search-Book}*-Exit 10: Start-Home- {Search-Book}*-Pay-Exit 11: Start-Browse- {Search-Book}*- Pay-Exit 12: Start-{Home - Browse}*- {Search-Book}*- Pay-Exit SC3 } SC % 20.3% 14

15 Service and function levels Internal services External services Home Browse Search Book Pay Web Application Database Flight Hotel Car Payment 3 7a Search Begin End Flight q 2,3 7b WS AS DS AS Hotel AS WS End q 2,4 7c Car 15

16 Resource Level TA Provider site Disk Database server Application server Web server Flight reservation Flight component reservation system #N F component system #1 Internet Flight reservation Car component reservation system #N C component system #1 Hotel reservation component system #1 #N H Basic architecture Payment server Redundant architecture D1 D2 Database server 1 Database server 2 Application server 1 Application server 2 Web server 1 Web server 2 Web server N W 16

17 TA availability modeling User level Two operational profiles: A, B Function level Home, Browse, Search, Book, Pay Internal WS, AS, DS Service level External Flight, Hotel, Car, Pay Internal Basic Redundant Perfect coverage Imperfect coverage Resource level Flight: A Fi Hotel: A Hi Car: ACi APS, Anet External i = 1.. N F i = 1.. N H i = 1.. N C 17

18 TA availability modeling User level Two operational profiles: A, B Function level Home, Browse, Search, Book, Pay Service level Availability measures Internal WS, AS, DS Internal Basic Redundant Perfect coverage Imperfect coverage Service level Resource level External Flight, Hotel, Car, Pay Flight: A Fi Hotel: A Hi Car: ACi APS, Anet External i = 1.. N F i = 1.. N H i = 1.. N C A(Web service) A(Application service) A(Database service) A(Flight service) A(Hotel service) A(Car service) A(payment service) 18

19 TA availability modeling User level Two operational profiles: A, B Function level Home, Browse, Search, Book, Pay Function level availability measures A(Home) A(Browse) A(Search) A(Book) A(Pay) Service level Availability measures Internal WS, AS, DS Internal Basic Redundant Perfect coverage Imperfect coverage Service level Resource level External Flight, Hotel, Car, Pay Flight: A Fi Hotel: A Hi Car: ACi APS, Anet External i = 1.. N F i = 1.. N H i = 1.. N C A(Web service) A(Application service) A(Database service) A(Flight service) A(Hotel service) A(Car service) A(payment service) 19

20 User level Two operational profiles: A, B TA availability modeling User level availability measures A(A users) A(B users) Function level availability measures Function level Home, Browse, Search, Book, Pay A(Home) A(Browse) A(Search) A(Book) A(Pay) Internal WS, AS, DS Service level External Flight, Hotel, Car, Pay Internal Basic Redundant Perfect coverage Imperfect coverage Resource level Flight: A Fi Hotel: A Hi Car: ACi APS, Anet External i = 1.. N F i = 1.. N H i = 1.. N C 20

21 Web service availability modeling Composite Availability-Performance model System states resulting from hardware and software failures and recoveries System behaviour resulting from request arrival/service processes conditioned on system states requests rejected due to WS being in a down state requests rejected due to WS input buffer being full 21

22 Web service availability modelling Basic architecture Availability model 1 λ 0 A(C WS ): availability of the computer host running the Web server µ Performance model: M/M/1/K Request arrival/service times exponentially distributed (rates α, ν) K: size of web server input buffer p K : probability the web server is full when a request is received A A (Web service) = ( 1 p ) ( C ) 1 ρ K p = ρ K K 1 1 ρ + K WS ρ = α ν 22

23 Web service availability modeling Redundant architecture: perfect coverage Availability model N w λ (N w - 1) λ (N w - 2) λ 2λ λ N w N w - 1 N w µ µ µ µ µ Performance model: M/M/i/K p K (i): probability a request is lost in state i due to WS buffer being full A(Web service) = (i) + w 1 Π i p K Π o N i=1 Π i = i 1 µ i! λ Π o p (i) = K K j j ρ i1 ρ K i K-i + ρ i! j0 = j! ji = i j-i i! 1 Π 0 = N w i=0 1 i 1 µ i! λ 23

24 Web service availability modeling Redundant architecture: imperfect coverage Availability model N w cλ (N w -2) cλ 2cλ λ N w N w -1 N w µ µ µ µ µ β β β N w (1-c)λ 2 (1-c)λ y Nw -1 y Nw -2 y 2 0 Performance model: M/M/i/K p K (i): probability a request is lost in state i due to WS buffer being full N w N w A(Web service) = 1 (i) + + i 2 Π p K Π y Π i i=1 i=1 o 24

25 Evaluation results 1 µ = 1/hour ν = 100/sec 10-1 β = 12/hour K = 10 c = 0,98 WS Unavailability (1- A(WS) α = 50/sec α = 100/sec λ = 10-2 /h λ = 10-3 /h λ = 10-4 /h Number of web servers (Nw) Redundant architecture: imperfect coverage 25

26 User level availability A(user) = A net A LAN A(WS). [π 1 + (π 2 +π 3 ) {q 23 +A(AS)(q 24 q 45 +q 24 q 47 A(DS)} + A(AS) A(DS) A(Flight) A(Hotel) A(Car). {(π 4 +π 5 +π 6 +π 7 +π 8 +π 9 ) + (π 10 +π 11 +π 12 ) A(PS) }] N F = N H = N C A (A users) A (B users) User perceived unavailability 173 hours/year 190 hours/year 26

27 User level availability User perceived Unavailability UA(SC2) UA(SC4) UA(A users) UA(SC1) 10-3 UA(SC3) NF=NH=NC 16 hours downtime per year SC4: Scenarios that end up with a payment UA(B users) UA(SC2) UA(SC3) UA(SC4) UA(SC1) NF=NH=NC 43 hours downtime per year 570 Million Loss of revenue 1.55 Billion Transaction rate: 100per sec Revenue per transaction:

28 Conclusion et perspectives État de l art Évaluation expérimentale de sites Web Modélisation : orientée performances Contribution Approche de modélisation hiérarchique Modélisation et mesures à différents niveau d abstraction Prise en compte de la sûreté de fonctionnement perçue par l utilisateur Perspectives Validation sur des cas d études Modèle conceptuel hypothèses de fautes pour Internet copies multiples des données (replication et caching) 28