6. Redondance¶
Pourrait-on construire un véhicule qui ne tombe jamais en panne ?
Si tous les ingénieurs cherchent à y parvenir, l’aviation commerciale est un domaine dans lequel les résultats sont les plus probants. Les statistiques montrent que, depuis une décennie, seuls 2 à 4 accidents mortels par millions de vols sont enregistrés.
Ce résultat est atteint au prix d’une maintenance extrêmement stricte, une formation exigeante et continue du personnel de bord, une analyse méticuleuse de chaque incident, un contrôle permanent du respect des recommandations tant par les constructeurs que par les opérateurs, et enfin un soin particulier apporté à la redondance des systèmes critiques.
La redondance est une technique qui consiste à dupliquer les fonctions critiques d’un système pour augmenter sa fiabilité ou ses performances. Évidemment, la redondance des systèmes a un coût : en complexité, en masse et volume, et en maintenance. En effet, paradoxalement, comme chaque composant a une probabilité de panne (fût-elle faible), plus il y a de composants, plus il y a de pannes. Toutefois, moins leurs conséquences sont graves. On parle alors d’un système robuste ou résilient, puisqu’il n’est pas mis en péril par la première panne.
La redondance se retrouve à tous les niveaux des systèmes informatiques, qu’ils soient embarqués dans un avion ou non. Ces redondances ont toujours un coût qui se mesure dans ce cas par une augmentation de la quantité de données et/ou du temps de traitement requis. Ils contribuent en échange à la sécurité des données, en augmentant l’intégrité (cohérence) et/ou la disponibilité de l’information.
Somme de contrôle (checksum)¶
Pour s’assurer qu’une information est reçue intégralement (sans omissions) et parfaitement (sans erreurs), un expéditeur pourrait naïvement l’envoyer deux fois, par deux moyens indépendants, dans un SMS et sur une carte postale par exemple. Le destinataire devrait alors renvoyer une confirmation… par deux moyens indépendants ?!
On convient aisément que cette solution serait atrocement dispendieuse. Une étude attentive montre que, de plus, elle ne permet pas de déterminer laquelle des deux copies est la bonne version lorsqu’elles diffèrent, ce qui indique qu’il y a un problème, mais ne propose pas de solution pour le résoudre.
Pourtant, aucun signal n’étant parfait, l’augmentation de la vitesse de transmission débouche nécessairement sur une augmentation des erreurs, notamment des pertes d’information et des mutations.
Les systèmes informatiques, dès lors qu’ils communiquent continuellement et abondamment, sont particulièrement sensibles à ce problème. Lorsqu’il s’agit d’assurer l’intégrité des informations transmises, des solutions plus élégantes que la proposition naïve présentée plus haut ont été élaborées pour effectuer un contrôle de qualité par redondance.
Les checksums par exemple sont une brève représentation d’un bloc d’information plus grand, des sortes d’empreintes numériques. Bien qu’elles soient transmises avec le bloc d’information qu’elles représentent, leur petite taille relative ne surcharge pas démesurément la transmission. En choisissant une représentation qui se calcule et se contrôle facilement, ces checksums n’imposent pas non plus un temps de traitement beaucoup plus long pour les créer et les vérifier.
Idéalement, les checksums de deux blocs d’information sont très différentes même lorsque les différences entre les blocs sont infimes. Cela simplifie en effet la détection des erreurs.
La forme la plus simple est utilisée depuis la nuit des temps informatiques : le bit de parité. Il permet de contrôler par redondance une erreur sur la transmission d’un paquet de 7 bits, en utilisant 1 bit supplémentaire.
Dans l’exemple qui suit, on donne la valeur 0 au bit de parité lorsque la somme des bits de la valeur à transmettre est paire, et la valeur 1 lorsque cette somme est impaire. On notera que, de cette façon, la somme des 8 bits est toujours paire.
Le bit de parité est habituellement placé à la position de poids le plus faible, ce qui permet de contrôler directement la valeur transmise.
Valeur à transmettre |
Somme des bits |
Bit de parité |
Valeur transmise |
|---|---|---|---|
0000000 |
0 |
0 |
00000000 |
0000001 |
1 |
1 |
00000011 |
0000010 |
1 |
1 |
00000101 |
0000011 |
2 |
0 |
00000110 |
0000100 |
1 |
1 |
00001001 |
0000101 |
2 |
0 |
00001010 |
0000110 |
2 |
0 |
00001100 |
0000111 |
3 |
1 |
00001111 |
… |
… |
… |
|
1111101 |
6 |
0 |
11111010 |
1111110 |
6 |
0 |
11111100 |
1111111 |
7 |
1 |
11111111 |
Le code suivant permet de tester le calcul de parité et son contrôle.
On notera que, pour un coût de taille modeste (un huitième des bits transmis) et un calcul rapide à réaliser (une somme et une comparaison), des erreurs de transmission ponctuelles — celles qui ne portent que sur un nombre de positions impair — sont immédiatement détectables. Cela inclut les erreurs qui porteraient sur le bit de parité lui-même.
Le saviez-vous ?
Les contrôles de bit de parité peuvent être intégrés aux composants électroniques.
La mémoire vive RAM (Random Access Memory) de type ECC (Error-Correcting Code) s’appuie sur des bits de contrôle pour détecter, voire corriger, les erreurs de stockage qui pourraient affecter les données ou le code des logiciels en cours d’exécution.
Cette fonction supplémentaire explique leur coût plus élevé.
Fonction de hachage¶
L’exemple de bit de parité permet grossièrement de contrôler une communication caractère par caractère. Une forme plus élaborée du même concept prend la forme du hachage de l’information qui peut alors s’appliquer à des quantités d’information beaucoup plus importantes, de type et de longueurs variables.
Prenons par exemple un texte représenté par les valeurs décimales de l’encodage ASCII et construisons une empreinte digitale sur la base de calculs simples :
h |
a |
c |
h |
a |
g |
e |
|---|---|---|---|---|---|---|
104 |
97 |
99 |
104 |
97 |
103 |
101 |
La somme de toutes ces valeurs totalise 705 (= 104 + 97 + 99 + 104 + 97 + 103 + 101), soit 0x2C1 en hexadécimal.
La somme des produits de chaque valeur par l’index de sa position totalise quant à elle 2821 (= 1x104 + 2x97 + 3x99 + 4x104 + 5x97 + 6x103 + 7x101), soit 0xB05 en hexadécimal.
On peut décider de limiter ces deux totaux à leur deux dernières positions hexadécimales, (C1 et 05, respectivement), ce qui permet de construire une empreinte digitale (digest ou hash) C105 indépendante de la longueur du texte.
Si le texte venait à être modifié, ne serait-ce que très légèrement, l’empreinte numérique ainsi définie serait afectée :
h |
a |
c |
h |
a |
h |
e |
|---|---|---|---|---|---|---|
104 |
97 |
99 |
104 |
97 |
104 |
101 |
En effet, la somme des valeurs totalise alors 706 (= 104 + 97 + 99 + 104 + 97 + 104 + 101), soit 0x2C2 en hexadécimal, alors que la somme des produits totalise 2827 (= 1x104 + 2x97 + 3x99 + 4x104 + 5x97 + 6x104 + 7x101) soit 0xB0B, ce qui donne un hash de C20B au lieu de C105 précédemment, alors qu’un seul bit diffère entre les deux messages.
Le code suivant permet de tester la fonction de hachage décrite précédemment.
On notera que les mots ‘hat’ et ‘fer’ débouchent sur la même empreinte (3D86), par exemple.
On notera que la suppression d’une lettre au texte (“hachage” => C105) ne change pas la longueur de cette simple empreinte mais sa valeur (“hachag” => 5C42) et que cette fonction de hachage est aussi sensible à la casse (“Hachage” => A1E5).
Le saviez-vous ?
Même si le hachage d’une information est à dessein relativement rapide en soi, des contraintes artificielles provoquant délibéremment la multiplication de ces hachages peuvent être imposées lors de l’ajout des blocs dans une blockchain. Cela constitue la preuve de travail (proof-of-Work, PoW) des cryptomonnaies que l’on nomme communément minage des cryptomonnaies.
On notera qu’une empreinte numérique est une simplification de l’information hachée. Il est dès lors envisageable de trouver deux informations, de longueurs possiblement différentes, dont les empreintes sont identiques. En contrepartie, il n’est en principe pas envisageable de reconstruire le texte d’origine sur la base de la seule empreinte.
Toutefois, grâce à leurs propriétés (déterministes et rapides), des fonctions de hachage plus complexes (SHA, MD5…) trouvent des applications dans de nombreux contextes : authenticité (signatures numériques), intégrité (erreurs de transfert, stockage, blockchains…), identification (fichiers, connexions réseau…), authentification (stockage et vérification des mots de passe)…
Disques RAID¶
Les pannes de disques durs sont très communes et entrainent des pertes de données aux conséquences parfois irrécupérables.
La mise en place de sauvegardes automatiques régulières sur des supports distincts et, de préférence, délocalisés (en soi une forme de redondance sur le stockage de l’information) représente un début de réponse. Toutefois, si le support utilisé pour le stockage n’est lui-même pas résilient, la sécurité de ces sauvegardes n’est pas assurée.
Une solution technique a été proposée dès les années 1980 basée sur la disponibilité de grappes de disques durs relativement bon marché (Redundant Array of Independent Disks, RAID). Il est alors possible de créer (entre autres) des disques logiques de taille T (RAID 1), formés d’une grappe de \(n\) disques physiques de taille T, sur chacun desquels est stockée une copie complète des données. À chaque écriture, le système maintient automatiquement l’ensemble des \(n\) copies, ce qui permet de récupérer l’intégralité de l’information, même si \(n-1\) disques sont endommagés.
Ici encore, en exploitant le principe des bits de parité décrits précédemment, il est par exemple possible de construire une grappe de 3 disques (RAID 5) de taille T capable de stocker 2xT données. La part de stockage perdue (un disque sur trois) y est utilisée de telle sorte que, lorsqu’un des trois disques est perdu – n’importe lequel des trois ! –, aucune information n’est réellement perdue. Mieux, si le disque défectueux est remplacé, son contenu peut être reconstruit automatiquement et la résilience de la grappe rétablie. En outre, les vitesses d’écriture et de lecture sur ces trois disques en grappe est également accélérée.
Ce type d’infrastructure, malgré son coût plus élevé, est à la base des systèmes critiques qui ne peuvent se permettre de perdre des informations, ce qui pourrait inclure, à terme, les copies de sécurité des postes personnels, quand les données traitées sont sensibles.
Cloud computing¶
Les systèmes informatiques récents sont distribués à l’échelle d’Internet, tant pour leurs parties matérielles que logicielles. On parle de systèmes cloud ou informatique en nuage.
On trouve ainsi des systèmes de stockage de fichiers distribués sur plusieurs ordinateurs, voire dans plusieurs fermes de stockage. Cette configuration augmente considérablement la sécurité des données en contribuant à leur intégrité et à leur disponibilité.