Este trabalho relata observações e analises sobre como os detectores de defeitos influenciam as operação de consenso. O conceito dos detectores de defeitos é essencial para as operações de consenso em sistemas distribuídos assíncronos, uma vez que esses representam uma das (micas formas de sobrepujar as limitações impostas pela chamada Impossibilidade FLP (impossibilidade de diferenciar um processo falho de um processo mais lento). Enquanto os detectores de defeitos tem seu funcionamento bem definido através de duas propriedades, completeness e accuracy, Não há nenhuma restrição quanto a forma de implementá-los. Na literatura são encontrados vários modelos de detectores de defeitos, construídos com as mais variadas estratégias, mecanismos de comunicação e de detecção. No entanto, estes modelos não costumam ser acompanhados de uma comparação com os detectores já existentes; os autores limitam-se a apresentar as inovações dos mecanismos sugeridos. De toda literatura pesquisada, apenas um trabalho procurou comparar diferentes modelos de detectores de defeitos, e através de simulações, avaliou o impacto destes detectores sobre o tempo de terminação das operações de consenso. Entretanto, aquele trabalho era bem limitado, tanto nos modelos de detectores analisados quanto nos objetivos das observações. O presente trabalho procurou estender aquele experimento, incluindo mais modelos de detectores, e transportando-os para um ambiente prático de execução. As observações realizadas não ficaram limitadas as avaliações já realizadas por aquele trabalho, de tal forma que os modelos de detectores testados foram analisados sob diversas métricas, situações e parâmetros de operação. Essas avaliações possibilitaram verificar o comportamento dos detectores frente aos padrões de falhas mais significativos, avaliar o impacto de cada detector sobre as operações de consenso e a sua interação com os elementos do ambiente de execução. Essas avaliações permitiram fazer uma comparação dos detectores, possibilitando a identificação de suas limitações, suas situações de melhor desempenho e possíveis otimizações para serem realizadas em trabalhos futuros. / This work presents our observations and analysis on the influence of the failure detectors on the consensus algorithm. Failure detectors are essential to the consensus over an asynchronous distributed system, as they represent one of the few techniques that are able to circumvent the limitation imposed by the FLP Impossibility (the impossibility to distinguish a crashed process from a slow one, in asynchronous systems). While failure detectors are well defined through two properties, completeness and accuracy, there's no rule about their implementation. Thus, in the literature there are many models of failure detectors, each one implemented using different approaches to the communication and detection strategies. However, these detectors seldom compare themselves to the existing ones; their authors usually present only the advantages and innovations of the new model. Indeed, we only found one work that tried to compare different failure detectors. Using simulation techniques, that work evaluated the impact of the failure detectors on the consensus termination time. However, that research was very limited in the number of detectors analyzed and in the evaluation goals. The present work extended that experience, including more detectors in the analysis and evaluating them in a practical environment. Also, the observations were not restricted to those from the original paper, and the detectors were analyzed with more metrics, failure patterns and operational parameters. The evaluation allowed us to identify the behavior from the detectors in face of the most significant failure patterns, their influence on the consensus operation and their interaction with the execution environment. These evaluation also enabled us to compare the detectors, identifying their limitations, their best employment situations and possible optimizations to future developments.

Algorithms in message-passing distributed systems often require partial synchrony to tolerate crash failures. Informally, partial synchrony refers to systems where timing bounds on communication and computation may exist, but the knowledge of such bounds is limited. Traditionally, the foundation for the theory of partial synchrony has been real time: a time base measured by counting events external to the system, like the vibrations of Cesium atoms or piezoelectric crystals. Unfortunately, algorithms that are correct relative to many real-time based models of partial synchrony may not behave correctly in empirical distributed systems. For example, a set of popular theoretical models, which we call M_*, assume (eventual) upper bounds on message delay and relative process speeds, regardless of message size and absolute process speeds. Empirical systems with bounded channel capacity and bandwidth cannot realize such assumptions either natively, or through algorithmic constructions. Consequently, empirical deployment of the many M_*-based algorithms risks anomalous behavior. As a result, we argue that real time is the wrong basis for such a theory. Instead, the appropriate foundation for partial synchrony is fairness: a time base measured by counting events internal to the system, like the steps executed by the processes. By way of example, we redefine M_* models with fairness-based bounds and provide algorithmic techniques to implement fairness-based M_* models on a significant subset of the empirical systems. The proposed techniques use failure detectors — system services that provide hints about process crashes — as intermediaries that preserve the fairness constraints native to empirical systems. In effect, algorithms that are correct in M_* models are now proved correct in such empirical systems as well. Demonstrating our results requires solving three open problems. (1) We propose the first unified mathematical framework based on Timed I/O Automata to specify empirical systems, partially synchronous systems, and algorithms that execute within the aforementioned systems. (2) We show that crash tolerance capabilities of popular distributed systems can be denominated exclusively through fairness constraints. (3) We specify exemplar system models that identify the set of weakest system models to implement popular failure detectors.

Este trabalho relata observações e analises sobre como os detectores de defeitos influenciam as operação de consenso. O conceito dos detectores de defeitos é essencial para as operações de consenso em sistemas distribuídos assíncronos, uma vez que esses representam uma das (micas formas de sobrepujar as limitações impostas pela chamada Impossibilidade FLP (impossibilidade de diferenciar um processo falho de um processo mais lento). Enquanto os detectores de defeitos tem seu funcionamento bem definido através de duas propriedades, completeness e accuracy, Não há nenhuma restrição quanto a forma de implementá-los. Na literatura são encontrados vários modelos de detectores de defeitos, construídos com as mais variadas estratégias, mecanismos de comunicação e de detecção. No entanto, estes modelos não costumam ser acompanhados de uma comparação com os detectores já existentes; os autores limitam-se a apresentar as inovações dos mecanismos sugeridos. De toda literatura pesquisada, apenas um trabalho procurou comparar diferentes modelos de detectores de defeitos, e através de simulações, avaliou o impacto destes detectores sobre o tempo de terminação das operações de consenso. Entretanto, aquele trabalho era bem limitado, tanto nos modelos de detectores analisados quanto nos objetivos das observações. O presente trabalho procurou estender aquele experimento, incluindo mais modelos de detectores, e transportando-os para um ambiente prático de execução. As observações realizadas não ficaram limitadas as avaliações já realizadas por aquele trabalho, de tal forma que os modelos de detectores testados foram analisados sob diversas métricas, situações e parâmetros de operação. Essas avaliações possibilitaram verificar o comportamento dos detectores frente aos padrões de falhas mais significativos, avaliar o impacto de cada detector sobre as operações de consenso e a sua interação com os elementos do ambiente de execução. Essas avaliações permitiram fazer uma comparação dos detectores, possibilitando a identificação de suas limitações, suas situações de melhor desempenho e possíveis otimizações para serem realizadas em trabalhos futuros. / This work presents our observations and analysis on the influence of the failure detectors on the consensus algorithm. Failure detectors are essential to the consensus over an asynchronous distributed system, as they represent one of the few techniques that are able to circumvent the limitation imposed by the FLP Impossibility (the impossibility to distinguish a crashed process from a slow one, in asynchronous systems). While failure detectors are well defined through two properties, completeness and accuracy, there's no rule about their implementation. Thus, in the literature there are many models of failure detectors, each one implemented using different approaches to the communication and detection strategies. However, these detectors seldom compare themselves to the existing ones; their authors usually present only the advantages and innovations of the new model. Indeed, we only found one work that tried to compare different failure detectors. Using simulation techniques, that work evaluated the impact of the failure detectors on the consensus termination time. However, that research was very limited in the number of detectors analyzed and in the evaluation goals. The present work extended that experience, including more detectors in the analysis and evaluating them in a practical environment. Also, the observations were not restricted to those from the original paper, and the detectors were analyzed with more metrics, failure patterns and operational parameters. The evaluation allowed us to identify the behavior from the detectors in face of the most significant failure patterns, their influence on the consensus operation and their interaction with the execution environment. These evaluation also enabled us to compare the detectors, identifying their limitations, their best employment situations and possible optimizations to future developments.

Este trabalho relata observações e analises sobre como os detectores de defeitos influenciam as operação de consenso. O conceito dos detectores de defeitos é essencial para as operações de consenso em sistemas distribuídos assíncronos, uma vez que esses representam uma das (micas formas de sobrepujar as limitações impostas pela chamada Impossibilidade FLP (impossibilidade de diferenciar um processo falho de um processo mais lento). Enquanto os detectores de defeitos tem seu funcionamento bem definido através de duas propriedades, completeness e accuracy, Não há nenhuma restrição quanto a forma de implementá-los. Na literatura são encontrados vários modelos de detectores de defeitos, construídos com as mais variadas estratégias, mecanismos de comunicação e de detecção. No entanto, estes modelos não costumam ser acompanhados de uma comparação com os detectores já existentes; os autores limitam-se a apresentar as inovações dos mecanismos sugeridos. De toda literatura pesquisada, apenas um trabalho procurou comparar diferentes modelos de detectores de defeitos, e através de simulações, avaliou o impacto destes detectores sobre o tempo de terminação das operações de consenso. Entretanto, aquele trabalho era bem limitado, tanto nos modelos de detectores analisados quanto nos objetivos das observações. O presente trabalho procurou estender aquele experimento, incluindo mais modelos de detectores, e transportando-os para um ambiente prático de execução. As observações realizadas não ficaram limitadas as avaliações já realizadas por aquele trabalho, de tal forma que os modelos de detectores testados foram analisados sob diversas métricas, situações e parâmetros de operação. Essas avaliações possibilitaram verificar o comportamento dos detectores frente aos padrões de falhas mais significativos, avaliar o impacto de cada detector sobre as operações de consenso e a sua interação com os elementos do ambiente de execução. Essas avaliações permitiram fazer uma comparação dos detectores, possibilitando a identificação de suas limitações, suas situações de melhor desempenho e possíveis otimizações para serem realizadas em trabalhos futuros. / This work presents our observations and analysis on the influence of the failure detectors on the consensus algorithm. Failure detectors are essential to the consensus over an asynchronous distributed system, as they represent one of the few techniques that are able to circumvent the limitation imposed by the FLP Impossibility (the impossibility to distinguish a crashed process from a slow one, in asynchronous systems). While failure detectors are well defined through two properties, completeness and accuracy, there's no rule about their implementation. Thus, in the literature there are many models of failure detectors, each one implemented using different approaches to the communication and detection strategies. However, these detectors seldom compare themselves to the existing ones; their authors usually present only the advantages and innovations of the new model. Indeed, we only found one work that tried to compare different failure detectors. Using simulation techniques, that work evaluated the impact of the failure detectors on the consensus termination time. However, that research was very limited in the number of detectors analyzed and in the evaluation goals. The present work extended that experience, including more detectors in the analysis and evaluating them in a practical environment. Also, the observations were not restricted to those from the original paper, and the detectors were analyzed with more metrics, failure patterns and operational parameters. The evaluation allowed us to identify the behavior from the detectors in face of the most significant failure patterns, their influence on the consensus operation and their interaction with the execution environment. These evaluation also enabled us to compare the detectors, identifying their limitations, their best employment situations and possible optimizations to future developments.

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The technological advances resulting from electronic systems miniaturization were crucial to the reach of current technology. The microelectronics and studies to reduce power consumption in electronic devices provided that mobile sensor networks become increasingly used. A mobile sensor network is composed of several sensors nodes, which work collaboratively to achieve a certain goal. Each network node has layers and applications for specific purposes, two of the most important algorithms present in most applications in sensor networks are failure detectors and localization algorithms. Failure detectors are algorithms that check faulty nodes in the network by exchanging messages. This algorithm is a fundamental block in distributed applications and fault tolerant. Moreover, the localization algorithm is an alternative to GPS use. Using the content of messages transmitted by nodes, the algorithm computes a location coordinates of the node from a reference point. Several methodologies have been proposed in literature for both algorithms. However, even with functional similarities are not found searches uniting these algorithms in one in order to save resources and improve efficiency in wireless sensor networks. This study proposes a hybrid method in which the failure detector takes advantage of messages sent by localization algorithm to perform its task. This solution optimizes the messages exchange sent by nodes, reducing the transmission of data packets. As result, the solution reduces the power consumption of nodes and improves system performance. / Os avanços tecnológicos decorrentes da miniaturização de sistemas eletrônicos nas últimas décadas foram determinantes para o alcanço da tecnologia atual. A microeletrônica, em conjunto com estudos de redução de consumo de energia em dispositivos eletrônicos, propiciou que as redes de sensores móveis se difundissem rapidamente ao redor do mundo. Uma rede de sensores móveis é composta por diversos nodos sensores, que trabalham colaborativamente para alcançar um determinado objetivo. Cada nodo da rede possui camadas e aplicações com fins específicos, dois dos mais importantes algoritmos presentes na maioria das aplicações em redes de sensores são os detectores de defeitos e os algoritmos de localização. Os detectores de defeitos são algoritmos que normalmente são executados na camada de aplicação e seu objetivo é detectar através da troca de mensagem entre eles possíveis nodos falhos na rede. O algoritmo detector de defeitos é bloco fundamental em aplicações distribuídas e tolerantes a falhas. Por outro lado, o algoritmo de localização é uma proposta alternativa a utilização do GPS. Por meio da troca de mensagem entre os nodos, a partir de um ponto de referência o algoritmo de localização calcula as coordenadas do nodo no espaço. Diversas metodologias já foram propostas na bibliografia para ambos os algoritmos. Porém, mesmo com similaridades funcionais, não são encontradas pesquisas que integrem estes algoritmos, a fim de economizar recursos e melhorar a eficiência das redes de sensores. Este trabalho propõe um método híbrido em que o detector de defeitos aproveita a troca de mensagens realizada pelo algoritmo de localização para realizar sua tarefa. A solução aperfeiçoa a troca de mensagens enviadas pelos nodos, evitando o envio de pacotes de dados. Como resultado, a solução diminui o consumo de energia dos nodos e melhora o desempenho do sistema.

Cette thèse étudie ce qui peut-être calculé dans des systèmes composés de multiple ordinateurs communicant par messages ou partageant de la mémoire. Les modèles considérés prennent en compte la possibilité de défaillance d'une partie de ces ordinateurs ainsi que la variabilité et l'hétérogénéité de leurs vitesses d'exécution. Les résultats présentés considèrent principalement les problèmes d'accord, les systèmes sujets au partitionnement et les détecteurs de fautes. Ce document établis des relations entre les modèles itérés connus et la notion de détecteur de fautes. Il présente une hiérarchie de problèmes généralisant l'accord k-ensembliste et le consensus s-simultané. Une nouvelle construction universelle basée sur des objets consensus s-simultané ainsi qu'une famille de modèles itérés autorisant plusieurs processus à s'exécuter en isolation sont introduites. / This thesis studies computability in systems composed of multiple computers exchanging messages or sharing memory. The considered models take into account the possible failure of some of these computers, as well as variations in time and heterogeneity of their execution speeds. The presented results essentially consider agreement problems, systems prone to partitioning and failure detectors. The document establishes relations between known iterated models and the concept of failure detector and presents a hierarchy of agreement problems spanning from k-set agreement to s-simultaneous consensus. It also introduces a new universal construction based on s-simultaneous consensus objects and a family of iterated models allowing several processes to run in isolation.

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