Protocolos de comunicação seguros são essenciais em ambientes de automação industrial, onde falhas não detectadas na comunicação de dispositivos podem provocar danos irreparáveis à vida ou ao meio-ambiente. Esses protocolos seguros devem ser desenvolvidos de acordo com alguma norma de segurança, como a IEC 61508. Segundo ela, faz parte do processo de implementação destes protocolos, a escolha de técnicas adequadas de validação, entre elas a injeção de falhas, a qual deve considerar um modelo de falhas apropriado ao ambiente de operação do protocolo. Geralmente, esses ambientes são caracterizados pela existência de diversas formas de interferência elétrica e eletromagnética, as quais podem causar falhas nos sistemas eletrônicos existentes. Nos sistemas de comunicação de dados, isto pode levar a destruição do sinal de dados e causar estados de operação equivocados nos dispositivos. Assim, é preciso utilizar uma técnica de injeção de falhas que permita simular os tipos de erros de comunicação que podem ocorrer nos ambientes industriais. Dessa forma, será possível verificar o comportamento dos mecanismos de tolerância falhas na presença de falhas e assegurar o seu correto funcionamento. Para esta finalidade, este trabalho apresenta o desenvolvimento do injetor de falhas FITT para validação de protocolos de comunicação seguros. Esta ferramenta foi desenvolvida para ser utilizada com o sistema operacional Linux. O injetor faz uso do PF_RING, um módulo para o Kernel do Linux, que é responsável por realizar a comunicação direta entre as interfaces de rede e o injetor de falhas. Assim os pacotes não precisam passar pelas estruturas do Kernel do Linux, evitando que atrasos adicionais sejam inseridos no processo de recebimento e envio de mensagens. As funções de falhas desenvolvidas seguem o modelo de falhas de comunicação descrito na norma IEC 61508. Esse modelo é composto pelos erros de repetição, perda, inserção, sequência incorreta, endereçamento, corrupção de dados, atraso, mascaramento e falhas de memória em switches. / Safe communication protocols are essential in industrial automation environments, where undetected failures in the communication of devices can cause irreparable damage to life or to the environment. These safe protocols must be developed according to some safety standard, like IEC 61508. According to it, part of the process of implementing these protocols is to select appropriate techniques for validation, including the fault injection, which should consider an appropriate fault model for the operating environment of the protocol. Generally, these environments are characterized by the existence of various forms of electric and electromagnetic interference, which can cause failures in existing electronic systems. In data communication systems, this can lead to the destruction of the data signal and cause erroneous operation states in the devices. Thus, it is necessary to use a fault injection technique that allows simulating the types of communication errors that may occur in industrial environments. So, it will be possible to verify the behavior of the fault tolerance mechanisms in the presence of failures and ensure its correct functioning. For this purpose, this work presents the development of FITT fault injector for validation of safety communication protocols. This tool was developed to be used with Linux operating system. The fault injector makes use of PF_RING, a module for the Linux Kernel and that is responsible to perform the direct communication between the network interfaces and the fault injector. Thus the packages do not need to go through the Linux Kernel structures, avoiding additional delays to be inserted into the process of receiving and sending messages. The developed fault injection functions follow the communication fault model described in the IEC61508 standard, composed by the errors of repetition, loss, insertion, incorrect sequence, addressing, data corruption, delay, masking and memory failures within switches. The fault injection tests applied with this model allow to properly validate the fault tolerance mechanisms of safety protocols.

A confiabilidade de dispositivos de Processamentos de Alto Desempenho (PAD) é uma das principais preocupações dos supercomputadores hoje e para a próxima geração. De fato, o alto número de dispositivos em grandes centros de dados faz com que a probabilidade de ter pelo menos um dispositivo corrompido seja muito alta. Neste trabalho, primeiro avaliamos o problema realizando experimentos de radiação. Os dados dos experimentos nos dão uma taxa de erro realista de dispositivos PAD. Além disso, avaliamos um conjunto representativo de algoritmos que derivam entendimentos gerais de algoritmos paralelos e a confiabilidade de abordagens de programação. Para entender melhor o problema, propomos uma nova metodologia para ir além da quantificação do problema. Qualificamos o erro avaliando a importância de cada execução corrompida por meio de um conjunto dedicado de métricas. Mostramos que em relação a computação imprecisa, a simples detecção de incompatibilidade não é suficiente para avaliar e comparar a sensibilidade à radiação de dispositivos e algoritmos PAD. Nossa análise quantifica e qualifica os efeitos da radiação na saída das aplicações, correlacionando o número de elementos corrompidos com sua localidade espacial. Também fornecemos o erro relativo médio (em nível do conjunto de dados) para avaliar a magnitude do erro induzido pela radiação. Além disso, desenvolvemos um injetor de falhas, CAROL-FI, para entender melhor o problema coletando informações usando campanhas de injeção de falhas, o que não é possível através de experimentos de radiação. Injetamos diferentes modelos de falha para analisar a sensitividade de determinadas aplicações. Mostramos que partes de aplicações podem ser classificadas com diferentes criticalidades. As técnicas de mitigação podem então ser relaxadas ou enrobustecidas com base na criticalidade de partes específicas da aplicação. Este trabalho também avalia a confiabilidade de seis arquiteturas diferentes, variando de dispositivos PAD a embarcados, com o objetivo de isolar comportamentos dependentes de código e arquitetura. Para esta avaliação, apresentamos e discutimos experimentos de radiação que abrangem um total de mais de 352.000 anos de exposição natural e análise de injeção de falhas com base em um total de mais de 120.000 injeções. Por fim, as estratégias de ECC, ABFT e de duplicação com comparação são apresentadas e avaliadas em dispositivos PAD por meio de experimentos de radiação. Apresentamos e comparamos a melhoria da confiabilidade e a sobrecarga imposta das soluções de enrobustecimento selecionadas. Em seguida, propomos e analisamos o impacto do enrobustecimento seletivo para algoritmos de PAD. Realizamos campanhas de injeção de falhas para identificar as variáveis de código-fonte mais críticas e apresentamos como selecionar os melhores candidatos para maximizar a relação confiabilidade/sobrecarga. / HPC device’s reliability is one of the major concerns for supercomputers today and for the next generation. In fact, the high number of devices in large data centers makes the probability of having at least a device corrupted to be very high. In this work, we first evaluate the problem by performing radiation experiments. The data from the experiments give us realistic error rate of HPC devices. Moreover, we evaluate a representative set of algorithms deriving general insights of parallel algorithms and programming approaches reliability. To understand better the problem, we propose a novel methodology to go beyond the quantification of the problem. We qualify the error by evaluating the criticality of each corrupted execution through a dedicated set of metrics. We show that, as long as imprecise computing is concerned, the simple mismatch detection is not sufficient to evaluate and compare the radiation sensitivity of HPC devices and algorithms. Our analysis quantifies and qualifies radiation effects on applications’ output correlating the number of corrupted elements with their spatial locality. We also provide the mean relative error (dataset-wise) to evaluate radiation-induced error magnitude. Furthermore, we designed a homemade fault-injector, CAROL-FI, to understand further the problem by collecting information using fault injection campaigns that is not possible through radiation experiments. We inject different fault models to analyze the sensitivity of given applications. We show that portions of applications can be graded by different criticalities. Mitigation techniques can then be relaxed or hardened based on the criticality of the particular portions. This work also evaluates the reliability behaviors of six different architectures, ranging from HPC devices to embedded ones, with the aim to isolate code- and architecturedependent behaviors. For this evaluation, we present and discuss radiation experiments that cover a total of more than 352,000 years of natural exposure and fault-injection analysis based on a total of more than 120,000 injections. Finally, Error-Correcting Code, Algorithm-Based Fault Tolerance, and Duplication With Comparison hardening strategies are presented and evaluated on HPC devices through radiation experiments. We present and compare both the reliability improvement and imposed overhead of the selected hardening solutions. Then, we propose and analyze the impact of selective hardening for HPC algorithms. We perform fault-injection campaigns to identify the most critical source code variables and present how to select the best candidates to maximize the reliability/overhead ratio.

Esta dissertação tem por finalidade apresentar uma metodologia de injeção de falhas baseada em emulação de processadores. Os efeitos causados pela radiação em processadores, operando no espaço ou em altitudes elevadas, têm sido estudados na literatura para o desenvolvimento de mecanismos de tolerância a falhas. Com a crescente popularidade do uso de processadores comerciais, (COTS – do inglês, Commercial Off-The-Shelf), em aplicações críticas, uma série de preocupações tem surgido devido a falta de confiabilidade apresentada por estes sistemas. Sendo desprovidos de mecanismos de tolerância para melhor robustez em ambientes espaciais, estes dispositivos comerciais são mais suscetíveis aos efeitos da radiação. Neste contexto, técnicas de tolerância a falhas baseadas em software vêm sendo estudadas a fim de aumentar a confiabilidade desta abordagem. Para a devida validação de tais mecanismos de tolerância, o uso de técnicas de injeção de falhas é aplicável. Estas técnicas de injeção de falhas possuem uma série de limitações que podem inviabilizar a sua aplicabilidade, dependendo da abordagem utilizada. Fatores como custo, indisponibilidade da descrição de hardware – utilizada em técnicas de injeção de falhas por simulação ou emulação em FPGA (Field Programmable Gate Array), e o longo tempo necessário para execução dos experimentos, são alguns exemplos de limitações das técnicas disponíveis. Com base nisso, a metodologia de injeção de falhas alternativa apresentada neste trabalho, visa reduzir as limitações presentes nas mais diversas técnicas. Baseada na utilização de tradução dinâmica de instruções, para acelerar o processo de execução de aplicações em emuladores, a metodologia apresenta um modelo de falhas para efeitos transientes e permanentes, aplicáveis neste cenário. Como método de classificação dos efeitos observados neste processo, um modelo presente na literatura foi utilizado. Para validação desta metodologia, um injetor de falhas baseado no emulador QEMU foi desenvolvido. Posteriormente, um estudo de caso com o injetor de falhas foi realizado para três estruturas de software distintas executando individualmente no processador MIPS 24kc, representando três níveis de complexidade distintos: sistema operacional Linux, sistema de tempo real, (RTEMS – do inglês, Real-Time Operating System), e uma aplicação dedicada. Cada sistema foi submetido a uma campanha de injeção de falhas transientes para emulação de efeitos singulares (SEU – do inglês, Single Event Upset). Como alvo de falhas, foram selecionados os registradores do processador e a memória de dados. Por fim, as análises obtidas através dos experimentos mostraram os diferentes efeitos observados para os três níveis de complexidade dos softwares executados. Além disso, se pôde avaliar o desempenho do injetor de falhas, disponibilizando ao final do trabalho uma ferramenta para o auxílio no desenvolvimento de técnicas de tolerância a falhas por software. / This dissertation aims to present a fault injection methodology based on microprocessor emulation. The effects caused by radiation in microprocessors, operating in space or at high altitudes, have been studied in the literature for the development of fault tolerance mechanisms. With the growing popularity of COTS (Commercial Off-The-Shelf) processors usage, in critical applications, a number of concerns have arisen due to the lack of reliability, presented in these systems. Due to the lack of fault tolerance mechanisms, these COTS devices are more susceptible to radiation effects. In this context, software-based fault tolerance techniques have been studied in the literature in order to increase the reliability of this approach. To validate such fault tolerance mechanisms, the use of fault injection techniques is applicable. These fault injection techniques have several limitations which can preclude their applicability, depending on of its design approach. Factor such as cost, unavailability of hardware description – used by fault injection techniques based on simulation or emulation with FPGA (Field Programmable Gate Array), and the long time demanded to execute experiments, are some examples of limitations in the available techniques. Based on this, the alternative fault injection methodology presented in this work aims to reduce these limitations. Based on the dynamic translation of instructions usage to accelerate the execution of application on emulators, the methodology presents a fault model for transient and permanent faults applicable in this scenario. As a classification method of the observed effects in this process, a model in the literature has been used. To validate this methodology, a fault injector based on the QEMU emulator was implemented. Later, a case study with the fault injector was performed for three software structures running at a time on a MIPS 24kc processor, representing three different levels of complexity: Linux operating system, RTEMS (Real-Time Operating System), and a dedicated application. Each system was submitted to a fault injection campaign emulating Single Event Upsets (SEUs). As fault targets it was selected the processor registers and the data memory. Finally, the analysis obtained with the experiments showed the different effects observed for the three levels of complexity. Besides that, the fault injector performance could be evaluated providing in the end a tool to help in the development of software-based fault injection techniques.

Sistemas embarcados estão mais complexos e são cada vez mais utilizados em contextos que exigem muitos recursos computacionais. Isso significa que o hardware embarcado pode ser composto por vários processadores, memórias, partes reconfiguráveis e ASIPs integrados em um único silício. Adicionalmente, o software embarcados pode conter muitas rotinas de programação executadas sob restrição de processamento e memória. Esse cenário estabelece uma forte dependência entre o hardware e o software embarcado. Portanto, o teste de um sistema embarcado compreende o teste do hardware e do software. Neste contexto, a reutilização de procedimentos e estruturas de teste é um caminho para se reduzir o tempo de desenvolvimento e execução dos testes. Neste trabalho é apresentado um método de teste integrado de hardware e software. Nesse método, casos de teste desenvolvidos para testar o software embarcado também são usados para testar o seu processador. Comparou-se os custos e cobertura de falhas do método proposto com técnicas de auto-teste funcional. Os resultados experimentais demonstraram que foi possível reduzir os custos de aplicação e geração do teste do sistema usando um método de teste integrado de software e hardware. / Embedded Systems are more complexity. Nowadays, they are used in context that requires computational resources. This means an embedded hardware may be compound of several processors, memories, reconfigurable parts, and ASICs integrated in a single die. Additionally, an embedded software has a lot of programming procedures, which is under processing and memory constraints. This scenario provides a stronger connection between hardware and software. Therefore, the test of an embedded system is the test of both, hardware and software. In this context, reuse of testing structures and procedures is one way to reduce the test development time and execution. This work presents an integrated test of software and software method. In this method, test cases developed to test the embedded software are also used to test its processor. We compared the costs and fault coverage of our proposed method with techniques of functional self-test. The experimental results show that it is possible to reduce the implementation and test generation costs using an integrated test of software and hardware.

Sistemas distribuídos já são de amplo uso atualmente e seu crescimento tende a se acentuar devido a popularização da Internet. Cada vez mais computadores se interligam e trocam informações entre si. Nestes sistemas, requerimentos como confiabilidade, disponibilidade e desempenho são de fundamental importância para a satisfação do usuário. Estes requerimentos podem ser atendidos aproveitando-se da redundância já existente com as maquinas interligadas. Mas para atingir os requisitos de confiabilidade e disponibilidade, protocolos tolerantes a falhas devem ser construídos. Tolerância a falhas visa continuar a fornecer o serviço de algum protocolo, aplicação ou sistema a despeito da ocorrência de falhas durante a sua execução. Tolerância a falhas pode ser implementada por hardware ou por software através de mascaramento ou recuperação de falhas. Recentemente, a injeção de falhas implementada por software tem sido um dos principais métodos utilizados para validar protocolos tolerantes a falhas em sistemas distribuídos, e muitas ferramentas tem sido construídas. Contudo, não ha nenhuma biblioteca de classes orientada a objetos para auxiliar novos pesquisadores na construção da sua própria ferramenta de injeção de falhas. Este trabalho apresenta uma proposta de uma arquitetura orientada a objetos escrita em C++ para sistemas operacionais UNIX usando sockets, de modo a alcançar aquele objetivo. Esta arquitetura é chamada de AFIDS (Architecture for Fault Injection in Distributed Systems). AFIDS pretende fornecer uma estrutura básica que aborda as questões principais no processo de injeção de falhas implementada por software: a) a Geraldo de parâmetros de falhas para o experimento, b) o controle da localização, tipo e tempo da injeção de falhas, c) a coleta de dados do experimento, d) a injeção efetiva da falha e a análise dos dados coletados de modo a obter medidas de dependabilidade sobre o protocolo tolerante a falhas. Ou seja, AFIDS pretende ser um framework para a construed° de ferramentas de injeção de falhas. Segundo [BOO 961: "Através do uso de frameworks maduros, o esforço de desenvolvimento torna-se mais fácil, porque os principais elementos funcionais podem ser reutilizados". AFIDS leva em consideração várias questões de projeto que foram obtidas através da analise de oito ferramentas de injeção de falhas por software para sistemas distribuídos: FIAT [SEG 88], EFA [ECH 92. ECH 94], SFI [ROS 93], DOCTOR [HAN 93], PFI [DAW 94], CSFI [CAR 95a], SockPFI [DAW 95] e ORCHESTRA [DAW 96]. Para auxiliar a construção de AFIDS, é apresentada uma ferramenta de injeção de falhas que utiliza um objeto injetor de falhas por processo do protocolo sob teste. AFIDS e esta ferramenta são implementadas em C++ usando sockets em Linux. Para que AFIDS se tome estável e consistente e necessário que outras ferramentas sejam construídas baseadas nela. Isto é enfatizado porque, segundo [BOO 96]: "Um framework são começa a alcançar maturidade apos a sua aplicação em pelo menos três ou mais aplicações distintas". / Currently, distributed systems are already in wide use. Because of the Internet popularization their growth tend to arise. More and more computers interconnect and share information. In these systems, requirements such as reliability, availability and performance are fundamental in order to satisfy the users. These requirements can be reached taking advantage of the redundancy already associated with the computers interconnected. However, to reach the reliability and availability requirements, fault tolerant protocols must be built. Fault tolerance aims to provide continuous service of some protocol, application or system in despite of fault occurrence during its execution. Fault tolerance can be implemented in hardware or software using fault masking or recovery. Recently, the software-implemented fault injection has been one of the main methods used to validate fault tolerant protocols in distributed systems, and many tools has been built. However, there is no object-oriented class library to aid new researchers on the buildin g of own fault injection tool. This work presents a proposal of an objectoriented architecture written in C++ for UNIX operating systems using sockets, in order to reach that purpose. This architecture is called AFIDS (Architecture for Fault Injection in Distributed Systems). AFIDS intends to provide a basic structure that addresses the main issues of the process of software-implemented fault injection: a) the generation of fault parameters for the experiment, b) the control of the location, type and time of the fault injection, c) the data collection of the experiment, d) the effective injection of the faults, and e) the analysis of collected data in order to obtain dependability measures about the fault tolerant protocol sob test. According to [BOO 96]: "By using mature frameworks, the effort of the development team is made even easier, because now major functional elements can be reused.". AFIDS regards various design issues that were obtained from the analysis of eight tools of software-implemented fault injection for distributed systems: FIAT [SEG 88], EFA [ECH 92, ECH 94], SFI EROS 93], DOCTOR [HAN 93], PFI [DAW 94], CSFI [CAR 95a], SockPFI [DAW 95] e ORCHESTRA [DAW 96]. In order to aid the AFIDS building, a fault injection tool that uses one injector object in each process of protocol under test is shown. AFIDS and this tool are implemented in C++ using sockets on Linux operating system. AFIDS will become stable and consistent after the building of others tools based on it. This is emphasized because, according to [BOO 96]: "A framework does not even begin to reach maturity until it has been applied in at least three or more distinct applications".

Sistemas embarcados estão mais complexos e são cada vez mais utilizados em contextos que exigem muitos recursos computacionais. Isso significa que o hardware embarcado pode ser composto por vários processadores, memórias, partes reconfiguráveis e ASIPs integrados em um único silício. Adicionalmente, o software embarcados pode conter muitas rotinas de programação executadas sob restrição de processamento e memória. Esse cenário estabelece uma forte dependência entre o hardware e o software embarcado. Portanto, o teste de um sistema embarcado compreende o teste do hardware e do software. Neste contexto, a reutilização de procedimentos e estruturas de teste é um caminho para se reduzir o tempo de desenvolvimento e execução dos testes. Neste trabalho é apresentado um método de teste integrado de hardware e software. Nesse método, casos de teste desenvolvidos para testar o software embarcado também são usados para testar o seu processador. Comparou-se os custos e cobertura de falhas do método proposto com técnicas de auto-teste funcional. Os resultados experimentais demonstraram que foi possível reduzir os custos de aplicação e geração do teste do sistema usando um método de teste integrado de software e hardware. / Embedded Systems are more complexity. Nowadays, they are used in context that requires computational resources. This means an embedded hardware may be compound of several processors, memories, reconfigurable parts, and ASICs integrated in a single die. Additionally, an embedded software has a lot of programming procedures, which is under processing and memory constraints. This scenario provides a stronger connection between hardware and software. Therefore, the test of an embedded system is the test of both, hardware and software. In this context, reuse of testing structures and procedures is one way to reduce the test development time and execution. This work presents an integrated test of software and software method. In this method, test cases developed to test the embedded software are also used to test its processor. We compared the costs and fault coverage of our proposed method with techniques of functional self-test. The experimental results show that it is possible to reduce the implementation and test generation costs using an integrated test of software and hardware.

Esta dissertação tem por finalidade apresentar uma metodologia de injeção de falhas baseada em emulação de processadores. Os efeitos causados pela radiação em processadores, operando no espaço ou em altitudes elevadas, têm sido estudados na literatura para o desenvolvimento de mecanismos de tolerância a falhas. Com a crescente popularidade do uso de processadores comerciais, (COTS – do inglês, Commercial Off-The-Shelf), em aplicações críticas, uma série de preocupações tem surgido devido a falta de confiabilidade apresentada por estes sistemas. Sendo desprovidos de mecanismos de tolerância para melhor robustez em ambientes espaciais, estes dispositivos comerciais são mais suscetíveis aos efeitos da radiação. Neste contexto, técnicas de tolerância a falhas baseadas em software vêm sendo estudadas a fim de aumentar a confiabilidade desta abordagem. Para a devida validação de tais mecanismos de tolerância, o uso de técnicas de injeção de falhas é aplicável. Estas técnicas de injeção de falhas possuem uma série de limitações que podem inviabilizar a sua aplicabilidade, dependendo da abordagem utilizada. Fatores como custo, indisponibilidade da descrição de hardware – utilizada em técnicas de injeção de falhas por simulação ou emulação em FPGA (Field Programmable Gate Array), e o longo tempo necessário para execução dos experimentos, são alguns exemplos de limitações das técnicas disponíveis. Com base nisso, a metodologia de injeção de falhas alternativa apresentada neste trabalho, visa reduzir as limitações presentes nas mais diversas técnicas. Baseada na utilização de tradução dinâmica de instruções, para acelerar o processo de execução de aplicações em emuladores, a metodologia apresenta um modelo de falhas para efeitos transientes e permanentes, aplicáveis neste cenário. Como método de classificação dos efeitos observados neste processo, um modelo presente na literatura foi utilizado. Para validação desta metodologia, um injetor de falhas baseado no emulador QEMU foi desenvolvido. Posteriormente, um estudo de caso com o injetor de falhas foi realizado para três estruturas de software distintas executando individualmente no processador MIPS 24kc, representando três níveis de complexidade distintos: sistema operacional Linux, sistema de tempo real, (RTEMS – do inglês, Real-Time Operating System), e uma aplicação dedicada. Cada sistema foi submetido a uma campanha de injeção de falhas transientes para emulação de efeitos singulares (SEU – do inglês, Single Event Upset). Como alvo de falhas, foram selecionados os registradores do processador e a memória de dados. Por fim, as análises obtidas através dos experimentos mostraram os diferentes efeitos observados para os três níveis de complexidade dos softwares executados. Além disso, se pôde avaliar o desempenho do injetor de falhas, disponibilizando ao final do trabalho uma ferramenta para o auxílio no desenvolvimento de técnicas de tolerância a falhas por software. / This dissertation aims to present a fault injection methodology based on microprocessor emulation. The effects caused by radiation in microprocessors, operating in space or at high altitudes, have been studied in the literature for the development of fault tolerance mechanisms. With the growing popularity of COTS (Commercial Off-The-Shelf) processors usage, in critical applications, a number of concerns have arisen due to the lack of reliability, presented in these systems. Due to the lack of fault tolerance mechanisms, these COTS devices are more susceptible to radiation effects. In this context, software-based fault tolerance techniques have been studied in the literature in order to increase the reliability of this approach. To validate such fault tolerance mechanisms, the use of fault injection techniques is applicable. These fault injection techniques have several limitations which can preclude their applicability, depending on of its design approach. Factor such as cost, unavailability of hardware description – used by fault injection techniques based on simulation or emulation with FPGA (Field Programmable Gate Array), and the long time demanded to execute experiments, are some examples of limitations in the available techniques. Based on this, the alternative fault injection methodology presented in this work aims to reduce these limitations. Based on the dynamic translation of instructions usage to accelerate the execution of application on emulators, the methodology presents a fault model for transient and permanent faults applicable in this scenario. As a classification method of the observed effects in this process, a model in the literature has been used. To validate this methodology, a fault injector based on the QEMU emulator was implemented. Later, a case study with the fault injector was performed for three software structures running at a time on a MIPS 24kc processor, representing three different levels of complexity: Linux operating system, RTEMS (Real-Time Operating System), and a dedicated application. Each system was submitted to a fault injection campaign emulating Single Event Upsets (SEUs). As fault targets it was selected the processor registers and the data memory. Finally, the analysis obtained with the experiments showed the different effects observed for the three levels of complexity. Besides that, the fault injector performance could be evaluated providing in the end a tool to help in the development of software-based fault injection techniques.

Protocolos de comunicação seguros são essenciais em ambientes de automação industrial, onde falhas não detectadas na comunicação de dispositivos podem provocar danos irreparáveis à vida ou ao meio-ambiente. Esses protocolos seguros devem ser desenvolvidos de acordo com alguma norma de segurança, como a IEC 61508. Segundo ela, faz parte do processo de implementação destes protocolos, a escolha de técnicas adequadas de validação, entre elas a injeção de falhas, a qual deve considerar um modelo de falhas apropriado ao ambiente de operação do protocolo. Geralmente, esses ambientes são caracterizados pela existência de diversas formas de interferência elétrica e eletromagnética, as quais podem causar falhas nos sistemas eletrônicos existentes. Nos sistemas de comunicação de dados, isto pode levar a destruição do sinal de dados e causar estados de operação equivocados nos dispositivos. Assim, é preciso utilizar uma técnica de injeção de falhas que permita simular os tipos de erros de comunicação que podem ocorrer nos ambientes industriais. Dessa forma, será possível verificar o comportamento dos mecanismos de tolerância falhas na presença de falhas e assegurar o seu correto funcionamento. Para esta finalidade, este trabalho apresenta o desenvolvimento do injetor de falhas FITT para validação de protocolos de comunicação seguros. Esta ferramenta foi desenvolvida para ser utilizada com o sistema operacional Linux. O injetor faz uso do PF_RING, um módulo para o Kernel do Linux, que é responsável por realizar a comunicação direta entre as interfaces de rede e o injetor de falhas. Assim os pacotes não precisam passar pelas estruturas do Kernel do Linux, evitando que atrasos adicionais sejam inseridos no processo de recebimento e envio de mensagens. As funções de falhas desenvolvidas seguem o modelo de falhas de comunicação descrito na norma IEC 61508. Esse modelo é composto pelos erros de repetição, perda, inserção, sequência incorreta, endereçamento, corrupção de dados, atraso, mascaramento e falhas de memória em switches. / Safe communication protocols are essential in industrial automation environments, where undetected failures in the communication of devices can cause irreparable damage to life or to the environment. These safe protocols must be developed according to some safety standard, like IEC 61508. According to it, part of the process of implementing these protocols is to select appropriate techniques for validation, including the fault injection, which should consider an appropriate fault model for the operating environment of the protocol. Generally, these environments are characterized by the existence of various forms of electric and electromagnetic interference, which can cause failures in existing electronic systems. In data communication systems, this can lead to the destruction of the data signal and cause erroneous operation states in the devices. Thus, it is necessary to use a fault injection technique that allows simulating the types of communication errors that may occur in industrial environments. So, it will be possible to verify the behavior of the fault tolerance mechanisms in the presence of failures and ensure its correct functioning. For this purpose, this work presents the development of FITT fault injector for validation of safety communication protocols. This tool was developed to be used with Linux operating system. The fault injector makes use of PF_RING, a module for the Linux Kernel and that is responsible to perform the direct communication between the network interfaces and the fault injector. Thus the packages do not need to go through the Linux Kernel structures, avoiding additional delays to be inserted into the process of receiving and sending messages. The developed fault injection functions follow the communication fault model described in the IEC61508 standard, composed by the errors of repetition, loss, insertion, incorrect sequence, addressing, data corruption, delay, masking and memory failures within switches. The fault injection tests applied with this model allow to properly validate the fault tolerance mechanisms of safety protocols.

Sistemas distribuídos já são de amplo uso atualmente e seu crescimento tende a se acentuar devido a popularização da Internet. Cada vez mais computadores se interligam e trocam informações entre si. Nestes sistemas, requerimentos como confiabilidade, disponibilidade e desempenho são de fundamental importância para a satisfação do usuário. Estes requerimentos podem ser atendidos aproveitando-se da redundância já existente com as maquinas interligadas. Mas para atingir os requisitos de confiabilidade e disponibilidade, protocolos tolerantes a falhas devem ser construídos. Tolerância a falhas visa continuar a fornecer o serviço de algum protocolo, aplicação ou sistema a despeito da ocorrência de falhas durante a sua execução. Tolerância a falhas pode ser implementada por hardware ou por software através de mascaramento ou recuperação de falhas. Recentemente, a injeção de falhas implementada por software tem sido um dos principais métodos utilizados para validar protocolos tolerantes a falhas em sistemas distribuídos, e muitas ferramentas tem sido construídas. Contudo, não ha nenhuma biblioteca de classes orientada a objetos para auxiliar novos pesquisadores na construção da sua própria ferramenta de injeção de falhas. Este trabalho apresenta uma proposta de uma arquitetura orientada a objetos escrita em C++ para sistemas operacionais UNIX usando sockets, de modo a alcançar aquele objetivo. Esta arquitetura é chamada de AFIDS (Architecture for Fault Injection in Distributed Systems). AFIDS pretende fornecer uma estrutura básica que aborda as questões principais no processo de injeção de falhas implementada por software: a) a Geraldo de parâmetros de falhas para o experimento, b) o controle da localização, tipo e tempo da injeção de falhas, c) a coleta de dados do experimento, d) a injeção efetiva da falha e a análise dos dados coletados de modo a obter medidas de dependabilidade sobre o protocolo tolerante a falhas. Ou seja, AFIDS pretende ser um framework para a construed° de ferramentas de injeção de falhas. Segundo [BOO 961: "Através do uso de frameworks maduros, o esforço de desenvolvimento torna-se mais fácil, porque os principais elementos funcionais podem ser reutilizados". AFIDS leva em consideração várias questões de projeto que foram obtidas através da analise de oito ferramentas de injeção de falhas por software para sistemas distribuídos: FIAT [SEG 88], EFA [ECH 92. ECH 94], SFI [ROS 93], DOCTOR [HAN 93], PFI [DAW 94], CSFI [CAR 95a], SockPFI [DAW 95] e ORCHESTRA [DAW 96]. Para auxiliar a construção de AFIDS, é apresentada uma ferramenta de injeção de falhas que utiliza um objeto injetor de falhas por processo do protocolo sob teste. AFIDS e esta ferramenta são implementadas em C++ usando sockets em Linux. Para que AFIDS se tome estável e consistente e necessário que outras ferramentas sejam construídas baseadas nela. Isto é enfatizado porque, segundo [BOO 96]: "Um framework são começa a alcançar maturidade apos a sua aplicação em pelo menos três ou mais aplicações distintas". / Currently, distributed systems are already in wide use. Because of the Internet popularization their growth tend to arise. More and more computers interconnect and share information. In these systems, requirements such as reliability, availability and performance are fundamental in order to satisfy the users. These requirements can be reached taking advantage of the redundancy already associated with the computers interconnected. However, to reach the reliability and availability requirements, fault tolerant protocols must be built. Fault tolerance aims to provide continuous service of some protocol, application or system in despite of fault occurrence during its execution. Fault tolerance can be implemented in hardware or software using fault masking or recovery. Recently, the software-implemented fault injection has been one of the main methods used to validate fault tolerant protocols in distributed systems, and many tools has been built. However, there is no object-oriented class library to aid new researchers on the buildin g of own fault injection tool. This work presents a proposal of an objectoriented architecture written in C++ for UNIX operating systems using sockets, in order to reach that purpose. This architecture is called AFIDS (Architecture for Fault Injection in Distributed Systems). AFIDS intends to provide a basic structure that addresses the main issues of the process of software-implemented fault injection: a) the generation of fault parameters for the experiment, b) the control of the location, type and time of the fault injection, c) the data collection of the experiment, d) the effective injection of the faults, and e) the analysis of collected data in order to obtain dependability measures about the fault tolerant protocol sob test. According to [BOO 96]: "By using mature frameworks, the effort of the development team is made even easier, because now major functional elements can be reused.". AFIDS regards various design issues that were obtained from the analysis of eight tools of software-implemented fault injection for distributed systems: FIAT [SEG 88], EFA [ECH 92, ECH 94], SFI EROS 93], DOCTOR [HAN 93], PFI [DAW 94], CSFI [CAR 95a], SockPFI [DAW 95] e ORCHESTRA [DAW 96]. In order to aid the AFIDS building, a fault injection tool that uses one injector object in each process of protocol under test is shown. AFIDS and this tool are implemented in C++ using sockets on Linux operating system. AFIDS will become stable and consistent after the building of others tools based on it. This is emphasized because, according to [BOO 96]: "A framework does not even begin to reach maturity until it has been applied in at least three or more distinct applications".

Esta dissertação tem por finalidade apresentar uma metodologia de injeção de falhas baseada em emulação de processadores. Os efeitos causados pela radiação em processadores, operando no espaço ou em altitudes elevadas, têm sido estudados na literatura para o desenvolvimento de mecanismos de tolerância a falhas. Com a crescente popularidade do uso de processadores comerciais, (COTS – do inglês, Commercial Off-The-Shelf), em aplicações críticas, uma série de preocupações tem surgido devido a falta de confiabilidade apresentada por estes sistemas. Sendo desprovidos de mecanismos de tolerância para melhor robustez em ambientes espaciais, estes dispositivos comerciais são mais suscetíveis aos efeitos da radiação. Neste contexto, técnicas de tolerância a falhas baseadas em software vêm sendo estudadas a fim de aumentar a confiabilidade desta abordagem. Para a devida validação de tais mecanismos de tolerância, o uso de técnicas de injeção de falhas é aplicável. Estas técnicas de injeção de falhas possuem uma série de limitações que podem inviabilizar a sua aplicabilidade, dependendo da abordagem utilizada. Fatores como custo, indisponibilidade da descrição de hardware – utilizada em técnicas de injeção de falhas por simulação ou emulação em FPGA (Field Programmable Gate Array), e o longo tempo necessário para execução dos experimentos, são alguns exemplos de limitações das técnicas disponíveis. Com base nisso, a metodologia de injeção de falhas alternativa apresentada neste trabalho, visa reduzir as limitações presentes nas mais diversas técnicas. Baseada na utilização de tradução dinâmica de instruções, para acelerar o processo de execução de aplicações em emuladores, a metodologia apresenta um modelo de falhas para efeitos transientes e permanentes, aplicáveis neste cenário. Como método de classificação dos efeitos observados neste processo, um modelo presente na literatura foi utilizado. Para validação desta metodologia, um injetor de falhas baseado no emulador QEMU foi desenvolvido. Posteriormente, um estudo de caso com o injetor de falhas foi realizado para três estruturas de software distintas executando individualmente no processador MIPS 24kc, representando três níveis de complexidade distintos: sistema operacional Linux, sistema de tempo real, (RTEMS – do inglês, Real-Time Operating System), e uma aplicação dedicada. Cada sistema foi submetido a uma campanha de injeção de falhas transientes para emulação de efeitos singulares (SEU – do inglês, Single Event Upset). Como alvo de falhas, foram selecionados os registradores do processador e a memória de dados. Por fim, as análises obtidas através dos experimentos mostraram os diferentes efeitos observados para os três níveis de complexidade dos softwares executados. Além disso, se pôde avaliar o desempenho do injetor de falhas, disponibilizando ao final do trabalho uma ferramenta para o auxílio no desenvolvimento de técnicas de tolerância a falhas por software. / This dissertation aims to present a fault injection methodology based on microprocessor emulation. The effects caused by radiation in microprocessors, operating in space or at high altitudes, have been studied in the literature for the development of fault tolerance mechanisms. With the growing popularity of COTS (Commercial Off-The-Shelf) processors usage, in critical applications, a number of concerns have arisen due to the lack of reliability, presented in these systems. Due to the lack of fault tolerance mechanisms, these COTS devices are more susceptible to radiation effects. In this context, software-based fault tolerance techniques have been studied in the literature in order to increase the reliability of this approach. To validate such fault tolerance mechanisms, the use of fault injection techniques is applicable. These fault injection techniques have several limitations which can preclude their applicability, depending on of its design approach. Factor such as cost, unavailability of hardware description – used by fault injection techniques based on simulation or emulation with FPGA (Field Programmable Gate Array), and the long time demanded to execute experiments, are some examples of limitations in the available techniques. Based on this, the alternative fault injection methodology presented in this work aims to reduce these limitations. Based on the dynamic translation of instructions usage to accelerate the execution of application on emulators, the methodology presents a fault model for transient and permanent faults applicable in this scenario. As a classification method of the observed effects in this process, a model in the literature has been used. To validate this methodology, a fault injector based on the QEMU emulator was implemented. Later, a case study with the fault injector was performed for three software structures running at a time on a MIPS 24kc processor, representing three different levels of complexity: Linux operating system, RTEMS (Real-Time Operating System), and a dedicated application. Each system was submitted to a fault injection campaign emulating Single Event Upsets (SEUs). As fault targets it was selected the processor registers and the data memory. Finally, the analysis obtained with the experiments showed the different effects observed for the three levels of complexity. Besides that, the fault injector performance could be evaluated providing in the end a tool to help in the development of software-based fault injection techniques.