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.

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.

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.

L'évolution des systèmes pendant leur vie opérationnelle est incontournable. Les systèmes sûrs de fonctionnement doivent évoluer pour s'adapter à des changements comme la confrontation à de nouveaux types de fautes ou la perte de ressources. L'ajout de cette dimension évolutive à la fiabilité conduit à la notion de résilience informatique. Parmi les différents aspects de la résilience, nous nous concentrons sur l'adaptativité. La sûreté de fonctionnement informatique est basée sur plusieurs moyens, dont la tolérance aux fautes à l'exécution, où l'on attache des mécanismes spécifiques (Fault Tolerance Mechanisms, FTMs) à l'application. A ce titre, l'adaptation des FTMs à l'exécution s'avère un défi pour développer des systèmes résilients. Dans la plupart des travaux de recherche existants, l'adaptation des FTMs à l'exécution est réalisée de manière préprogrammée ou se limite à faire varier quelques paramètres. Tous les FTMs envisageables doivent être connus dès le design du système et déployés et attachés à l'application dès le début. Pourtant, les changements ont des origines variées et, donc, vouloir équiper un système pour le pire scénario est impossible. Selon les observations pendant la vie opérationnelle, de nouveaux FTMs peuvent être développés hors-ligne, mais intégrés pendant l'exécution. On dénote cette capacité comme adaptation agile, par opposition à l'adaptation préprogrammée. Dans cette thèse, nous présentons une approche pour développer des systèmes sûrs de fonctionnement flexibles dont les FTMs peuvent s'adapter à l'exécution de manière agile par des modifications à grain fin pour minimiser l'impact sur l'architecture initiale. D'abord, nous proposons une classification d'un ensemble de FTMs existants basée sur des critères comme le modèle de faute, les caractéristiques de l'application et les ressources nécessaires. Ensuite, nous analysons ces FTMs et extrayons un schéma d'exécution générique identifiant leurs parties communes et leurs points de variabilité. Après, nous démontrons les bénéfices apportés par les outils et les concepts issus du domaine du génie logiciel, comme les intergiciels réflexifs à base de composants, pour développer une librairie de FTMs adaptatifs à grain fin. Nous évaluons l'agilité de l'approche et illustrons son utilité à travers deux exemples d'intégration : premièrement, dans un processus de développement dirigé par le design pour les systèmes ubiquitaires et, deuxièmement, dans un environnement pour le développement d'applications pour des réseaux de capteurs. / Evolution during service life is mandatory, particularly for long-lived systems. Dependable systems, which continuously deliver trustworthy services, must evolve to accommodate changes e.g., new fault tolerance requirements or variations in available resources. The addition of this evolutionary dimension to dependability leads to the notion of resilient computing. Among the various aspects of resilience, we focus on adaptivity. Dependability relies on fault tolerant computing at runtime, applications being augmented with fault tolerance mechanisms (FTMs). As such, on-line adaptation of FTMs is a key challenge towards resilience. In related work, on-line adaption of FTMs is most often performed in a preprogrammed manner or consists in tuning some parameters. Besides, FTMs are replaced monolithically. All the envisaged FTMs must be known at design time and deployed from the beginning. However, dynamics occurs along multiple dimensions and developing a system for the worst-case scenario is impossible. According to runtime observations, new FTMs can be developed off-line but integrated on-line. We denote this ability as agile adaption, as opposed to the preprogrammed one. In this thesis, we present an approach for developing flexible fault-tolerant systems in which FTMs can be adapted at runtime in an agile manner through fine-grained modifications for minimizing impact on the initial architecture. We first propose a classification of a set of existing FTMs based on criteria such as fault model, application characteristics and necessary resources. Next, we analyze these FTMs and extract a generic execution scheme which pinpoints the common parts and the variable features between them. Then, we demonstrate the use of state-of-the-art tools and concepts from the field of software engineering, such as component-based software engineering and reflective component-based middleware, for developing a library of fine-grained adaptive FTMs. We evaluate the agility of the approach and illustrate its usability throughout two examples of integration of the library: first, in a design-driven development process for applications in pervasive computing and, second, in a toolkit for developing applications for WSNs.