Técnicas de tolerância a falhas visam a aumentar a dependabilidade dos sistemas nos quais são empregadas. Entretanto, há necessidade de garantir a confiança na capacidade do sistema em fornecer o serviço especificado. A validação possui como objetivo propiciar essa garantia. Uma técnica de validação bastante utilizada é a injeção de falhas, que consiste na introdução controlada de falhas no sistema para observar seu comportamento. A técnica de injeção de falhas acelera a ocorrência de falhas em um sistema. Com isso, ao invés de esperar pela ocorrência espontânea das falhas, pode-se introduzi-las intencionalmente, controlando o tipo, a localização, o disparo e a duração das falhas. Injeção de falhas pode ser implementada por hardware, software ou simulação. Neste trabalho são enfocadas técnicas de injeção de falhas por software, desenvolvidas nos níveis da aplicação e do sistema operacional. O trabalho apresenta o problema da validação, através da injeção de falhas, de um protocolo de troca de pacotes. Enfoque especial é dado ao impacto resultante da inclusão de um módulo extra no protocolo, uma vez que o mesmo apresenta restrições temporais. O trabalho investiga alternativas de implementação de injetores de falhas por software que minimizem este impacto. Tais alternativas referem-se a localização do injetor de falhas no sistema, a forma de ativação das atividades do injetor de falhas e a operação de injeção de falhas em si. Um toolkit para experimentos de intrusão da injeção de falhas é apresentado. O alvo da injeção de falhas é um protocolo com característica tempo real. O toolkit desenvolvido, denominado INFIMO (INtrusiveless Fault Injector MOdule), visa a analisar, de forma experimental, a intrusão do injetor de falhas sobre o protocolo alvo. O INFIMO preocupa-se com protocolos com restrições temporais por esses constituírem um desafio sob o ponto de vista de injeção de falhas. O INFIMO suporta falhas de comunicação, as quais podem ocasionar a omissão de alguns pacotes. O INFIMO apresenta duas ferramentas de injeção de falhas: INFIMO_LIB, implementada no nível da aplicação e INFIMO_DBG implementada com auxílio de recursos do sistema operacional. Destacam-se ainda como contribuições do INFIMO a definição e a implementação do protocolo alvo para experimentos de injeção de falhas, o protocolo INFIMO_TAP. Além disso, o INFIMO apresenta métricas para avaliação da intrusão provocada pelo injetor de falhas no protocolo alvo.

A popularização das tecnologias de acesso à Internet por “banda larga” suportam a crescente proliferação de aplicações do tipo “par-a-par” (peer-to-peer), onde o usuário doméstico, tipicamente consumidor de informação, passa também a atuar como provedor. De forma simultânea, há uma popularização crescente dos jogos em rede, especialmente dos “jogos maciçamente multijogador” (MMG ou massively multiplayer game) onde milhares de jogadores interagem, em tempo real, em mundos virtuais de estado persistente. Os MMGs disponíveis atualmente, como EverQuest e Ultima Online, são implementados como sistemas centralizados, que realizam toda a simulação do jogo no “lado servidor”. Este modelo propicia controle de acesso ao jogo pelo servidor, além de ser muito resistente a jogadores trapaceiros. Porém, a abordagem cliente-servidor não é suficientemente escalável, especialmente para pequenas empresas ou projetos de pesquisa que não podem pagar os altos custos de processamento e comunicação dos servidores de MMGs centralizados. Este trabalho propõe o FreeMMG, um modelo híbrido, cliente-servidor e par-a-par, de suporte a jogos maciçamente multijogador de estratégia em tempo real (MMORTS ou massively multiplayer online real-time strategy). O servidor FreeMMG é escalável pois delega a maior parte da tarefa de simulação do jogo para uma rede par-apar, formada pelos clientes. É demonstrado que o FreeMMG é resistente a certos tipos de trapaças, pois cada segmento da simulação distribuída é replicado em vários clientes. Como protótipo do modelo, foi implementado o jogo FreeMMGWizards, que foi utilizado para gerar testes de escalabilidade com até 300 clientes simulados e conectados simultaneamente no mesmo servidor Os resultados de escalabilidade obtidos são promissores, pois mostram que o tráfego gerado em uma rede FreeMMG, entre servidor e clientes, é significativamente menor se comparado com uma alternativa puramente cliente-servidor, especialmente se for considerado o suporte a jogos maciçamente multijogador de estratégia em tempo real.

Sistemas computacionais de tempo-real são tipicamente construídos a partir de primitivas de sincronização que fornecem uma noção do tempo no objetivo de coordenar a execução múltiplos fluxos de instruções em um processador. Quando o processamento é centralizado, a base de tempo destas primitivas é extraída do oscilador local da plataforma, permitindo que as ações do sistema sejam devidamente ordenadas, respeitando restrições de tempo e causalidade. No entanto, em sistemas distribuídos o problema não pode ser resolvido desta forma em decorrência de imperfeições nos dispositivos físicos. Diferenças mínimas na freqüência de osciladores fazem com que as bases de tempo dos componentes divirjam cada vez mais ao longo do tempo, dificultando ou até mesmo impossibilitando um ordenamento consistente de eventos. Por esta razão, sincronização de relógios é um serviço de fundamental importância, sobretudo em aplicações críticas, onde os níveis de confiabilidade exigidos são mais elevados. O presente trabalho consiste na proposta e implementação de uma plataforma de comunicação otimizada para sistemas de controle distribuídos, caracterizados por uma alta regularidade no comportamento da comunicação. O objetivo é propor uma solução em baixo nível com suporte para o projeto de sistemas distribuídos no domínio de aplicações críticas. A plataforma proposta, à qual foi atribuído o nome CASCA, sigla para “Communication Architecture for Safety- Critical Applications”, é de fato uma extensão time-triggered do protocolo CAN. Acima da camada de enlace do protocolo original foram projetados mecanismos sincronização de relógios e criação inicial da base de tempo, implementados na forma de uma combinação de hardware e software. Principais características da plataforma são jitter mínimo, uma base de tempo global essencialmente distribuída e particionamento temporal. Diferentes alternativas de projeto foram consideradas, observando com maior atenção a viabilidade de prototipação em dispositivos FPGA para fins de validação e aplicação imediata em plataformas reconfiguráveis. Como forma de validação da plataforma, um sistema elementar formado por três nodos foi sintetizado com sucesso em bancada obtendo-se como resultado uma base de tempo essencialmente distribuída com precisão menor do que um micro-segundo.

A popularização das tecnologias de acesso à Internet por “banda larga” suportam a crescente proliferação de aplicações do tipo “par-a-par” (peer-to-peer), onde o usuário doméstico, tipicamente consumidor de informação, passa também a atuar como provedor. De forma simultânea, há uma popularização crescente dos jogos em rede, especialmente dos “jogos maciçamente multijogador” (MMG ou massively multiplayer game) onde milhares de jogadores interagem, em tempo real, em mundos virtuais de estado persistente. Os MMGs disponíveis atualmente, como EverQuest e Ultima Online, são implementados como sistemas centralizados, que realizam toda a simulação do jogo no “lado servidor”. Este modelo propicia controle de acesso ao jogo pelo servidor, além de ser muito resistente a jogadores trapaceiros. Porém, a abordagem cliente-servidor não é suficientemente escalável, especialmente para pequenas empresas ou projetos de pesquisa que não podem pagar os altos custos de processamento e comunicação dos servidores de MMGs centralizados. Este trabalho propõe o FreeMMG, um modelo híbrido, cliente-servidor e par-a-par, de suporte a jogos maciçamente multijogador de estratégia em tempo real (MMORTS ou massively multiplayer online real-time strategy). O servidor FreeMMG é escalável pois delega a maior parte da tarefa de simulação do jogo para uma rede par-apar, formada pelos clientes. É demonstrado que o FreeMMG é resistente a certos tipos de trapaças, pois cada segmento da simulação distribuída é replicado em vários clientes. Como protótipo do modelo, foi implementado o jogo FreeMMGWizards, que foi utilizado para gerar testes de escalabilidade com até 300 clientes simulados e conectados simultaneamente no mesmo servidor Os resultados de escalabilidade obtidos são promissores, pois mostram que o tráfego gerado em uma rede FreeMMG, entre servidor e clientes, é significativamente menor se comparado com uma alternativa puramente cliente-servidor, especialmente se for considerado o suporte a jogos maciçamente multijogador de estratégia em tempo real.

Sistemas computacionais de tempo-real são tipicamente construídos a partir de primitivas de sincronização que fornecem uma noção do tempo no objetivo de coordenar a execução múltiplos fluxos de instruções em um processador. Quando o processamento é centralizado, a base de tempo destas primitivas é extraída do oscilador local da plataforma, permitindo que as ações do sistema sejam devidamente ordenadas, respeitando restrições de tempo e causalidade. No entanto, em sistemas distribuídos o problema não pode ser resolvido desta forma em decorrência de imperfeições nos dispositivos físicos. Diferenças mínimas na freqüência de osciladores fazem com que as bases de tempo dos componentes divirjam cada vez mais ao longo do tempo, dificultando ou até mesmo impossibilitando um ordenamento consistente de eventos. Por esta razão, sincronização de relógios é um serviço de fundamental importância, sobretudo em aplicações críticas, onde os níveis de confiabilidade exigidos são mais elevados. O presente trabalho consiste na proposta e implementação de uma plataforma de comunicação otimizada para sistemas de controle distribuídos, caracterizados por uma alta regularidade no comportamento da comunicação. O objetivo é propor uma solução em baixo nível com suporte para o projeto de sistemas distribuídos no domínio de aplicações críticas. A plataforma proposta, à qual foi atribuído o nome CASCA, sigla para “Communication Architecture for Safety- Critical Applications”, é de fato uma extensão time-triggered do protocolo CAN. Acima da camada de enlace do protocolo original foram projetados mecanismos sincronização de relógios e criação inicial da base de tempo, implementados na forma de uma combinação de hardware e software. Principais características da plataforma são jitter mínimo, uma base de tempo global essencialmente distribuída e particionamento temporal. Diferentes alternativas de projeto foram consideradas, observando com maior atenção a viabilidade de prototipação em dispositivos FPGA para fins de validação e aplicação imediata em plataformas reconfiguráveis. Como forma de validação da plataforma, um sistema elementar formado por três nodos foi sintetizado com sucesso em bancada obtendo-se como resultado uma base de tempo essencialmente distribuída com precisão menor do que um micro-segundo.

A caracterização de desempenho e uma atividade fundamental na area de controle industrial. Por se tratar, na maior parte das vezes, de aplicações de tempo real, a caracterização de desempenho torna-se ainda mais necessária e importante. Entretanto, atualmente não há nenhuma metodologia estabelecida para realizar esta caracterização. Não há nem mesmo um conjunto de parâmetros que devem ser avaliados em um equipamento de controle utilizado em processos industriais. Para tentar suprir esta carência, este trabalho apresenta uma proposta de métricas e workloads para serem utilizados na avaliação de desempenho de sistemas de controle baseados em CLPs e CPUs Industriais. O processo de avaliação de desempenho e discutido em todas as etapas, desde o estudo da aplicação at e a execução dos passos de caracterização de desempenho. Para ilustrar a aplicação das métricas, técnicas e procedimentos propostos, são avaliadas três CPUs Industriais, e os resultados s~ao apresentados ao nal do trabalho. Espera-se assim estar contribuindo para o estabelecimento de uma metodologia padronizada para avaliação de desempenho de equipamentos de controle industrial.

Neste trabalho apresenta-se um método de desenvolvimento integrado baseado no paradigma de orientação a objetos, que visa abordar todo o ciclo de desenvolvimento de uma aplicação tempo real. Na fase de especificação o método proposto baseia-se no uso de restrições temporais padronizadas pelo perfil da UML-TR, sendo que uma alternativa de mapeamento destas restrições para o nível de programação é apresentada. Este mapeamento serve para guiar a fase de projeto, onde utilizou-se como alvo a interface de programação orientada a objetos denominada TAFT-API, a qual foi projetada para atuar junto ao ambiente de execução desenvolvido no âmbito desta tese. Esta API é baseada na especificação padronizada para o Java-TR. Este trabalho também discute o ambiente de execução para aplicações tempo real desenvolvido. Este ambiente faz uso da política de escalonamento tolerante a falhas denominada TAFT (Time-Aware Fault- Tolerant). O presente trabalho apresenta uma estratégia eficiente para a implementação dos conceitos presentes no escalonador TAFT, que garante o atendimento a todos os deadlines mesmo em situações de sobrecarga transiente. A estratégia elaborada combina algoritmos baseados no Earliest Deadline, sendo que um escalonador de dois níveis é utilizado para suportar o escalonamento combinado das entidades envolvidas. Adicionalmente, também se apresenta uma alternativa de validação dos requisitos temporais especificados. Esta alternativa sugere o uso de uma ferramenta que permite uma análise qualitativa dos dados a partir de informações obtidas através de monitoração da aplicação. Um estudo de caso baseado em uma aplicação real é usado para demonstrar o uso da metodologia proposta.

Devido a sua baixa latência de banda, os clusters equipados com o adaptador SCI são uma alternativa para sistemas de tempo real distribuídos. Esse trabalho apresenta o projeto e implementação de uma plataforma de comunicação de tempo real sobre clusters SCI. O hardware padrão do SCI não se mostra adequado para a transmissão de tráfego de tempo real devido ao problema da contenção de acesso ao meio que causa inversão de prioridade. Por isso uma disciplina de acesso ao meio é implementada como parte da plataforma. Através da arquitetura implementada é possível o estabelecimento de canais de comunicação com garantia de banda. Assim, aplicações multimídias, por exemplo, podem trocar com taxa constante de conunicação. Cada mensagem é enviada somente uma vez. Assim, mensagens som a semântica de eventos podem ser enviadas. Além disso, a ordem e o tamanho das mensagens são garantidos. Além do tráfego com largura de banda garantida, a plataforma possibilita a troca de pacotes IP entre diferentes máquinas do cluster. Esses pacotes são inseridos no campo de dados dos pacotes próprios da plataforma e após são enviados através do uso de pacotes IP. Além disso, essa funcionalidade da plataforma permite também a execução de bibliotecas de comunicação baseadas em TCP/IP como o MPI sobre o cluster SCI. A plataforma de comunicação é implementada como modulos do sistema operacional Linux com a execução de tempo real RTAI. A valiação da plataforma mostrou que mesmo em cenários com muita comunicação entre todos os nodos correndo, a largura de banda reservada para cada canal foi mantida.

A crescente complexidade dos sistemas tempo-real embarcados demanda novas metodologias e ferramentas para gerenciar os problemas de projeto, análise, integração e validação de sistemas complexos. Este trabalho aborda o tema co-projeto de sistemas tempo-real embarcados, propondo estratégias para a integração das fases iniciais de modelagem de um sistema tempo-real embarcado com as fases subseqüentes do projeto, como a implementação do software e do hardware. É proposto um framework orientado a objetos que permite a criação de modelos orientados a objetos de sistemas tempo-real embarcados, utilizando conceitos temporais similares aos propostos em UML-RT (ou mais especificamente no UML Profile for Schedulability, Performance and Time). É proposta uma estratégia de mapeamento dos requisitos temporais dos diagramas UMLRT para uma interface de programação (API) baseada na “Especificação Tempo-Real para Java” (Real-Time Specification for Java ou RTSJ), a qual pode ser executada tanto em software – em programas RTSJ executando em máquinas virtuais Java (JVM) tempo-real – ou em hardware – em processadores Java Tempo-Real. Para permitir o mapeamento para hardware são propostas extensões tempo-real ao processador Java FemtoJava, desenvolvido no âmbito de dissertações de mestrado e projetos de pesquisa no PPGC, criando-se um novo processador tempo-real denominado de RT-FemtoJava. Dentre as extensões propostas ao processador FemtoJava destaca-se a inclusão de um relógio de tempo-real e o suporte a instruções para alocação e manipulação de objetos. Os conceitos propostos foram validados no âmbito de estudos de caso, sendo os resultados obtidos descritos na presente dissertação.

A caracterização de desempenho e uma atividade fundamental na area de controle industrial. Por se tratar, na maior parte das vezes, de aplicações de tempo real, a caracterização de desempenho torna-se ainda mais necessária e importante. Entretanto, atualmente não há nenhuma metodologia estabelecida para realizar esta caracterização. Não há nem mesmo um conjunto de parâmetros que devem ser avaliados em um equipamento de controle utilizado em processos industriais. Para tentar suprir esta carência, este trabalho apresenta uma proposta de métricas e workloads para serem utilizados na avaliação de desempenho de sistemas de controle baseados em CLPs e CPUs Industriais. O processo de avaliação de desempenho e discutido em todas as etapas, desde o estudo da aplicação at e a execução dos passos de caracterização de desempenho. Para ilustrar a aplicação das métricas, técnicas e procedimentos propostos, são avaliadas três CPUs Industriais, e os resultados s~ao apresentados ao nal do trabalho. Espera-se assim estar contribuindo para o estabelecimento de uma metodologia padronizada para avaliação de desempenho de equipamentos de controle industrial.