A diminuição no tamanho dos dispositivos nas tecnologias do futuro traz consigo um grande aumento na taxa de erros dos circuitos, na lógica combinacional e seqüencial. Apesar de algumas potenciais soluções começarem a ser investigadas pela comunidade, a busca por circuitos tolerantes a erros induzidos por radiação, sem penalidades no desempenho, área ou potência, ainda é um assunto de pesquisa em aberto. Este trabalho propõe duas soluções para lidar com este comportamento imprevisível das tecnologias futuras: a primeira solução, chamada MemProc, é uma arquitetura baseada em memória que propõe reduzir a taxa de falhas de aplicações embarcadas micro-controladas. Esta solução baseia-se no uso de memórias magnéticas, que são tolerantes a falhas induzidas por radiação, e área de circuito combinacional reduzida para melhorar a confiabilidade ao processar quaisquer aplicações. A segunda solução proposta aqui é uma implementação de um IP de infra-estrutura para o processador MIPS indicada para sistemas em chip confiáveis, devido a sua adaptação rápida e por permitir diferentes níveis de robustez para a aplicação. A segunda solução é também indicada para sistemas em que nem o hardware nem o software podem ser modificados. Os resultados dos experimentos mostram que ambas as soluções melhoram a confiabilidade do sistema que fazem parte com custos aceitáveis e até, no caso da MemProc, melhora o desempenho da aplicação. / Device scaling in new and future technologies brings along severe increase in the soft error rate of circuits, for combinational and sequential logic. Although potential solutions are being investigated by the community, the search for circuits tolerant to radiation induced errors, without performance, area, or power penalties, is still an open research issue. This work proposes two solutions to cope with this unpredictable behavior of future technologies: the first solution, called MemProc, is a memory based architecture proposed to reduce the fault rate of embedded microcontrolled applications. This solution relies in the use magnetic memories, which are tolerant to radiation induced failures, and reduced combinational circuit area to improve the reliability when processing any application. The second solution proposed here is an infrastructure IP implementation for the MIPS architecture indicated for reliable systems-on-chip due to its fast adaptation and different levels of application hardening that are allowed. The second solution is also indicated for systems where neither the hardware nor the software can be modified. The experimental results show that both solutions improve the reliability of the system they take part with affordable overheads and even, as in the case of the MemProc solution, improving the performance results.

A diminuição no tamanho dos dispositivos nas tecnologias do futuro traz consigo um grande aumento na taxa de erros dos circuitos, na lógica combinacional e seqüencial. Apesar de algumas potenciais soluções começarem a ser investigadas pela comunidade, a busca por circuitos tolerantes a erros induzidos por radiação, sem penalidades no desempenho, área ou potência, ainda é um assunto de pesquisa em aberto. Este trabalho propõe duas soluções para lidar com este comportamento imprevisível das tecnologias futuras: a primeira solução, chamada MemProc, é uma arquitetura baseada em memória que propõe reduzir a taxa de falhas de aplicações embarcadas micro-controladas. Esta solução baseia-se no uso de memórias magnéticas, que são tolerantes a falhas induzidas por radiação, e área de circuito combinacional reduzida para melhorar a confiabilidade ao processar quaisquer aplicações. A segunda solução proposta aqui é uma implementação de um IP de infra-estrutura para o processador MIPS indicada para sistemas em chip confiáveis, devido a sua adaptação rápida e por permitir diferentes níveis de robustez para a aplicação. A segunda solução é também indicada para sistemas em que nem o hardware nem o software podem ser modificados. Os resultados dos experimentos mostram que ambas as soluções melhoram a confiabilidade do sistema que fazem parte com custos aceitáveis e até, no caso da MemProc, melhora o desempenho da aplicação. / Device scaling in new and future technologies brings along severe increase in the soft error rate of circuits, for combinational and sequential logic. Although potential solutions are being investigated by the community, the search for circuits tolerant to radiation induced errors, without performance, area, or power penalties, is still an open research issue. This work proposes two solutions to cope with this unpredictable behavior of future technologies: the first solution, called MemProc, is a memory based architecture proposed to reduce the fault rate of embedded microcontrolled applications. This solution relies in the use magnetic memories, which are tolerant to radiation induced failures, and reduced combinational circuit area to improve the reliability when processing any application. The second solution proposed here is an infrastructure IP implementation for the MIPS architecture indicated for reliable systems-on-chip due to its fast adaptation and different levels of application hardening that are allowed. The second solution is also indicated for systems where neither the hardware nor the software can be modified. The experimental results show that both solutions improve the reliability of the system they take part with affordable overheads and even, as in the case of the MemProc solution, improving the performance results.

Made available in DSpace on 2013-08-07T18:53:29Z (GMT). No. of bitstreams: 1 000417996-Texto+Completo-0.pdf: 4174866 bytes, checksum: 4a179b07ca438054c69ef666401f47d5 (MD5) Previous issue date: 2009 / Nowadays, several safety-critical embedded systems support real-time applications and their development represents a great challenge to engineers and researchers due to the risk of catastrophic effects on the system generated by a fault. Usually, real-time embedded systems process input data and generate output responses according to the functional specification of the system. However, the high complexity of the applications has made the adoption of Real-Time Operating Systems (RTOS) necessary in order to simplify the design of real-time embedded systems. Thus, the RTOS serves as an interface between software and hardware. However, real-time systems can be affected by transient faults during application running or even during the RTOS execution. Consequently, these faults can affect both, the correctness of the output responses generated and the task’s deadline specified during the project of the system. In this context, this work proposes a new hardware-based approach able to increase the reliability of the real-time embedded systems. The proposed technique is based on the development of an Infrastructure IP core (I-IP) called Hardware-Scheduler (Hw-S), which monitors the tasks’ execution in order to verify if tasks’ execution flow and the tasks’ deadline are respected. A case study implemented in an FPGA running a set of benchmarks has been developed in order to validate the proposed approach. The benchmarks developed exploit most of the RTOS services. In order to evaluate the effectiveness of the proposed technique, Hardware and Software fault injection campaigns have been performed. Indeed, the introduced overheads have been estimated. The obtained results demonstrate that the fault latency associated to the Hw-S is smaller than the one associated to the RTOS and further that the Hw-S’s fault coverage is higher than the RTOS’. Finally, the Hw-S introduces an area overhead of about 6% with respect to the Plasma microprocessor area. / O desenvolvimento de aplicações críticas de tempo real tolerantes a falhas representa um grande desafio para engenheiros e pesquisadores, visto que uma falha pode gerar efeitos catastróficos para o sistema, ocasionando grandes perdas financeiras e/ou de vidas humanas. Este tipo de sistema comumente utiliza processadores embarcados que processam dados de entrada e geram um determinado número de saídas de acordo com as especificações do mesmo. Entretanto, devido à alta complexidade dos sistemas embarcados de tempo real, é cada vez mais freqüente o uso de um sistema operacional com o objetivo de simplificar o projeto do mesmo. Basicamente, o sistema operacional de tempo real (real-time operating system - RTOS) funciona como uma interface entre o hardware e o software. Contudo, sistemas embarcados de tempo real podem ser afetados por falhas transientes. Estas falhas podem degradar tanto o funcionamento da aplicação quanto o do próprio sistema operacional embarcado. Em sistemas embarcados de tempo real, estas falhas podem afetar não somente as saídas produzidas durante a execução da aplicação, mas também as restrições de tempo associadas às tarefas executadas pelo sistema operacional. Neste contexto, o presente trabalho propõe uma nova técnica baseada em hardware capaz de aumentar a robustez de sistemas embarcados de tempo real. A técnica proposta é baseada na implementação de um Infrastructure IP core (I-IP) denominado “Escalonador- HW”, que monitora a execução das tarefas e verifica se as mesmas estão de acordo com as restrições de tempo e seqüência de execução especificadas. Para validar a técnica proposta, foi desenvolvido um estudo-de-caso baseado em um microprocessador pipeline e um kernel de RTOS, além de um conjunto de benchmarks capazes de exercitar diferentes serviços oferecidos pelo sistema operacional embarcado. Este estudo-de-caso foi mapeado em um dispositivo programável lógico (FPGA). Experimentos de injeção de falhas por Software e Hardware foram realizados para validar a capacidade de detecção de falhas e estimar os overheads introduzidos pela técnica. Os resultados demonstram que a latência de detecção de falhas é menor que a latência de detecção por parte do RTOS, sendo a cobertura de detecção do Escalonador-HW maior que à RTOS. Por ultimo, o overhead introduzido representa aproximadamente 6% do processador Plasma.

A adoção em larga escala de redes de computadores e gerenciadores de banco de dados contribuiu para o surgimento de sistemas de informação complexos. Atualmente, estes sistemas tornaram-se elementos essenciais na vida das pessoas, dando suporte a processos de negócio e serviços corporativos indispensáveis à sociedade, como automação bancária e telefonia. A utilização de componentes na estruturação destes sistemas promove maior qualidade e flexibilidade ao produto e agiliza o processo de desenvolvimento. Entretanto, para que estes benefícios sejam totalmente observados, é fundamental que os provedores de componentes de prateleira projetem especificações precisas, completas e consistentes. Geralmente, as especificações omitem ou negligenciam o comportamento dos componentes nas situações de falha. Desta forma, a utilização de componentes não confiáveis, cujos comportamentos não podem ser inteiramente previstos, compromete seriamente o projeto de sistemas tolerantes a falhas. Uma estratégia para a especificação de componentes tolerantes a falhas é informar a ocorrência de erros através de exceções e realizar a recuperação dos mesmos por rotinas de tratamento correspondentes. A especificação deve separar claramente o comportamento normal do excepcional, destinado à recuperação do erro. Entretanto, em sistemas concorrentes e distribuídos, a especificação apenas deste tratamento local não é suficiente. Uma exceção pode ser lançada em decorrência de erros sistêmicos (i.e. problemas de rede) que afetam todo o sistema. Assim, determinadas exceções devem ser tratadas em nível arquitetural, envolvendo os demais componentes no tratamento. O modelo conceitual de ações Atômicas Coordenadas (ações CA - Coordinated Atomic actions), bastante aplicado na estruturação de sistemas tolerantes a falhas, define um mecanismo geral para a coordenação do tratamento excepcional dos componentes, que cooperam na execução das atividades e competem por recursos compartilhados. Portanto, o modelo de ações CA oferece uma solução potencialmente viável para a especificação do tratamento de exceções em nível arquitetural. Este trabalho propõe um framework para a especificação do tratamento de exceções em nível arquitetural, baseando-se no modelo de aninhamento de ações CA e utilizando a linguagem orientada a eventos CSP (Communicating Sequential Processes). Sua principal característica é prover um protocolo padronizado para a coordenação do tratamento de exceções, que envolve a cooperação dos componentes do sistema. Além disso, é apresentada uma estratégia para a verificação formal dos sistemas na ferramenta FDR (Failure Divergence Refinement), com base no modelo de refinamento por rastros. / The widespread scale adoption of computer networks and database management systems has contributed to the arising of complex information systems. Nowadays, these systems have become essential aspects in the everyday life, supporting business processes and indispensable enterprise services to society such as banking automation and telephony. The usage of components in structuring of these systems promotes higher quality and flexibility to the product and accelerates the software development process. However, in order to fully observe the benefits it is essential that the suppliers of these COTS (commercial off-the-shelf) design precise, complete and consistent specifications. Generally, the specifications omit or neglect the behavior of these components in exceptional situations. Therefore, the usage of untrustworthy components whose behavior cannot be entirely foreseen seriously compromise the design of fault-tolerant systems. One of the strategies used for the specification of fault-tolerant components is to inform the occurrence of errors through exceptions and make its recovering by the correspondent exception handling routines. The specification should separate clearly the normal behavior from the exceptional one, specially designed for error recovery. However, in concurrent and distributed systems, specification of local exception handling is not enough. An exception could be raised as a result of systemic errors (i.e. network errors) which affect the entire system, thus specific types of exceptions should be treated at an architectural level involving all the other components in this handling activity. The conceptual model of Coordinated Atomic (CA) actions, often applied in the structuring of fault-tolerant systems, defines a general mechanism for coordination of exception handling with components that cooperate while executing activities and compete for shared resources. Therefore, the model of CA actions offers a perfectly viable solution for the specification of exception handling at an architectural level. This work proposes a framework for the specification of exception handling at an architectural level, based on the nesting model of CA actions and using the event-oriented language CSP (Communicating Sequential Processes). Its main characteristic is to provide a standardized protocol for coordination of exception handling that involves the cooperation of system components. Moreover, it is presented a formal strategy for system verification using the FDR (Failure Divergence Refinement) tool, based on the traces refinement model.

A diminuição no tamanho dos dispositivos nas tecnologias do futuro traz consigo um grande aumento na taxa de erros dos circuitos, na lógica combinacional e seqüencial. Apesar de algumas potenciais soluções começarem a ser investigadas pela comunidade, a busca por circuitos tolerantes a erros induzidos por radiação, sem penalidades no desempenho, área ou potência, ainda é um assunto de pesquisa em aberto. Este trabalho propõe duas soluções para lidar com este comportamento imprevisível das tecnologias futuras: a primeira solução, chamada MemProc, é uma arquitetura baseada em memória que propõe reduzir a taxa de falhas de aplicações embarcadas micro-controladas. Esta solução baseia-se no uso de memórias magnéticas, que são tolerantes a falhas induzidas por radiação, e área de circuito combinacional reduzida para melhorar a confiabilidade ao processar quaisquer aplicações. A segunda solução proposta aqui é uma implementação de um IP de infra-estrutura para o processador MIPS indicada para sistemas em chip confiáveis, devido a sua adaptação rápida e por permitir diferentes níveis de robustez para a aplicação. A segunda solução é também indicada para sistemas em que nem o hardware nem o software podem ser modificados. Os resultados dos experimentos mostram que ambas as soluções melhoram a confiabilidade do sistema que fazem parte com custos aceitáveis e até, no caso da MemProc, melhora o desempenho da aplicação. / Device scaling in new and future technologies brings along severe increase in the soft error rate of circuits, for combinational and sequential logic. Although potential solutions are being investigated by the community, the search for circuits tolerant to radiation induced errors, without performance, area, or power penalties, is still an open research issue. This work proposes two solutions to cope with this unpredictable behavior of future technologies: the first solution, called MemProc, is a memory based architecture proposed to reduce the fault rate of embedded microcontrolled applications. This solution relies in the use magnetic memories, which are tolerant to radiation induced failures, and reduced combinational circuit area to improve the reliability when processing any application. The second solution proposed here is an infrastructure IP implementation for the MIPS architecture indicated for reliable systems-on-chip due to its fast adaptation and different levels of application hardening that are allowed. The second solution is also indicated for systems where neither the hardware nor the software can be modified. The experimental results show that both solutions improve the reliability of the system they take part with affordable overheads and even, as in the case of the MemProc solution, improving the performance results.

O problema da tolerância a falhas em robôs manipuladores cooperativos conectados rigidamente a um objeto indeformável é estudado nesta tese. A tolerância a falhas é alcançada através de reconfiguração do sistema de controle. Primeiro, a falha é detectada e isolada. Então, o sistema de controle é reconfigurado de acordo com a falha isolada. As falhas em robôs manipuladores são primeiramente estudadas de acordo com suas consequências no sistema cooperativo. Quatro tipos de falhas são identificados: juntas com balanço livre (sem atuadores ativos), bloqueadas, com informação incorreta de posição e com informação incorreta de velocidade. A detecção e a isolação dos dois primeiros tipos de falhas são alcançadas através de um sistema utilizando redes neurais artificiais. Redes do tipo MLP são empregadas para mapear a dinâmica dos robôs cooperativos sem falhas e uma rede RBF é utilizada para a classificação do vetor de resíduos. As falhas do tipo informação incorreta de posição ou velocidade das juntas são detectadas e isoladas através do uso das restrições impostas pela cadeia cinemática fechada presente no sistema cooperativo. Quando falhas do tipo juntas com balanço livre ou bloqueadas são isoladas, as leis de controle são reconfiguradas. Para estes casos, controladores híbridos de movimento e esmagamento do objeto são deduzidos. Quando falhas do tipo informação incorreta de posição ou velocidade das juntas são isoladas, as medidas afetadas são substituídas por valores estimados. Resultados obtidos em simulações e em robôs cooperativos reais mostram que a metodologia proposta é viável. / The problem of fault tolerance in cooperative manipulators rigidly connected to an undeformable load is addressed in this work. Fault tolerance is reached by reconfiguration of the control system. The faults are firstly detected and isolated. Then, the control system is reconfigured according to the isolated fault. Four faults are considered: free-swinging joint faults, locked joint faults, incorrectly measured joint position faults, and incorrectly measured joint velocity faults. Free-swinging and locked joint faults are detected and isolated by artificial neural networks. MLP’s are utilized to reproduce the dynamics of the fault-free system and an RBF is used to classify the residual vector. Incorrectly measured joint position and velocity faults are detected and isolated based on the kinematic constraints imposed on the cooperative system. When free-swinging and locked joint faults are isolated, the control laws are reconfigured. Control laws for motion and squeeze of the object are developed in these cases. When incorrectly measured joint position faults and incorrectly measured joint velocity faults are isolated, the faulty measurements are replaced by their estimates. Results obtained in simulations and in real cooperative robots indicate that the proposed methodology is viable.

Grades computacionais oportunistas utilizam recursos ociosos de máquinas compartilhadas para executar aplicações que necessitam de um alto poder computacional e/ou trabalham com grandes quantidades de dados. Mas a execução de aplicações paralelas computacionalmente intensivas em ambientes dinâmicos e heterogêneos, como grades computacionais oportunistas, é uma tarefa difícil. Máquinas podem falhar, ficar inacessíveis ou passar de ociosas para ocupadas inesperadamente, comprometendo a execução de aplicações. Um mecanismo de tolerância a falhas que dê suporte a arquiteturas heterogêneas é um importante requisito para estes sistemas. Neste trabalho, analisamos, implementamos e avaliamos um mecanismo de tolerância a falhas baseado em checkpointing para aplicações paralelas em grades computacionais oportunistas. Este mecanismo permite o monitoramento de execuções e a migração de aplicações entre nós heterogêneos da grade. Mas além da execução, é preciso gerenciar e armazenar os dados gerados e utilizados por estas aplicações. Desejamos uma infra-estrutura de armazenamento de dados de baixo custo e que utilize o espaço livre em disco de máquinas compartilhadas da grade. Devemos utilizar somente os ciclos ociosos destas máquinas para armazenar e recuperar dados, de modo que um sistema de armazenamento distribuído que as utilize deve ser redundante e tolerante a falhas. Para resolver o problema do armazenamento de dados em grades oportunistas, projetamos, implementamos e avaliamos o middleware OppStore. Este middleware provê armazenamento distribuído e confiável de dados, que podem ser acessados de qualquer máquina da grade. As máquinas são organizadas em aglomerados, que são conectados por uma rede peer-to-peer auto-organizável e tolerante a falhas. Dados são codificados em fragmentos redundantes antes de serem armazenados, de modo que arquivos podem ser reconstruídos utilizando apenas um subconjunto destes fragmentos. Finalmente, para lidar com a heterogeneidade dos recursos, desenvolvemos uma extensão ao protocolo de roteamento em redes peer-to-peer Pastry. Esta extensão adiciona balanceamento de carga e suporte à heterogeneidade de máquinas ao protocolo Pastry. / Opportunistic computational grids use idle resources from shared machines to execute applications that need large amounts of computational power and/or deal with large amounts of data. But executing computationally intensive parallel applications in dynamic and heterogeneous environments, such as opportunistic grids, is a daunting task. Machines may fail, become inaccessible, or change from idle to occupied unexpectedly, compromising the application execution. A fault tolerance mechanism that supports heterogeneous architectures is an important requisite for such systems. In this work, we analyze, implement and evaluate a checkpointing-based fault tolerance mechanism for parallel applications running on opportunistic grids. The mechanism monitors application execution and allows the migration of applications between heterogeneous nodes of the grid. But besides application execution, it is necessary to manage data generated and used by those applications. We want a low cost data storage infrastructure that utilizes the unused disk space of grid shared machines. The system should use the machines to store and recover data only during their idle periods, requiring the system to be redundant and fault-tolerant. To solve the data storage problem in opportunistic grids, we designed, implemented and evaluated the OppStore middleware. This middleware provides reliable distributed storage for application data, which can be accessed from any machine in the grid. The machines are organized in clusters, connected by a self-organizing and fault-tolerant peer-to-peer network. During storage, data is codified into redundant fragments, allowing the reconstruction of the original file using only a subset of those fragments. Finally, to deal with resource heterogeneity, we developed an extension to the Pastry peer-to-peer routing substrate, enabling heterogeneity-aware load-balancing message routing.

O aumento na quantidade e na intensidade de desastres naturais é um problema que está se agravando em todo o mundo. As consequências desses desastres são significantemente ampliadas quando ocorrem em regiões urbanas ou com atuação humana devido à perda de vidas e à quantidade de bens materiais afetados. O uso de redes de sensores sem fio para a coleta de dados e o uso de técnicas de aprendizado de máquina para a previsão de desastres naturais são opções viáveis, porém novas tendências tecnológicas têm se mostrado promissoras e podem agregar na tarefa de monitoramento de ambientes e na previsão de desastres naturais. Uma dessas tendências é adotar redes de sensores baseadas em IP e utilizar padrões emergentes para IoT. Nesse contexto, esta Tese propõe e analisa uma abordagem chamada SENDI (System for dEtecting and forecasting Natural Disasters based on IoT), um sistema tolerante a falhas baseado em IoT, WSN e AM para a detecção e a previsão de desastres naturais. O SENDI foi modelado empregando o ns-3 e validado utilizando dados coletados por uma WSN real instalada na cidade de São Carlos - Brasil, a qual realiza a coleta de dados de rios da região. Esse sistema também prevê a possibilidade de falhas na comunicação e a perda de nós durante a ocorrência de desastres, além de agregar inteligência aos nós para realizar a distribuição de dados e de previsões, mesmo nesses casos. Esta Tese também apresenta um estudo de caso sobre previsão de enchentes que utiliza a modelagem do sistema e os dados colhidos pela WSN. Os resultados dos experimentos mostram que o SENDI permite gerar alertas para a tomada de decisões em tempo hábil, realizando as previsões mesmo com falhas parciais no sistema, porém com acurácia variável dependendo do nível de degradação do mesmo. / Natural disasters have been increasing intensely all around the globe. The consequences of these disasters are significantly amplified when they occur in urban areas or places where there are human activities due to loss of lives and assets. The usage of Wireless Sensor Networks (WSN) for data collection and Machine Learning (ML) to create natural disasters forecast models are viable options. However, new technology trends have been showing promising results, which can aggregate to the tasks of environmental monitoring and natural disasters forecast. One of these new trends is to adopt IP based sensor networks and to use emergent Internet of Things (IoT) standards. In this context, this Thesis presents and analyzes an approach called SENDI (System for dEtecting and forecasting Natural Disasters based on IoT), a fault-tolerant system based on IoT, ML and WSN to detect and forecast natural disasters. SENDI was modelled using ns-3 and validated by means of real data collected by a WSN installed in São Carlos - Brazil, which collects the data of rivers around the region. This system also foresees the possibility of communication failures and loss of nodes during disasters, also adding intelligence to the nodes in order to perform the distribution of data and forecasts, even in such cases. This Thesis presents a case study about flash flooding forecast as well, which uses the system model and the data collected by the WSN. The results of the experiments show that SENDI allows to generate warnings in time to make decisions as such predictions can be foreseen even if partial failure of the system occurs. However, there is a variable accuracy, which depends on the system degradation.

Desde sua criação, o Linux trouxe muita atenção ao movimento open-source, e à concreta possibilidade de se usar soluções de baixo custo em missões críticas. Nos últimos anos, esta possibilidade tornou-se real com a criação de vários clusters de alta disponibilidade. Atualmente, existem pelo menos 10 soluções de clusters open-source e mais de 25 comerciais. Cada um destes projetos teve uma abordagem diferente para o problema, embora todos tenham enfrentado dificuldades semelhantes. Se houvesse alguma padronização nesta área, esforços poderiam ter sido reaproveitados, e não duplicados. Neste contexto, o Open Clustering Framework (OCF) é um projeto open-source que visa definir um padrão para clusters em Linux. Um dos serviços mais importantes em um cluster é o serviço de pertinência. Ele é responsável por criar e manter o grupo, sendo assim importante para inúmeras aplicações. Sistemas de alta disponibilidade baseiam-se no serviço de pertinência para garantir o funcionamento dos recursos oferecidos por um cluster. Esta dissertação visa apresentar vários conceitos relativos a clusters, alta disponibilidade e serviços de pertinência. Com estes conceitos definidos, iremos implementar um serviço de pertinência, que será baseado no framework proposto pelo OCF, de maneira que esta implementação possa ser posteriormente incorporada a qualquer cluster que siga a especificação OCF. / Since its creation, Linux has brought attention to the open-source movement, and to the concrete possibility of using low cost solutions in critical mission systems. In the last years, this possibility has become real due to the creation of several high availability clusters. Today there are at least 10 open-source solutions and more than 25 commercial ones. Each one of these projects had a different approach to the problem, altought all of them had faced similar difficulties. If there was a standard in this area, efforts could be shared, and not duplicated. In this context, the Open Clustering Framework (OCF) is an open-source project that aims to define a cluster standard for Linux. One of the more important services in a cluster is the membership service. It is responsible for creating and maintaing the group. For this reason, it is important for many applications: high availability systems rely on this service to garantee the execution of the resources provided by a cluster. This thesis aims to present several concepts related to clusters, high availability and membership services. Having the concepts been defined, we will implement a membership service based on the OCF framework, in order to be able to incorporate this implementation in any OCF compliant cluster.

O aumento na quantidade e na intensidade de desastres naturais é um problema que está se agravando em todo o mundo. As consequências desses desastres são significantemente ampliadas quando ocorrem em regiões urbanas ou com atuação humana devido à perda de vidas e à quantidade de bens materiais afetados. O uso de redes de sensores sem fio para a coleta de dados e o uso de técnicas de aprendizado de máquina para a previsão de desastres naturais são opções viáveis, porém novas tendências tecnológicas têm se mostrado promissoras e podem agregar na tarefa de monitoramento de ambientes e na previsão de desastres naturais. Uma dessas tendências é adotar redes de sensores baseadas em IP e utilizar padrões emergentes para IoT. Nesse contexto, esta Tese propõe e analisa uma abordagem chamada SENDI (System for dEtecting and forecasting Natural Disasters based on IoT), um sistema tolerante a falhas baseado em IoT, WSN e AM para a detecção e a previsão de desastres naturais. O SENDI foi modelado empregando o ns-3 e validado utilizando dados coletados por uma WSN real instalada na cidade de São Carlos - Brasil, a qual realiza a coleta de dados de rios da região. Esse sistema também prevê a possibilidade de falhas na comunicação e a perda de nós durante a ocorrência de desastres, além de agregar inteligência aos nós para realizar a distribuição de dados e de previsões, mesmo nesses casos. Esta Tese também apresenta um estudo de caso sobre previsão de enchentes que utiliza a modelagem do sistema e os dados colhidos pela WSN. Os resultados dos experimentos mostram que o SENDI permite gerar alertas para a tomada de decisões em tempo hábil, realizando as previsões mesmo com falhas parciais no sistema, porém com acurácia variável dependendo do nível de degradação do mesmo. / Natural disasters have been increasing intensely all around the globe. The consequences of these disasters are significantly amplified when they occur in urban areas or places where there are human activities due to loss of lives and assets. The usage of Wireless Sensor Networks (WSN) for data collection and Machine Learning (ML) to create natural disasters forecast models are viable options. However, new technology trends have been showing promising results, which can aggregate to the tasks of environmental monitoring and natural disasters forecast. One of these new trends is to adopt IP based sensor networks and to use emergent Internet of Things (IoT) standards. In this context, this Thesis presents and analyzes an approach called SENDI (System for dEtecting and forecasting Natural Disasters based on IoT), a fault-tolerant system based on IoT, ML and WSN to detect and forecast natural disasters. SENDI was modelled using ns-3 and validated by means of real data collected by a WSN installed in São Carlos - Brazil, which collects the data of rivers around the region. This system also foresees the possibility of communication failures and loss of nodes during disasters, also adding intelligence to the nodes in order to perform the distribution of data and forecasts, even in such cases. This Thesis presents a case study about flash flooding forecast as well, which uses the system model and the data collected by the WSN. The results of the experiments show that SENDI allows to generate warnings in time to make decisions as such predictions can be foreseen even if partial failure of the system occurs. However, there is a variable accuracy, which depends on the system degradation.