Os efeitos de radiação têm sido um dos problemas mais sérios em aplicações militares e espaciais. Mas eles também são uma preocupação crescente em tecnologias modernas, mesmo para aplicações comerciais no nível do solo. A proteção dos circuitos integrados contra os efeitos da radiação podem ser obtidos através do uso de processos de fabricação aprimorados e de estratégias em diferentes estágios do projeto do circuito. A técnica de TMR é bem conhecida e amplamente empregada para mascarar falhas únicas sem detectálas. No entanto, o projeto de circuitos TMR não é automatizado por ferramentas EDA comerciais e até mesmo eles podem remover parcial ou totalmente a lógica redundante. Por outro lado, existem várias ferramentas que podem ser usadas para implementar a técnica de TMR em circuitos integrados, embora a maioria delas sejam ferramentas comerciais licenciadas, convenientes apenas para dispositivos específicos, ou com uso restrito por causa do regime ITAR. O presente trabalho pretende superar esses incovenientes, para isso uma metodologia é proposta para automatizar o projeto de circuitos TMR utilizando um fluxo de projeto comercial. A abordagem proposta utiliza um netlist estruturado para implementar automaticamente os circuitos TMR em diferentes níveis de granularidade de redundância para projetos baseados em células e FPGA. A otimização do circuito TMR resultante também é aplicada com base na abordagem do dimensionamento de portas lógicas. Além disso, a verificação do circuito TMR implementado é baseada na verificação de equivalência e garante sua funcionalidade correta e sua capacidade de tolerancia a falhas simples. Experimentos com um circuito derivado de HLS e uma descrição ofuscada do soft-core ARM Cortex-M0 foram realizados para mostrar o uso e as vantagens do fluxo de projeto proposto. Diversas questões relacionadas à remoção da lógica redundante implementada foram encontradas, bem como o impacto no incremento de área causado pelos votadores de maioria. Além disso, a confiabilidade de diferentes implementações de TMR do soft core ARM sintetizado em FPGA foi avaliada usando campanhas de injeção de falhas emuladas. Como resultado, foi reforçado o nível de alta confiabilidade da implemntação com mais fina granularidade, mesmo na presença de até 10 falhas acumuladas, e a menor capacidade de mitigação correspondente à replicação de flip-flops apenas. / Radiation effects have been one of the most serious issues in military and space applications. But they are also an increasing concern in modern technologies, even for commercial applications at the ground level. Protection or hardening of integrated circuits against radiation effects can be obtained through the use of enhanced fabrication processes and strategies at different stages of the circuit design. The triple modular redundancy (TMR) technique is a widely and well-known technique employed to mask single faults without detecting them. However, the design of TMR circuits is not automated by commercial electronic design automation (EDA) tools and even they can remove partially or totally the redundant logic. On the other hand, there are several tools that can be used to implement the TMR technique in integrated circuits, although most of them are licensed commercial tools, convenient only for specific devices, or with restricted use because of the International Traffic in Arms Regulations (ITAR) regimen. The present work intends to overcome these issues so a methodology is proposed to automate the design of TMR circuits using a commercial design flow. The proposed approach uses a structured netlist to implement automatically TMR circuits at different granularity levels of redundancy for cell-based and field-programmable gate array (FPGA) designs. Optimization of the resulting TMR circuit is also applied based on the gate sizing approach. Moreover, verification of the implemented TMR circuit is based on equivalence checking, and guarantee its correct functionality and its fault-tolerant capability against soft errors. Experiments with an high-level synthesis (HLS)-derived circuit and an obfuscated description of the ARM Cortex-M0 soft-core are performed to show the use and the advantages of the proposed design flow. Several issues related to the removal of the implemented redundant logic were found as well as the impact in the increment of area caused by the majority voters. Furthermore, the reliability of different TMR implementations of the ARM soft-core synthesized in FPGA was evaluated using emulated-simulation fault injection campaigns. As a result, it was reinforced the high-reliability level of the finest granularity implementation even in the presence of up to 10 accumulated faults and the poorest mitigation capacity corresponding to the replication of flip-flops solely.

A crescente capacidade de computação dos componentes multiprocessados como processadores e unidades de processamento gráfico oferecem novas oportunidades para os campos de pesquisa relacionados computação embarcada e de alto desempenho (do inglês, high-performance computing). A crescente capacidade de computação progressivamente dos sistemas baseados em multicores permite executar eficientemente aplicações complexas com menor consumo de energia em comparação com soluções tradicionais de núcleo único. Essa eficiência e a crescente complexidade das cargas de trabalho das aplicações incentivam a indústria a integrar mais e mais componentes de processamento no mesmo sistema. O número de componentes de processamento empregados em sistemas grande escala já ultrapassa um milhão de núcleos, enquanto as plataformas embarcadas de 1000 núcleos estão disponíveis comercialmente. Além do enorme número de núcleos, a crescente capacidade de processamento, bem como o número de elementos de memória interna (por exemplo, registradores, memória RAM) inerentes às arquiteturas de processadores emergentes, está tornando os sistemas em grande escala mais vulneráveis a erros transientes e permanentes. Além disso, para atender aos novos requisitos de desempenho e energia, os processadores geralmente executam com frequências de relógio agressivos e múltiplos domínios de tensão, aumentando sua susceptibilidade à erros transientes, como os causados por efeitos de radiação. A ocorrência de erros transientes pode causar falhas críticas no comportamento do sistema, o que pode acarretar em perdas de vidas financeiras ou humanas. Embora tenha sido observada uma taxa de 280 erros transientes por dia durante o voo de uma nave espacial, os sistemas de processamento que trabalham à nível do solo devem experimentar pelo menos um erro transiente por dia em um futuro próximo. A susceptibilidade crescente de sistemas multicore à erros transientes necessariamente exige novas ferramentas para avaliar a resiliência à erro transientes de componentes multiprocessados em conjunto com pilhas complexas de software (sistema operacional, drivers) durante o início da fase de projeto. O objetivo principal abordado por esta Tese é desenvolver um conjunto de técnicas de injeção de falhas, que formam uma ferramenta de injeção de falha. O segundo objetivo desta Tese é estabelecer as bases para novas disciplinas de gerenciamento de confiabilidade considerando erro transientes em sistemas emergentes multi/manycore utilizando aprendizado de máquina. Este trabalho identifica multiplicas técnicas que podem ser usadas para fornecer diferentes níveis de confiabilidade na carga de trabalho e na criticidade do aplicativo. / The increasing computing capacity of multicore components like processors and graphics processing unit (GPUs) offer new opportunities for embedded and high-performance computing (HPC) domains. The progressively growing computing capacity of multicore-based systems enables to efficiently perform complex application workloads at a lower power consumption compared to traditional single-core solutions. Such efficiency and the ever-increasing complexity of application workloads encourage industry to integrate more and more computing components into the same system. The number of computing components employed in large-scale HPC systems already exceeds a million cores, while 1000-cores on-chip platforms are available in the embedded community. Beyond the massive number of cores, the increasing computing capacity, as well as the number of internal memory cells (e.g., registers, internal memory) inherent to emerging processor architectures, is making large-scale systems more vulnerable to both hard and soft errors. Moreover, to meet emerging performance and power requirements, the underlying processors usually run in aggressive clock frequencies and multiple voltage domains, increasing their susceptibility to soft errors, such as the ones caused by radiation effects. The occurrence of soft errors or Single Event Effects (SEEs) may cause critical failures in system behavior, which may lead to financial or human life losses. While a rate of 280 soft errors per day has been observed during the flight of a spacecraft, electronic computing systems working at ground level are expected to experience at least one soft error per day in near future. The increased susceptibility of multicore systems to SEEs necessarily calls for novel cost-effective tools to assess the soft error resilience of underlying multicore components with complex software stacks (operating system-OS, drivers) early in the design phase. The primary goal addressed by this Thesis is to describe the proposal and development of a fault injection framework using state-of-the-art virtual platforms, propose set of novel fault injection techniques to direct the fault campaigns according to with the software stack characteristics, and an extensive framework validation with over a million of simulation hours. The second goal of this Thesis is to set the foundations for a new discipline in soft error reliability management for emerging multi/manycore systems using machine learning techniques. It will identify and propose techniques that can be used to provide different levels of reliability on the application workload and criticality.

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.

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.

O paradigma Network Function Virtualization (NFV) promete tornar as redes de computadores mais escaláveis e flexíveis, através do desacoplamento das funções de rede de hardware dedicado e fornecedor específico. No entanto, funções de rede computacionalmente intensivas podem ser difíceis de virtualizar sem degradação de desempenho. Neste contexto, Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) têm se mostrado uma boa opção para aceleração por hardware de funções de rede virtuais que requerem alta vazão, sem se desviar do conceito de uma infraestrutura NFV que visa alta flexibilidade. A avaliação de expressões regulares é um mecanismo importante e computacionalmente intensivo, usado para realizar Deep Packet Inpection, que pode ser acelerado por FPGA para atender aos requisitos de desempenho. Esta solução, no entanto, apresenta novos desafios em relação aos requisitos de confiabilidade. Particularmente para FPGAs baseados em SRAM, soft errors na memória de configuração são uma ameaça de confiabilidade significativa. Neste trabalho, apresentamos um mecanismo de tolerância a falhas abrangente para lidar com falhas de configuração na funcionalidade de módulos de avaliação de expressões regulares baseados em FPGA. Além disso, é introduzido um mecanismo de correção de erros que considera o posicionamento desses módulos no FPGA para reduzir o tempo de reparo do sistema, melhorando a confiabilidade e a disponibilidade. Os resultados experimentais mostram que a taxa de falha geral e o tempo de reparo do sistema podem ser reduzidos em 95% e 90%, respectivamente, com custos de área e performance admissíveis. / The Network Function Virtualization (NFV) paradigm promises to make computer networks more scalable and flexible by decoupling the network functions (NFs) from dedicated and vendor-specific hardware. However, network and compute intensive NFs may be difficult to virtualize without performance degradation. In this context, Field-Programmable Gate Arrays (FPGAs) have been shown to be a good option for hardware acceleration of virtual NFs that require high throughput, without deviating from the concept of an NFV infrastructure which aims at high flexibility. Regular expression matching is an important and compute intensive mechanism used to perform Deep Packet Inspection, which can be FPGA-accelerated to meet performance constraints. This solution, however, introduces new challenges regarding dependability requirements. Particularly for SRAM-based FPGAs, soft errors on the configuration memory are a significant dependability threat. In this work we present a comprehensive fault tolerance mechanism to deal with configuration faults on the functionality of FPGA-based regular expression matching engines. Moreover, a placement-aware scrubbing mechanism is introduced to reduce the system repair time, improving the system reliability and availability. Experimental results show that the overall failure rate and the system mean time to repair can be reduced in 95% and 90%, respectively, with manageable area and performance costs.

Procedimentos de reconfiguração são usados em diversos sistemas para isolar módulos falhos e recuperar o sistema após a ocorrência de erros. Em ambientes multiprocessadores, onde existe redundância implícita de nodos processadores, vários algoritmos de reconfiguração já foram propostos. Entretanto a maior parte destes algoritmos destina-se a topologias específicas bastante exploradas como, por exemplo, arquiteturas na forma de arrays e árvores. Neste trabalho é apresentada uma estratégia de detecção/reconfiguração para tolerar falhas na máquina T-NODE. Esta máquina possui uma arquitetura multiprocessadora fracamente acoplada, que tem como processador base o transputer. Sua arquitetura de interconexão é definida pelo usuário; a organização de barramentos implementada com base em uma chave crossbar, a qual permite uma variada e fácil gama de opções. Assim, os algoritmos tradicionais de reconfiguração não se aplicam pois são excessivamente restritivos. A análise da arquitetura e do software de baixo nível existentes para a T-NODE revelou recursos praticamente inexistentes a nível de controle de falhas nos processadores e erros no processamento. Mesmo considerando-se que o principal objetivo desta máquina é a obtenção de alto desempenho, é possível implementar procedimentos que melhorem suas características de confiabilidade. Neste estudo é apresentada uma maneira de melhorar o nível de tolerância a falhas da máquina de modo que ela possa ser usada em tarefas mais exigentes do ponto de vista de confiabilidade, sem perda excessiva de desempenho. A estratégia definda usa a técnica de redundância dinâmica com detecção de falhas on-line e recuperação do sistema através do isolamento da falha por reconfiguração e conseqüente reinicialização do sistema. A validação da estratégia foi feita pela construção de um protótipo utilizando a linguagem OCCAM2 e um processador transputer conectado ao barramento de um microcomputador PC. No protótipo foram implementados três processos distintos: o testador, o supervisor e o reconfigurador. Estes processos têm respectivamente, as funções de testar os nodos processadores, supervisionar os resultados dos testes e reconfigurar o sistema quando da ocorrência de uma falha. / In many systems, reconfiguration strategies are used to remove failed components and to recuperate system from the resulting errors. Various reconfiguration algorithms have been proposed with the goal of covering faults in multiprocessing systems, but most of them support only specific architecture styles, as arrays or trees. In this study, a reconfiguration algorithm is proposed whose goal is to tolerate faults in the T-NODE machine. The T-NODE is a loosed coupled, multiprocessor machine based on transputers. The analysis of the architecture and of the system software existing for the T-NODE has shown that, in practice, there were not special resources aiming to control processor faults and processing errors. Even considering that the main goal of this machine is processing with high performance, it is possible to implement alternative procedures which result in better reliability characteristics. By other way, the interconnection architecture of this machine is defined by the user; its bus organization implemented with the aid of a crossbar switch allows choices among several possibilities. Consequently, traditional algorithms do not apply because they are too restrictive. Therefore, the research here related aims to improve the fault-tolerance parameters of this machine without changing significantly its original performance. The strategy here presented uses a dynamic redundancy technique with on-line fault detection; system recovery is get by logically isolating the faulty module, reconfiguring the others and restarting the system. The validation of the strategy has been done with the construction of a prototype using the OCCAM2 language and a transputer processor connected to the bus of a microcomputer (PC). Three different processes have been implemented in the prototype: the tester, the supervisior and the reconfigurator. These processes have respectively the functions of: testing the processing nodes, to supervise tests results and to reconfigure the system under fault occurrence.

Existe um interesse crescente do mercado por aplicações de multimídia em streaming via rede. Particularmente, as aplicações de live streaming que utilizam a tecnologia de redes P2P para a disseminação de conteúdo têm sido alvo de grande atenção. Aplicações como PPLive e PPStream provam que as aplicações de live streaming em redes P2P são uma realidade com relação à tecnologia atual. Os sistemas de live streaming fornecem um serviço de multicast no nível de aplicação para transmissões ao vivo na Internet. Essas aplicações de live streaming, quando executadas em redes P2P, têm potencial para serem altamente robustas, escaláveis e adaptativas devido à redundância e não dependência de recursos particulares dentre os nodos participantes. Porém, para fazer uso de todas as vantagens disponíveis, a aplicação deve contornar alguns desafios: i) manter a qualidade de playback mesmo com a inerente dinamicidade das redes P2P; ii) impedir que nodos incorretos escondam ações maliciosas atrás do anonimato que existe em P2P; iii) manter a taxa de upload dos nodos participantes da aplicação em um nível aceitável. A taxa de upload dos nodos é muito importante porque a aplicação de live streaming em P2P é uma aplicação cooperativa. Desta forma, esperase que todo novo usuário ajude a aplicação retransmitindo pacotes para outros usuários, mantendo, desta forma, a capacidade global de upload do sistema. Infelizmente, manter a cooperação em live streaming não é uma tarefa trivial, visto que cada nodo enfrenta o dilema social do interesse próprio (individualmente é melhor explorar a cooperação dos outros usuários sem reciprocidade) versus a cooperação para com o grupo. A principal contribuição deste trabalho consiste na apresentação de um modelo matemático baseado em Teoria dos Jogos Evolucionários, cujo objetivo é ajudar a compreender as aplicações de live streaming em redes P2P e os fatores que influenciam o seu correto funcionamento. Como contribuição secundária, este trabalho fornece uma análise estatística do comportamento do download e upload observado nestas aplicações. A análise estatística mostra que existe um decaimento da variância temporal de download e upload nas aplicações de live streaming, e que tal decaimento segue uma lei de potência. Os resultados evolucionários do modelo indicam que, se a queda do índice de satisfação dos usuários com a taxa de download for suave, e se a redução da satisfação devido ao custo de upload for insignificante, então existe um ambiente propício para que a cooperação entre os nodos cresça. De forma inversa, se a queda do índice de satisfação dos usuários com a taxa de download for abrupta, e a redução da satisfação devido ao custo de upload for significativa, então existe um ambiente propício para proliferação de nodos oportunistas. A realização e descrição desta pesquisa é composta de quatro etapas principais: i) a delimitação do cenário de live streaming e a definição do jogo para modelagem; ii) a definição do conjunto de estratégias e da função de utilidade; iii) a criação do modelo; iv) a análise do modelo e a apresentação dos resultados de simulação. A análise do modelo abrange três fases: i) análise estatística e comparação das características de download e upload dos dois simuladores utilizados; ii) avaliação do modelo de Teoria dos Jogos Evolucionários através de simulações; e iii) análise dos resultados evolucionários gerados pelo simulador de Teoria dos Jogos Evolucionários. / There is a growing interest in the market for networked multimedia applications. Live streaming applications that use the technology of P2P networks for distribution of live content have specially been the subject of great attention. Applications such as PPLive and PPStrem demonstrate that P2P live streaming applications are already possible with our present technology. Live streaming systems provide a multicast service in the application level for live broadcasts to users through the Internet. These systems executing in P2P networks have the potential to be highly robust, scalable and adaptive due to the characteristics of these scenarios. However, to take advantage of these potential properties, they must overcome some challenges: i) to maintain the playback quality even with the inherent dynamics of P2P networks; ii) to prevent that incorrect peers hide malicious behavior behind their anonymity; iii) to maintain the upload contribution of peers at acceptable levels. The upload contribution of peers is highly important because live streaming applications are cooperative applications. Therefore, every new user must help the application forwarding packets to other users, thereby maintaining the global upload capacity of the system. Unfortunately, the maintenance of cooperation in live streaming system is not a trivial task, since each node faces the social dilemma of self-interest (individually is always better to explore the cooperation of other users without reciprocity) versus cooperation to the group. The main contribution of this dissertation is the presentation of a mathematical model based on Evolutionary Game Theory, whose goal is to help understanding live streaming P2P applications and the factors that influence their correct operation. As a secondary contribution, this work provides a statistical analysis of download and upload behaviors of peers in live streaming P2P systems. The statistical analysis indicates that there is a decay in the download and upload variances, and that this decay follows a power law. The evolutionary results of the model indicate that, if the satisfaction of users with the download rate is smooth, and the reduction of satisfaction due to the upload cost is negligible, then there is a favorable environment for the growth of cooperation. Conversely, if the satisfaction of users with the download rate is abrupt, and the reduction of satisfaction due to the upload cost is significant, then there is a favorable environment to the proliferation of opportunistic nodes. The realization and description of this research is composed of four main steps: i) the definition of the live streaming scenario and the definition of the game to model this scenario; ii) the definition of the strategy set and of the utility function; iii) the suggestion of a model; iv) the analysis of the proposed model and the presentation of obtained results. The model analysis comprehends three phases: i) the statistical analysis and the comparison of the characteristics of download and upload of the two simulators used in this work; ii) the evaluation of the Evolutionary Game Theory model through simulation; and iii) the analysis of the results generated by the Evolutionary Game Theory simulator.

Sistemas distribuídos representam uma plataforma ideal para implementação de sistemas computacionais com alta confiabilidade e disponibilidade devido a redundância fornecida por um grande número de estações interligadas. Falhas de um servidor podem ser contornadas pela reconfiguração do sistema. Entretanto falhas em seqüência que afetem múltiplas estações comprometem não apenas o desempenho do sistema, mas também a continuidade do serviço e sua confiabilidade. Assim, servidores falhos, que tenham sido isolados do sistema, devem ser reintegrados tão logo quanto possível para não comprometer a disponibilidade do sistema computacional. Este trabalho trata da atualização do estado de servidores e da troca de informação que o servidor recuperado realiza para integrar-se aos demais membros do sistema através de um procedimento chamado reintegração do servidor. E assumido um ambiente distribuído que garante alta confiabilidade em aplicações convencionais através da técnica de replicação de arquivos. O servidor a ser reintegrado faz parte de um grupo de replicação e volta a participar ativamente do grupo tão logo seja reintegrado. Para tanto, considera-se a estratégia de replicação por copia primaria e um sistema distribuído experimental, compatível com o NFS, desenvolvido na UFRGS para aplicar a reintegração de servidor. Os métodos de atualização de arquivos para a reintegração do servidor foram implementadas no ambiente UNIX. / Distributed systems are an ideal platform to develop high reliable computer applications due to the redundancy supplied by a great number of interconnected workstations. Failed stations can be masked reconfiguring the system. However, sequential faults, that affect multiple stations, not just decrease the performance of the system, but also affect the continuity of the service and its reliability. Thus, failed stations working as servers, that have been isolated from the system, should be reintegrated as soon as possible to not impair the system availability. This work is exactly about methods to update the state of failed servers. It deals also with the change of information that the recovered server accomplishes to be integrated to the other members of the service group through a process called reintegration of server. It is assumed a distributed environment that guarantees high reliability in conventional applications through replication of files. The server to be reintegrated is part of a replication group and it participates actively of the service group again as soon as it is reintegrated. Our approach is based on a primary copy. The file actualization methods to the reintegration of server were implemented in an UNIX environment. To illustrate our approach we will describe how the integration of repaired server can be made a fault-tolerant system. The experimental distributed system, compatible with NFS, was designed at the UFRGS.

A manutenção de software a uma realidade presente em todos os sistemas de computação, gerando a necessidade de novas versões que alterem as funcionalidades existentes no software ou adicionem novas. Particularmente, sistemas de tempo-real nem sempre podem ser descontinuados tomando-se indisponíveis para realizar a instalação de uma nova versão. Tais sistemas evidenciam a necessidade de substituição de componentes, representados por funções, procedimentos, módulos ou objetos, durante o processo de execução do programa ou sistema. Outrossim, apos ser realizada a substituição da versão, o componente não pode apresentar falha sob pena de comprometer o fornecimento dos seus serviços. Portanto. constata-se a importância de novas técnicas de manutenção de software que não prejudiquem a sua disponibilidade e confiabilidade. A abordagem aqui proposta a utilizar uma arquitetura reflexiva aliada a técnicas típicas do domínio da tolerância a falhas para promover a separação entre as atividades de substituição e validação de componentes e as funcionalidades executadas pelo pr6prio componente. No decorrer deste trabalho são apresentados diversos cenários de sistemas que podem se beneficiar da troca dinâmica de componentes e abordadas varias facetas do problema de substituição. A proposta a apoiada por um estudo de caso, implementado na linguagem de programação Java e seus diferentes protocolos de reflexão computacional. / Software maintenance is a present reality in all computational systems. This demands the frequent installation of new versions. Usually, real-time systems cannot be interrupted to install a new version. For such systems, the replacement of components, represented by functions, procedures, modulus or objects, must be performed during the execution of the program or system. Even when the old version has been replaced, the new one should not contain faults that could invalidate its services. Therefore, we need new software maintenance techniques that can mantain the system availability and realibility. The approach proposed here consists in using a reflective architecture along with techniques which are typical of the fault tolerant domain. The procedure is carried out by keeping a clear separation between validation activities and the functions executed by the component itself. We present several scenarios to which the dynamical exchange of components can be applied. Different aspects of the replacing issue are also addressed. The proposal is supported by a specific application which has been implemented in the Java language and its different protocols of computational reflection.

Uma tendência recente em sistemas de computação é distribuir a computação entre diversos processadores físicos. Isto conduz a dois tipos de sistemas: sistemas fortemente acoplados e sistemas fracamente acoplados. Este trabalho enfoca os sistemas de computação classificados como fracamente acoplados, ou sistemas distribuídos, como são popularmente conhecidos. Um sistema distribuído, segundo [BAB 86], pode ser definido como um conjunto de processadores autônomos que não compartilham memória, não tem acesso a clocks' globais e cuja comunicação é realizada somente por troca de mensagens. As exigências intrínsecas de sistemas distribuídos compreendem a confiabilidade e a disponibilidade. Estas exigências tem levado a um crescente interesse em técnicas de tolerância a falhas, cujo objetivo é manter a consistência do sistema distribuído, mesmo na ocorrência de falhas. Uma técnica de tolerância a falhas amplamente utilizada em sistemas distribuídos é a técnica de difusão confiável. A difusão confiável é uma técnica de redundância de software, onde um processador dissemina um valor para os demais processadores em um sistema distribuído, o qual esta sujeito a falhas [BAB 85]. Por ser uma técnica básica de comunicação, diversos procedimentos de tolerância a falhas baseiam-se em difusão confiável. Este trabalho descreve a implementação de um ambiente de apoio a sistemas distribuídos intitulado Ambiente para Experimentação e Avaliação de Protocolos de Difusão Confiável (ADC). Neste ambiente são utilizados os recursos da difusão confiável para a obtenção de uma concordância entre todos os membros do sistema livres de falha. Esta concordância, conhecida como consenso, é obtida através de algoritmos de consenso, os quais visam introduzir o grau de confiabilidade exigido pelos sistemas distribuídos. O ADC (Ambiente para Experimentação e Avaliação de Protocolos de Difusão Confiável) foi desenvolvido em estações de trabalho SUN (SunOS) utilizando o sistema operacional de rede heterogêneo HetNOS [BAA 93] desenvolvido na UFRGS. O ambiente foi implementado com base em um estudo realizado sobre protocolos de difusão confiável [BAR 94]. Através da implementação do ADC e possível simular a execução de protocolos de difusão confiável aplicando modelos propostos para os mesmos. Desta execução são extraídos resultados, sobre os quais pode-se realizar uma analise. Esta análise tem sua fundamentação principalmente nos parâmetros de desempenho, confiabilidade e complexidade. Tanto a implementação do ADC como a realização da analise do modelo proposto foram realizados tendo como suporte alguns dos protocolos de difusão confiável disponíveis na literatura. O principal objetivo deste ambiente consiste na experimentação, ou seja, na verificação da relação teórico-prática dos sistemas distribuídos perante a utilização de uma técnica de redundância de software, a difusão confiável. Através deste ambiente torna-se possível a determinação de parâmetros tais como o número de mensagens de difusão trocadas entre os processos, o número de mensagens de retransmissão enviadas, o número de mensagens emitidas durante todo o processamento do modelo, etc. Estes parâmetros resultam numa analise consistente de protocolos de difusão confiável. / A recent trend in computing systems is to distribute the computation between several physical processors. This leads to two different systems: closely coupled systems and loosely coupled systems. This work focuses on computing systems classified as loosely coupled or distributed systems, as they are commonly known. According to [BAB 86], a distributed system can be defined as a set of autonomous processors with no shared memory, no global clocks and whose comunication is performed only by message exchange. The inherent requirements of distributed systems include reliability and availability. These have caused an increasing interest in fault tolerance techniques, whose goal is to keep the distributed system consistent despite failures. A fault tolerance technique largely used in distributed systems is reliable broadcast. Reliable broadcast is a software redundancy technique, where a processor disseminates a value to other processors in a distributed system, in which failures can occur [BAB85]. Because it is a basic communication technique, several fault tolerance procedures are based on reliable broadcast. This work describes the implementation of a support environment for distributed systems called Reliable Broadcast Protocols Experimentation and Evaluation Environment (ADC). Reliable broadcast resources are used in this environment to obtain an agreement among all off-failure system components. This agreement, called consensus, has been obtained through consensus algorithms, which aim to introduce the reliability degree required in distributed systems. The ADC has been developed in Sun workstation (SunOS) using the heterogeneous operating system HetNOS [BAA 93] which was developed at UFRGS. The environment has been implemented based on a research about reliable broadcast protocols [BAR 94]. Through the ADC it is possible to simulate the execution of reliable broadcast protocols applying proposed models to them. From this execution results are extracted, and over them analysis can be done. This analysis has been based essentialy in parameters such as performance, reliability and complexity. Some classical reliable broadcast protocols were used as a support to ADC implementation and model analysis. The main goal of this environment consists in validating diffusion protocols in a practical distributed systems environment, facing reliable broadcast. Through this environment it can be possible the analysis of important parameters resolution such as the number of messages exchanged between process, the number of retransmission of messages sent, the number of messages sent during the whole model processing, others. These parameters result in a consistent analysis of reliable broadcast protocols.