Sistemas online como Facebook, Twitter, Digg, e comunidades BitTorrent (entre vários outros) oferecem um processo leve para a obtenção de identidades (por exemplo, confirmar um endereço de e-mail válido; os requisitos podem variar dependendo do sistema), de modo que os usuários possam cadastrar-se facilmente nos mesmos. Tal conveniência vem com um preço, no entanto: com um pequeno esforço, um atacante pode obter uma grande quantidade de contas falsas (ataque Sybil), e utilizá-las para executar atividades maliciosas (que possam prejudicar os usuários legítimos) ou obter vantagens indevidas. É extremamente desafiador (senão impossível) desenvolver uma única solução de gerenciamento de identidades que seja ao mesmo tempo capaz de oferecer suporte a uma variedade de usuários usando dispositivos heterogêneos e adequada para uma diversidade de ambientes (por exemplo, sistemas distribuídos de larga escala, Internet das Coisas, e Internet do Futuro). Como consequência, a comunidade de pesquisa tem focado no projeto de soluções de gerenciamento de identidades customizadas, em cenários com um conjunto bem definido de propósitos, requisitos e limitações. Nesta tese, abordamos o problema de contas falsas em sistemas distribuídos de larga escala. Mais especificamente, nos concentramos em sistemas baseados no paradigma para- par e que podem acomodar esquemas de gerenciamento de identidades leves e de longo prazo (ex., sistemas de compartilhamento de arquivos e de live streaming, sistemas de detecção de intrusão colaborativos, entre outros); leves porque os usuários devem obter identidades sem precisar fornecer “provas de identidade” (ex., passaporte) e/ou pagar taxas; e longo prazo porque os usuários devem ser capazes de manter suas identidades (ex., através de renovação) por um período indefinido. Nosso principal objetivo é propor um arcabouço para precificar adaptativamente as solicitações de identidades como uma abordagem para conter ataques Sybil. A ideia chave é estimar um grau de confiança para as solicitações de identidades, calculada como função do número de identidades já concedidas em um dado período, considerando a origem dessas solicitações. Nossa abordagem baseia-se em prova de trabalho e usa desafios criptográficos como um recurso para conter atacantes. Nesta tese, nós também concentramos esforços na reformulação dos desafios tradicionais, de modo a torná-los “verdes” e “´uteis”. Os resultados obtidos via simulação e experimentação mostraram a viabilidade técnica de usar desafios verdes e ´uteis para o gerenciamento de identidades. Mais importante, eles mostraram que caracterizar as solicitações de identidades com base na origem das mesmas constitui uma abordagem promissora para lidar com a redução substancial da disseminação de contas falsas. / Online systems such as Facebook, Twitter, Digg, and BitTorrent communities (among various others) offer a lightweight process for obtaining identities (e.g., confirming a valid e-mail address; the actual requirements may vary depending on the system), so that users can easily join them. Such convenience comes with a price, however: with minimum effort, an attacker can obtain a horde of fake accounts (Sybil attack), and use them to either perform malicious activities (that might harm legitimate users) or obtain unfair benefits. It is extremely challenging (if not impossible) to devise a single identity management solution at the same time able to support a variety of end-users using heterogeneous devices, and suitable for a multitude of environments (e.g., large-scale distributed systems, Internet-of-Things, and Future Internet). As a consequence, the research community has focused on the design of system-specific identity management solutions, in scenarios having a well-defined set of purposes, requirements, and constraints. In this thesis, we approach the issue of fake accounts in large-scale, distributed systems. More specifically, we target systems based on the peer-to-peer paradigm and that can accommodate lightweight, long-term identity management schemes (e.g., file sharing and live streaming networks, collaborative intrusion detection systems, among others); lightweight because users should obtain identities without being required to provide “proof of identity” (e.g., passport) and/or pay taxes; and long-term because users should be able to maintain their identities (e.g., through renewal) for an indefinite period. Our main objective is to propose a framework for adaptively pricing identity requests as an approach to limit Sybil attacks. The key idea is to estimate a trust score for identity requests, calculated as a as function of the number of identities already granted in a given period, and considering their source of origin. Our approach relies on proof of work, and uses cryptographic puzzles as a resource to restrain attackers. In this thesis, we also concentrate on reshaping traditional puzzles, in order to make them “green” and “useful”. The results obtained through simulation and experimentation have shown the feasibility of using green and useful puzzles for identity management. More importantly, they have shown that profiling identity requests based on their source of origin constitutes a promising approach to tackle the dissemination of fake accounts.

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

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

Este trabalho apresenta uma avaliação da eficiência do dimensionamento e particionamento (folding) de transistores para a eliminação ou redução de efeitos de radiação. Durante o trabalho foi construído um modelo de transistor tipo-n MOSFET para a tecnologia 90nm, utilizando modelos preditivos. O transistor 3D modelado foi comparado com o modelo de transistor elétrico PTM level 54 da Arizona State University e os resultados mostraram uma coerência entre os dispositivos. Este transistor modelado foi irradiado por uma série de partículas que caracterizam ambientes terrestres e espaciais. Foi descoberto que a técnica de redimensionamento de transistores tem sua eficiência relacionada ao tipo de partícula do ambiente e não é aplicável em ambientes com partículas com alta energia. Descobriu-se também que aplicando o particionamento de transistores é possível reduzir a amplitude e a duração de erros transientes. A combinação do dimensionamento e o particionamento de transistores pode ser utilizada para a redução de efeitos de radiação incluindo partículas leves e pesadas. Por fim um estudo de caso foi realizado com uma célula de memória estática de 6 transistores utilizando as técnicas mencionadas anteriormente. Os resultados da célula de memória indicaram que a combinação das duas técnicas pode de fato reduzir e até impedir a mudança do estado lógico armazenado na célula. / In this work the transistor sizing and folding techniques were evaluated for SET robustness in a 90nm MOSFET technology using a 3D device model. A n-type MOSFET transistor using a 90nm technology predictive profile was modeled and functional behavior compared with PTM level 54 model showing a fit of the device with the PTM. During simulations the modeled device was irradiated in a simulation environment using particles with the profile of sea and space level ions. The radiation effects simulation had indicated that the transistor sizing can be more or less efficient to reduce SET according to the collected charge. It was found that for environments with high energy particle, transistor sizing was not able to reduce soft errors intensity. The use of folding has shown significant reduction of the amplitude and duration of the transient pulse, making this technique very useful to reduce soft errors. For alpha particles and heavy ions the combination of transistor folding and sizing had shown to be an effective combination to enhance the reliability of the circuits. A 6T SRAM cell was modeled to evaluate transistor sizing and folding techniques and the results confirmed the efficiency of folding plus sizing to reduce the effects of radiation.

A detecção de defeitos pode ser usada como base no projeto de algoritmos e aplicações distribuídas que dependem, de alguma forma, de informações de estado sobre processos distribuídos. O problema de acordo entre processos (consenso), que é um dos problemas fundamentais da computação distribuída, bem como difusão atômica (atomic broadcast), eleição de líder (leader election) e gerenciamento de grupos (membership) necessitam de informações de estado dos processos envolvidos, portanto, do resultado da atividade dos detectores. Esses protocolos, geralmente, são usados como blocos básicos para a construção de outros algoritmos, serviços ou aplicações distribuídas tolerantes a falhas. Os detectores de defeitos, de forma prática, têm sido desenvolvidos com base em parâmetros funcionais de redes locais e não operam bem no contexto de sistemas distribuídos de larga escala e de redes de longa distância (WANs). Sistemas conectados por WANs, geralmente, oferecem um ambiente mais hostil do que as LANs e clusters, devido aos atrasos longos e variáveis e à maior probabilidade de ocorrência de defeitos de temporização (flutuações na latência de comunicação) e omissão (perdas de mensagens), impondo um desafio na concepção de mecanismos que detectem defeitos de forma completa, precisa e que atendam a requisitos de dependabilidade exigidos pelas aplicações. A detecção de defeitos, também, pode ser oferecida na forma de um serviço, podendo ser este serviço utilizado por diferentes aplicações, sem que estas necessitem agregar a implementação do detector em seus projetos. Neste trabalho, foram pesquisadas estratégias aplicáveis à organização e à comunicação entre módulos de detecção de defeitos, focando sistemas de larga escala que operem sobre WANs. Está sendo proposto um modelo de serviço configurável que opera sob demanda das aplicações, e utiliza uma organização hierárquica dos módulos detectores de defeitos. Com base nesse modelo, foi implementado e testado um protótipo, utilizando o framework de simulação Neko. Os testes avaliaram a utilização da estratégia hierárquica com base no tipo e número de mensagens trocadas pelo serviço durante sua operação. Os resultados mostraram que adotar a hierarquia em dois níveis (LAN e WAN) resulta em poucas mensagens adicionais de controle e significativa redução do número de mensagens trafegando entre redes locais. O serviço tirou proveito do conhecimento da topologia da rede e escalou bem, quando um número maior de máquinas foi utilizado. Adicionalmente, para ajustar dinamicamente a detecção aos atrasos impostos pelas WANs, foi utilizado o pacote de predição de timeout do AFDService. / The failure detection may be used as basis for the design of algorithms and distributed applications that need information about the state of distributed processes. The agreement problem among processes (consensus) is one of the fundamental problems in distributed computing as well as other protocols such as atomic broadcast, leader election and membership that also need information about involved processes and consequently need also the results from the failure detector activity. These protocols are generally used as basic blocks to design other algorithms, services or fault-tolerant distributed applications. The failure detectors, in practice, have been developed based on local network parameters; consequently they are not tuned for the context of large-scale distributed systems nor wide area networks (WANs). Systems interconnected by WANs generally are environments more adverse than LAN and traditional clusters, due to variable and long delays and more prone to timing and omission failures. A natural consequence is that it is challenging to develop mechanisms that can accurately detect failures and give the needed support for dependability requirements of the applications. The failure detection may also be offered as a service for the different applications, which do not need to include their own detectors in their design. In this work are investigated strategies previously defined and applied on the communication of failure detector modules, focusing the analysis on large scale systems on WANs. From this, we propose a configurable failure detection service model that works on demand of applications and adopts the hierarchical organization of failure detection modules. Based on this model, a prototype implementation has been developed and tested using Neko simulation framework. The tests evaluate the utilization of hierarchical strategy based on the type and number of messages exchanged by the service during its operation. The experiments show that the two-level (LAN and WAN) hierarchical structure adopted results in a few additional control messages and a significant reduction on the message traffic between local networks. The service uses the knowledge of the topology and scales well when many machines are used. Additionally, to dynamically adjust the delay imposed by WANs on time detection, the timeout prediction package of AFDService has been used.

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

Procedimentos de teste para dispositivos eletrônicos tem sido construídos de forma a lidar com problemas, tais como geração de padrões de teste, cobertura de falhas e outros parâmetros tais como custo e tempo. Com o surgimento dos circuitos VLSI (Very Large Scale Integration), tais como os processadores, os problemas do teste tem aumentado. Com relação aos processadores, sua complexidade é um convite para o uso de procedimentos de teste funcionais, ignorando a estrutura física dos circuitos. Adicionalmente, informações sobre a estrutura do processador são geralmente desconhecidas por parte do usuário. No nível funcional, um processador é tratado como um sistema composto por blocos funcionais, cuja descrição pode ser obtida no manual do usuário. Cada bloco e caracterizado pela sua função, como por exemplo, a unidade lógica e aritmética, registradores, memória, etc... Testar o processador consiste em exercitar cada bloco com padrões de teste determinados. A utilização do processador transputer em situações onde se faz necessário um certo nível de confiabilidade depende da utilização de técnicas para detecção on-line. No presente trabalho é proposto um procedimento para o teste funcional do transputer. O teste funcional aqui proposto permite detecção de falhas on-line, em um contexto de aplicação periódica (pela suspensão temporária mas sem alteração do contexto da aplicação do usuário), com baixa degradação no desempenho global do sistema. Hipóteses e procedimentos relacionados a fabricação de circuitos não são considerados. Para possibilitar o uso de técnicas de teste convencionais, o transputer IMS T800 é particionado em blocos funcionais e um modelo para o teste, baseado na organização desse componente, e proposto. Este modelo é apoiado pela similaridade desse processador com um sistema microprocessado. Após o particionamento cada bloco funcional pode ser testado em separado; para os blocos que possuem organização como a de microprocessadores convencionais (tais como parte da CPU e a FPU), utiliza-se como base o método proposto por Robach and Saucier [ROB80]. De acordo com este método de teste funcional, as instruções do processador são modeladas por intermédio de grafos, que formam a base para definição de um conjunto mínimo de instruções. A execução desse conjunto exercita todos os elementos pertencentes ao respectivo bloco funcional do transputer. Entretanto, o procedimento proposto não é uma aplicação direta da metodologia citada, devido a características particulares do transputer, especialmente no que diz respeito ao paralelismo de operações, e sua estrutura de blocos internos. Com relação aos testes on-line, a utilização de um conjunto de instruções reduzido possibilita a realização de um teste rápido, reduzindo perdas de desempenho. Para os blocos restantes, de acordo com suas características, são construídos procedimentos de teste específicos. A freqüência de execução é ajustável para cada bloco. Dependendo das exigências da aplicação, alguns procedimentos podem ser omitidos, reduzindo a carga provocada pelo procedimento de teste no desempenho do sistema. A validação do procedimento de teste é realizada de duas maneiras: injeção de falhas, para verificar a capacidade de detecção: e avaliação de desempenho, para identificar o nível de degradação causado pela utilização do procedimento de teste em um sistema genérico. Apesar desse trabalho ter sido desenvolvido com base na estrutura da maquina TNODE [TEL91] e na abordagem de teste global descrita em [NUN93b], o procedimento de teste proposto pode ser utilizado em qualquer sistema composto por transputers, cujos parâmetros de aplicação se enquadrem nos requisitos usados neste trabalho. / Test procedures for electronic devices have been planned in order to deal with problems as test pattern generation, fault coverage and other parameters as cost and time. With the advent of very large scale integration (VLSI) circuits, such as the microprocessors, the test problems have arised. Concerning processors, their complexity is an invitation to the use of functional test procedures, ignoring the physical structure of the circuit. Further, structural information about the processor is, in general, unknown by users. In a functional level, a processor is seen as a system made up of functional blocks, whose description can be obtained from the user's manual. Each block is characterized by its function, as arithmetic and logic unit, registers, memory, etc... Testing the processor consists of exercising every block with specified test patterns. The use of the transputer processor in situations where reliability is needed depends on the use of on-line detection techniques. In this work, a functional test procedure for the transputer is proposed. The functional test here proposed intends to allow on-line fault detection, in a context of periodical application, with low degradation in global system performance. Hypotheses and procedures related to the fabrication process are not concerned. In order to make possible the use of conventional test techniques, the IMS T800 transputer is partitioned in functional blocks and a test model, based on the architecture of this component, is proposed. This model is supported by the similarity of this processor with a microprocessor system. Then each functional block may be tested in separate; for the blocks that have conventional microprocessor architecture (as part of the CPU and the FPU), the method proposed by Robach and Saucier [ROB80] is used. According to this functional test method, processor instructions are modeled by means of graphs which are the basis to find a minimal instruction set. The execution of this set exercises all elements that belong to the respective functional block of the transputer. Therefore, it is not a straight application of that methodology due to particular characteristics of the transputer, specially concerning the parallelism of operation and its internal blocks structure. Concerning on-line tests, the use of a reduced instruction set allows a fast test realization, reducing the overhead over system performance. For the remainder blocks, specific test procedures are built according to their features. The frequency of execution is adjustable to each block. Depending on the application constraints, some procedures may be omitted, reducing the overhead produced by the test procedure over the system performance. The validation of the test procedure may be done by means of: fault injection, to verify the faults coverage parameters; and performance evaluation, to identify degradation level caused by the inclusion of test procedure in a generic system. Although this work has been developed with basis in the structure of the T-NODE machine [TEL91] and the global test approach described in [NUN93b], it can be used in other transputer systems whose application parameters are similar to those here used.

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

Sistemas online como Facebook, Twitter, Digg, e comunidades BitTorrent (entre vários outros) oferecem um processo leve para a obtenção de identidades (por exemplo, confirmar um endereço de e-mail válido; os requisitos podem variar dependendo do sistema), de modo que os usuários possam cadastrar-se facilmente nos mesmos. Tal conveniência vem com um preço, no entanto: com um pequeno esforço, um atacante pode obter uma grande quantidade de contas falsas (ataque Sybil), e utilizá-las para executar atividades maliciosas (que possam prejudicar os usuários legítimos) ou obter vantagens indevidas. É extremamente desafiador (senão impossível) desenvolver uma única solução de gerenciamento de identidades que seja ao mesmo tempo capaz de oferecer suporte a uma variedade de usuários usando dispositivos heterogêneos e adequada para uma diversidade de ambientes (por exemplo, sistemas distribuídos de larga escala, Internet das Coisas, e Internet do Futuro). Como consequência, a comunidade de pesquisa tem focado no projeto de soluções de gerenciamento de identidades customizadas, em cenários com um conjunto bem definido de propósitos, requisitos e limitações. Nesta tese, abordamos o problema de contas falsas em sistemas distribuídos de larga escala. Mais especificamente, nos concentramos em sistemas baseados no paradigma para- par e que podem acomodar esquemas de gerenciamento de identidades leves e de longo prazo (ex., sistemas de compartilhamento de arquivos e de live streaming, sistemas de detecção de intrusão colaborativos, entre outros); leves porque os usuários devem obter identidades sem precisar fornecer “provas de identidade” (ex., passaporte) e/ou pagar taxas; e longo prazo porque os usuários devem ser capazes de manter suas identidades (ex., através de renovação) por um período indefinido. Nosso principal objetivo é propor um arcabouço para precificar adaptativamente as solicitações de identidades como uma abordagem para conter ataques Sybil. A ideia chave é estimar um grau de confiança para as solicitações de identidades, calculada como função do número de identidades já concedidas em um dado período, considerando a origem dessas solicitações. Nossa abordagem baseia-se em prova de trabalho e usa desafios criptográficos como um recurso para conter atacantes. Nesta tese, nós também concentramos esforços na reformulação dos desafios tradicionais, de modo a torná-los “verdes” e “´uteis”. Os resultados obtidos via simulação e experimentação mostraram a viabilidade técnica de usar desafios verdes e ´uteis para o gerenciamento de identidades. Mais importante, eles mostraram que caracterizar as solicitações de identidades com base na origem das mesmas constitui uma abordagem promissora para lidar com a redução substancial da disseminação de contas falsas. / Online systems such as Facebook, Twitter, Digg, and BitTorrent communities (among various others) offer a lightweight process for obtaining identities (e.g., confirming a valid e-mail address; the actual requirements may vary depending on the system), so that users can easily join them. Such convenience comes with a price, however: with minimum effort, an attacker can obtain a horde of fake accounts (Sybil attack), and use them to either perform malicious activities (that might harm legitimate users) or obtain unfair benefits. It is extremely challenging (if not impossible) to devise a single identity management solution at the same time able to support a variety of end-users using heterogeneous devices, and suitable for a multitude of environments (e.g., large-scale distributed systems, Internet-of-Things, and Future Internet). As a consequence, the research community has focused on the design of system-specific identity management solutions, in scenarios having a well-defined set of purposes, requirements, and constraints. In this thesis, we approach the issue of fake accounts in large-scale, distributed systems. More specifically, we target systems based on the peer-to-peer paradigm and that can accommodate lightweight, long-term identity management schemes (e.g., file sharing and live streaming networks, collaborative intrusion detection systems, among others); lightweight because users should obtain identities without being required to provide “proof of identity” (e.g., passport) and/or pay taxes; and long-term because users should be able to maintain their identities (e.g., through renewal) for an indefinite period. Our main objective is to propose a framework for adaptively pricing identity requests as an approach to limit Sybil attacks. The key idea is to estimate a trust score for identity requests, calculated as a as function of the number of identities already granted in a given period, and considering their source of origin. Our approach relies on proof of work, and uses cryptographic puzzles as a resource to restrain attackers. In this thesis, we also concentrate on reshaping traditional puzzles, in order to make them “green” and “useful”. The results obtained through simulation and experimentation have shown the feasibility of using green and useful puzzles for identity management. More importantly, they have shown that profiling identity requests based on their source of origin constitutes a promising approach to tackle the dissemination of fake accounts.

A utilização de técnicas de tolerância a falhas em software é uma forma de baixo custo para proteger processadores contra soft errors. Contudo, elas causam aumento no tempo de execução e utilização de memória. Em consequência disso, o consumo de energia também aumenta. Sistemas que operam com restrição de tempo ou energia podem ficar impossibilitados de utilizar tais técnicas. Por esse motivo, este trabalho propoe técnicas de tolerância a falhas em software com custos no desempenho e memória reduzidos e cobertura de falhas similar a técnicas presentes na literatura. Como detecção é menos custoso que correção, este trabalho foca em técnicas de detecção. Primeiramente, um conjunto de técnicas de dados baseadas em regras de generalização, chamada VAR, é apresentada. As técnicas são baseadas nesse conjunto generalizado de regras para permitir uma investigação exaustiva, em termos de confiabilidade e custos, de diferentes variações de técnicas. As regras definem como a técnica duplica o código e insere verificadores. Cada técnica usa um diferente conjunto de regras. Então, uma técnica de controle, chamada SETA, é introduzida. Comparando SETA com uma técnica estado-da-arte, SETA é 11.0% mais rápida e ocupa 10.3% menos posições de memória. As técnicas de dados mais promissoras são combinadas com a técnica de controle com o objetivo de proteger tanto os dados quanto o fluxo de controle da aplicação alvo. Para reduzir ainda mais os custos, métodos para aplicar seletivamente as técnicas propostas foram desenvolvidos. Para técnica de dados, em vez de proteger todos os registradores, somente um conjunto de registradores selecionados é protegido. O conjunto é selecionado com base em uma métrica que analisa o código e classifica os registradores por sua criticalidade. Para técnicas de controle, há duas abordagens: (1) remover verificadores de blocos básicos, e (2) seletivamente proteger blocos básicos. As técnicas e suas versões seletivas são avaliadas em termos de tempo de execução, tamanho do código, cobertura de falhas, e o Mean Work to Failure (MWTF), o qual é uma métrica que mede o compromisso entre cobertura de falhas e tempo de execução. Resultados mostram redução dos custos sem diminuição da cobertura de falhas, e para uma pequena redução na cobertura de falhas foi possível significativamente reduzir os custos. Por fim, uma vez que a avaliação de todas as possíveis combinações utilizando métodos seletivos toma muito tempo, este trabalho utiliza um método para extrapolar os resultados obtidos por simulação com o objetivo de encontrar os melhores parâmetros para a proteção seletiva e combinada de técnicas de dados e de controle que melhorem o compromisso entre confiabilidade e custos. / Software-based fault tolerance techniques are a low-cost way to protect processors against soft errors. However, they introduce significant overheads to the execution time and code size, which consequently increases the energy consumption. System operation with time or energy restrictions may not be able to make use of these techniques. For this reason, this work proposes software-based fault tolerance techniques with lower overheads and similar fault coverage to state-of-the-art software techniques. Once detection is less costly than correction, the work focuses on software-based detection techniques. Firstly, a set of data-flow techniques called VAR is proposed. The techniques are based on general building rules to allow an exhaustive assessment, in terms of reliability and overheads, of different technique variations. The rules define how the technique duplicates the code and insert checkers. Each technique uses a different set of rules. Then, a control-flow technique called SETA (Software-only Error-detection Technique using Assertions) is introduced. Comparing SETA with a state-of-the-art technique, SETA is 11.0% faster and occupies 10.3% fewer memory positions. The most promising data-flow techniques are combined with the control-flow technique in order to protect both dataflow and control-flow of the target application. To go even further with the reduction of the overheads, methods to selective apply the proposed software techniques have been developed. For the data-flow techniques, instead of protecting all registers, only a set of selected registers is protected. The set is selected based on a metric that analyzes the code and rank the registers by their criticality. For the control-flow technique, two approaches are taken: (1) removing checkers from basic blocks: all the basic blocks are protected by SETA, but only selected basic blocks have checkers inserted, and (2) selectively protecting basic blocks: only a set of basic blocks is protected. The techniques and their selective versions are evaluated in terms of execution time, code size, fault coverage, and Mean Work To Failure (MWTF), which is a metric to measure the trade-off between fault coverage and execution time. Results show that was possible to reduce the overheads without affecting the fault coverage, and for a small reduction in the fault coverage it was possible to significantly reduce the overheads. Lastly, since the evaluation of all the possible combinations for selective hardening of every application takes too much time, this work uses a method to extrapolate the results obtained by simulation in order to find the parameters for the selective combination of data and control-flow techniques that are probably the best candidates to improve the trade-off between reliability and overheads.