O modelo de objetos apresenta-se como um modelo promissor para o desenvolvimento de software tolerante a falhas em virtude de características inerentes ao próprio modelo de objetos, tais como abstração de dados, encapsulamento, herança e reutilização de objetos (componentes). O uso de técnicas orientadas a objetos facilita o controle da complexidade do sistema porque promove uma melhor estruturação de seus componentes e também permite que componentes já validados sejam reutilizados [LIS96]. Técnicas básicas para tolerância a falhas em software baseiam-se na diversidade de projeto e de implementação de componentes considerados críticos. Os componentes diversitários são gerenciados através de alguma técnica que tenha por objetivo assegurar o fornecimento do serviço solicitado, como, por exemplo, a conhecida técnica de blocos de recuperação. Reflexão Computacional é a capacidade que um sistema tem de fazer computações para se auto analisar. Ela é obtida quando o programa pára sua execução por um período de tempo para fazer computações sobre si próprio; analisa seu estado, se o processamento está correto, se pode prosseguir com a execução e atingir o objetivo satisfatoriamente; se não precisa mudar de estratégia ou algoritmo de execução, fazendo, ainda, processamentos necessários para o sucesso da execução. Um sistema de programação distribuída consiste basicamente em vários aplicativos executados em diferentes computadores, os quais realizam troca de mensagens para solucionar um problema comum. A comunicação entre os computadores é realizada através da rede que os interliga. As Redes que controlam sistemas críticos são normalmente de pequena escala pois redes de grandes dimensões podem apresentar atrasos e baixa confiabilidade. Portanto, a abordagem aqui proposta consiste em utilizar, em um ambiente distribuído, uma arquitetura reflexiva aliada a técnicas do domínio da tolerância a falhas para promover a separação entre as atividades de controle, salvamento, recuperação, distribuição e validação de componentes e as funcionalidades executadas pelo próprio componente, a fim de que falhas não venham a prejudicar a disponibilidade, confiabilidade e clareza de determinadas computações. A proposta apóia-se num estudo de caso, implementado na linguagem de programação Java, com seus protocolos de reflexão computacional e de comunicação.

Este trabalho investiga a aplicação de métodos e técnicas de correlação de alarmes na detecção e diagnóstico de falhas em sistemas supervisionados por computador. Atualmente, alguns centros de supervisão ainda não se utilizam destas técnicas para o tratamento das informações recebidas de suas redes de supervisão, ficando para os operadores a responsabilidade de identificar estas correlações. Com o crescente volume de informações recebidas pelos centros de supervisão, devido ao aumento da heterogeneidade e do número de equipamentos supervisionados, torna a identificação manual da correlação dos alarmes lenta e pouco precisa. Objetivando melhorar a qualidade do serviços prestados pelos centros de supervisões, este trabalho propõe o uso de uma rede Bayesiana como método de correlação de alarmes e uma técnica de limitação de escopo para atingir uma melhor performance na propagação desta correlação. Através dos conceitos desenvolvidos neste trabalho, foi implementado um protótipo de correlação de alarmes para um sistema de supervisão existente no mercado, neste protótipo modela-se a rede Bayesiana em um banco de dados relacional e, como resultado desta implementação apresenta-se a interface desenvolvida para a supervisão.

Independentemente do modelo de programação adotado, no projeto e implementação de aplicações de alta disponibilidade, faz-se necessário usar procedimentos de tolerância a falhas. Dentre as atividades que trazem consigo interesse de pesquisa na área de Tolerância a Falhas, estão os mecanismos de recuperação em um sistema computacional. Do ponto de vista prático, estes mecanismos buscam manter próximo do mínimo o tempo total de execução de aplicações computacionais de longa duração, ao mesmo tempo em que as preparam para não sofrerem perdas significativas de desempenho, em caso de falhas. Paralelamente à evolução dos sistemas computacionais, foi possível observar também a evolução das linguagens de programação, principalmente as que utilizam o paradigma orientado a objetos. O advento da área de tolerância a falhas na orientação a objetos resultou em novos problemas na atividade de recuperação quanto aos mecanismos de salvamento de estados e retomada da execução, principalmente no que se refere às dificuldades de gerenciamento e controle sobre a alocação de objetos. Entretanto, observa-se que a complexidade de implementação dos mecanismos de recuperação, por parte dos programadores, exige deles conhecimentos mais especializados para o salvamento dos estados da aplicação e para a retomada da execução. Portanto, a simplificação do trabalho do programador, através do uso de uma biblioteca de checkpointing que implemente os mecanismos de salvamento de estados e recuperação é o ponto focal deste trabalho. Diante do contexto exposto, nesta dissertação, são definidas e implementadas as classes de uma biblioteca que provê mecanismos de checkpointing e recuperação. Esta biblioteca, denominada de Libcjp, visa aprimorar o processo de recuperação de aplicações orientadas a objetos escritas na linguagem de programação Java. Esta linguagem foi escolhida para implementação devido à presença dos recursos de persistência e serialização. Para a concepção do trabalho, são considerados ambos os cenários no paradigma orientado a objetos: objetos centralizados e distribuídos. São utilizados os recursos da API de serialização Java e a tecnologia Java RMI para objetos distribuídos. Conclui-se o trabalho com a ilustração de casos de uso através de diversos exemplos desenvolvidos a partir de seus algoritmos originais inicialmente, e incrementados posteriormente com os mecanismos de checkpointing e recuperação. Os componentes desenvolvidos foram testados quanto ao cumprimento dos seus requisitos funcionais. Adicionalmente, foi realizada uma análise preliminar sobre a influência das ações de checkpointing nas características de desempenho das aplicações.

Tolerância a falhas é um dos aspectos mais importantes a serem considerados no desenvolvimento de aplicações, especialmente com a participação cada vez maior de sistemas computacionais em áreas vitais da atividade humana. Dentro deste cenário, um dos fatores a serem considerados na persecução deste objetivo é o gerenciamento de atomicidade. Esta propriedade, por sua vez, apresenta duas vertentes principais: o controle de concorrência e a recuperação de estados. Considerando-se a tolerância a falhas e, particularmente, a atomicidade como requisitos com alto grau de recorrência em aplicações, verifica-se a importância de sua reutilização de forma simples e transparente e do estudo de meios de prover tal capacidade. O presente trabalho procurou pesquisar e aplicar meios de produzir soluções reutilizáveis para implementação de programas tolerantes a falhas, mais especificamente de técnicas de controle de atomicidade, utilizando vários paradigmas computacionais. Neste intuito, foram pesquisados mecanismos de introdução de atomicidade em aplicações e suas respectivas demandas, para então extrair critérios de análise dos paradigmas a serem utilizados na implementações das soluções. Buscou-se suporte nestes paradigmas às demandas previamente pesquisadas nos mecanismos de gerenciamento de atomicidade e procurou-se chegar a soluções reutilizáveis mantendo simplicidade de uso, possibilidade de alteração dinâmica, transparência, adaptabilidade e velocidade de desenvolvimento. Devido à existência de uma grande diversidade de situações que requerem diferentes implementações de atomicidade, alguns cenários típicos foram selecionados para aplicação e avaliação das técnicas aqui sugeridas, procurando abranger o maior número possível de possibilidades. Desta maneira, este trabalho comparou situações opostas quanto à concorrência pelos dados, implementando cenários onde ocorrem tanto acesso cooperativo quanto competitivo aos dados. Dentro de cada um dos cenários estudados, buscaram-se situações propícias ao emprego das características dos paradigmas e analisou-se o resultado de sua aplicação quanto aos critérios definidos anteriormente. Várias soluções foram analisadas e comparadas. Além dos mecanismos de gerenciamento de atomicidade, também foram estudados vários paradigmas que pudessem ser empregados na implementação de soluções com alto grau de reutilização e adaptabilidade. As análises e sugestões posteriores às implementações serviram como substrato para conclusões e sugestões sobre a melhor maneira de empregar tais soluções nos cenários atômicos estudados. Com isso, foi possível relacionar características e capacidades de cada paradigma com a melhor situação de demanda de atomicidade na qual os mesmos são aplicáveis, moldando uma linha de soluções que favoreçam sua reutilização. Um dos objetivos mais importantes do trabalho foi, entretanto, observar o funcionamento conjunto destes paradigmas, estudando como os mesmos podem atuar de forma simbiótica e de que forma os conceitos de um paradigma podem complementar os de outro.

A possibilidade da utilização de sistemas eficientes para inspeção tem despertado o interesse da indústria. Isto porque descontinuidades com diferentes geometrias e orientações podem surgir em um componente durante sua fabricação ou durante seu funcionamento, podendo ocasionar uma falha catastrófica no material, gerando prejuízos à empresa. Métodos tradicionais como o ensaio radiográfico e o ensaio manual por ultra-som não garantem uma inspeção totalmente confiável, devido a suas limitações, principalmente, na monitoração e no dimensionamento destes defeitos. Assim, este trabalho apresenta a técnica TOFD como uma ferramenta eficiente na determinação da profundidade de refletores artificiais usinados em blocos de aço SAE 1022. Visando o desenvolvimento de metodologias que facilitem a compreensão da técnica, este trabalho serve de referência para aplicações mais avançadas, como por exemplo, o monitoramento do crescimento de trincas em serviço e a inspeção de materiais soldados. Quatro corpos de provas com espessuras de, aproximadamente, 25mm, apresentando diferentes geometrias e profundidades de entalhes, foram confeccionados. Fatores como o ângulo da sapata, freqüência e separação dos cabeçotes são determinantes para se alcançar a variação ideal para cada tipo de defeito. Os resultados mostram que tanto para defeitos aflorando na superfície de varredura quanto para defeitos aflorando na superfície oposta, o dimensionamento pode ser bem preciso, se a variação adequada para cada caso for selecionada. Além disso, para a análise de defeitos esféricos internos, é possível obter um erro experimental dentro do tolerável para todas as profundidades dimensionadas. / The possibility of the use of efficient systems for inspection has attracted the interest of industry. This is because discontinuities with different geometries and orientations may arise in a component during its manufacture or in service and may cause a catastrophic failure in the material, generating damage to the company. Traditionals methods as radiographic test and ultrasound manual test does not guarantee an inspection totally reliable, because of theirs limitations, mainly, in the monitoring and in the sizing of this defects. Then, this work to present TOFD technique as an efficient tool to determine the height of artificials reflectors machined in samples of SAE 1022 steel. To develop methodologies to facilitate the understanding of the technique, this work serves as a reference for more advanced applications, for example, the monitoring of cracks growth in service and the inspection of welded materials. Four samples with thickness around 25mm, having different notches geometries and heights were made. Factors as shoe angle, frequency and probe separation are determinants to reach ideal variation for each defect type. Results show that as for notches breaking in the surface inspected as for notches breaking in the inside surface, opposite the scanned surface, sizing can be precise, if the correct variation was chosen. Besides, for spherical defects inside the material it is possible to obtain an experimental error tolerable for all heights sized.

O desenvolvimento de protocolos distribuídos é uma tarefa complexa. Em sistemas tolerantes a falhas, a elaboração de mecanismos para detectar e mascarar defeitos representam grande parte do esforço de desenvolvimento. A técnica de simulação pode auxiliar significativamente nessa tarefa. Entretanto, existe uma carência de ferramentas de simulação para investigação de protocolos distribuídos em cenários com defeitos, particularmente com suporte a experimentos em configurações “típicas” da Internet. O objetivo deste trabalho é investigar o uso do simulador de redes NS (Network Simulator) como ambiente para simulação de sistemas distribuídos, particularmente em cenários sujeitos à ocorrência de defeitos. O NS é um simulador de redes multi-protocolos, que tem código aberto e pode ser estendido. Embora seja uma ferramenta destinada ao estudo de redes de computadores, o ajuste adequado de parâmetros e exploração de características permitiu utilizá-lo para simular defeitos em um sistema distribuído. Para isso, desenvolveu-se dois modelos de sistemas distribuídos que podem ser implementados no NS, dependendo do protocolo de transporte utilizado: um baseado em TCP e o outro baseado em UDP. Também, foram estudadas formas de modelar defeitos através do simulador. Para a simulação de defeito de colapso em um nodo, foi proposta a implementação de um método na classe de cada aplicação na qual se deseja simular defeitos. Para ilustrar como os modelos de sistemas distribuídos e de defeitos propostos podem ser utilizados, foram implementados diversos algoritmos distribuídos em sistemas síncronos e assíncronos. Algoritmos de eleição e o protocolo Primário-Backup são exemplos dessas implementações. A partir desses algoritmos, principalmente do Primário-Backup, no qual a simulação de defeitos foi realizada, foi possível constatar que o NS pode ser uma ferramenta de grande auxílio no desenvolvimento de novas técnicas de Tolerância a Falhas. Portanto, o NS pode ser estendido possibilitando que, com a utilização dos modelos apresentados nesse trabalho, simule-se defeitos em um sistema distribuído.

Numerosas pesquisas estão introduzindo o conceito de grupo em padrões abertos para programação distribuída. Nestas, o suporte a grupo de objetos por meio de middlewares, apresentam diferentes abordagens de interligação com a aplicação. Segundo princípios defendidos na tese de Felber, essas abordagens vão ao encontro do objetivo de facilitar o desenvolvimento e proporcionar confiabilidade e desempenho. Neste contexto, localizou-se três enfoques básicos para a interligação com a aplicação, denominados integração, serviço, e interceptação, que utilizam a captura de mensagens para obtenção de informações ou como meio para adicionar novas funcionalidades às aplicações. A utilização dessas informações pode auxiliar no ajuste de parâmetros funcionais de serviços relacionados, na escolha de mecanismos, influindo em aspectos como, desempenho e segurança. Ao longo do estudo dessas abordagens, sentiu-se a necessidade de estudar detalhes e testar aspectos de implementação, suas premissas de uso e as conseqüências advindas da incorporação de seus mecanismos junto à aplicação. Este trabalho visa apresentar uma análise do comportamento das referidas abordagens por meio da implementação de protótipos, possibilitando assim, investigar problemas relacionados ao emprego da técnica e suas conseqüências quando integradas à aplicação. Os objetivos específicos reúnem a busca de informações qualitativas, tais como: modularidade, transparência, facilidade de uso e portabilidade; e informações quantitativas, fundamentalmente traduzidas pelo grau de interferência no desempenho da aplicação. O desenvolvimento dos protótipos teve como início a busca por um ambiente que ofereceria suporte as condições necessárias para a implementação das diferentes abordagens. Percebeu-se que definir os mecanismos diretamente sobre uma linguagem de programação, como C ou C++, não era viável. As versões padrões dessas linguagens não oferecem mecanismos capazes de suportar algumas características de implementação como, por exemplo, a captura de mensagens na abordagem de interceptação. A possibilidade é introduzida apenas por extensões dessas linguagens. Assim, a investigação de um ambiente de implementação voltou-se para mecanismos disponíveis em sistemas operacionais. A opção pela utilização do Linux visou atender alguns requisitos importantes para o desenvolvimento dos protótipos tais como: facilidade de instalação, boa documentação e código aberto. Este último é um ponto essencial, pois a construção de parte dos protótipos explora a programação em nível do sistema operacional. A linguagem de programação C foi escolhida como base para a implementação, já que as diferentes abordagens exploram tanto o nível do kernel como o nível do usuário, e é compatível com o Linux. A etapa de desenvolvimento dos protótipos possibilitou a coleta de informações sobre aspectos qualitativos. As demais informações que fazem parte do perfil levantado por este trabalho sobre as abordagens, foram obtidas através da utilização dos protótipos em experimentos com duas aplicações distribuídas denominadas de “Ping-Pong” e “Escolha de Líderes”, que têm como característica geral à troca de mensagens, utilizando comunicação através de sockets. A realização de medidas em múltiplas execuções, avaliadas após o tratamento estatístico necessário, permitiu definir um perfil das diferentes abordagens.

Este trabalho relata as atividades de estudo, projeto e implementação de uma aplicação distribuída que explora mecanismos básicos empregados em comunicação de grupo. O estudo é focado no desenvolvimento e uso dos conceitos de sincronismo virtual e em resultados aplicáveis para tolerância a falhas. O objetivo deste trabalho é o de demonstrar as repercussões práticas das principais características do modelo de sincronismo virtual no suporte à tolerância a falhas. São preceitos básicos os conceitos e primitivas de sistemas distribuídos utilizando troca de mensagens, bem como as alternativas de programação embasadas no conceito de grupos. O resultado final corresponde a um sistema Cliente/Servidor, desenvolvido em Java RMI, para simular um sistema distribuído com visões de grupo atualizadas em função da ocorrência de eventos significativos na composição dos grupos (sincronismo virtual). O sistema apresenta tratamento a falhas para o colapso (crash) de processos, inclusive do servidor (coordenador do grupo), e permite a consulta a dados armazenados em diferentes servidores. Foi projetado e implementado em um ambiente Windows NT, com protocolo TCP/IP. O resultado final corresponde a um conjunto de classes que pode ser utilizado para o controle da composição de grupos (membership). O aplicativo desenvolvido neste trabalho disponibiliza seis serviços, que são: inclusão de novos membros no grupo, onde as visões de todos os membros são atualizadas já com a identificação do novo membro; envio de mensagens em multicast aos membros participantes do grupo; envio de mensagens em unicast para um membro específico do grupo; permite a saída voluntária de membros do grupo, fazendo a atualização da visão a todos os membros do grupo; monitoramento de defeitos; e visualização dos membros participantes do grupo. Um destaque deve ser dado ao tratamento da suspeita de defeito do coordenador do grupo: se o mesmo sofrer um colapso, o membro mais antigo ativo é designado como o novo coordenador, e todos os membros do grupo são atualizados sobre a situação atual quanto à coordenação do grupo.

A execução de testes é um passo essencial na adoção de novos protocolos de comunicação e sistemas distribuídos. A forma com que estes se comportam na presença de falhas, tão comuns em ambientes geograficamente distribuídos, deve ser conhecida e considerada. Testes sob condições de falha devem ser realizados e as implementações devem trabalhar dentro de sua especificação nestas condições, garantindo explicitamente o funcionamento dos seus mecanismos de detecção e recuperação de erros. Para a realização de tais testes, uma técnica poderosa é a injeção de falhas. Ferramentas de injeção de falhas permitem ao projetista ou engenheiro de testes medir a eficiência dos mecanismos de um sistema antes que o mesmo seja colocado em operação efetiva. Este trabalho apresenta o projeto, desenvolvimento e teste do injetor de falhas FIRMAMENT. Esta ferramenta executa, dentro do núcleo do sistema operacional, microprogramas, ou faultlets, sobre cada mensagem processada para a emulação de situações de falha de comunicação, utilizando uma abordagem de scripts. A ferramenta é implementada como um módulo de núcleo do sistema operacional Linux, tendo acesso total aos fluxos de entrada e saída de pacotes de forma limpa e não intrusiva, permitindo o teste de sistemas baseados nos protocolos IPv4 e IPv6. Seu desempenho é significativo, já que a ferramenta evita que os mecanismos de injeção de falhas sejam invocados nos fluxos que não sejam de interesse aos testes, bem como dispensa a cópia de dados dos pacotes de comunicação a serem inspecionados e manipulados. A aplicabilidade da ferramenta, dada pela sua facilidade de integração a um ambiente de produção, é conseqüência de sua disponibilidade como um módulo de núcleo, podendo ser carregada como um plugin em um núcleo não modificado. As instruções por FIRMAMENT suportadas lhe dão alto poder de expressão dos cenários de falhas. Estas instruções permitem a inspeção e seleção de mensagens de forma determinística ou estatística. Além disso, fornecem diversas ações a serem realizadas sobre os pacotes de comunicação e sobre as variáveis internas do injetor, fazendo-o imitar o comportamento de falhas reais, como descarte e duplicação de mensagens, atraso na sua entrega e modificação de seu conteúdo. Estas características tornam a ferramenta apropriada para a realização de experimentos sobre protocolos e sistemas distribuídos.

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