Esta dissertação aborda um ramo da computação que se encontra em crescente desenvolvimento: a computação em tempo real. Os sistemas de computação tempo real surgiram a partir da necessidade de substituição do controle humano, que muitas vezes é falho, em situações complexas ou críticas, onde máxima confiabilidade e disponibilidade são exigidas para garantir a segurança do sistema. A área de aplicação diferencia-se de outras convencionais por possuir diferentes tipos de restrições de tempo e operar em ambientes não-determinísticos. Entretanto, atualmente tais sistemas estão tornando-se grandes, complexos, distribuídos, adaptativos e cada vez mais presentes nas aplicações do dia-a-dia,o que tende a exigir soluções mais simples e generalizadas. Pelo fato de tais sistemas normalmente atuarem sobre aplicações críticas, importante salientar que, em algumas situações, pequenos erros no sistema podem levar a grandes catástrofes. Mesmo atrasos mínimos no tempo de resposta são problemáticos, podendo ocasionar degradações ou ações erradas no mundo físico controlado pelo sistema tempo real. Como nestes casos máxima confiabilidade e disponibilidade são exigidas para garantir a sua segurança, tornou-se importante a construção de sistemas tempo real tolerantes a falhas. Dessa forma, é visivelmente crescente a necessidade de utilização de mecanismos capazes de abordar os requisitos de tempo real e tolerância a falhas de forma integrada durante o desenvolvimento do sistema. Assim, o processo de desenvolvimento de sistemas tempo real confiáveis torna-se mais simples e mais eficiente. A necessidade de maior conhecimento do uso de tolerância a falhas para obter segurança no funcionamento de aplicações tempo real levou ao desenvolvimento deste trabalho, onde buscou-se um caminho de solução para a adequação das técnicas de tolerância a falhas a estas aplicações. Sabe-se que para produzir software confiável e, desta forma de maior qualidade, além do emprego de boas técnicas de engenharia de software, é necessário compreender os principais conceitos e técnicas de tolerância a falhas. Por outro lado, é importante ter-se conhecimento dos mecanismos oferecidos pelas diversas camadas de software de um sistema - protocolo de comunicação, sistema operacional e linguagem de programação - para apoiar estas atividades de tolerância a falhas. Este trabalho busca analisar os mecanismos e técnicas usados na implementação de software tolerante a falhas frente às situações mencionadas, uma vez que nem todas as técnicas conhecidas podem ser indistintamente aplicáveis a estas situações. Os resultados desta análise são organizados na forma de uma taxonomia, visando assim auxiliar projetistas de desenvolvimento de software a tomarem decisões importantes na construção de sistemas tempo real tolerantes a falhas. Os mecanismos são agrupados de acordo com o nível de implementação: sistemas operacionais, linguagens de programação e protocolos de comunicação, destacando suas características e aplicabilidade. Por fim uso da classificação é demonstrado com a análise de três casos-exemplo. / This dissertation is about a, computer science field which is in growing development, that is, real-time computation. Real-time computing systems have emerged from the necessity of substituting. human control which is sometimes failed in complex or critical situations. In these ones maximum availability and reliability are requested in order to guarantee the system dependability. The application area differs from the conventional ones because it has particular time constraints and operates in nondeterministic environments. Nevertheless, nowadays such systems are becoming large, complex, distributed and adaptive but tend to demand simpler and generalized solutions as they are more present in daily applications. Since such systems normally act on critical applications it is important to reinforce, that in some situations, subtle systems errors may generate big catastrophes. Even slight delays in response time are troublesome and they may cause degradation or wrong acts in physical world controlled by real-time systems. In these cases maximum reliability and availability are requested in order to guarantee system dependability. Thereby, the requirement of including mechanisms capable of achieving real-time and fault tolerance in an integrated way during the system design has been increased. Thus, the developing process of reliable real-time systems becomes simpler and more effective. The necessity of improving designers knowledge on using fault tolerance in order to obtain dependability on real-time applications has motivated this study. Our main goal has been to find an adequate way of using fault tolerance techniques to these applications. It is known that the development of reliable software not only requires appropriate software engineering techniques but also demands understanding of main politics and mechanisms used to implement fault tolerance techniques in these situations. Otherwise, it is very important to know the related support that is offered by the different software levels of a system - communication protocol, operating system and programming language. This study has as purpose analyzing the mechanisms and techniques used in implementation of fault-tolerant software applied to the previously mentioned situations. The basic supposition is that not all the known techniques may be applied indistinctly to these situations. The properties of the software are organized according to a taxonomy, where the mechanisms are bracketed in groups according to implementation level: operating systems, programming languages and communication protocols. In this presentation, the characteristics and applicability of the software tools are stood out in order to help developing-software designers to decide what is important to build faulttolerant software. Finally, the use of the classification is demonstrated by analyzing three case-examples.

Esta dissertação aborda um ramo da computação que se encontra em crescente desenvolvimento: a computação em tempo real. Os sistemas de computação tempo real surgiram a partir da necessidade de substituição do controle humano, que muitas vezes é falho, em situações complexas ou críticas, onde máxima confiabilidade e disponibilidade são exigidas para garantir a segurança do sistema. A área de aplicação diferencia-se de outras convencionais por possuir diferentes tipos de restrições de tempo e operar em ambientes não-determinísticos. Entretanto, atualmente tais sistemas estão tornando-se grandes, complexos, distribuídos, adaptativos e cada vez mais presentes nas aplicações do dia-a-dia,o que tende a exigir soluções mais simples e generalizadas. Pelo fato de tais sistemas normalmente atuarem sobre aplicações críticas, importante salientar que, em algumas situações, pequenos erros no sistema podem levar a grandes catástrofes. Mesmo atrasos mínimos no tempo de resposta são problemáticos, podendo ocasionar degradações ou ações erradas no mundo físico controlado pelo sistema tempo real. Como nestes casos máxima confiabilidade e disponibilidade são exigidas para garantir a sua segurança, tornou-se importante a construção de sistemas tempo real tolerantes a falhas. Dessa forma, é visivelmente crescente a necessidade de utilização de mecanismos capazes de abordar os requisitos de tempo real e tolerância a falhas de forma integrada durante o desenvolvimento do sistema. Assim, o processo de desenvolvimento de sistemas tempo real confiáveis torna-se mais simples e mais eficiente. A necessidade de maior conhecimento do uso de tolerância a falhas para obter segurança no funcionamento de aplicações tempo real levou ao desenvolvimento deste trabalho, onde buscou-se um caminho de solução para a adequação das técnicas de tolerância a falhas a estas aplicações. Sabe-se que para produzir software confiável e, desta forma de maior qualidade, além do emprego de boas técnicas de engenharia de software, é necessário compreender os principais conceitos e técnicas de tolerância a falhas. Por outro lado, é importante ter-se conhecimento dos mecanismos oferecidos pelas diversas camadas de software de um sistema - protocolo de comunicação, sistema operacional e linguagem de programação - para apoiar estas atividades de tolerância a falhas. Este trabalho busca analisar os mecanismos e técnicas usados na implementação de software tolerante a falhas frente às situações mencionadas, uma vez que nem todas as técnicas conhecidas podem ser indistintamente aplicáveis a estas situações. Os resultados desta análise são organizados na forma de uma taxonomia, visando assim auxiliar projetistas de desenvolvimento de software a tomarem decisões importantes na construção de sistemas tempo real tolerantes a falhas. Os mecanismos são agrupados de acordo com o nível de implementação: sistemas operacionais, linguagens de programação e protocolos de comunicação, destacando suas características e aplicabilidade. Por fim uso da classificação é demonstrado com a análise de três casos-exemplo. / This dissertation is about a, computer science field which is in growing development, that is, real-time computation. Real-time computing systems have emerged from the necessity of substituting. human control which is sometimes failed in complex or critical situations. In these ones maximum availability and reliability are requested in order to guarantee the system dependability. The application area differs from the conventional ones because it has particular time constraints and operates in nondeterministic environments. Nevertheless, nowadays such systems are becoming large, complex, distributed and adaptive but tend to demand simpler and generalized solutions as they are more present in daily applications. Since such systems normally act on critical applications it is important to reinforce, that in some situations, subtle systems errors may generate big catastrophes. Even slight delays in response time are troublesome and they may cause degradation or wrong acts in physical world controlled by real-time systems. In these cases maximum reliability and availability are requested in order to guarantee system dependability. Thereby, the requirement of including mechanisms capable of achieving real-time and fault tolerance in an integrated way during the system design has been increased. Thus, the developing process of reliable real-time systems becomes simpler and more effective. The necessity of improving designers knowledge on using fault tolerance in order to obtain dependability on real-time applications has motivated this study. Our main goal has been to find an adequate way of using fault tolerance techniques to these applications. It is known that the development of reliable software not only requires appropriate software engineering techniques but also demands understanding of main politics and mechanisms used to implement fault tolerance techniques in these situations. Otherwise, it is very important to know the related support that is offered by the different software levels of a system - communication protocol, operating system and programming language. This study has as purpose analyzing the mechanisms and techniques used in implementation of fault-tolerant software applied to the previously mentioned situations. The basic supposition is that not all the known techniques may be applied indistinctly to these situations. The properties of the software are organized according to a taxonomy, where the mechanisms are bracketed in groups according to implementation level: operating systems, programming languages and communication protocols. In this presentation, the characteristics and applicability of the software tools are stood out in order to help developing-software designers to decide what is important to build faulttolerant software. Finally, the use of the classification is demonstrated by analyzing three case-examples.

Esta dissertação aborda um ramo da computação que se encontra em crescente desenvolvimento: a computação em tempo real. Os sistemas de computação tempo real surgiram a partir da necessidade de substituição do controle humano, que muitas vezes é falho, em situações complexas ou críticas, onde máxima confiabilidade e disponibilidade são exigidas para garantir a segurança do sistema. A área de aplicação diferencia-se de outras convencionais por possuir diferentes tipos de restrições de tempo e operar em ambientes não-determinísticos. Entretanto, atualmente tais sistemas estão tornando-se grandes, complexos, distribuídos, adaptativos e cada vez mais presentes nas aplicações do dia-a-dia,o que tende a exigir soluções mais simples e generalizadas. Pelo fato de tais sistemas normalmente atuarem sobre aplicações críticas, importante salientar que, em algumas situações, pequenos erros no sistema podem levar a grandes catástrofes. Mesmo atrasos mínimos no tempo de resposta são problemáticos, podendo ocasionar degradações ou ações erradas no mundo físico controlado pelo sistema tempo real. Como nestes casos máxima confiabilidade e disponibilidade são exigidas para garantir a sua segurança, tornou-se importante a construção de sistemas tempo real tolerantes a falhas. Dessa forma, é visivelmente crescente a necessidade de utilização de mecanismos capazes de abordar os requisitos de tempo real e tolerância a falhas de forma integrada durante o desenvolvimento do sistema. Assim, o processo de desenvolvimento de sistemas tempo real confiáveis torna-se mais simples e mais eficiente. A necessidade de maior conhecimento do uso de tolerância a falhas para obter segurança no funcionamento de aplicações tempo real levou ao desenvolvimento deste trabalho, onde buscou-se um caminho de solução para a adequação das técnicas de tolerância a falhas a estas aplicações. Sabe-se que para produzir software confiável e, desta forma de maior qualidade, além do emprego de boas técnicas de engenharia de software, é necessário compreender os principais conceitos e técnicas de tolerância a falhas. Por outro lado, é importante ter-se conhecimento dos mecanismos oferecidos pelas diversas camadas de software de um sistema - protocolo de comunicação, sistema operacional e linguagem de programação - para apoiar estas atividades de tolerância a falhas. Este trabalho busca analisar os mecanismos e técnicas usados na implementação de software tolerante a falhas frente às situações mencionadas, uma vez que nem todas as técnicas conhecidas podem ser indistintamente aplicáveis a estas situações. Os resultados desta análise são organizados na forma de uma taxonomia, visando assim auxiliar projetistas de desenvolvimento de software a tomarem decisões importantes na construção de sistemas tempo real tolerantes a falhas. Os mecanismos são agrupados de acordo com o nível de implementação: sistemas operacionais, linguagens de programação e protocolos de comunicação, destacando suas características e aplicabilidade. Por fim uso da classificação é demonstrado com a análise de três casos-exemplo. / This dissertation is about a, computer science field which is in growing development, that is, real-time computation. Real-time computing systems have emerged from the necessity of substituting. human control which is sometimes failed in complex or critical situations. In these ones maximum availability and reliability are requested in order to guarantee the system dependability. The application area differs from the conventional ones because it has particular time constraints and operates in nondeterministic environments. Nevertheless, nowadays such systems are becoming large, complex, distributed and adaptive but tend to demand simpler and generalized solutions as they are more present in daily applications. Since such systems normally act on critical applications it is important to reinforce, that in some situations, subtle systems errors may generate big catastrophes. Even slight delays in response time are troublesome and they may cause degradation or wrong acts in physical world controlled by real-time systems. In these cases maximum reliability and availability are requested in order to guarantee system dependability. Thereby, the requirement of including mechanisms capable of achieving real-time and fault tolerance in an integrated way during the system design has been increased. Thus, the developing process of reliable real-time systems becomes simpler and more effective. The necessity of improving designers knowledge on using fault tolerance in order to obtain dependability on real-time applications has motivated this study. Our main goal has been to find an adequate way of using fault tolerance techniques to these applications. It is known that the development of reliable software not only requires appropriate software engineering techniques but also demands understanding of main politics and mechanisms used to implement fault tolerance techniques in these situations. Otherwise, it is very important to know the related support that is offered by the different software levels of a system - communication protocol, operating system and programming language. This study has as purpose analyzing the mechanisms and techniques used in implementation of fault-tolerant software applied to the previously mentioned situations. The basic supposition is that not all the known techniques may be applied indistinctly to these situations. The properties of the software are organized according to a taxonomy, where the mechanisms are bracketed in groups according to implementation level: operating systems, programming languages and communication protocols. In this presentation, the characteristics and applicability of the software tools are stood out in order to help developing-software designers to decide what is important to build faulttolerant software. Finally, the use of the classification is demonstrated by analyzing three case-examples.

Com a heterogeneidade de tecnologias de comunicação sem fio presentes na borda de redes de acesso, serviços providos na Internet podem ser acessados de forma quasi ubíqua através de dispositivos móveis ou portáteis. O acesso a esses serviços, contudo, está associado a atrasos e rupturas frequentes na comunicação devido a razões inerentes à mobilidade do dispositivo, como: i) perda de sinal em locais onde há pouca ou nenhuma cobertura de acesso móvel; ii) erros no quadro de dados durante a transmissão e, consequentemente, perdas de pacotes, que podem ser ocasionados por interferência no sinal ou enfraquecimento deste pelo distanciamento do dispositivo em relação à Estação Base; iii) mudanças de endereços IP durante transmissões em andamento causadas pela migração do dispositivo entre diferentes redes. Como consequência, aplicações falham com a ruptura de comunicações orientadas a conexão. Tratar a mobilidade de forma transparente à aplicação é um dos desafios da Computação Móvel e Ubíqua que vem sendo pesquisado ao longo da última década. Soluções foram propostas para operarem desde a Camada de Enlace à Aplicação. Muitas delas, entretanto, exigem modificações na pilha de protocolos TCP/IP e adição de infraestrutura específica de rede no suporte à comunicação fim-a-fim. Além de elevar o custo das etapas de implantação e manutenção, estratégias intrusivas e dependentes de infraestrutura adicional podem não apresentar desempenho satisfatório. Nesse contexto, propomos tratar a mobilidade no nível da própria aplicação através de Sessões de Comunicação que não falham com atrasos e desconexões. Operando somente nos nós-fim e de modo transparente às Camadas adjacentes de Aplicação e Transporte, as sessões não requerem infraestrutura adicional para intermediar ou controlar a comunicação entre pares, tampouco modificações em protocolos legados da pilha TCP/IP. O conceito de Sessões Tolerantes a Rupturas é implementado através de uma API de propósito geral em sistemas Linux que estende a interface de Sockets. A API é, na prática, uma camada transparente sobre o Socket que provê Ciência de Mobilidade à aplicação através de mecanismos para: acompanhar a localização de nós ao longo da duração de uma sessão; detectar rupturas nas transmissões causadas pela mobilidade do nó ou de seu par remoto; suspender e retomar sessões de forma eficiente, segura e confiável. Experimentos conduzidos em ambientes emulados e reais com equipamentos de uso comercial mostram a eficiência das sessões. Além de introduzir baixa degradação na vazão fim-a-fim, rupturas na transmissão podem ser detectadas em microssegundos e sessões suspensas são reabertas em milissegundos. Com um desempenho superior a solução de mobilidade geral da Camada IP, as sessões não necessitam de adaptações de software em equipamentos de rede / Nowadays services available on the Internet can be accessed from mobile devices while they roam across heterogeneous wireless networks. Due to the inherent reasons of device mobility, however, the access to such services is frequently involved with delay and disruptions. The most common reasons are: i) losing radio signal at places where mobile access coverage area is not available; ii) frame error, losses, and fading on the radio signal when the mobile device moves away from the Base Station; iii) changes on the devices IP address over ongoing transmission, while the mobile node migrates among different wireless networks. As result, networked application fails with disruptions on TCP connections established in the mobile users path. Handling seamlessly mobility on the Internet is a technical challenge of the Mobile Computing Paradigm. It has been widely researched over the last decade. Several solutions have been proposed to work from the Link Layer to the Application Layer. Most of them, however, work intrusively and require modifications in the classical TCP/IP protocol stack, as well as rely on additional network infrastructure to support mobile end-to-end communication. Besides increasing the cost of deployment and maintenance, intrusive and infrastructure dependent strategies may not present suitable performance. In this sense, we devised an architecture to handle mobility at the Application level by means of communication sessions that do not fail with delay, disruption or disconnection. Such sessions work only at the end-systems in a such way that: are fully transparent to the adjacent layers of Transport and Application; do not require additional network infrastructure to forward and manage the communication between two mobile peers; and do not impose any modification on the legacy protocols from the TCP/IP stack. The concept of Disruption-Tolerant Sessions is implemented in Linux by means of a general purpose API extended from the Socket interface. Such API is a transparent layer placed on top of the Socket to provide mobility awareness to the Application Layer. To do so, session services are provided for: tracking mobile peers along the session duration; detecting disruptions over TCP connection caused by mobility of the local or remote peer; suspending and resuming sessions with efficiency, security and reliability. Experiments conducted in emulated and real systems (off-the-shelf hardware and open source software) showed the desired efficiency. Besides introducing little overhead on the goodput, disruptions are detected in a range of microseconds and suspended sessions are resumed in milliseconds. With performance greater than the general IP layer mobility solution, the proposed sessions do not require software adaptation in the core of the network infrastructure

[EN] Incorporating error detection mechanisms is a key element in the design of fault tolerant systems. For many of those systems the detection of an error (whether temporary or permanent) triggers a bunch of actions or activation of elements pursuing any of these objectives: continuation of the system operation despite the error, system recovery, system stop into a safe state, etc. Objectives ultimately intended to improve the characteristics of reliability, security, and availability, among others, of the system in question. One of these error detection elements is a watchdog processor; it is responsible to monitor the system processor and check that no errors occur during the program execution. The main drawback of the existing proposals in this regard and that prevents a more widespread use of them is the loss of performance and the increased memory consumption suffered by the monitored system. In this PhD a new technique to embed signatures is proposed. The technique is called ISIS - Interleaved Signature Instruction Stream - and it embeds the watchdog signatures interspersed with the original program instructions in the memory. With this technique it is a separate element of the system processor (a watchdog processor as such) who carries out the operations to detect errors. Although signatures are mixed with program instructions, and unlike previous proposals, the main system processor is not involved neither in the recovery of these signatures from memory nor in the corresponding calculations, reducing the performance loss. A novel technique is also proposed that enables the watchdog processor verification of the structural integrity of the monitored program checking the jump addresses used. This jump address processing technique comes to largely solve the problem of verifying a jump to a new program area when there are multiple possible valid destinations of the jump. This problem did not have an adequate solution so far, and although the proposal made here can not solve every possible jump scenario it enables the inclusion of a large number of them into the set verifiable jumps. The theoretical ISIS proposal and its error detection mechanisms are complemented by the contribution of a complete system (processor, watchdog processor, cache memory, etc.) based on ISIS which incorporates the detection mechanisms proposed here. This system has been called HORUS, and is developed in the synthesizable subset of the VHDL language, so it is possible not only to simulate the behavior of the system at the occurrence of a fault and analyze its evolution from it but it is also possible to program a programmable logic device like an FPGA for its inclusion in a real system. To program the HORUS system in this PhD a modified version of the gcc compiler has been developed which includes the generation of signatures for the watchdog processor as an integral part of the process to create the executable program (compilation, assembly, and link) from a source code written in the C language. Finally, another work developed in this PhD is the development of FIASCO (Fault Injection Aid Software Components), a set of scripts using the Tcl/Tk language that allow the injection of a fault during the simulation of HORUS in order to study its behavior and its ability to detect subsequent errors. With FIASCO it is possible to perform hundreds or thousands of simulations in a distributed system environment to reduce the time required to collect the data from large-scale injection campaigns. Results show that a system using the techniques proposed here is able to detect errors during the execution of a program with a minimum loss of performance, and that the penalty in memory consumption when using a watchdog processor is similar to previous proposals. / [ES] La incorporación de mecanismos de detección de errores es un elemento fundamental en el diseño de sistemas tolerantes a fallos en los que, en muchos casos, la detección de un error (ya sea transitorio o permanente) es el punto de partida que desencadena toda una serie de acciones o activación de elementos que persiguen alguno de estos objetivos: la continuación de las operaciones del sistema a pesar del error, la recuperación del mismo, la parada de sus operaciones llevando al sistema a un estado seguro, etc. Objetivos, en definitiva, que pretenden la mejora de las características de fiabilidad, seguridad y disponibilidad, entre otros, del sistema en cuestión. Uno de estos elementos de detección de errores es un procesador de guardia; su trabajo consiste en monitorizar al procesador del sistema y comprobar que no se producen errores durante la ejecución del programa. El principal inconveniente de las propuestas existentes a este respecto y que impiden una mayor difusión de su uso es la pérdida de prestaciones y el aumento de consumo de memoria que sufre el sistema monitorizado. En este trabajo se propone una nueva técnica de empotrado de firmas (ISIS -Interleaved Signature Instruction Stream) intercaladas dentro del espacio de la memoria del programa. Con ella un elemento separado del procesador del sistema realiza las operaciones encaminadas a detectar los errores. A pesar de que las firmas se encuentran mezcladas con las instrucciones del programa que está ejecutando, y a diferencia de las propuestas previas, el procesador principal del sistema no se involucra ni en la recuperación de las firmas ni en las operaciones de cálculo correspondientes, lo que reduce la pérdida de prestaciones. También se propone una novedosa técnica para que el procesador de guardia pueda verificar la integridad estructural del programa que monitoriza comprobando las direcciones de salto empleadas. Esta técnica de procesado de las direcciones de salto viene a resolver en gran medida el problema de la comprobación de un salto a una nueva zona del programa cuando existen múltiples posibles destinos válidos. Este problema no tenía una solución adecuada hasta el momento, y aunque la propuesta que aquí se hace no consigue resolver todos los posibles escenarios de salto sí permite incorporar un buen números de ellos al conjunto de saltos verificables. ISIS y sus mecanismos de detección de errores se complementan con la aportación de un sistema completo (procesador, procesador de guardia, memoria caché, etc.) basado en ISIS denominado HORUS. Está desarrollado en lenguaje VHDL sintetizable, de manera que es posible tanto simular el comportamiento del sistema ante la aparición de un fallo y analizar su evolución a partir de éste como programar un dispositivo lógico programable tipo FPGA para su inclusión en un sistema real. Para programar el sistema HORUS se ha desarrollado una versión modificada del compilador gcc que incluye la generación de las firmas de referencia para el procesador de guardia como parte del proceso de creación del programa ejecutable a partir de código fuente escrito en lenguaje C. Finalmente, otro trabajo desarrollado en esta tesis es el desarrollo de FIASCO (Fault Injection Aid Software COmponents), un conjunto de scripts en lenguaje Tcl/Tk que permiten la inyección de un fallo durante la simulación de HORUS con el objetivo de estudiar su comportamiento y su capacidad para detectar los errores subsiguientes. Con FIASCO es posible lanzar cientos o miles de simulaciones en un entorno distribuido para reducir el tiempo necesario para obtener los datos de campañas de inyección a gran escala. Los resultados demuestran que un sistema que utilice las técnicas que aquí se proponen es capaz de detectar errores durante la ejecución del programa con una mínima pérdida de prestaciones, y que la penalización en el consumo de memoria al usar un procesador de guardia es similar a la de las propu / [CAT] La incorporació de mecanismes de detecció d'errors és un element fonamental en el disseny de sistemes tolerants a fallades. En aquests sistemes la detecció d'un error, tant transitori com permanent, sovint significa l'inici d'una sèrie d'accions o activació d'elements per assolir algun del objectius següents: mantenir les operacions del sistema malgrat l'error, la recuperació del sistema, aturar les operacions situant el sistema en un estat segur, etc. Aquests objectius pretenen, fonamentalment, millorar les característiques de fiabilitat, seguretat i disponibilitat del sistema. El processador de guarda és un dels elements emprats per a la detecció d'errors. El seu treball consisteix en monitoritzar el processador del sistema i comprovar que no es produeixen error durant l'execució de les instruccions. Els principals inconvenients de l'ús del processadors de guarda és la pèrdua de prestacions i l'increment de les necessitats de memòria del sistema que monitoritza, per la qual cossa la seva utilització no està molt generalitzada. En aquest treball es proposa una nova tècnica de encastat de signatures (ISIS - Interleaved Signature Instruction Stream) intercalant-les en l'espai de memòria del programa. D'aquesta manera és possible que un element extern al processador realitze les operacions dirigides a detectar els errors, i al mateix temps permet que el processador execute el programa original sense tenir que processar les signatures, encara que aquestes es troben barrejades amb les instruccions del programa que s'està executant. També es proposa en aquest treball una nova tècnica que permet al processador de guarda verificar la integritat estructural del programa en execució. Aquesta verificació permet resoldre el problema de com comprovar que, al executar el processador un salt a una nova zona del programa, el salt es realitza a una de les possibles destinacions que són vàlides. Fins el moment no hi havia una solució adequada per a aquest problema i encara que la tècnica presentada no resol tots el cassos possibles, sí afegeix un bon nombre de salts al conjunt de salts verificables. Les tècniques presentades es reforcen amb l'aportació d'un sistema complet (processador, processador de guarda, memòria cache, etc.) basat en ISIS i que incorpora els mecanismes de detecció que es proposen en aquest treball. A aquest sistema se li ha donat el nom de HORUS, i està desenvolupat en llenguatge VHDL sintetitzable, la qual cosa permet no tan sols simular el seu comportament davant la aparició d'un error i analitzar la seva evolució, sinó també programar-lo en un dispositiu FPGA per incloure'l en un sistema real. Per poder programar el sistema HORUS s'ha desenvolupat una versió modificada del compilador gcc. Aquesta versió del compilador inclou la generació de les signatures de referència per al processador de guarda com part del procés de creació del programa executable (compilació, assemblat i enllaçat) des del codi font en llenguatge C. Finalment en aquesta tesis s'ha desenvolupat un altre treball anomenat FIASCO (Fault Injection Aid Software COmponents), un conjunt d'scripts en llenguatge Tcl/Tk que permeten injectar fallades durant la simulació del funcionament d'HORUS per estudiar la seua capacitat de detectar els errors i el seu comportament posterior. Amb FIASCO és possible llançar centenars o milers de simulacions en entorns distribuïts per reduir el temps necessari per obtenir les dades d'una campanya d'injecció de fallades de grans proporcions. Els resultats obtinguts demostren que un sistema que utilitza les tècniques descrites és capaç de detectar errors durant l'execució del programa amb una pèrdua mínima de prestacions, i amb un requeriments de memòria similars als de les propostes anteriors. / Rodríguez Ballester, F. (2016). Detección concurrente de errores en el flujo de ejecución de un procesador [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/63254 / TESIS

Made available in DSpace on 2016-06-02T19:06:08Z (GMT). No. of bitstreams: 1 5463.pdf: 18006027 bytes, checksum: 047b84b38eb03b475dacbf51b7bf50b1 (MD5) Previous issue date: 2013-07-31 / Financiadora de Estudos e Projetos / Vehicular ad-hoc networks (VANETs) are networks capable of establishing communications between vehicles and road-side units. VANETs could be employed in data transmission applications. However, due to vehicle mobility, VANETs present intermittent connectivity, making message transmission a challenging task. Due to the lack of an end-to-end connectivity, messages are forwarded from vehicle to vehicle and stored when it is not possible to retransmit. Additionally, in order to improve delivery probability, messages are replicated and disseminated over the network. However, message replication may cause high network overhead and resource usage. As result, considerable research e_ort has been devoted to develop algorithms for speci_c scenarios: low, moderate and high connectivity. Nevertheless, algorithms projected for scenarios with a speci_c connectivity lack the ability to adapt to situations with zones presenting diferent node density. This lack of adaptation may negatively a_ect the performance in application such as data transmission in cities. This masters project proposes develops a method to automatically adapt message replication routing algorithms to diferent node density scenarios. The proposed method is composed of three phases. The first phase collects data from message retransmission events using a standard routing algorithms. The second phase consists in training a decision tree classifier based on the collected data. Finally, in the third phase the trained classifier is used to determine whether a message should be retransmitted or not based on the local node density. Therefore, the proposed method allows routing algorithms to query the trained classifier to decide if a message should be retransmitted. The proposed method was evaluated with real movement traces in order to improve Spray and Wait and Epidemic routing algorithms. Results indicate that the proposed method may contribute to performance enhancement. / As VANETs são redes de veículos com capacidade de estabelecer comunicações sem fio entre veículos e com equipamentos nas estradas. Estas redes poderiam ser usadas para a transferência de dados de diversas aplicações. No entanto, devido á mobilidade dos veículos, as VANETs apresentam conectividade intermitente entre os nós, dificultando a transmissão de mensagens. Ante a impossibilidade de ter conectividade de fim a fim, as mensagens são encaminhadas progressivamente de veículo em veículo, e armazenadas quando não houver a possibilidade de retransmitir. Adicionalmente, para incrementar a probabilidade de entrega, as mensagens são replicadas e disseminadas pela rede. Não obstante, a replicação de mensagens pode gerar alta sobrecarga de rede e alto consumo de recursos. Por causa disto, projetaram-se algoritmos para cenários específicos de: baixa, moderada e alta conectividade. Estes algoritmos, quando aplicados em ambientes de zonas de diferente densidade de nós,como cidades, podem diminuir o seu desempenho pela falta da capacidade de se adaptar a diferentes condições de conectividade. Contudo, neste trabalho foi desenvolvido um método para adaptar o comportamento dos algoritmos de roteamento por replicação de mensagens a diferentes situações de conectividade segundo a densidade das zonas onde se movimentam os nós retransmissores. O método consiste em três fases. Na primeira, são coletados os dados dos eventos de repasse de mensagens utilizando o algoritmo de roteamento padrão. Na segunda fase, utilizam-se os dados coletados para treinar um classificador baseado em _arvores de decisão. Na _ultima fase, o classificador é então empregado para determinar se uma situação de repasse de mensagem _e favorável segundo a densidade de nós. Desta forma, os algoritmos de roteamento podem decidir se repassar ou não uma mensagem com o suporte do classificador. Esta abordagem foi avaliada com traces de movimentos reais, para aprimorar o desempenho dos algoritmos de roteamento Spray and Wait e Epidemic. Os resultados dos experimentos realizados revelam que esta abordagem pode contribuir para o aprimoramento do desempenho.

[ES] La disponibilidad y el rendimiento de las actuales tecnologías inalámbricas como WiFi o 4G, pueden tener serios problemas de congestión y propagación, especialmente en espacios muy concurridos, o bien ser inaccesibles en sitios remotos o con baja densidad de personas. La utilización de las Redes Oportunistas en este tipo de escenarios puede ser la solución a estos problemas. Estas redes se basan en la oportunidad de intercambiar mensajes utilizando algún tipo de tecnología de comunicación directa entre dispositivos móviles como son Bluetooth o WiFi. El rendimiento de las Redes Oportunistas depende principalmente de la movilidad de los nodos y los protocolos de enrutamiento utilizados, siendo estos últimos los encargados de decidir como son intercambiados los mensajes cuando un contacto ocurre, intentando encontrar la mejor ruta para que un mensaje alcance su destino. Por otra parte, la eficiencia de la difusión en estas redes está ligada especialmente a la movilidad de los usuarios y al comportamiento humano. Entonces, para el análisis y la evaluación del rendimiento de las Redes Oportunistas es necesario considerar tanto los aspectos técnicos relacionados con los protocolos de encaminamiento, como los aspectos de la movilidad humana. Esta tesis doctoral se centra principalmente en evaluar la diseminación de la información usando redes oportunistas en escenarios urbanos, en los que existen diferentes densidades y tasas de renovación de personas, es decir, con usuarios que puedan entrar y salir del escenario evaluado. Dado que la existencia de este tipo de trazas reales es muy limitada, en esta tesis se plantea la generación de este tipo de trazas de forma sintética. Para ello, mediante el uso de un simulador de movilidad peatonal, se han generado trazas realistas de movilidad con diferentes grados de densidad y tasas de renovación de usuarios con el objeto de evaluar diferentes aspectos de la difusión de mensajes en las Redes Oportunistas. El análisis de las características temporales y espaciales de estas trazas generadas refleja el realismo de los escenarios que se han considerado. Además, los experimentos relativos a la difusión de mensajes realizados con estas trazas, confirman que la tasa de renovación tiene un gran impacto en el rendimiento de los protocolos, lo que es particularmente evidente cuando el tamaño de los mensajes es mayor. Por otra parte, también se ha realizado el estudio, utilizando en este caso trazas reales, de la difusión de información a través de las Redes Oportunistas Vehiculares. Ya que de la misma manera la movilidad de estos vehículos está ligada al comportamiento humano, nos hemos centrado en la diseminación de la información en determinadas horas del día dependiendo del número de vehículos en circulación, debido a que este aspecto tiene un gran impacto en el reenvío de datos. Los resultados de estos experimentos confirman que los dos principales factores que afectan a la difusión de información son el grado de movilidad y el tamaño de mensaje. Aunque es bien sabido que al aumentar la densidad de nodos aumenta la velocidad de difusión, mostramos que, al mantener la densidad de nodos fija, las tasas de renovación más altas hacen que la relación de entrega disminuya. Además, descubrimos que la relación entre el tamaño del mensaje y la duración del contacto también es un factor clave, lo que demuestra que la transmisión de los mensajes grandes puede llevar a un rendimiento general muy bajo. Basándonos en todo lo expuesto anteriormente, se ha propuesto una mejora al protocolo Epidemic, a la que hemos denominado EpidemicX2, que se basa en la fragmentación de los datos a ser enviados con el fin de aprovechar la corta duración de los contactos para aumentar así la posibilidad de su entrega. Este protocolo es particularmente efectivo para la difusión de los mensajes grandes. Los resultados muestran que la tasa de entrega se increment / [CA] La disponibilitat i el rendiment de les actuals tecnologies sense fil com WiFi o 4G, poden tindre seriosos problemes de congestió i propagació, especialment en espais molt concorreguts, o bé ser inaccessibles en llocs remots o amb baixa densitat de persones. La utilització de les Xarxes Oportunistes en este tipus d'escenaris pot ser la solució a estos problemes. Estes xarxes es basen en l'oportunitat d'intercanviar missatges utilitzant algun tipus de tecnologia de comunicació directa entre dispositius mòbils com són Bluetooth o WiFi. El rendiment de les Xarxes Oportunistes depén principalment de la mobilitat dels nodes i els protocols d'enrutamiento utilitzats, sent estos últims els encarregats de decidir com són intercanviats els missatges quan un contacte ocorre, intentant trobar la millor ruta perquè un missatge abast el seu destí. D'altra banda, l'eficiència de la difusió en estes xarxes està lligada especialment a la mobilitat dels usuaris i al comportament humà. Llavors, per a l'anàlisi i l'avaluació del rendiment de les Xarxes Oportunistes és necessari considerar tant els aspectes tècnics relacionats amb els protocols d'acarrerament, com els aspectes de la mobilitat humana. Esta tesi doctoral se centra principalment a avaluar la disseminació de la informació usant xarxes oportunistes en escenaris urbans, en els que hi ha diferents densitats i taxes de renovació de persones, és a dir, amb usuaris que puguen entrar i eixir de l'escenari avaluat. Atés que l'existència d'este tipus de traces reals és molt limitada, en esta tesi es planteja la generació d'este tipus de traces de forma sintètica. Per a això, per mitjà de l'ús d'un simulador de mobilitat de vianants, s'han generat traces realistes de mobilitat amb diferents graus de densitat i taxes de renovació d'usuaris amb l'objecte d'avaluar diferents aspectes de la difusió de missatges en les Xarxes Oportunistes. L'anàlisi de les característiques temporals i espacials d'estes traces generades reflectix el realisme dels escenaris que s'han considerat. A més, els experiments relatius a la difusió de missatges realitzats amb estes traces, confirmen que la taxa de renovació té un gran impacte en el rendiment dels protocols, la qual cosa és particularment evident quan la grandària dels missatges és major. D'altra banda, també s'ha realitzat l'estudi, utilitzant en este cas traces reals, de la difusió d'informació a través de les Xarxes Oportunistes Vehiculares. Ja que de la mateixa manera la mobilitat d'estos vehicles està lligada al comportament humà, ens hem centrat en la disseminació de la informació en determinades hores del dia depenent del nombre de vehicles en circulació, pel fet que este aspecte té un gran impacte en el reexpedició de dades. Els resultats d'estos experiments confirmen que els dos principals factors que afecten la difusió d'informació són el grau de mobilitat i la grandària de missatge. Encara que és ben sabut que a l'augmentar la densitat de nodes augmenta la velocitat de difusió, mostrem que, al mantindre la densitat de nodes fixa, les taxes de renovació més altes fan que la relació d'entrega disminuïsca. A més, descobrim que la relació entre la grandària del missatge i la duració del contacte també és un factor clau, la qual cosa demostra que la transmissió dels missatges grans pot portar a un rendiment general molt davall. Basant-nos en tot el que exposa anteriorment, s'ha proposat una millora al protocol Epidemic, a la que hem denominat EpidemicX2, que es basa en la fragmentació de les dades a ser enviats a fi d'aprofitar la curta duració dels contactes per a augmentar així la possibilitat del seu entrega. Este protocol és particularment efectiu per a la difusió dels missatges grans. Els resultats mostren que la taxa d'entrega s'incrementa, el temps mitjana en l'entrega es reduïx, sense un substancial increment en termes de sobrecàrrega. / [EN] The availability and performance of current wireless technologies such as WiFi or 4G, can have severe problems of congestion and information diffusion, especially in crowded spaces, or, on the other side, be inaccessible in places with a low density of people. The use of Opportunistic Networks in these types of scenarios can be a solution to these problems. These networks are based on the opportunity to exchange messages using some type of direct communication technology between nearby mobile devices such as Bluetooth or WiFi. The performance of these networks depends mainly on the mobility of the nodes and the routing protocols used. The goal of these protocols is to decide how messages are exchanged when a pair of nodes are in contact, trying to find the best route for a message to reach its destination. The efficiency of the diffusion in these networks is related mainly to the mobility of users and human behaviour. Therefore, for the analysis and evaluation of the performance of the Opportunistic Networks, it is necessary to consider both the technical aspects related to the routing protocols, as well as the aspects of human mobility. This thesis mainly focuses on evaluating the dissemination of information using Opportunistic Networks in urban scenarios, in which there are different densities and renewal rates of people, that is, with users who can enter and leave the evaluated scenario. Given that the existence of this type of real traces is very limited, this thesis proposes the generation of realistic traces. For this, through the use of a pedestrian mobility simulator, realistic traces of mobility have been defined with different degrees of density and renewal rates of users to evaluate different aspects of the Opportunistic Network with this approach. The analysis of the temporal and spatial characteristics of these generated traces reflects the realism of the scenarios that have been considered. The experiments related to the diffusion of messages made with these traces, confirm that the renewal rate has a high impact on the performance of the protocols, which is particularly evident when the message size is longer. Furthermore, considering vehicular scenarios, a study has also been carried out using real traces, following the same methodology to evaluate the dissemination of information. Since in the same way the mobility of these vehicles is linked to human behaviour, we have focused on the dissemination of information at certain times of the day depending on the number of vehicles in circulation, since this aspect has a significant impact on data diffusion. The results of all these experiments show that the diffusion of contents is affected mainly by two factors: degree of mobility and message size. Although it is well known that increasing the density of nodes increases the speed of diffusion, we show that, by maintaining the density of fixed nodes, the higher renewal rates cause the delivery ratio to decrease. In addition, we discovered that the relationship between message size and contact duration is also a key factor, showing that large messages can lead to very reduced overall performance. Based on these results, an improvement to the Epidemic protocol has been proposed, called EpidemicX2, which is based on the fragmentation of the data to be sent in order to take advantage of the short duration of the contacts. This protocol is particularly effective for the dissemination of large messages. The results show that the delivery rate increases, the average time in the delivery is reduced, without a substantial increase in terms of overload. / Finalmente, quiero agradecer a la República del Ecuador junto con la “Secretaría de Educación Superior, Ciencia y Tecnología e Innovación” - SENESCYT, por su programa de apoyo y financiar mis estudios. / Chancay Garcia, LJ. (2019). Evaluación y Modelado de Redes Oportunistas [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/124339