FlexGroup: um ambiente flexível para comunicação em grupo

Mecanismos de comunicação entre processos são fundamentais no desenvolvimento de sistemas distribuídos, já que constituem o único meio de compartilhar dados entre processos que não dispõem de memória comum. Um dos principais mecanismos de comunicação utilizados é a troca de mensagens entre os processos componentes do sistema. Existem muitas aplicações que são compostas por um conjunto de processos que cooperam para realizar uma determinada tarefa e que são mais facilmente construídas se o sistema operacional oferecer a possibilidade de se enviar uma mensagem a diversos destinos. Neste caso são necessários mecanismos que permitam a difusão confiável de uma mensagem para um grupo de processos em uma única operação. Tendo em vista esta necessidade, diversos protocolos têm sido apresentados na literatura para permitir a comunicação entre um grupo de processos com diferentes graus de complexidade e de desempenho. Este trabalho apresenta um ambiente para desenvolvimento e utilização de protocolos de comunicação em grupo, denominado FlexGroup. O ambiente divide os protocolos em suas características fundamentais, permitindo que estas características possam ser desenvolvidas separadamente como subprotocolos. Os subprotocolo são interligados através de uma interface comum e gerenciados pelo núcleo do ambiente. A comunicação entre as diversas máquinas da rede é gerenciada pelo FlexGroup, permitindo que o desenvolvedor de um novo subprotocolo possa somente se focar nas características específicas do seu protocolo. Esta modularidade permite, ainda, que apenas as partes de interesse de um novo protocolo precisem ser implementadas, além de também viabilizar a criação de um protocolo baseado nos já existentes no ambiente. Além disso, o ambiente permite que as aplicações de comunicação em grupo possam definir, através de uma biblioteca, o conjunto de subprotocolos que desejam utilizar, em tempo de execução, sem necessidade de conhecer a implementação interna dos subprotocolos.. Da mesma forma, alguém que se proponha a realizar comparações com os protocolos existentes, pode utilizar os diversos subprotocolos e as aplicações existentes, bastando alterar os protocolos utilizados em tempo de execução e avaliando somente as características que deseje analisar.

ComFIRM - Injeção de falhas de comunicação através da alteração de recursos do sistema operacional

Este trabalho trata da técnica de validação experimental de protocolos de comunicação confiável, através da injeção de falhas de comunicação. São estudadas inicialmente as técnicas de injeção de falhas, por hardware, software e simulação, e então são aprofundados os conceitos de injeção de falhas de comunicação, modelos de falha e especificação de experimentos de injeção de falhas. Em um segundo momento, são estudadas as formas de implementação de injetores de falhas em software, em suas duas formas mais comuns: no nível da aplicação e no nível do sistema operacional. São comentados os impactos da implementação de injetores no código da aplicação, por processos concorrentes à aplicação, em código utilizado pela aplicação e no meta-nível. Por fim, são estudados também que influências sofre a implementação de um injetor de falhas em um sistema operacional, e mais especificamente a de injetores de falhas de comunicação. O objetivo específico deste trabalho é implementar um injetor de falhas de comunicação bastante abrangente e flexível, situado dentro do núcleo do Sistema Operacional Linux. Para viabilizar esta implementação foi estudada também a arquitetura do Sistema Operacional Linux, sua decomposição em subsistemas e a interação entre estes. Foram estudadas também as várias técnicas de programação e mecanismos que o Sistema Operacional Linux fornece aos seus subsistemas. Estando completas a revisão bibliográfica a respeito de injeção de falhas e o estudo do código do Sistema Operacional Linux, são apresentadas a proposta e a implementação da ferramenta ComFIRM—Communication Fault Injection through Operating System Resource Modification, suas características e sua inserção dentro do núcleo do Sistema Operacional Linux. Finalizando este trabalho, são apresentados uma pequena série de testes de funcionamento e experimentos realizados com a ferramenta ComFIRM, visando demonstrar a correção de seu funcionamento, o cumprimento de seus objetivos e também sua praticidade e flexibilidade de uso. São apresentadas as conclusões deste trabalho, propostas de melhorias à ferramenta apresentada, bem como possibilidades de trabalhos futuros.

Firmament : um módulo de injeção de falhas de comunicação para linux

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.

Uma ferramenta de manipulação de pacotes para análise de protocolos de redes industriais baseados em TCP/IP

This work presents a packet manipulation tool developed to realize tests in industrial devices that implements TCP/IP-based communication protocols. The tool was developed in Python programming language, as a Scapy extension. This tool, named IndPM- Industrial Packet Manipulator, can realize vulnerability tests in devices of industrial networks, industrial protocol compliance tests, receive server replies and utilize the Python interpreter to build tests. The Modbus/TCP protocol was implemented as proof-of-concept. The DNP3 over TCP protocol was also implemented but tests could not be realized because of the lack of resources. The IndPM results with Modbus/TCP protocol show some implementation faults in a Programmable Logic Controller communication module frequently utilized in automation companies

Desenvolvimento de um protocolo de comunicação para automação de subestações móveis via satélite

One of the most important decisions to turn a substation automatic and no attended it relates to the communication media between this substation and Operation Center. Generally energy companies uses radio or optic fiber, depending of distances and infrastructure of each situation. This rule applies to common substations. Mobile substations are a particular case, therefore they are conceived for use at provisional situations, emergencies, preventive or corrective maintenance. Thus the telecommunication solution used at common substations are not applied so easily to mobile substations, due absence of infrastructure (media) or difficulty to insert the mobile substation data in existing automation network not long. The ideal media must supply covering in a great geographic area to satisfy presented requirements. The implantation costs of this big infrastructure are expensive, however a existing operator may be used. Two services that fulfill that requirements are satellite and cellular telephony. This work presents a solution for automation of mobile substations through satellite. It was successfully implanted at a brazilian electric energy concessionaire named COSERN. The operation became transparent to operators. Other gotten benefits had been operational security, quality in the supply of electric energy and costs reduction. The project presented is a new solution, designed to substations and general applications where few data should be transmitted, but there is difficulties in relation to the media. Despite the satellite having been used, the same resulted can be gotten using celullar telephony, through Short Messages or packet networks as GPRS or EDGE.

Projeto e implementação em DSP de sistema de comunicação multiportadora baseado no padrão G.fast

As redes de acesso usando cabos de cobre atualmente utilizam bandas de frequência até 30 MHz, especificada no padrão VDSL2. À medida que arquiteturas híbridas de fibra e cobre se tornam mais proeminentes na indústria e academia, torna-se possível utilizar cabos metálicos mais curtos (i.e. até 250 metros) conectando o último ponto de distribuição aos usuários, de modo que frequências mais altas podem ser exploradas para se alcançar taxas de transmissão de dados de 500 Mbps ou mais, como é o caso do padrão G.fast atualmente em desenvolvimento no ITU-T. Nesse trabalho, um simulador no domínio do tempo foi desenvolvido para avaliar a capacidade do sistema G.fast com diferentes tamanhos de extensão cíclica e diferentes topologias de rede especificadas pelo ITU-T. Os resultados das simulações mostram que sistemas G.fast são robustos a bridged taps e capazes de atingir altas taxas de dados para todas as topologias simuladas, provendo suporte à próxima geração de serviços de banda larga. Além disso, esse trabalho descreve o progresso da implementação de um protótipo de modem baseado no padrão G.fast em um ambiente híbrido de DSP multicore e FPGA utilizando kits de avaliação adquiridos pela UFPA. Arquiteturas, protocolos de comunicação e benchmarks são apresentados e avaliados para se chegar à conclusão de que tal protótipo é factível e fornece suporte flexível a várias linhas de pesquisa em banda larga da próxima geração.

Aspectos de segurança, persistência e nomeação em agentes de recursos para Internet das coisas

A realização da Internet das Coisas (Internet of Things, IoT) requer a integração e interação de dispositivos e serviços com protocolos de comunicação heterogêneos. Os dados gerados pelos dispositivos precisam ser analisados e interpretados em concordância com um modelo de dados em comum, o que pode ser solucionado com o uso de tecnologias de modelagem semântica, processamento, raciocínio e persistência de dados. A computação ciente de contexto possui soluções para estes desafios com mecanismos que associam os dados de contexto com dados coletados pelos dispositivos. Entretanto, a IoT precisa ir além da computação ciente de contexto, sendo simultaneamente necessário soluções para aspectos de segurança, privacidade e escalabilidade. Para integração destas tecnologias é necessário o suporte de uma infraestrutura, que pode ser implementada como um middleware. No entanto, uma solução centralizada de integração de dispositivos heterogêneos pode afetar escalabilidade. Assim esta integração é delegada para agentes de software, que são responsáveis por integrar os dispositivos e serviços, encapsulando as especificidades das suas interfaces e protocolos de comunicação. Neste trabalho são explorados os aspectos de segurança, persistência e nomeação para agentes de recursos. Para este fim foi desenvolvido o ContQuest, um framework, que facilita a integração de novos recursos e o desenvolvimento de aplicações cientes de contexto para a IoT, através de uma arquitetura de serviços e um modelo de dados. O ContQuest inclui soluções consistentes para os aspectos de persistência, segurança e controle de acesso tanto para os serviços de middleware, como para os Agentes de Recursos, que encapsulam dispositivos e serviços, e aplicações-clientes. O ContQuest utiliza OWL para a modelagem dos recursos e inclui um mecanismo de geração de identificadores únicos universais nas ontologias. Um protótipo do ContQuest foi desenvolvido e validado com a integração de três Agentes de Recurso para dispositivos reais: um dispositivo Arduino, um leitor de RFID e uma rede de sensores. Foi também realizado um experimento para avaliação de desempenho dos componentes do sistema, em que se observou o impacto do mecanismo de segurança proposto no desempenho do protótipo. Os resultados da validação e do desempenho são satisfatórios

Architecture for real-time coordination of multiple autonomous mobile units

Interest on using teams of mobile robots has been growing, due to their potential to cooperate for diverse purposes, such as rescue, de-mining, surveillance or even games such as robotic soccer. These applications require a real-time middleware and wireless communication protocol that can support an efficient and timely fusion of the perception data from different robots as well as the development of coordinated behaviours. Coordinating several autonomous robots towards achieving a common goal is currently a topic of high interest, which can be found in many application domains. Despite these different application domains, the technical problem of building an infrastructure to support the integration of the distributed perception and subsequent coordinated action is similar. This problem becomes tougher with stronger system dynamics, e.g., when the robots move faster or interact with fast objects, leading to tighter real-time constraints. This thesis work addressed computing architectures and wireless communication protocols to support efficient information sharing and coordination strategies taking into account the real-time nature of robot activities. The thesis makes two main claims. Firstly, we claim that despite the use of a wireless communication protocol that includes arbitration mechanisms, the self-organization of the team communications in a dynamic round that also accounts for variable team membership, effectively reduces collisions within the team, independently of its current composition, significantly improving the quality of the communications. We will validate this claim in terms of packet losses and communication latency. We show how such self-organization of the communications can be achieved in an efficient way with the Reconfigurable and Adaptive TDMA protocol. Secondly, we claim that the development of distributed perception, cooperation and coordinated action for teams of mobile robots can be simplified by using a shared memory middleware that replicates in each cooperating robot all necessary remote data, the Real-Time Database (RTDB) middleware. These remote data copies, which are updated in the background by the selforganizing communications protocol, are extended with age information automatically computed by the middleware and are locally accessible through fast primitives. We validate our claim showing a parsimonious use of the communication medium, improved timing information with respect to the shared data and the simplicity of use and effectiveness of the proposed middleware shown in several use cases, reinforced with a reasonable impact in the Middle Size League of RoboCup.

Sistema remoto para monitorização de ambientes refrigerados em viaturas automóveis

Dissertação de mestrado, Engenharia Elétrica e Eletrónica (Tecnologias de Informação e Telecomunicações), Instituto Superior de Engenharia, Universidade do Algarve, 2015

Sistemas de supervisão e controlo de autómatos: soluções baseadas em OPC E IEC 60870-5-104

Atualmente, no segmento metro-ferroviário, há uma tendência para que todos os equipamentos que constituem os sistemas auxiliares de uma estação (escadas mecânicas, elevadores, bloqueadores, validadores de bilhética, ventiladores, bombas, entre outros) sejam dotados de inteligência. Tipicamente, um conjunto de equipamentos são ligados a um autómato que permite o controlo local e remoto e é vulgar que, sendo de fabricantes diferentes, suportem tecnologias distintas. Um sistema de supervisão que permita o acesso à informação disponibilizada por cada um dos autómatos, ou à atuação sobre um deles, terá por isso que implementar e suportar diversos protocolos de comunicação de forma a não ficar limitado a um tipo de tecnologia. De forma a diminuir os custos de desenvolvimento e operação de um sistema de supervisão e controlo e facilitar a integração de novos equipamentos, com diferentes características, têm sido procuradas soluções que garantam uma mais fácil comunicação entre os diversos módulos intervenientes. Nesta dissertação são implementadas soluções baseadas em clientes OPC-DA e OPC-AE e no protocolo IEC 60870-5-104, permitindo que os sistemas de supervisão e de controlo comuniquem com os equipamentos através destes três módulos. Os principais aspectos inovadores estão associados à implementação de uma arquitetura multiprotocolo usando as novas tendências de supervisão e controlo baseadas em soluções distribuídas.

Reconfiguração e desenvolvimento do sistema de controlo de um AGV

O veículo guiado automaticamente (AGV) adquirido pelo Departamento de Engenharia Mecânica (DEM) tem vindo a ficar obsoleto devido ao hardware, que nos dias de hoje começa a dar sinais de falhas bem como falta de peças de substituição, e ao software, sendo o PLC (Programmable Logic Controller) usado muito limitado quanto às suas funções de controlo, ficando as principais tarefas de controlo do AGV a cargo de placas eletrónicas de controlo. Para promover o controlo autónomo do AGV, foi decidido retirar toda a parte de hardware que detinha o controlo do mesmo e passou a ser um novo PLC, com maior capacidade de processamento, a executar todo o tipo de controlo necessário ao funcionamento do mesmo. O hardware considerado apenas incluí, de forma resumida, os motores responsáveis pelo movimento e direção, placa de controlo de potência dos motores, placa de interface entre as saídas digitais do PLC e as entradas da placa de controlo de potência dos motores e os demais sensores necessários à deteção de obstáculos, fins de curso da direção, sensores dos postos de trabalho e avisadores de emergência. Todo o controlo de movimento e direção bem como a seleção das ações a executar passou a ficar a cargo do software programado no PLC assim como a interação entre o sistema de supervisão instalado num posto de controlo e o PLC através de comunicação via rádio. O uso do PLC permitiu a flexibilidade de mudar facilmente a forma como as saídas digitais são usadas, ao contrário de um circuito eletrónico que necessita de uma completa remodelação, tempo de testes e implementação para efetuar a mesma função. O uso de um microcontrolador seria igualmente viável para a aplicação em causa, no entanto o uso do PLC tem a vantagem de ser robusto, mais rápido na velocidade de processamento, existência de software de interface de programação bastante intuitivo e de livre acesso, facilidade de alterar a programação localmente ou remotamente, via rádio, acesso a vários protocolos de comunicação robustos como Modbus, Canbus, Profinet, Modnet, etc., e acesso integrado de uma consola gráfica totalmente programável. iv É ainda possível a sua expansão com adição de módulos de entradas e saídas digitais e/ou analógicas permitindo expandir largamente o uso do AGV para outros fins. A solução está a ser amplamente testada e validada no Laboratório de Automação (LabA) do Departamento de Engenharia Mecânica do ISEP (Instituto Superior de Engenharia do Porto), permitindo a otimização dos sistemas de controlo de direção bem como a interatividade entre o PLC e o programa de interface/supervisão do posto de trabalho.

Utilização de Multicast na Disseminação de Escritas em Ambientes Replicados

Este trabalho trata da utilização de protocolos de comunicação de grupo para a disseminação de escritas em arquivos replicados. A replicação de arquivos tem como objetivo aumentar a disponibilidade dos dados mesmo mediante a ocorrência de alguma falha. Existem duas abordagens principais para a replicação de arquivos: a da cópia primária e das cópias ativas. Em ambas as abordagens é necessário que seja mantida a integridade dos dados replicados, de forma que todos cópias dos arquivos replicados estejam no mesmo estado. Essa integridade pode ser mantida pela escolha correta de uma estratégia de disseminação de escritas. Como os servidores que mantém cópias do mesmo arquivo formam um grupo de replicação, a disseminação de escritas pode ser feita através de comunicação de grupos. Neste trabalho são apresentados os sistemas de comunicação de grupo xAMp, da Universidade de Lisboa; Totem, Universidade da Califórnia; Transis da Universidade de Hebréia de Jerusalém; Horus, da Universidade de Cornell e Newtop da Universidade de Newcastle. Todos os sistemas descritos possuem características de comunicação de grupo e membership que permitem a sua utilização na disseminação de escritas para arquivos replicados. Este trabalho descreve, também, o protótipo PDERM (Protótipo para a Disseminação de Escritas em arquivos Replicados, através de Multicast), implementado para analisar o comportamento de um sistema de comunicação de grupo, o xAMp, na disseminação de escritas em arquivos replicados pela estratégia da cópia primária. Foi analisado o aspecto da manutenção da integridade das réplicas mesmo na ocorrência de falha do servidor primário.

Uma Biblioteca para programação paralela por troca de mensagens de clusters baseados na tecnologia SCI

A presente Dissertação propõe uma biblioteca de comunicação de alto desempenho, baseada em troca de mensagens, especificamente projetada para explorar eficientemente as potencialidades da tecnologia SCI (Scalable Coherent Interface). No âmago da referida biblioteca, a qual se denominou DECK/SCI, acham-se três protocolos de comunicação distintos: um protocolo de baixa latência e mínimo overhead, especializado na troca de mensagens pequenas; um protocolo de propósito geral; e um protocolo de comunicação que emprega uma técnica de zero-copy, também idealizada neste Trabalho, no intuito de elevar a máxima largura de banda alcançável durante a transmissão de mensagens grandes. As pesquisas desenvolvidas no decurso da Dissertação que se lhe apresenta têm por mister proporcionar um ambiente para o desenvolvimento de aplicações paralelas, que demandam alto desempenho computacional, em clusters que se utilizam da tecnologia SCI como rede de comunicação. A grande motivação para os esforços envidados reside na consolidação dos clusters como arquiteturas, a um só tempo, tecnologicamente comparáveis às máquinas paralelas dedicadas, e economicamente viáveis. A interface de programação exportada pelo DECK/SCI aos usuários abarca o mesmo conjunto de primitivas da biblioteca DECK (Distributed Execution Communication Kernel), concebida originalmente com vistas à consecução de alto desempenho sobre a tecnologia Myrinet. Os resultados auferidos com o uso do DECK/SCI revelam a eficiência dos mecanismos projetados, e a utilização profícua das características de alto desempenho intrínsecas da rede SCI, haja visto que se obteve uma performance muito próxima dos limites tecnológicos impostos pela arquitetura subjacente. Outrossim, a execução de uma clássica aplicação paralela, para fins de validação, testemunha que as primitivas e abstrações fornecidas pelo DECK/SCI mantêm estritamente a mesma semântica da interface de programação do original DECK.

Governança da internet no espaço regulatório global: o idiossincrático modelo de gestão da ICANN

O presente trabalho pretende descrever e analisar a evolução institucional da Internet Corporation for Assigned Names and Numbers (ICANN), organização responsável pela gestão dos nomes de domínio e protocolos de comunicação entre computadores em rede ao redor do mundo. Iniciando sua trajetória como instituição privada estadunidense e vinculada ao departamento de comércio do mesmo país, a ICANN passa por diversas modificações estruturais ao longo da última década, de forma a englobar representantes de diversos setores sociais em suas atividades. Algumas peculiaridades em sua estrutura que ainda a vinculam aos Estados Unidos, no entanto, são objeto de controvérsia entre aqueles que buscam uma democratização da internet em nível global.

Um middleware como interface padrão para acesso a dispositivos biomédicos

A grande diversidade na arquitetura de dispositivos de hardware, aliada aos seus diferentes protocolos de comunicação, tem dificultado a implementação de sistemas que necessitam realizar o acesso a esses dispositivos. Diante dessas diferenças, surge a necessidade de prover o acesso a esses dispositivos de forma transparente. Neste sentido, o presente trabalho propõe um middleware mult entrada e saída para acesso a dispositivos, como forma de abstrair o mecanismo de escrita e leitura de dados em dispositivos de hardware, contribuindo desta forma, para o aumento na produtividade dos sistemas, uma vez que os desenvolvedores estão focados apenas nos seus requisitos funcionais