Replication management in reliable real-time systems

Building reliable real-time applications on top of commercial off-the-shelf (COTS) components is not a straightforward task. Thus, it is essential to provide a simple and transparent programming model, in order to abstract programmers from the low-level implementation details of distribution and replication. However, the recent trend for incorporating pre-emptive multitasking applications in reliable real-time systems inherently increases its complexity. It is therefore important to provide a transparent programming model, enabling pre-emptive multitasking applications to be implemented without resorting to simultaneously dealing with both system requirements and distribution and replication issues. The distributed embedded architecture using COTS components (DEAR-COTS) architecture has been previously proposed as an architecture to support real-time and reliable distributed computer-controlled systems (DCCS) using COTS components. Within the DEAR-COTS architecture, the hard real-time subsystem provides a framework for the development of reliable real-time applications, which are the core of DCCS applications. This paper presents the proposed framework, and demonstrates how it can be used to support the transparent replication of software components.

Towards a flexible and dynamic replication control for distributed real-time embedded systems with QoS interdependencies

Replication is a proven concept for increasing the availability of distributed systems. However, actively replicating every software component in distributed embedded systems may not be a feasible approach. Not only the available resources are often limited, but also the imposed overhead could significantly degrade the system's performance. The paper proposes heuristics to dynamically determine which components to replicate based on their significance to the system as a whole, its consequent number of passive replicas, and where to place those replicas in the network. The results show that the proposed heuristics achieve a reasonably higher system's availability than static offline decisions when lower replication ratios are imposed due to resource or cost limitations. The paper introduces a novel approach to coordinate the activation of passive replicas in interdependent distributed environments. The proposed distributed coordination model reduces the complexity of the needed interactions among nodes and is faster to converge to a globally acceptable solution than a traditional centralised approach.

Flexible and dynamic replication control for interdependent distributed real-time embedded systems

Replication is a proven concept for increasing the availability of distributed systems. However, actively replicating every software component in distributed embedded systems may not be a feasible approach. Not only the available resources are often limited, but also the imposed overhead could significantly degrade the system’s performance. This paper proposes heuristics to dynamically determine which components to replicate based on their significance to the system as a whole, its consequent number of passive replicas, and where to place those replicas in the network. The activation of passive replicas is coordinated through a fast convergence protocol that reduces the complexity of the needed interactions among nodes until a new collective global service solution is determined.

Replication in distributed systems using IEC 61499 standard

The international Electrotechnical Commission (IEC) 61499 architecture incorporated several function block with which distributed control application may be developed, and how these are interpreted and executed. However, due the distributed nature of the control applications, many issues also need to be taken into account. Most of these are due to the new error model and failure modes of the distributed hardware on which the distributed application is executed and also due the incomplete standards definition of the execution models. IEC 61499 frameworks does not clarify how to handle with replication of software and hardware components. In this paper we propose a replication model for IEC 61499 applications and which mechanisms and protocols may be used for their support.

Replication vs erasure coding in data centric storage for wireless sensor networks

In-network storage of data in wireless sensor networks contributes to reduce the communications inside the network and to favor data aggregation. In this paper, we consider the use of n out of m codes and data dispersal in combination to in-network storage. In particular, we provide an abstract model of in-network storage to show how n out of m codes can be used, and we discuss how this can be achieved in five cases of study. We also define a model aimed at evaluating the probability of correct data encoding and decoding, we exploit this model and simulations to show how, in the cases of study, the parameters of the n out of m codes and the network should be configured in order to achieve correct data coding and decoding with high probability.

Eficiência energética e a queima de combustíveis limpos

Mestrado em Engenharia Química

Replica management in real-time Ada 95 applications

In this paper, we present some of the fault tolerance management mechanisms being implemented in the Multi-μ architecture, namely its support for replica non-determinism. In this architecture, fault tolerance is achieved by node active replication, with software based replica management and fault tolerance transparent algorithms. A software layer implemented between the application and the real-time kernel, the Fault Tolerance Manager (FTManager), is the responsible for the transparent incorporation of the fault tolerance mechanisms The active replication model can be implemented either imposing replica determinism or keeping replica consistency at critical points, by means of interactive agreement mechanisms. One of the Multi-μ architecture goals is to identify such critical points, relieving the underlying system from performing the interactive agreement in every Ada dispatching point.

Multi-μ: an Ada 95 based architecture for fault tolerance support of real-time systems

This paper presents an architecture (Multi-μ) being implemented to study and develop software based fault tolerant mechanisms for Real-Time Systems, using the Ada language (Ada 95) and Commercial Off-The-Shelf (COTS) components. Several issues regarding fault tolerance are presented and mechanisms to achieve fault tolerance by software active replication in Ada 95 are discussed. The Multi-μ architecture, based on a specifically proposed Fault Tolerance Manager (FTManager), is then described. Finally, some considerations are made about the work being done and essential future developments.

An integrated reusable remote laboratory to complement electronics teaching

The great majority of the courses on science and technology areas where lab work is a fundamental part of the apprenticeship was not until recently available to be taught at distance. This reality is changing with the dissemination of remote laboratories. Supported by resources based on new information and communication technologies, it is now possible to remotely control a wide variety of real laboratories. However, most of them are designed specifically to this purpose, are inflexible and only on its functionality they resemble the real ones. In this paper, an alternative remote lab infrastructure devoted to the study of electronics is presented. Its main characteristics are, from a teacher's perspective, reusability and simplicity of use, and from a students' point of view, an exact replication of the real lab, enabling them to complement or finish at home the work started at class. The remote laboratory is integrated in the Learning Management System in use at the school, and therefore, may be combined with other web experiments and e-learning strategies, while safeguarding security access issues.

Reliability and availability in reconfigurable computing: a basis for a common solution

Dynamically reconfigurable SRAM-based field-programmable gate arrays (FPGAs) enable the implementation of reconfigurable computing systems where several applications may be run simultaneously, sharing the available resources according to their own immediate functional requirements. To exclude malfunctioning due to faulty elements, the reliability of all FPGA resources must be guaranteed. Since resource allocation takes place asynchronously, an online structural test scheme is the only way of ensuring reliable system operation. On the other hand, this test scheme should not disturb the operation of the circuit, otherwise availability would be compromised. System performance is also influenced by the efficiency of the management strategies that must be able to dynamically allocate enough resources when requested by each application. As those resources are allocated and later released, many small free resource blocks are created, which are left unused due to performance and routing restrictions. To avoid wasting logic resources, the FPGA logic space must be defragmented regularly. This paper presents a non-intrusive active replication procedure that supports the proposed test methodology and the implementation of defragmentation strategies, assuring both the availability of resources and their perfect working condition, without disturbing system operation.

Real time manufacturing systems simulator

A área da simulação computacional teve um rápido crescimento desde o seu apareciment, sendo actualmente uma das ciências de gestão e de investigação operacional mais utilizadas. O seu princípio baseia-se na replicação da operação de processos ou sistemas ao longo de períodos de tempo, tornando-se assim uma metodologia indispensável para a resolução de variados problemas do mundo real, independentemente da sua complexidade. Das inúmeras áreas de aplicação, nos mais diversos campos, a que mais se destaca é a utilização em sistemas de produção, onde o leque de aplicações disponível é muito vasto. A sua aplicação tem vindo a ser utilizada para solucionar problemas em sistemas de produção, uma vez que permite às empresas ajustar e planear de uma maneira rápida, eficaz e ponderada as suas operações e os seus sistemas, permitindo assim uma rápida adaptação das mesmas às constantes mudanças das necessidades da economia global. As aplicações e packages de simulação têm seguindo as tendências tecnológicas pelo que é notório o recurso a tecnologias orientadas a objectos para o desenvolvimento das mesmas. Este estudo baseou-se, numa primeira fase, na recolha de informação de suporte aos conceitos de modelação e simulação, bem como a respectiva aplicação a sistemas de produção em tempo real. Posteriormente centralizou-se no desenvolvimento de um protótipo de uma aplicação de simulação de ambientes de fabrico em tempo real. O desenvolvimento desta ferramenta teve em vista eventuais fins pedagógicos e uma utilização a nível académico, sendo esta capaz de simular um modelo de um sistema de produção, estando também dotada de animação. Sem deixar de parte a possibilidade de integração de outros módulos ou, até mesmo, em outras plataformas, houve ainda a preocupação acrescida de que a sua implementação recorresse a metodologias de desenvolvimento orientadas a objectos.

On-line defragmentation for run-time partially reconfigurable FPGAs

Dynamically reconfigurable systems have benefited from a new class of FPGAs recently introduced into the market, which allow partial and dynamic reconfiguration at run-time, enabling multiple independent functions from different applications to share the same device, swapping resources as needed. When the sequence of tasks to be performed is not predictable, resource allocation decisions have to be made on-line, fragmenting the FPGA logic space. A rearrangement may be necessary to get enough contiguous space to efficiently implement incoming functions, to avoid spreading their components and, as a result, degrading their performance. This paper presents a novel active replication mechanism for configurable logic blocks (CLBs), able to implement on-line rearrangements, defragmenting the available FPGA resources without disturbing those functions that are currently running.

Aplicação de advergames no contexto do Ensino Superior

As novas tecnologias, e a Internet em particular, criaram novas formas de transmissão de informação para o público e alteraram a forma como as pessoas comunicam. Isto abriu portas a novas formas de publicidade e ao aparecimento de um novo género de jogos, os advergames, aproveitando o facto dos jogos online contarem já com milhões de jogadores a nível mundial, um número que continua em constante crescimento. O conceito é relativamente recente mas apresenta resultados bastante positivos, com muitos especialistas a defender que os advergames são o futuro da publicidade, em grande parte devido aos custos inferiores e ao tempo de exposição do produto, quando comparado com os métodos mais tradicionais de publicidade. Os Jogos Sérios e, em especial, os advergames são o tema principal desta tese, com uma análise detalhada das suas vantagens e desvantagens, origens e oportunidade de desenvolvimento no futuro. São também analisados alguns casos de advergames de sucesso. A componente prática da tese tem como objetivo a criação de um advergame com o propósito principal de auxiliar os novos alunos do ISEP no seu processo de integração. O jogo consiste num formato de labirinto em duas dimensões, com objetivos que consistem na captura de certos objetos e entrega dos mesmos em pontos de destino pré-definidos, sempre dentro de um tempo limite e evitando outros perigos e obstáculos. Os resultados obtidos com a aplicação deste jogo demonstram que a transmissão de informação é bastante eficaz junto do seu público-alvo, devido em parte à abordagem mais dinâmica e interativa que um advergame tem com os seus utilizadores. A simplicidade da interface e facilidade de utilização proporcionada pelo jogo permitem uma exposição alargada da mensagem a passar, aumentando a motivação do jogador para se manter em contacto com o mesmo. Isto apresenta perspetivas bastante otimistas para o futuro da utilização de advergames no meio Universitário.

Adaptação para a população Portuguesa da escala de avaliação Trunk Impairment Scale (TIS)

Para uma melhor avaliação e definição do plano de intervenção do indivíduo, é cada vez mais importante a existência instrumentos de avaliação válidos e fiáveis para a população portuguesa. Objetivo: Traduzir e adaptar para a população Portuguesa a escala Trunk Impairment Scale (TIS) em pacientes pós-AVE, e avaliar as propriedades psicométricas da mesma. Metodologia: A TIS foi traduzida para o Português e adaptada culturalmente para a população portuguesa. As propriedades psicométricas da mesma, incluindo validade, fiabilidade, concordância inter-observadores, consistência interna, sensibilidade, especificidade, poder de resposta, foram avaliadas numa população diagnosticada com AVE e num grupo de controlo de participantes saudáveis. Participaram neste estudo 80 indivíduos, divididos em dois grupos, nomeadamente indivíduos pós-AVE (40) e um grupo sem patologia (40). Os participantes foram submetidos à aplicação das escalas de Berg, Medida de Independência Funcional e Escala de Desempenho Físico Fugl Meyer e a TIS de modo a avaliar as propriedades psicométricas desta. As avaliações foram realizadas por duas fisioterapeutas experientes e o re-teste foi realizado após 48 horas. Os dados foram registados e trabalhados com o programa informático SPSS 21.0. Resultados: Relativamente aos valores obtidos, verificou-se que, quanto à consistência interna da TIS estes apresentam-se de forma moderada a elevada (alfa Cronbach = 0,909). Quanto à fiabilidade inter-observadores, os itens com menor valor são os itens 1 e 4 (0,759 e 0,527, respetivamente) e os itens com valor de Kappa mais alto são os itens 5 e 6 (0,830 e 0,893, respetivamente). Relativamente à validade de critério, verificou-se que não houve correlação entre a escala de Desempenho Físico Fugl-Meyer, a escala de Equilibrio de Berg e a Medida de Independência Funcional, ou seja, os valores obtidos r=0,166; r=0,017; r= -0,002, respetivamente. Quanto à validade de construção, constatou-se que o valor da mediana é mais elevado nos itens 1 a 5, logo sugere que haja diferenças entre o grupo de indivíduos pós-AVE e o grupo de indivíduos saudáveis (p<0,001). Entre os outros dois itens (6 e 7) não foram encontradas diferenças nas respostas nos dois grupos, sendo o valor de p > 0,001. Conclusão: Os resultados obtidos neste estudo sugerem que a versão portuguesa da TIS apresenta bons níveis de fiabilidade, consistência interna e também apresenta bons resultados no que refere à concordância inter-observadores.

Armazéns de dados em bases de dados NoSQL

Na atualidade, existe uma quantidade de dados criados diariamente que ultrapassam em muito as mais otimistas espectativas estabelecidas na década anterior. Estes dados têm origens bastante diversas e apresentam-se sobre várias formas. Este novo conceito que dá pelo nome de Big Data está a colocar novos e rebuscados desafios ao seu armazenamento, tratamento e manipulação. Os tradicionais sistemas de armazenamento não se apresentam como a solução indicada para este problema. Estes desafios são alguns dos mais analisados e dissertados temas informáticos do momento. Várias tecnologias têm emergido com esta nova era, das quais se salienta um novo paradigma de armazenamento, o movimento NoSQL. Esta nova filosofia de armazenamento visa responder às necessidades de armazenamento e processamento destes volumosos e heterogéneos dados. Os armazéns de dados são um dos componentes mais importantes do âmbito Business Intelligence e são, maioritariamente, utilizados como uma ferramenta de apoio aos processos de tomada decisão, levados a cabo no dia-a-dia de uma organização. A sua componente histórica implica que grandes volumes de dados sejam armazenados, tratados e analisados tendo por base os seus repositórios. Algumas organizações começam a ter problemas para gerir e armazenar estes grandes volumes de informação. Esse facto deve-se, em grande parte, à estrutura de armazenamento que lhes serve de base. Os sistemas de gestão de bases de dados relacionais são, há algumas décadas, considerados como o método primordial de armazenamento de informação num armazém de dados. De facto, estes sistemas começam a não se mostrar capazes de armazenar e gerir os dados operacionais das organizações, sendo consequentemente cada vez menos recomendada a sua utilização em armazéns de dados. É intrinsecamente interessante o pensamento de que as bases de dados relacionais começam a perder a luta contra o volume de dados, numa altura em que um novo paradigma de armazenamento surge, exatamente com o intuito de dominar o grande volume inerente aos dados Big Data. Ainda é mais interessante o pensamento de que, possivelmente, estes novos sistemas NoSQL podem trazer vantagens para o mundo dos armazéns de dados. Assim, neste trabalho de mestrado, irá ser estudada a viabilidade e as implicações da adoção de bases de dados NoSQL, no contexto de armazéns de dados, em comparação com a abordagem tradicional, implementada sobre sistemas relacionais. Para alcançar esta tarefa, vários estudos foram operados tendo por base o sistema relacional SQL Server 2014 e os sistemas NoSQL, MongoDB e Cassandra. Várias etapas do processo de desenho e implementação de um armazém de dados foram comparadas entre os três sistemas, sendo que três armazéns de dados distintos foram criados tendo por base cada um dos sistemas. Toda a investigação realizada neste trabalho culmina no confronto da performance de consultas, realizadas nos três sistemas.