Soluções reutilizáveis para a implementação de mecanismos de controle de atomicidade em programas tolerantes a falhas

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

Identificação de falhas em engrenagens na transmissão de trator agrícola por meio de análise de vibrações

Neste trabalho é apresentado o desenvolvimento de um método de análise de falhas, por meio de análise de vibrações, para a bancada de final de linha das transmissões dos tratores linha 5000 da John Deere Brasil, o qual tem como finalidade diferenciar transmissões aprovadas de transmissões com defeito em engrenagens na caixa de marchas, e também auxiliar na identificação da engrenagem com defeito. Para o desenvolvimento deste método foram utilizados equipamentos de medição e aquisição de dados disponíveis na John Deere Brasil. Os testes foram realizados na bancada de final da linha de transmissões, possibilitando a aplicação do método sem a necessidade de alteração na bancada de testes. Os sinais padrões da transmissão em cada uma das quatro marchas foram levantados através da medição de quatro transmissões boas. De posse destes padrões, (assinatura em cada marcha), partiu-se para a identificação de como estes são alterados por diferentes defeitos em diversas engrenagens da caixa de marchas, sendo para isto induzidos defeitos em diferentes engrenagens da caixa de marchas de transmissões boas. Os sinais em todas as marchas nestas transmissões com defeito induzido foram medidos e analisado as alterações em relação aos padrões, resultando a conclusão de que a aplicação do método de análise de vibrações no final de linha de transmissões da John Deere Brasil é possível, tanto para a diferenciação entre transmissões boas e transmissões com defeito em engrenagens da caixa de marchas, quanto como auxiliar na identificação de qual engrenagem da caixa de marchas está com defeito.

INFIMO : um toolkit para experimentos de intrusão de injetores de falhas

Técnicas de tolerância a falhas visam a aumentar a dependabilidade dos sistemas nos quais são empregadas. Entretanto, há necessidade de garantir a confiança na capacidade do sistema em fornecer o serviço especificado. A validação possui como objetivo propiciar essa garantia. Uma técnica de validação bastante utilizada é a injeção de falhas, que consiste na introdução controlada de falhas no sistema para observar seu comportamento. A técnica de injeção de falhas acelera a ocorrência de falhas em um sistema. Com isso, ao invés de esperar pela ocorrência espontânea das falhas, pode-se introduzi-las intencionalmente, controlando o tipo, a localização, o disparo e a duração das falhas. Injeção de falhas pode ser implementada por hardware, software ou simulação. Neste trabalho são enfocadas técnicas de injeção de falhas por software, desenvolvidas nos níveis da aplicação e do sistema operacional. O trabalho apresenta o problema da validação, através da injeção de falhas, de um protocolo de troca de pacotes. Enfoque especial é dado ao impacto resultante da inclusão de um módulo extra no protocolo, uma vez que o mesmo apresenta restrições temporais. O trabalho investiga alternativas de implementação de injetores de falhas por software que minimizem este impacto. Tais alternativas referem-se a localização do injetor de falhas no sistema, a forma de ativação das atividades do injetor de falhas e a operação de injeção de falhas em si. Um toolkit para experimentos de intrusão da injeção de falhas é apresentado. O alvo da injeção de falhas é um protocolo com característica tempo real. O toolkit desenvolvido, denominado INFIMO (INtrusiveless Fault Injector MOdule), visa a analisar, de forma experimental, a intrusão do injetor de falhas sobre o protocolo alvo. O INFIMO preocupa-se com protocolos com restrições temporais por esses constituírem um desafio sob o ponto de vista de injeção de falhas. O INFIMO suporta falhas de comunicação, as quais podem ocasionar a omissão de alguns pacotes. O INFIMO apresenta duas ferramentas de injeção de falhas: INFIMO_LIB, implementada no nível da aplicação e INFIMO_DBG implementada com auxílio de recursos do sistema operacional. Destacam-se ainda como contribuições do INFIMO a definição e a implementação do protocolo alvo para experimentos de injeção de falhas, o protocolo INFIMO_TAP. Além disso, o INFIMO apresenta métricas para avaliação da intrusão provocada pelo injetor de falhas no protocolo alvo.

Condução de experimentos de injeção de falhas em banco de dados distribuídos

O presente trabalho realiza uma validação experimental, através da técnica de injeção de falhas por software, de sistemas de informações que utilizam gerenciadores de banco de dados distribuídos comerciais. Estes experimentos visam a obtenção de medidas da dependabilidade do SGBD utilizado, levantamento do custo de seus mecanismos de tolerância a falhas e a real aplicabilidade de SGBDs comerciais em sistemas de missão crítica. Procurou-se avaliar e validar as ferramentas de injeção de falhas utilizadas, no caso específico deste trabalho a ComFIRM e o FIDe. Inicialmente são introduzidos e reforçados os conceitos básicos sobre o tema, que serão utilizados no decorrer do trabalho. Em seguida são apresentadas algumas ferramentas de injeção de falhas em sistemas distribuídos, bem como os modelos de falhas em banco de dados distribuídos. São analisados alguns estudos de aplicação de ferramentas de injeção de falhas em bancos de dados distribuídos. Concluída a revisão bibliográfica é apresentado o modelo de software e hardware que foi implementado, destacando o gerador de cargas de trabalho GerPro-TPC e o gerenciador de injeções e resultados GIR. O GerPro-TPC segue as especificações TPC-c para a simulação de um ambiente transacional comercial padrão e o GIR realiza a integração das ferramentas de injeção de falhas utilizadas, bem como a elaboração do cenário de falhas a injetar e a coleta dos resultados das falhas injetadas. Finalmente são descritos os experimentos realizados sobre o SGBD PROGRESS. São realizados 361 testes de injeções de falhas com aproximadamente 43.000 falhas injetadas em experimentos distintos. Utiliza-se dois modelos de falhas: um focado em falhas de comunicação e outro em falhas de hardware. Os erros resultantes das falhas injetadas foram classificados em erros ignorados/mascarados, erros leves, erros graves e erros catastróficos. Dos modelos de falhas utilizados as que mais comprometeram a dependabilidade do SGBD foram as falhas de hardware. As falhas de comunicação somente comprometeram a disponibilidade do sistema alvo.

Ferramenta de injeção de falhas para avaliação de segurança

Nos ultimos anos, com a crescente popularização das redes de computadores baseadas no protocolo IP, desde pequenas redes até metropolitanas começaram a se agrupar e a fazer do que hoje se conhece como a rede mundial de computadores.Apesar dos benefícios de comunicação e troca de informação da Internet, esse feômeno global também trouxe problemas de segurança, pois a origem e estrutura dos protocolos utilizados na comunicação entre as diversas máquinas limitam as possibilidades de prevenir, identificar ou detectar possíveis ataques ou intrusos. Assim, várias ferramentas surgiram para prevenir e auxiliar na tarefa de identicar problemas de segurança nas redes como firewalls, sniffers e sistemas de detecção de intrusão. Apesar dos benefícios trazidos por essas novas tecnologias, surgiram muitas dúvidas referentes a segurança que esses recursos proporcionam. Afinal, o desenvolvimento e validação desses sistemas são procedimentos bastante complexos e, freqüentemente, esses sitemas têm se tornado o alvo primário de um atacante. O resultado disso, não raramente, é uma falsa noção de segurança devido à utilização inadequada desses mecanismos, o que é, normalmente, mais prejudicial do que a simples inexistência de segurança em uma organização, mas cujas falhas são conhecidas por seus administradores. A realização de testes para verificação da segurança de uma organização é uma atividade fundamental a fim de alcançar um ambiente operacional seguro e de verificar a correta aplicação dos requisitos de segurança de uma organização.O uso de testes permite a uma empresa verificar com precisão a postura de segurança utilizada em seus sistemas ao mesmo tempo em que permite visualizar a sua rede da mesma maneira que um atacante a visualizaria. Ao visualizar a rede como atacante, pode-se verificar com que facilidade obtém-se informações da rede, quais suas fragilidades e a dificuldade que se tem para invadí-la. Assim, obtém-se uma visão mais realista da segurança de uma organização. Além de técnicas para a avaliação, é muito importante que se possua ferramentas para a realização desses testes. Assim, é possível automotizar a realização de testes e verificar com maior facilidade a existência de problemas em uma rede. A existência de ferramentas que testem sistemas de segurnaça é extremamente importante e necessária, pois, afinal, a segurança de toda uma rede pode depender fortemente de algum desses sistemas. Este trabalho apresenta as técncias existentes para a injecção de falhas visando verificar as que são mais eficientes para a valiação de sistemas de segurança de rede. Adicionalmente são apresentadas algumas técnicas para o teste de mecanismos de segurança e algumas ferramentas existentes para a realizão de tais testes. A partir desses estudos, é apresentado um modelo de ferramenta adequando as funções de um sistema de injeção de falhas ao teste de mecanismos de segurança em rede. Um protótipo essa ferramenta foi desenvolvido e é apresentado neste trabalho. Esse protótipo permite o envio e o recebimento de pacotes da pilha TCP/IP, podendo testar problemas em protocolos e sistemas utilizados na rede. E, através da utilização de plug-ins, permite que diversos tipos de ataque mais sofisticados possam ser realizados.

Validação do mecanismo de tolerância a falhas do SGBD InterBase através de injeção de falhas

O presente trabalho explora a aplicação de técnicas de injeção de falhas, que simulam falhas transientes de hardware, para validar o mecanismo de detecção e de recuperação de erros, medir os tempos de indisponibilidade do banco de dados após a ocorrência de uma falha que tenha provocado um FUDVK. Adicionalmente, avalia e valida a ferramenta de injeção de falhas FIDe, utilizada nos experimentos, através de um conjunto significativo de testes de injeção de falhas no ambiente do SGBD. A plataforma experimental consiste de um computador Intel Pentium 550 MHz com 128 MB RAM, do sistema operacional Linux Conectiva kernel versão 2.2.13. O sistema alvo das injeções de falhas é o SGBD centralizado InterBase versão 4.0. As aplicações para a carga de trabalho foram escritas em VFULSWV SQL e executadas dentro de uma sessão chamada LVTO. Para a injeção de falhas foram utilizadas três técnicas distintas: 1) o comando NLOO do sistema operacional; 2) UHVHW geral no equipamento; 3) a ferramenta de injeção de falhas FIDe, desenvolvida no grupo de injeção de falhas do PPGC da UFRGS. Inicialmente são introduzidos e reforçados os conceitos básicos sobre o tema, que serão utilizados no decorrer do trabalho e são necessários para a compreensão deste estudo. Em seguida é apresentada a ferramenta de injeção de falhas Xception e são também analisados alguns experimentos que utilizam ferramentas de injeção de falhas em bancos de dados. Concluída a revisão bibliográfica é apresentada a ferramenta de injeção de falhas – o FIDe, o modelo de falhas adotado, a forma de abordagem, a plataforma de hardware e software, a metodologia e as técnicas utilizadas, a forma de condução dos experimentos realizados e os resultados obtidos com cada uma das técnicas. No total foram realizados 3625 testes de injeções de falhas. Com a primeira técnica foram realizadas 350 execuções, com a segunda técnica foram realizadas 75 execuções e com a terceira técnica 3200 execuções, em 80 testes diferentes. O modelo de falhas proposto para este trabalho refere-se a falhas de crash baseadas em corrupção de memória e registradores, parada de CPU, aborto de transações ou reset geral. Os experimentos foram divididos em três técnicas distintas, visando a maior cobertura possível de erros, e apresentam resultados bastante diferenciados. Os experimentos com o comando NLOO praticamente não afetaram o ambiente do banco de dados. Pequeno número de injeção de falhas com o FIDe afetaram significativamente a dependabilidade do SGBD e os experimentos com a técnica de UHVHW geral foram os que mais comprometeram a dependabilidade do SGBD.

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.

Injeção distribuída de falhas para validação de dependabilidade de sistemas distribuídos de larga escala

Uma etapa fundamental no desenvolvimento de sistemas tolerantes a falhas é a fase de validação, onde é verificado se o sistema está reagindo de maneira correta à ocorrência de falhas. Uma das técnicas usadas para validar experimentalmente um sistema é injeção de falhas. O recente uso de sistemas largamente distribuídos para execução dos mais diversos tipos de aplicações, faz com que novas técnicas para validação de mecanismos de tolerância a falhas sejam desenvolvidas considerando este novo cenário. Injeção de falhas no sistema de comunicação do nodo é uma técnica tradicional para a validação de aplicações distribuídas, para forçar a ativação dos mecanismos de detecção e recuperação de erros relacionados à troca de mensagens. A condução de experimentos com injetores de comunicação tradicionais é feita pelo uso do injetor em uma máquina do sistema distribuído. Se o cenário desejado é de múltiplas falhas, o injetor deve ser instanciado independentemente nas n máquinas que as falhas serão injetadas. O controle de cada injetor é individual, o que dificulta a realização do experimento. Esta dificuldade aumenta significativamente se o cenário for um sistema distribuído de larga escala. Outro problema a considerar é a ausência de ferramentas apropriadas para a emulação de determinados cenários de falhas. Em aplicações distribuídas de larga escala, um tipo comum de falha é o particionamento de rede. Não há ferramentas que permitam diretamente a validação ou a verificação do processo de defeito de aplicações distribuídas quando ocorre um particionamento de rede Este trabalho apresenta o estudo de uma abordagem para injeção de falhas que permita o teste de atributos de dependabilidade de aplicações distribuídas de pequena e larga escala implementadas em Java. A abordagem considera a não obrigatoriedade da alteração do código da aplicação sob teste; a emulação de um cenário de falhas múltiplas que ocorrem em diferentes nodos, permitindo o controle centralizado do experimento; a validação de aplicações que executem em sistemas distribuídos de larga escala e consideram um modelo de falhas realista deste tipo de ambiente, incluindo particionamentos de rede. A viabilidade da abordagem proposta é mostrada através do desenvolvimento do protótipo chamado FIONA (Fault Injector Oriented to Network Applications), o qual atualmente injeta falhas em aplicações desenvolvidas sob o protocolo UDP.

Estimativas de confiabilidade de produto a partir das contagens mensais de vendas e falhas ao longo do período de garantia

Esta dissertação aborda a estimativa das probabilidades de falha de um produto ao longo do período de garantia. As fontes de dados para esta estimativa são a quantidade de produtos vendidos e o número de falhas detectadas em cada mês. Duas metodologias não-paramétricas para esta análise são apresentadas e validadas. A metodologia de análise de dados completos requer o conhecimento da data de venda e de falha de cada produto. A metodologia de análise de dados incompletos requer apenas os totais de vendas e falhas em cada mês ao longo do período de garantia. Para os dois casos, é ainda implementada a suavização das probabilidades de falha estimadas, utilizando distribuições paramétricas Weibull ou Lognormal. As duas técnicas são implementadas em planilha eletrônica e aplicadas na análise de dados simulados. O desempenho de cada metodologia é avaliado com dados de diferentes características, resultando em recomendações para escolha e aplicação da metodologia mais adequada em cada caso

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.

Alheios ao risco: influências das falhas de julgamento dos empreendedores na avaliação de oportunidades

Estudos passados demonstram que empreendedores, ao contrário do que se imaginava, não diferem de outros decisores quanto a sua propensão ao risco; porém, diferem quanto à percepção deste. Sabendo que a percepção varia entre os indivíduos, é objetivo deste estudo entender a relação entre os vieses cognitivos, a percepção de risco e a avaliação de oportunidades, partindo da premissa de que estes são, ao menos em parte, responsáveis por esta variação entre os indivíduos. O trabalho faz uma revisão da literatura da racionalidade limitada e do julgamento sob incerteza, abordando em especial a pesquisa em cognição empreendedora e percepção do risco, buscando estabelecer conexões teóricas entre elas. Em consonância com outros trabalhos da área, empiricamente o trabalho se desenvolveu através de pesquisa quantitativa utilizando surveys aplicados a micro e pequenos empreendedores, com respostas utilizadas em um modelo de equações estruturais que testou a influência dos vieses cognitivos na percepção de risco do empreendedor, influenciando sua avaliação de oportunidades. Os resultados, em dissonância com outros trabalhos acadêmicos sobre o tema, demonstram que apesar da hipótese de que a baixa percepção de risco do empreendedor está associada com uma avaliação mais positiva de oportunidades ser aceita, as demais, referentes a influência dos vieses cognitivos na avaliação de oportunidades e à mediação da percepção de risco na relação entre os vieses cognitivos e a avaliação de oportunidades, demonstraram-se em sua maioria não conclusivas, sendo uma delas rejeitada.