Software tolerante a falhas para aplicações tempo real

Abstract

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.