Fault injection methodology based on processor emulation

Esta dissertação tem por finalidade apresentar uma metodologia de injeção de falhas baseada em emulação de processadores. Os efeitos causados pela radiação em processadores, operando no espaço ou em altitudes elevadas, têm sido estudados na literatura para o desenvolvimento de mecanismos de tolerância a falhas. Com a crescente popularidade do uso de processadores comerciais, (COTS – do inglês, Commercial Off-The-Shelf), em aplicações críticas, uma série de preocupações tem surgido devido a falta de confiabilidade apresentada por estes sistemas. Sendo desprovidos de mecanismos de tolerância para melhor robustez em ambientes espaciais, estes dispositivos comerciais são mais suscetíveis aos efeitos da radiação. Neste contexto, técnicas de tolerância a falhas baseadas em software vêm sendo estudadas a fim de aumentar a confiabilidade desta abordagem. Para a devida validação de tais mecanismos de tolerância, o uso de técnicas de injeção de falhas é aplicável. Estas técnicas de injeção de falhas possuem uma série de limitações que podem inviabilizar a sua aplicabilidade, dependendo da abordagem utilizada. Fatores como custo, indisponibilidade da descrição de hardware – utilizada em técnicas de injeção de falhas por simulação ou emulação em FPGA (Field Programmable Gate Array), e o longo tempo necessário para execução dos experimentos, são alguns exemplos de limitações das técnicas disponíveis. Com base nisso, a metodologia de injeção de falhas alternativa apresentada neste trabalho, visa reduzir as limitações presentes nas mais diversas técnicas. Baseada na utilização de tradução dinâmica de instruções, para acelerar o processo de execução de aplicações em emuladores, a metodologia apresenta um modelo de falhas para efeitos transientes e permanentes, aplicáveis neste cenário. Como método de classificação dos efeitos observados neste processo, um modelo presente na literatura foi utilizado. Para validação desta metodologia, um injetor de falhas baseado no emulador QEMU foi desenvolvido. Posteriormente, um estudo de caso com o injetor de falhas foi realizado para três estruturas de software distintas executando individualmente no processador MIPS 24kc, representando três níveis de complexidade distintos: sistema operacional Linux, sistema de tempo real, (RTEMS – do inglês, Real-Time Operating System), e uma aplicação dedicada. Cada sistema foi submetido a uma campanha de injeção de falhas transientes para emulação de efeitos singulares (SEU – do inglês, Single Event Upset). Como alvo de falhas, foram selecionados os registradores do processador e a memória de dados. Por fim, as análises obtidas através dos experimentos mostraram os diferentes efeitos observados para os três níveis de complexidade dos softwares executados. Além disso, se pôde avaliar o desempenho do injetor de falhas, disponibilizando ao final do trabalho uma ferramenta para o auxílio no desenvolvimento de técnicas de tolerância a falhas por software.This dissertation aims to present a fault injection methodology based on microprocessor emulation. The effects caused by radiation in microprocessors, operating in space or at high altitudes, have been studied in the literature for the development of fault tolerance mechanisms. With the growing popularity of COTS (Commercial Off-The-Shelf) processors usage, in critical applications, a number of concerns have arisen due to the lack of reliability, presented in these systems. Due to the lack of fault tolerance mechanisms, these COTS devices are more susceptible to radiation effects. In this context, software-based fault tolerance techniques have been studied in the literature in order to increase the reliability of this approach. To validate such fault tolerance mechanisms, the use of fault injection techniques is applicable. These fault injection techniques have several limitations which can preclude their applicability, depending on of its design approach. Factor such as cost, unavailability of hardware description – used by fault injection techniques based on simulation or emulation with FPGA (Field Programmable Gate Array), and the long time demanded to execute experiments, are some examples of limitations in the available techniques. Based on this, the alternative fault injection methodology presented in this work aims to reduce these limitations. Based on the dynamic translation of instructions usage to accelerate the execution of application on emulators, the methodology presents a fault model for transient and permanent faults applicable in this scenario. As a classification method of the observed effects in this process, a model in the literature has been used. To validate this methodology, a fault injector based on the QEMU emulator was implemented. Later, a case study with the fault injector was performed for three software structures running at a time on a MIPS 24kc processor, representing three different levels of complexity: Linux operating system, RTEMS (Real-Time Operating System), and a dedicated application. Each system was submitted to a fault injection campaign emulating Single Event Upsets (SEUs). As fault targets it was selected the processor registers and the data memory. Finally, the analysis obtained with the experiments showed the different effects observed for the three levels of complexity. Besides that, the fault injector performance could be evaluated providing in the end a tool to help in the development of software-based fault injection techniques