Framework agnóstica à plataforma para injeção de falhas e análise de resposta em sistemas de criticidade mista

Abstract

A crescente procura por maior desempenho computacional e eficiência de custos tem impulsionado o desenvolvimento de sistemas de criticidade mista e sistemas críticos para a segurança cada vez mais complexos. No entanto, o aumento da complexidade destes sistemas torna-os mais suscetíveis a perturbações e desvios no fluxo de execução. Estes sistemas devem cumprir princípios de fiabilidade e requisitos de segurança funcional que garantam o correto funcionamento do sistema, incluindo a interação adequada com os periféricos, motivando a necessidade de técnicas sistemáticas de validação. Para a sua avaliação, podem ser realizados testes através da introdução intencional de falhas e da observação dos seus efeitos no comportamento do sistema. A Injeção de Falhas (FI) é uma técnica que consiste na introdução controlada de falhas ao nível do bit em pontos específicos da execução. Estas campanhas de injeção de falhas podem ser realizadas recorrendo a representações virtuais do hardware alvo, permitindo uma avaliação sistemática, repetível e não intrusiva, sem necessidade de hardware. A Injeção de Falhas Baseada em Simulação (SFI) constitui uma abordagem eficaz para a realização de campanhas de injeção de falhas, uma vez que emula de forma próxima o comportamento real do sistema e permite a injeção controlada e a avaliação das respostas do sistema, sem necessidade da produção de hardware. Esta dissertação propõe uma estrutura de injeção de falhas independente da plataforma e não intrusiva, integrada no emulador QEMU, para a avaliação de mecanismos de tolerância a falhas em sistemas de criticidade mista. O desenho da estrutura facilita a integração de novas arquiteturas de CPU, mantendo simultaneamente um modelo operacional uniforme e independente da arquitetura. Atualmente, suporta arquiteturas ARM e RISC-V. A abordagem proposta explora o mecanismo de tradução binária do QEMU em conjunto com o GNU Debugger (GDB), de forma a permitir a injeção de falhas com elevada precisão ao nível da instrução, proporcionando um controlo preciso tanto sobre a localização da injeção como sobre o instante de ativação durante a execução do programa. Através da manipulação da fase de tradução do QEMU, bem como dos mecanismos utilizados para otimizar a execução em tempo de execução, a estrutura permite a injeção de falhas em qualquer estado da CPU de forma precisa e controlável, garantindo a repetibilidade e produzindo comportamentos defeituosos que se aproximam de cenários reais.

Growing demand for computational performance and cost efficiency has driven the development of increasingly complex safety-critical and mixed-criticality systems. However, the growing complexity of these systems makes such systems more susceptible to disturbances and control-flow deviations. These systems must comply with reliability primitives and functional safety requirements that ensure the correct functionality of the system, including proper interaction with peripherals, motivating the need for systematic validation techniques. To evaluate it, tests can be performed by intentionally introducing faults and observing their effects on system behaviour. Fault Injection (FI) is a technique that consists of introducing controlled bit-level faults at specific execution points. These fault injection campaigns can be carried out using virtual representations of the target hardware, allowing systematic, repeatable, and non-intrusive evaluation without the need for hardware. Simulation-Based Fault Injection (SFI) is an effective approach for conducting fault injection campaigns, as it closely emulates real system behaviour and enables controlled fault injection and assessment of system responses without the need for physical hardware production. This dissertation proposes a platform-agnostic and non-intrusive fault injection framework integrated into the QEMU emulator for evaluating fault-tolerance mechanisms in mixed-criticality systems. The framework design facilitates the integration of new CPU architectures while maintaining a uniform and architecture-independent operational model. Currently, it supports both ARM and RISC-V architectures. The proposed approach exploits QEMU’s binary translation mechanism in combination with the GNU Debugger (GDB) to enable fault-injection precision at the instruction level, providing fine-grained control over both the injection location and the triggering instant during program execution. By manipulating the QEMU translation phase as well as mechanisms used to optimize the execution at runtime, the framework enables fault injection at any CPU state in a precise and controllable manner, ensuring repeatability and producing faulty behaviors that closely resemble real-world scenarios.