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Dokument Type: Doctoral Thesis
Title: Execution environment for integrated real-time systems based on software-defined networking
Other Titles: Ausführungsumgebung für integrierte Echtzeitsysteme basierend auf Software-definierter Vernetzung
Authors: Fang, Hongjie 
Institute: Institut für Praktische und Technische Informatik 
Department Elektrotechnik - Informatik 
Fakultät IV - Naturwissenschaftlich-Technische Fakultät 
Free keywords: Integrated System, Software-Defined Networking, Real-time System, Virtual Networking
Dewey Decimal Classification: 004 Informatik
GHBS-Clases: TUH
TWIH
Issue Date: 2019
Publish Date: 2020
Abstract: 
Heute gibt es eine breite Palette von Industriesystemen, die auf föderierten
Architekturen basieren, was bedeutet, dass jeder Rechenknoten im System ausschließlich
einer Funktion zugeordnet ist. Aufgrund der zunehmenden Rechenleistung
eines einzelnen Prozessors und der zunehmenden Anzahl von Rechenprozessoren
auf einer einzigen Plattform wurde umfangreiche Forschung zur Integration
mehrerer Funktionen mit unterschiedlichen Kritikalitätsstufen auf einer gemeinsamen
Plattform durchgeführt. So hat sich beispielsweise im Bereich der Avionik
der Entwicklungstrend von föderierten zu integrierten Architekturen verlagert. Der
ARINC 653 Standard wurde veröffentlicht, der die Ausführungsumgebung für das
Hosting mehrerer Avionik-Softwarefunktionen in einem einzigen Rechenknoten
definiert. ARINC 653 wurde erfolgreich implementiert (z.B. Airbus A380) und erreichte
seine primären Ziele (Kosten- und Gewichtsreduzierung, modulare Zertifizierung
möglich).

Die bestehenden Ausführungsumgebungen auf Basis einer integrierten Architektur
unterstützen jedoch nur statische Systemkonfigurationen. In bestimmten Bereichen
wie der Bahnindustrie ist eine dynamische Systemanpassung zur Laufzeit erforderlich,
die sowohl die Anwendungsausführungsumgebung als auch die Datenkommunikationsmechanismen
betrifft. In dieser Dissertation liegt unser Fokus auf einer
Ausführungsumgebung, die auf einer integrierten Architektur basiert, die die sichere
Integration von mixed-criticality-Anwendungen garantiert und auch das Problem
der Systemrekonfiguration angeht.

Um die Forschungslücke zu schließen, stellen wir eine Ausführungsumgebung
für integrierte Echtzeitanwendungen vor, indem wir das Paradigma des Software-
Defined Networking (SDN) nutzen. Wir erweitern die zeitlichen und räumlichen
Isolations-mechanismen von der Anwendungsschicht auf die Ausführungsumgebung,
so dass sich die integrierten Anwendungen den Rechenknoten störungsfrei
teilen. Für die Datenkommunikation der integrierten Anwendungen schlagen wir
einen virtuellen Switch vor, der die zeitliche und räumliche Isolation zwischen den
Datenflüssen unterstützt und das SDN-Paradigma nutzt, um die Rekonfigurationsanforderungen
der Datenflüsse zu erfüllen. Darüber hinaus befassen wir uns auch mit
dem kontrollierten Import und Export von Nachrichten zwischen Datenflüssen im
vorgeschlagenen virtuellen Switch. Für die deterministischen Kommunikationsanforderungen
von harten Echtzeitanwendungen schlagen wir einen virtuellen Switch
vor, der IEEE 802.1Qbv und IEEE 802.1Qci nach dem Time Sensitive Networking
(TSN)-Standard ist, um die Forschungslücke des virtuellen Switchings zu schließen,
das eine begrenzte Verzögerung mit geringem Jitter in einer integrierten Architektur
garantiert.

In den Proof-of-Concept-Implementierungen zeigen wir die Nicht-Interferenz
zwischen Anwendungen in der Ausführungsumgebung durch Fehlerinjektion. In
unseren Virtual-Switch-Demonstratoren bewerten wir die grundlegenden Isolationsmechanismen
und den Determinismus des Message-Switching, während wir den
verursachten Overhead für die Nachrichtenübertragung sowie den kontrollierten
Datenaustausch messen, wobei der gemessene Overhead im vorgeschlagenen Virtual-
Switch weniger als 10 μs beträgt.

Today there exists a wide range of industrial systems that are based on federated
architectures, which means that the each computing node in the system is exclusively
assigned to one function. Due to the increasing computing capability of a single
processor and the increasing amount of computing processors on a single platform,
extensive research on integrating multiple functions with different criticality levels
on a shared platform was carried out. For example, in the avionic domain, the
development trend has moved from federated to integrated architectures. The ARINC
653 standard was released, which defines the execution environment for hosting
several avionic software functions within a single computing node. ARINC 653 was
successfully implemented (e.g., Airbus A380) and achieved its primary goals (cost
and weight reduction, enabling modular certification).

However, the existing execution environments based on an integrated architecture
support only static system configurations. In specific domains like the railway
industry, dynamic system adaptation is required during runtime, which affects both
the application execution environment and the data communication mechanisms. In
this dissertation, our focus is on an execution environment based on an integrated
architecture, which guarantees the safe integration of mixed-criticality applications
and also addresses the system reconfiguration problem.

In order to close the research gap, we introduce an execution environment for
integrated real-time applications by leveraging the Software-Defined Networking
(SDN) paradigm. We extend the temporal and spatial isolation mechanisms from the
application layer to the execution environment, so that the integrated applications
share the computing node without interference. For the data communication of
the integrated applications, we propose a virtual switch supporting temporal and
spatial isolation between data flows and leverage the SDN paradigm to address the
reconfiguration requirements of data flows. Besides, we also address the controlled
import and export of messages between data flows in the proposed virtual switch.
For the deterministic communication requirements of hard real-time applications, we
propose a virtual switch that is IEEE 802.1Qbv and IEEE 802.1Qci capable according
to the Time Sensitive Networking (TSN) standard, in order to close the research gap
of virtual switching guaranteeing bounded delay with low jitter in an integrated
architecture.

In the proof-of-concept implementations, we demonstrate the non-interference
between applications in the execution environment by fault injection. In our virtual
switch demonstrators, we evaluate the fundamental isolation mechanisms and determinism
of message switching, while measuring the caused overhead for message
transmission as well as controlled data exchange, where the measured overhead in
the proposed virtual switch is less than 10 μs.
DOI: http://dx.doi.org/10.25819/ubsi/3194
URN: urn:nbn:de:hbz:467-16514
URI: https://dspace.ub.uni-siegen.de/handle/ubsi/1651
License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
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