Linux und Software-Containern kommen in softwaredefinierten Fahrzeugen eine besondere Rolle zu. Worauf bei deren Einsatz zu achten ist, erklären Experten von Red Hat.
Das softwaredefinierte Fahrzeug wird zunehmend Realität.
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Fahrzeuge sind immer umfangreicher mit software-basierten Funktionen ausgestattet. Immer mehr Software kommt in immer kürzeren Innovationszyklen in die Fahrzeuge, die Aufwände für die Entwicklung und Pflege von Fahrzeugsoftware wachsen. Das Auto wird zum softwaredefinierten Pkw (software-defined vehicle; SDV). Eines der charakteristischsten Merkmale des SDV ist die geänderte Elektrik/Elektronik- oder E/E-Architektur.
In modernen Luxusfahrzeugen sind bis zu 100 verschiedene Steuergeräte (ECUs) verbaut, die über Bussysteme kommunizieren, die wiederum über Gateways und Zentralrechner untereinander verbunden sind, erklärt IBM-Experte Hans Windpassinger im Artikel Auf dem Weg zum softwaredefinierten Fahrzeug. Autohersteller haben nun begonnen, die Vielzahl einzelner ECUs durch wenige, dafür leistungsfähigere Steuereinheiten zu ersetzen. Die Folge ist eine zentralisiertere E/E-Architektur, die aus wenigen Hochleistungsrechnern (HPCs) besteht, die von kleineren ECUs für die Peripherie umgeben sind. Da diese kleineren ECUs verschiedenen Zonen im Fahrzeug zugeordnet sind, hat sich die Bezeichnung "zonale Architektur" etabliert. Die HPCs erlauben es nun, bewährte Lösungen aus der IT-Branche in den Pkw zu bringen.
Linux und Container im Fahrzeug
Zur Informationstechnik, die aus der IT-Branche ins Fahrzeug gebracht wird, gehören Virtualisierung und Software-Container. Dazu sind HPCs aber auch auf ein leistungsstarkes Betriebssystem angewiesen, wie zum Beispiel Linux. "Schon seit Längerem nutzen Ingenieure das Prinzip der Virtualisierung im Pkw. Nun beginnen erste Unternehmen, Software-Container ins Fahrzeug zu bringen. Auch Linux gewinnt an Bedeutung", so Windpassinger. Linux sei nicht nur die beste technische Basis für eine "Containerisierung" der Software, sondern auch wegen der Quellenoffenheit des Codes, die Flexibilität in der Nutzung sichert und eine Anbietersperre vermeidet, bei Autobauern geschätzt.
Software-Container sind eine bekannte Option, Software zu paketieren, um diese unabhängig von der Umgebung ausführbar zu machen. Software, die in einen Container gepackt ist, hat dort alle erforderlichen Komponenten, die sie zur Ausführung braucht – wie Libraries, Frameworks und andere Abhängigkeiten. "Container sind in der gesamten IT-Branche zum De-facto-Standard geworden und stehen im Mittelpunkt der Vision des softwaredefinierten Fahrzeugs", erklären die Red-Hat-Experten Harald Ruckriegel und Pierre-Yves Chibon. Sie sollen laut Ahsan Shamim, ebenfalls Red-Hat-Experte, die Isolierung von Anwendungen ermöglichen, mehr Flexibilität bei der Entwicklung und Bereitstellung bieten sowie generell schnellere Innovationen ermöglichen, wie er im ATZelektronik-Gastkommentar Mit Containerisierung zum softwaredefinierten Fahrzeug erläutert.
Spezifische Anforderungen der Autobranche
Beim Einsatz von Linux und Containern im Fahrzeug sind allerdings einige spezifische Anforderungen der Automobilbranche zu beachten, wie Ruckriegel und Chibon betonen. Zu den Schlüsselfaktoren bei der Entwicklung eines softwaredefinierten Fahrzeugs gehörten demnach nicht nur die Qualität, die Verfügbarkeit, die Zuverlässigkeit und die Sicherheit, sondern auch die funktionale Sicherheit.
Linux sei zwar weit verbreitet und getestet, das Qualitätsniveau hoch, doch ein Safety-Nachweis für alle im gesamten System zu berücksichtigenden Risiken müsse im Automotive-Segment noch erbracht werden. Zu beachten sei dabei, dass nicht jede im Fahrzeug eingesetzte Software dieselben Safety-Anforderungen erfüllen muss. "In der Regel gibt es eine Mischung von Safety-Stufen. Dies wird als 'gemischte Kritikalität' bezeichnet", so die Red-Hat-Experten. Und an diesem Punkt sollen Container ins Spiel kommen. "Sie ermöglichen es Systemen, mehrere Arten von Workloads und Anwendungen auszuführen, unabhängig davon, ob sie Safety-zertifiziert sind oder nicht", so Ruckriegel und Chibon. Diese Flexibilität mache Containertechnologien zu einer Lösung für die gemischte Kritikalität.
Das Container-Konzept wird laut der Red-Hat-Experten sehr häufig in verteilten Systemen verwendet, in denen viele lose gekoppelte und typischerweise geografisch verteilte Systeme in einem Cluster zusammengefasst sind. Für viele Anwendungsfälle seien verteilte Systeme, die nicht deterministisch sind, wegen der enormen Flexibilität und der dynamischen Eigenschaften eine Lösung. "Die Software in einem Auto ist aber in keiner Weise verteilt. Die Hardware ist fest installiert, das heißt, sie ändert sich nicht, während das Auto in Betrieb ist", so Ruckriegel und Chibon.
Kriterien für Container im Fahrzeug
Container, die im Fahrzeug verwendet werden, sollten laut der Red-Hat-Experten somit unter anderem folgende Kriterien erfüllen:
- Die Container sollten idealerweise analog zu Containern konzipiert sein, die etwa in der Cloud laufen. Dies sei sowohl für die Developer Experience als auch für die einfache und kosteneffiziente Durchführung von Tests in der Cloud wichtig.
- Die Container sollten im Hinblick auf die Ressourcennutzung effizient sein. Moderne Autos hätten im Vergleich zu älteren Fahrzeugen leistungsfähige Rechner, aber es gebe immer noch einige Ressourcenbeschränkungen.
- Es sollte unbedingt ein Container-Management vorhanden sein. Beispielsweise müssten die erforderlichen Container beim Starten des Fahrzeugs in der richtigen Reihenfolge gestartet werden, wobei auch die korrekte Funktionsweise der Container zu überwachen sei.
- Es sollte ein hohes Maß an Determinismus für fest installierte Hardware bestehen.
- Schließlich sollte das Container- und Managementsystem den Sicherheitsnachweis erbringen können, dass ein funktional sicherer Code in Containern an Bord eines Fahrzeugs ausgeführt wird.
Automobilbereich und Cloud vereinen
Welche konkreten Möglichkeiten bestehen nun für die Entwicklung, die Verwaltung und den Betrieb von Containern auf Linux-Systemen in einem Fahrzeug? Eine wichtige Funktion könne hier das Open-Source-Tool Podman als leistungsstarke Container-Laufzeit einnehmen, so die Red-Hat-Experten. Podman lasse sich gut mit Systemd integrieren, dem regulären Service-Manager in Red Hat Enterprise Linux. Wenn es um die Arbeit in der Cloud gehe, sei Kubernetes das Tool der Wahl.
Laut Red Hat wäre nun von Vorteil, wenn verfügbare Softwareanwendungen, Workflows und Konzepte, die für den Einsatz im Fahrzeug sinnvoll sind, integrierbar und wiederverwendbar wären. Ein Beispiel dafür liefere die Arbeit an Podman zur Unterstützung von Kubernetes-Anwendungsbeschreibungen in Verwendung mit Systemd. "Dies führt zu einer Kombination, bei der Kubernetes in der Cloud genutzt wird und die gleichen Kubernetes-Beschreibungen dann in einem Fahrzeug verwendet werden können, ohne den Overhead und die Komplexität von Kubernetes selbst", so Ruckriegel und Chibon. Sie betonen: Das ist der "erste Schritt, um das Beste aus beiden Welten zu vereinen: dem Automobilbereich und der Cloud".