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2009 | Buch

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Software-intensive verteilte Echtzeitsysteme

Fachtagung des GI/GMA-Fachausschusses Echtzeitsysteme (real-time) Boppard, 19. und 20. November 2009

herausgegeben von: Wolfgang A. Halang, Peter Holleczek

Verlag: Springer Berlin Heidelberg

Buchreihe : Informatik aktuell

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Mit seiner Jahrestagung 2009 bietet der GI/GMA-Fachauschuss Echtzeitsysteme (real-time) Wissenschaftlern, Nutzern und Herstellern ein Forum an, auf dem neue Trends und Entwicklungen aus dem Bereich „Software-intensive verteilte Echtzeitsysteme" vorgestellt werden. Abgedeckt werden folgende Themenbereiche: Methoden/Standards, Engineering/Werkzeuge, Verifizierbarkeit, Performance-Analyse, Debugging, Ressourcen-Management, Kommunikation sowie aktuelle Anwendungen.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

Kommunikation in verteilten Echtzeitsystemen

Ein Framework für echtzeitfähige Ethernet-Netzwerke

Zusammenfassung

Im Rahmen dieser Arbeit wird die Entwicklung eines formalen Framewoks vorgestellt, mit dessen Hilfe zwischen der Kompatibilität zum verbreiteten baumförmigen Standard-Ethernet und der Einhaltung von Echtzeitanforderungen einer automatisierten Anlage variiert werden kann. Damit kann bereits vor der Auswahl einer bestimmten Technologie eine Schedule der Echtzeit-Übertragungen offline kalkuliert und simuliert werden, sobald die Anforderungen der Geräte im industriellen Echtzeit-Netzwerk bekannt sind.

Ausgehend von einer stark vereinfachten Modellbildung werden in mehreren Schritten Verfeinerungen vorgenommen, die zukünftig eine nahtlose Integration in existierende industrielle Lösungen ermöglichen sollen.

Frank Dopatka

UniLoG — Ein System zur verteilten Lastgenerierung in Netzen

Zusammenfassung

Mit wachsender Komplexität moderner Kommunikations-und Informationssysteme gewinnen entsprechende Leistungsanalysen und Verhaltensprognosen unter verschiedenen Lastszenarien für solche Systeme zunehmend an Bedeutung. Der Bedarf nach universellen Werkzeugen zur Modellierung und Generierung von Lasten steigt somit auch kontinuierlich. In diesem Beitrag werden zunächst Szenarien aus der Netzpraxis dargestellt, in denen verteilte Lastgenerierung besonders nützlich ist. Auf dieser Basis werden typische Anforderungen eines Experimentators an ein verteiltes Lastgenerierungssystem identifiziert. Anschlißend wird der Aufbau eines konkreten Systems zur verteilten Lastgenerierung auf der Basis eines existierenden Lastgenerators UNILOG und sein Einsatz zur Untersuchung der Übertragungsqualität von H.264-codierten Videoströmen unter Hintergrundlast in einem IEEE 802.11g WLAN im Rahmen einer Fallstudie präsentiert.

Andrey Kolesnikov, Bernd E. Wolfinger, Martin Kulas

Planning of Time Triggered Communication Schedules

Abstract

Fieldbus systems like Profinet IRT use network technologies which are compatible with common office networks like Ethernet. In order to enable real-time communication, bandwidth reservation is used in these networks. The length of the reserved bandwidth depends on preplanned message schedules. It is an important task to minimise the reserved bandwith to allow additional non real-time communication in these networks and to get short communication cycles. In this paper a heuristic scheduling algorithm is presented. This paper is based on ongoing work and presents first results.

Olaf Graeser, Oliver Niggemann

Engineering-Werkzeuge für Echtzeitsysteme

Raum-Zeit-Constraints als Programmierabstraktion für Anwendungen in mobilen verteilten Systemen

Zusammenfassung

Dieser Beitrag führt eine Programmierabstraktion für Anwendungen in mobilen verteilten Systemen ein. Anwendungen solcher Systeme werden in realer Raum-Zeit abgearbeitet. Dabei werden nicht nur, wie in konventionellen Echtzeitsystemen üblich, zeitliche Bedingungen berücksichtigt. Es müssen zusätzlich räumliche beziehungsweise bewegungsspezifische Anforderungen eingehalten werden. Diese sollen durch Raum-Zeit-Constraints ausgedrückt werden. Die Programmierung derartiger Anwendungen nach dieser Programmierabstraktion wird anhand eines Beispiels demonstriert.

Martin Däumler, Dirk Müller, Matthias Werner

Formale Bestimmung von Systemparametern zum transparenten Scheduling virtueller Maschinen unter Echtzeitbedingungen

Zusammenfassung

Nicht nur im Bereich der Server-Konsolidierung, sondern auch innerhalb eingebetteter Systeme findet die Virtualisierung immer mehr Einzug. Dabei werden virtuelle Maschinen sehr häufig mit Hilfe eines Zeitscheibenverfahrens abwechselnd ausgeführt. Gerade der Bestimmung der Systemparameter, wie beispielsweise der Zeitscheibe, kommt dabei eine sehr große Bedeutung zu und stellt häufig ein Problem dar. Mit Hilfe unserer Verfahren ist es nun möglich, aus einer Menge gegebener Echtzeitsysteme ein neues Echtzeitsystem zu definieren, welches durch den Einsatz von Virtualisierungtechniken in der Lage ist, sämtliche Echtzeitsysteme in Form virtueller Maschinen auf einem Mikrokontroller auszuführen. Dabei bleiben die Echzeiteigenschaften der einzelnen Echtzeitsysteme erhalten.

Timo Kerstan, Daniel Baldin, Gunnar Schomaker

Methoden des Ressourcen-Managements

Anwendung von Methoden der Logistik und Netzplantechnik zur präzedenz- und ressourcenbeschränkten Ablaufplanung von Echtzeitsystemen

Zusammenfassung

Grundlegende Zusammenhänge zwischen Logistik, Netzplantechnik und Echtzeit sowie den zugehörigen Arten der Ablaufplanung und ihrer Nutzung werden dargestellt. Das Echtzeitprinzip beinhaltet Rechtzeitigkeit von Abläufen, wobei es für eine frühzeitige Beendigung eines Ablaufs keinen Bonus gibt; im Gegensatz zum verspäteten Ablauf, dessen Konsequenzen in der Regel negativ und unabschätzbar sind. Das Just-in-Time-Prinzip gleicht dem der Echtzeit und wird vor allem in der Logistik zur Bezeichnung reibungsloser Abläufe in Beschaffungsketten verwendet. In der Netzplantechnik werden die kritischen Aktivitäten binnen eines Projektes bestimmt, die nicht verzögert werden dürfen, um das Projekt rechtzeitig zu beenden. Außerdem haben die drei Bereiche noch eine Gemeinsamkeit: um realistische Ablaufszenarien darzustellen, müssen in den Analysen auch begrenzte Ressourcen angemessen berücksichtigt werden.

Roman Gumzej, Martin Lipičnik

Bienen-inspiriertes Straßenverkehrsrouting

Zusammenfassung

Verkehrsstaus verursachen hohe Kosten — in ökonomischer als auch in ökologischer Hinsicht. Verkehrsstaus können als verteilte und dynamische Probleme betrachtet werden, da keine zentrale Regelinstanz, sondern im Gegenteil jeder Fahrer (im Wesentlichen unabhängig voneinander) über den Beginn und die Strecke der Fahrt selbst entscheidet. Wir argumentieren, dass ein adäquater Lösungsansatz zur Stauvermeidung (sowie zur Minimierung von Reisezeiten und Umweltbelastung) auf globale Informationen verzichten muss, um auf dynamische Änderungen des Verkehrsaufkommen in Echtzeit reagieren zu können, in Straßenverkehrsnetzen realistischer Größe. In diesem Beitrag wird das verteilte Routingsystem BeeJamA in seiner Weiterentwicklung als Vehicleto-Infrastructure (V21) Architektur beschrieben, zur inzwischen erfolgenden realitätsnahen Evaluierung im MATSim Simulator.

Sebastian Senge, Sebastian Lehnhoff, Anca M. Lazarescu

Studentische Beiträge

Schichtübergreifende Früherkennung von Verbindungsausfällen in drahtlosen Mesh-Netzwerken

Zusammenfassung

Drahtlose Mesh-Netzwerke (WMNs) bilden aufgrund ihrer Selbstorganisation ein flexibles Kommunikationssystem. Bei der Erkennung einzelner Verbindungsausfälle, die bei der Integration mobiler Teilnehmer unvermeidbar sind, ist bei aktuellen Routingprotokollen die Kommunikation jedoch für mehrere Sekunden unterbrochen. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie durch Nutzung von Informationen aus der MAC-Schicht ein Ausfall frühzeitig erkannt und dadurch die Anzahl der Paketverluste von mehreren Hundert auf maximal vier reduziert werden kann. Hierdurch wird die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit von WMNs erhöht und ihr Einsatz für Echtzeit-Anwendungen ermöglicht.

Timo Lindhorst

Konzept zur Übertragung von Daten in verteilten Echtzeitsystemen via Ethernet

Zusammenfassung

Immer höher werdende Datenraten und größer werdende Verteilung von Echtzeitsystemen lässt bestehende, parallele Bussysteme als Übertragungsmedium zwischen Rechnern schnell Grenzen erreichen. In einem Prototyp wird deshalb versucht, Echtzeitdaten mit Hilfe eines Kommunikationsmodells über Ethernet zu verteilen.

Werner Pirkl

Echtzeitfähigkeit des VxWorks Netzwerkstacks

Zusammenfassung

In der Echtzeitdatenverarbeitung war bisher eine ethernetbasierte Interprozessorkommunikation selten anzutreffen. Doch Ethernet hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt und scheint, zumindest für spezielle Szenarien oder den Low-Cost Sektor, eine einfach zu implementierende, aber flexible und vor allem kostengünstige Alternative zu bisherigen Systemen darzustellen. Vor dem Einsatz in einem kommerziellen Projekt sollte eine genaue Analyse der Echtzeitfähigkeit durchgeführt und zukünftige Risiken abgeschätzt werden. Dieser Artikel präsentiert einige Gedanken zur Thematik und führt diese kurz am Beispiel des VxWorks Netzwerkstacks aus.

Stefan Zeltner

Fertigungstechnische Anwendungen

Kommunikationsanforderungen an verteilte Echtzeitsysteme in der Fertigungsautomatisierung

Zusammenfassung

Kommunikationssysteme der Automatisierung müssen hohe zeitliche Anforderungen erfüllen, damit die entsprechenden industriellen Anwendungen realisiert werden können. Im Gegensatz zum IT-Bereich sind diese Anforderungen jedoch häufig nicht genau bekannt, was insbesondere beim Einsatz von drahtlosen Technologien Probleme bereiten kann1. In dieser Arbeit werden Verkehrsmuster einer realen Anlage aus dem Bereich der Fertigungsautomatisierung bestimmt. Die Zwischenankunfts- und Latenzzeiten einzelner Sensorund Aktorsignale ermöglichen Rückschlüsse auf zeitliche Anforderungen und Charakteristiken der untersuchten Anwendung. Im Anschluss werden die erzielten Erkenntnisse hinsichtlich ausgewählter Kommunikationsanforderungen analysiert und aktuell gültige Anforderungen von realen Automatisierungsanlagen abgeleitet. Weiterhin werden sie zukünftig zur Entwicklung realitätsnaher Simulationsmodelle genutzt.

Roman Just, Henning Trsek

XML-basierte Produkt- und Prozessdaten für die Leittechnik-Projektierung

Zusammenfassung

Für die Überwachung und Steuerung hochkomplexer Produktionsprozesse werden Prozessleitsysteme eingesetzt. Ständige Veränderungen zwingen Produktionsbetriebe wandlungsfähig zu sein. Entsprechend muss auch die Technik diese Flexibilität unterstützen. Jede Veränderung des Produktionsprozesses muss eingeplant, die Anlagen neu konfiguriert und projektiert werden. Dabei müssen auch neue Prozessbilder für die Bedien- und Steuerungssysteme erstellt werden. Am Fraunhofer IITB wurde ein Engineering-Framework entwickelt, das das Leitsystem automatisch projektiert und die zugehörige Prozessvisualisierung generiert. In diesem Beitrag wird das Modul vorgestellt, dass die Prozessabbilder erstellt. Neben der Visualisierung von Anlagen werden auch laufende Prozesse und bearbeitete Produkte dargestellt. So können beispielsweise Identsysteme mit der Leittechnik gekoppelt werden.

Miriam Schleipen

Leicht konfigurierbare Hardware-Abstraktionsschicht für flexible Automatisierung

Zusammenfassung

Energie- und Materialverbrauch, Qualität sowie Durchsatz werden heutzutage als die Parameter angesehen, die die Wirtschaftlichkeit einer Produktion wesentlich bestimmen. Sie zu optimieren ist daher eine zentrale Aufgabe der Entwicklung zukünftiger Fertigungsanlagen. Dieses Ziel lässt sich erreichen, indem der gesamte Fertigungsprozess über alle Schichten der Automatisierungspyramide (ERP, MES, Feld) flexibel und rekonfigurierbar gestaltet wird. Mit Hilfe des aktuellen Forschungsprojektes LK³S wird eine Agentenplattform entwickelt, die diese Optimierung und Flexibilität ermöglichen soll. Dieser Beitrag diskutiert das Design und die Entwicklung einer Hardware-Abstraktionsschicht der Feldebene, die alle von der Agentenplattform benötigten Dienste bereitstellt und die die Verbindung zwischen Arbeitsaufträgen und Automatisierungsprimitiven herstellt, z. B. die Montage eines Reifens durch einen Roboter. Automatisierungsprimitiven bestehen aus einer Folge von elementaren Operationen, womit sie auf unterster Ebene unter Einhaltung aller Echtzeitvorgaben parallelisiert werden können. Sie haben eine ähnliche Bedeutung wie Mikrocode für CPUs. Selbst zur Laufzeit können neue Automatisierungsprimitiven in der Feldebene definiert, übertragen, aktiviert und entfernt werden.

Uwe Schmidtmann, Gerhard Kreutz, Matthias Barkhoff, Kristian Virkus, Tobias Stöckmann, Marcel Jovic

Performance-Analyse und Debugging

Universeller hybrider Systembeobachter für Echtzeitsysteme

Zusammenfassung

Bei der Entwicklung von Echtzeitbetriebssystemen und Echtzeitanwendungen ist die Verfolgung der logischen und zeitlichen Abläufe von hoher Bedeutung für Fehlersuche und Verifikation. Die Abläufe sind mit minimaler Beeinflussung des Zielsystems zu erfassen, um realistische Werte zu erhalten, wofür sich hybride Systemmonitore als geeignet erwiesen haben. Der Beitrag stellt den flexiblen Systembeobachter OSOBS vor, der neben der Aufzeichnung der Abläufe in der Software auch die Erfassung von Ereignissen im angesteuerten System ermöglicht. Er vereinfacht dadurch die Analyse der Daten und ermöglicht weitergehende Untersuchungen als bisherige Ansätze. Der Beitrag stellt sowohl die entwickelte Hardware als auch die Instrumentierung und die Analysesoftware vor, präsentiert mit dem System gewonnene Messdaten und diskutiert die Effizienz des Systems.

Bj:orn Pietsch

Echtzeitverhalten durch die Verwendung von CPU Stubs: Eine Erweiterung von Dynamic Performance Stubs

Zusammenfassung

Dynamic Performance Stubs realisieren ein Framework zur Simulation des Performanzverhaltens von Softwaremodulen und Funktionen. Sie können für eine Kosten-Nutzen-Analyse einer potentiellen Performanzoptimierung verwendet werden. Dies führt zu einer ergebnisorientierten Optimierung. Ebenso ist es möglich versteckte Flaschenhälse und die wichtigsten Optimierungskandidaten zu identifizieren. Dieser Bericht beschreibt CPU Stubs im Detail und evaluiert Einsatzmöglichkeiten, um CPU gebundene Flaschenhälse zu optimieren. Durch die Optimierung wird das Einhalten von harten oder weichen Echtzeitbedingungen ermöglicht.

Peter Trapp, Christian Facchi, Markus Meyer

Protokollanalyse und Informationsflussverfolgung zur Fehlerdiagnose in verteilten Echtzeitsystemen

Zusammenfassung

Bei vernetzten wertdiskreten Echtzeitsystemen treten in der Praxis Fehler auf, obwohl die einzelnen Komponenten fehlerfrei funktionieren. Automatisierte Testverfahren helfen solche Fehler zu entdecken. Zur Beschreibung der Testfälle solcher Systeme wird der zeitbehaftete Ursache-Wirkungs- Graph verwendet.

Mit den graphischen Testfällen wird der Informationsfluss im verteilten System verfolgt und auf Inhalt und Zeitbedingungen überprüft. Somit können die Knoten lokalisiert werden, die an einem Fehlverhalten beteiligt sind. Bei der erweiterten Informationsflussverfolgung greift das Verfahren auf die Konfigurationsdaten des Testobjektes zurück. Mit symbolischen Testplandaten und der Filterung der Rohdaten wird die Informationsflussverfolgung auf einem hohen Abstraktionsniveau durchgeführt. Die Fehlersuche wird durch Darstellungen des Busverkehrs mittels Ereignisliste und Impulsdiagramm wesentlich erleichtert.

Eugen Noak, Silvije Jovalekic, Heinrich Grochowski

Titel: Software-intensive verteilte Echtzeitsysteme
herausgegeben von: Wolfgang A. Halang
Peter Holleczek
Verlag: Springer Berlin Heidelberg
Electronic ISBN: 978-3-642-04783-1
Print ISBN: 978-3-642-04782-4
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-642-04783-1