A framework for mixed-criticality partitioned real-time embedded systems

Los sistemas empotrados son cada día más comunes y complejos, de modo que encontrar procesos seguros, eficaces y baratos de desarrollo software dirigidos específicamente a esta clase de sistemas es más necesario que nunca. A diferencia de lo que ocurría hasta hace poco, en la actualidad los avances tecnológicos en el campo de los microprocesadores de los últimos tiempos permiten el desarrollo de equipos con prestaciones más que suficientes para ejecutar varios sistemas software en una única máquina. Además, hay sistemas empotrados con requisitos de seguridad (safety) de cuyo correcto funcionamiento depende la vida de muchas personas y/o grandes inversiones económicas. Estos sistemas software se diseñan e implementan de acuerdo con unos estándares de desarrollo software muy estrictos y exigentes. En algunos casos puede ser necesaria también la certificación del software. Para estos casos, los sistemas con criticidades mixtas pueden ser una alternativa muy valiosa. En esta clase de sistemas, aplicaciones con diferentes niveles de criticidad se ejecutan en el mismo computador. Sin embargo, a menudo es necesario certificar el sistema entero con el nivel de criticidad de la aplicación más crítica, lo que hace que los costes se disparen. La virtualización se ha postulado como una tecnología muy interesante para contener esos costes. Esta tecnología permite que un conjunto de máquinas virtuales o particiones ejecuten las aplicaciones con unos niveles de aislamiento tanto temporal como espacial muy altos. Esto, a su vez, permite que cada partición pueda ser certificada independientemente. Para el desarrollo de sistemas particionados con criticidades mixtas se necesita actualizar los modelos de desarrollo software tradicionales, pues estos no cubren ni las nuevas actividades ni los nuevos roles que se requieren en el desarrollo de estos sistemas. Por ejemplo, el integrador del sistema debe definir las particiones o el desarrollador de aplicaciones debe tener en cuenta las características de la partición donde su aplicación va a ejecutar. Tradicionalmente, en el desarrollo de sistemas empotrados, el modelo en V ha tenido una especial relevancia. Por ello, este modelo ha sido adaptado para tener en cuenta escenarios tales como el desarrollo en paralelo de aplicaciones o la incorporación de una nueva partición a un sistema ya existente. El objetivo de esta tesis doctoral es mejorar la tecnología actual de desarrollo de sistemas particionados con criticidades mixtas. Para ello, se ha diseñado e implementado un entorno dirigido específicamente a facilitar y mejorar los procesos de desarrollo de esta clase de sistemas. En concreto, se ha creado un algoritmo que genera el particionado del sistema automáticamente. En el entorno de desarrollo propuesto, se han integrado todas las actividades necesarias para desarrollo de un sistema particionado, incluidos los nuevos roles y actividades mencionados anteriormente. Además, el diseño del entorno de desarrollo se ha basado en la ingeniería guiada por modelos (Model-Driven Engineering), la cual promueve el uso de los modelos como elementos fundamentales en el proceso de desarrollo. Así pues, se proporcionan las herramientas necesarias para modelar y particionar el sistema, así como para validar los resultados y generar los artefactos necesarios para el compilado, construcción y despliegue del mismo. Además, en el diseño del entorno de desarrollo, la extensión e integración del mismo con herramientas de validación ha sido un factor clave. En concreto, se pueden incorporar al entorno de desarrollo nuevos requisitos no-funcionales, la generación de nuevos artefactos tales como documentación o diferentes lenguajes de programación, etc. Una parte clave del entorno de desarrollo es el algoritmo de particionado. Este algoritmo se ha diseñado para ser independiente de los requisitos de las aplicaciones así como para permitir al integrador del sistema implementar nuevos requisitos del sistema. Para lograr esta independencia, se han definido las restricciones al particionado. El algoritmo garantiza que dichas restricciones se cumplirán en el sistema particionado que resulte de su ejecución. Las restricciones al particionado se han diseñado con una capacidad expresiva suficiente para que, con un pequeño grupo de ellas, se puedan expresar la mayor parte de los requisitos no-funcionales más comunes. Las restricciones pueden ser definidas manualmente por el integrador del sistema o bien pueden ser generadas automáticamente por una herramienta a partir de los requisitos funcionales y no-funcionales de una aplicación. El algoritmo de particionado toma como entradas los modelos y las restricciones al particionado del sistema. Tras la ejecución y como resultado, se genera un modelo de despliegue en el que se definen las particiones que son necesarias para el particionado del sistema. A su vez, cada partición define qué aplicaciones deben ejecutar en ella así como los recursos que necesita la partición para ejecutar correctamente. El problema del particionado y las restricciones al particionado se modelan matemáticamente a través de grafos coloreados. En dichos grafos, un coloreado propio de los vértices representa un particionado del sistema correcto. El algoritmo se ha diseñado también para que, si es necesario, sea posible obtener particionados alternativos al inicialmente propuesto. El entorno de desarrollo, incluyendo el algoritmo de particionado, se ha probado con éxito en dos casos de uso industriales: el satélite UPMSat-2 y un demostrador del sistema de control de una turbina eólica. Además, el algoritmo se ha validado mediante la ejecución de numerosos escenarios sintéticos, incluyendo algunos muy complejos, de más de 500 aplicaciones. ABSTRACT The importance of embedded software is growing as it is required for a large number of systems. Devising cheap, efficient and reliable development processes for embedded systems is thus a notable challenge nowadays. Computer processing power is continuously increasing, and as a result, it is currently possible to integrate complex systems in a single processor, which was not feasible a few years ago.Embedded systems may have safety critical requirements. Its failure may result in personal or substantial economical loss. The development of these systems requires stringent development processes that are usually defined by suitable standards. In some cases their certification is also necessary. This scenario fosters the use of mixed-criticality systems in which applications of different criticality levels must coexist in a single system. In these cases, it is usually necessary to certify the whole system, including non-critical applications, which is costly. Virtualization emerges as an enabling technology used for dealing with this problem. The system is structured as a set of partitions, or virtual machines, that can be executed with temporal and spatial isolation. In this way, applications can be developed and certified independently. The development of MCPS (Mixed-Criticality Partitioned Systems) requires additional roles and activities that traditional systems do not require. The system integrator has to define system partitions. Application development has to consider the characteristics of the partition to which it is allocated. In addition, traditional software process models have to be adapted to this scenario. The V-model is commonly used in embedded systems development. It can be adapted to the development of MCPS by enabling the parallel development of applications or adding an additional partition to an existing system. The objective of this PhD is to improve the available technology for MCPS development by providing a framework tailored to the development of this type of system and by defining a flexible and efficient algorithm for automatically generating system partitionings. The goal of the framework is to integrate all the activities required for developing MCPS and to support the different roles involved in this process. The framework is based on MDE (Model-Driven Engineering), which emphasizes the use of models in the development process. The framework provides basic means for modeling the system, generating system partitions, validating the system and generating final artifacts. The framework has been designed to facilitate its extension and the integration of external validation tools. In particular, it can be extended by adding support for additional non-functional requirements and support for final artifacts, such as new programming languages or additional documentation. The framework includes a novel partitioning algorithm. It has been designed to be independent of the types of applications requirements and also to enable the system integrator to tailor the partitioning to the specific requirements of a system. This independence is achieved by defining partitioning constraints that must be met by the resulting partitioning. They have sufficient expressive capacity to state the most common constraints and can be defined manually by the system integrator or generated automatically based on functional and non-functional requirements of the applications. The partitioning algorithm uses system models and partitioning constraints as its inputs. It generates a deployment model that is composed by a set of partitions. Each partition is in turn composed of a set of allocated applications and assigned resources. The partitioning problem, including applications and constraints, is modeled as a colored graph. A valid partitioning is a proper vertex coloring. A specially designed algorithm generates this coloring and is able to provide alternative partitions if required. The framework, including the partitioning algorithm, has been successfully used in the development of two industrial use cases: the UPMSat-2 satellite and the control system of a wind-power turbine. The partitioning algorithm has been successfully validated by using a large number of synthetic loads, including complex scenarios with more that 500 applications.

Conservation of Computational Scientific Execution Environments for Workflow-based Experiments Using Ontologies

La reproducibilidad de estudios y resultados científicos es una meta a tener en cuenta por cualquier científico a la hora de publicar el producto de una investigación. El auge de la ciencia computacional, como una forma de llevar a cabo estudios empíricos haciendo uso de modelos matemáticos y simulaciones, ha derivado en una serie de nuevos retos con respecto a la reproducibilidad de dichos experimentos. La adopción de los flujos de trabajo como método para especificar el procedimiento científico de estos experimentos, así como las iniciativas orientadas a la conservación de los datos experimentales desarrolladas en las últimas décadas, han solucionado parcialmente este problema. Sin embargo, para afrontarlo de forma completa, la conservación y reproducibilidad del equipamiento computacional asociado a los flujos de trabajo científicos deben ser tenidas en cuenta. La amplia gama de recursos hardware y software necesarios para ejecutar un flujo de trabajo científico hace que sea necesario aportar una descripción completa detallando que recursos son necesarios y como estos deben de ser configurados. En esta tesis abordamos la reproducibilidad de los entornos de ejecución para flujos de trabajo científicos, mediante su documentación usando un modelo formal que puede ser usado para obtener un entorno equivalente. Para ello, se ha propuesto un conjunto de modelos para representar y relacionar los conceptos relevantes de dichos entornos, así como un conjunto de herramientas que hacen uso de dichos módulos para generar una descripción de la infraestructura, y un algoritmo capaz de generar una nueva especificación de entorno de ejecución a partir de dicha descripción, la cual puede ser usada para recrearlo usando técnicas de virtualización. Estas contribuciones han sido aplicadas a un conjunto representativo de experimentos científicos pertenecientes a diferentes dominios de la ciencia, exponiendo cada uno de ellos diferentes requisitos hardware y software. Los resultados obtenidos muestran la viabilidad de propuesta desarrollada, reproduciendo de forma satisfactoria los experimentos estudiados en diferentes entornos de virtualización. ABSTRACT Reproducibility of scientific studies and results is a goal that every scientist must pursuit when announcing research outcomes. The rise of computational science, as a way of conducting empirical studies by using mathematical models and simulations, have opened a new range of challenges in this context. The adoption of workflows as a way of detailing the scientific procedure of these experiments, along with the experimental data conservation initiatives that have been undertaken during last decades, have partially eased this problem. However, in order to fully address it, the conservation and reproducibility of the computational equipment related to them must be also considered. The wide range of software and hardware resources required to execute a scientific workflow implies that a comprehensive description detailing what those resources are and how they are arranged is necessary. In this thesis we address the issue of reproducibility of execution environments for scientific workflows, by documenting them in a formalized way, which can be later used to obtain and equivalent one. In order to do so, we propose a set of semantic models for representing and relating the relevant information of those environments, as well as a set of tools that uses these models for generating a description of the infrastructure, and an algorithmic process that consumes these descriptions for deriving a new execution environment specification, which can be enacted into a new equivalent one using virtualization solutions. We apply these three contributions to a set of representative scientific experiments, belonging to different scientific domains, and exposing different software and hardware requirements. The obtained results prove the feasibility of the proposed approach, by successfully reproducing the target experiments under different virtualization environments.

Virtualización de laboratorios

Para empezar, se ha hecho un análisis de las diferentes posibilidades que se podían implementar para poder conseguir el objetivo del trabajo. El resultado final debe ser, disponer de máquinas para que el sistema operativo fuese independiente del hardware que se tiene instalado en él . Para ello, se decide montar un sistema operativo de base en todos los equipos del laboratorio, que tenga las necesidades mínimas que se necesitan, las cuales son una interfaz gráfica y conexión de red. Hay que intentar reducir el consumo de recursos al máximo con este sistema operativo mínimo para que el rendimiento de las máquinas sea lo más fluido posible para los usuarios. El sistema elegido fue Linux con su distribución Ubuntu [ubu, http] con los módulos mínimos que permita funcionar el software necesario. Una vez se instala el sistema operativo anfitrión, se instala el escritorio Xfce [ubu2, http], que es el más ligero de Ubuntu, pero que proporciona buen rendimiento. Después, se procedió a instalar un software de virtualización en cada equipo. En este caso se decidió, por las buenas prestaciones que ofrecía, que fuera VirtualBox [vir2,http] de Oracle. Sobre éste software se crean tantas máquinas virtuales (con sistema operativo Windows) como asignaturas diferentes se cursan en el laboratorio donde se trabaje. Con esto, se consigue que al arrancar el programa los alumnos pudieran escoger qué máquina arrancar y lo que es más importante, se permite realizar cualquier cambio en el hardware (exceptuando el disco duro porque borraría todo lo que se tuviera guardado). Además de no tener que volver a reinstalar el sistema operativo nuevamente, se consigue la abstracción del software y hardware. También se decide que, para tener un respaldo de las máquinas virtuales que se tengan creadas en VirtualBox, se utiliza un servidor NAS. Uno de los motivos de utilizar dicho servidor fue por aprovechar una infraestructura ya creada. Un servidor NAS da la posibilidad de recuperar cualquier archivo (máquina virtual) cuando haga falta porque haya alguna máquina virtual corrupta en algún equipo, o en varios. Este tipo de servidor tiene la gran ventaja de ser multicast, es decir, permite solicitudes simultáneas. ABSTRACT For starters, there has been an analysis of the different possibilities that could be implemented to achieve the objective of the work. This objective was to have machines for the operating system to be independent of the hardware we have installed on it. Therefore, we decided to create an operating system based on all computers in the laboratory, taking the minimum needs we need. This is a graphical interface and network connection. We must try to reduce the consumption of resources to the maximum for the performance of the machines is as fluid as possible for users. The system was chosen with its Ubuntu Linux distribution with minimum modules that allow us to run software that is necessary for us. Once the base is installed, we install the Xfce desktop, which is the lightest of Ubuntu, but which provided good performance. Then we proceeded to install a virtualization software on each computer. In this case we decided, for good performance that gave us, it was Oracle VirtualBox. About this software create many virtual machines (Windows operating system) as different subjects are studied in the laboratory where we are. With that, we got it at program startup students could choose which machine start and what is more important, allowed us to make any changes to the hardware (except the hard drive because it would erase all we have). Besides not having to reinstall the operating system again, we get the software and hardware abstraction. We also decided that in order to have a backup of our virtual machines that we created in VirtualBox, we use a NAS server. One reason to use that server was to leverage their existing network infrastructure. A NAS server gives us the ability to retrieve any file (image) when we do need because there is some corrupt virtual machine in a team, or several. This is possible because this type of server allows multicast connection.

Diseño e implementación de una solución de VoIP en un entorno empresarial

El desarrollo de las redes IP ha marcado un creciente interés por unificar todas las comunicaciones sobre una misma infraestructura aprovechando así el cableado existente. Con esta idea nació la tecnología conocida como VoIP (Voice Over Internet Protocol) que consiste en la trasmisión de la voz sobre paquetes IP. El objetivo principal de este proyecto es el diseño e implementación de una infraestructura de voz sobre IP que utilice una red de datos existente. La primera parte del proyecto estará formada por un estudio detallado de los factores que influyen en esta tecnología: codecs, protocolos y otros factores a tener en cuenta. Tras esta parte, aprovechando la experiencia adquirida durante casi tres años en una empresa integradora de servicios, se realizará un caso de estudio en el que, bajo las premisas impuestas por un supuesto cliente, se diseñará una solución que cumpla todos los requisitos y aporte un valor añadido sobre el sistema de telefonía que posee el cliente. El diseño de la mejor solución se hará utilizando productos del fabricante Cisco Systems y, además del coste económico, se valorarán los esfuerzos personales que costará montar dicha solución, incluyendo un valor añadido como es el dotar de buzón de voz y mensajería a todos los usuarios. La última parte del caso de estudio consistirá en la implementación de la infraestructura anteriormente diseñada adquiriendo conocimientos sobre virtualización de servidores utilizando productos de la compañía VMWare (especialista en virtualización), instalación y parametrización de aplicativos de Cisco y, finalmente, la interconexión con la red pública a través de gateways para poder hacer llamadas al exterior. El proyecto finalizará con la presentación de unas conclusiones finales y la exposición de unas líneas futuras de trabajo. ABSTRACT. The IP network development has marked a growing interest in unifying all communications over the same infrastructure taking advantage of the existing wiring. From this idea, a technology was born known as VoIP (Voice Over Internet Protocol) which consists of the transmission of voice packets over the IP network. The main goal of this project is the design and implementation of a VoIP infrastructure for transmitting voice packets over the existing wired network infrastructure on the client. The first part of the project will consist of a detailed study of the factors influencing this technology: codecs, protocols, and other factors to consider. After this part, drawing on the experience gained during nearly three years in an integrated services company, a case study will be made under the premises imposed for a supposed client. A solution that serves all the requirements will be designed and provide an added value on the customer’s telephone system. The design of the best solution will be done using Cisco Systems products and besides the economic cost of the whole solution, the personal effort cost will be valued. The added value named before will be provided with two important applications such as voice mail and instant messaging for all users. The last part of the case study will consist in the implementation of an infrastructure designed to acquire knowledge about virtualization, using VMWare company products (specialist in virtualization), installation and configuration of applications from Cisco Systems and finally the interconnection with the public network through gateway routers in order to make external calls. The project will end with the presentation of final conclusions and exposing future working lines.

Plataformas de ejercicios de ciberseguridad

El objetivo principal de este proyecto es estudiar, desde un punto de vista práctico, las posibilidades que ofrece la plataforma de ejercicios de ciberseguridad propuesta por la Universidad de Rhode Island en Estado Unidos, denominada Open Cyber Challenge Platform (OCCP); para ello primero nos ubicaremos dentro del campo de la ciberseguridad, estudiando porqué este área está tomando tanta relevancia, observando datos de estudios reales realizados por instituciones de prestigio, al mismo tiempo estudiaremos la tendencia actual y futura de los ciberataques. Seguidamente, analizaremos el estado del arte de la enseñanza en ciberseguridad y como se está enfocando por parte de las universidades y empresas más importantes en el sector. En esta parte del sector se está imponiendo una novedosa forma para desarrollar el aprendizaje tanto práctico como teórico basada en simular situaciones reales mediante escenarios virtuales. Una vez vistas otras opciones, nos centraremos en OCCP, podremos estudiar el estado de desarrollo de esta plataforma, la situación actual y las principales características. Además detallaremos el primer escenario propuesto por ellos mismos, estudiando los principales componentes, la topología de la red virtual de la empresa virtualizada, los principales ficheros de configuración, e incluso la montaremos y ejecutaremos y podremos observar como el equipo rojo ataca el servidor web de la empresa que lo tiene que proteger el equipo azul y consigue que la web deje de funcionar. También incluiremos una guía de instalación del escenario para que el lector pueda probar con su propio ordenador las posibilidades de esta plataforma. VirtualBox es un programa gratuito de virtualización perteneciente a la empresa Oracle. Más adelante estudiaremos este programa centrándonos en el servicio web ofrecido por VirtualBox ya que es utilizado por la plataforma Open Cyber Challenge Platform como virtualizador o hipervisor. Podremos ver como suelen funcionar los servicios web de este tipo en general y después nos centraremos principalmente en el archivo descriptivo de las interfaces que ofrece esta plataforma. Finalmente, resumiremos los resultados y conclusiones proponiendo un trabajo futuro ya que como hemos dicho esta plataforma está en estado de desarrollo y seguramente al final de la lectura del proyecto incluso el lector se haya podido percatar del potencial tan elevado que tiene una plataforma de este estilo. ABSTRACT. The main objective of this project is to study, from a practical standpoint the possibilities offered by the cybersecurity exercises platform proposed by the University of Rhode Island in United States, called Cyber Challenge Open Platform (OCCP); therefore we will place first in the field of cybersecurity, studying why this area is taking so much relevance, watching real data studies by prestigious institutions and the current and future trend of cyber-attacks. Then, we will discuss the state of the art of teaching cybersecurity and how universities and major companies in the sector are focusing to reach the aims among students or workers. In this part of the sector it is increasing the popularity of a new way to develop both practical and theoretical learning based on simulating real situations through virtual scenarios. Once seen other options, we will focus on OCCP, we can study the state of development of this platform, the current situation and main characteristics. In addition we will detail the first proposed scenario by the very own university, studying the main components, the topology of the virtual network virtualized enterprise, the main configuration files, and even we would mount and execute it. We will see how the red team attacks the web server of the company and get it thrown out. At the same time the blue team will have to protect it. We will also include an installation guide of the scenario so that the reader can test in their own computer the possibilities of this tool. VirtualBox is a free virtualization program belonging to the Oracle enterprise. Later on we will study this program focusing on the web service provided by VirtualBox because it is used by the Open Cyber Challenge Platform like hypervisor. We will see how this kind of web services work and then we will focus mainly on the descriptive file of the interfaces provided by this tool. Finally we summarize the results and conclusions proposing a future work since as we have said this platform is in the development stage and certainly at the end of reading the project even the reader may have realized of such high potential as would have a tool of this kind.