Communication Middleware for Distributed Hard Real-Time Systems in Java

Distributed real-time embedded systems are becoming increasingly important to society. More demands will be made on them and greater reliance will be placed on the delivery of their services. A relevant subset of them is high-integrity or hard real-time systems, where failure can cause loss of life, environmental harm, or significant financial loss. Additionally, the evolution of communication networks and paradigms as well as the necessity of demanding processing power and fault tolerance, motivated the interconnection between electronic devices; many of the communications have the possibility of transferring data at a high speed. The concept of distributed systems emerged as systems where different parts are executed on several nodes that interact with each other via a communication network. Java’s popularity, facilities and platform independence have made it an interesting language for the real-time and embedded community. This was the motivation for the development of RTSJ (Real-Time Specification for Java), which is a language extension intended to allow the development of real-time systems. The use of Java in the development of high-integrity systems requires strict development and testing techniques. However, RTJS includes a number of language features that are forbidden in such systems. In the context of the HIJA project, the HRTJ (Hard Real-Time Java) profile was developed to define a robust subset of the language that is amenable to static analysis for high-integrity system certification. Currently, a specification under the Java community process (JSR- 302) is being developed. Its purpose is to define those capabilities needed to create safety critical applications with Java technology called Safety Critical Java (SCJ). However, neither RTSJ nor its profiles provide facilities to develop distributed realtime applications. This is an important issue, as most of the current and future systems will be distributed. The Distributed RTSJ (DRTSJ) Expert Group was created under the Java community process (JSR-50) in order to define appropriate abstractions to overcome this problem. Currently there is no formal specification. The aim of this thesis is to develop a communication middleware that is suitable for the development of distributed hard real-time systems in Java, based on the integration between the RMI (Remote Method Invocation) model and the HRTJ profile. It has been designed and implemented keeping in mind the main requirements such as the predictability and reliability in the timing behavior and the resource usage. iThe design starts with the definition of a computational model which identifies among other things: the communication model, most appropriate underlying network protocols, the analysis model, and a subset of Java for hard real-time systems. In the design, the remote references are the basic means for building distributed applications which are associated with all non-functional parameters and resources needed to implement synchronous or asynchronous remote invocations with real-time attributes. The proposed middleware separates the resource allocation from the execution itself by defining two phases and a specific threading mechanism that guarantees a suitable timing behavior. It also includes mechanisms to monitor the functional and the timing behavior. It provides independence from network protocol defining a network interface and modules. The JRMP protocol was modified to include two phases, non-functional parameters, and message size optimizations. Although serialization is one of the fundamental operations to ensure proper data transmission, current implementations are not suitable for hard real-time systems and there are no alternatives. This thesis proposes a predictable serialization that introduces a new compiler to generate optimized code according to the computational model. The proposed solution has the advantage of allowing us to schedule the communications and to adjust the memory usage at compilation time. In order to validate the design and the implementation a demanding validation process was carried out with emphasis in the functional behavior, the memory usage, the processor usage (the end-to-end response time and the response time in each functional block) and the network usage (real consumption according to the calculated consumption). The results obtained in an industrial application developed by Thales Avionics (a Flight Management System) and in exhaustive tests show that the design and the prototype are reliable for industrial applications with strict timing requirements. Los sistemas empotrados y distribuidos de tiempo real son cada vez más importantes para la sociedad. Su demanda aumenta y cada vez más dependemos de los servicios que proporcionan. Los sistemas de alta integridad constituyen un subconjunto de gran importancia. Se caracterizan por que un fallo en su funcionamiento puede causar pérdida de vidas humanas, daños en el medio ambiente o cuantiosas pérdidas económicas. La necesidad de satisfacer requisitos temporales estrictos, hace más complejo su desarrollo. Mientras que los sistemas empotrados se sigan expandiendo en nuestra sociedad, es necesario garantizar un coste de desarrollo ajustado mediante el uso técnicas adecuadas en su diseño, mantenimiento y certificación. En concreto, se requiere una tecnología flexible e independiente del hardware. La evolución de las redes y paradigmas de comunicación, así como la necesidad de mayor potencia de cómputo y de tolerancia a fallos, ha motivado la interconexión de dispositivos electrónicos. Los mecanismos de comunicación permiten la transferencia de datos con alta velocidad de transmisión. En este contexto, el concepto de sistema distribuido ha emergido como sistemas donde sus componentes se ejecutan en varios nodos en paralelo y que interactúan entre ellos mediante redes de comunicaciones. Un concepto interesante son los sistemas de tiempo real neutrales respecto a la plataforma de ejecución. Se caracterizan por la falta de conocimiento de esta plataforma durante su diseño. Esta propiedad es relevante, por que conviene que se ejecuten en la mayor variedad de arquitecturas, tienen una vida media mayor de diez anos y el lugar ˜ donde se ejecutan puede variar. El lenguaje de programación Java es una buena base para el desarrollo de este tipo de sistemas. Por este motivo se ha creado RTSJ (Real-Time Specification for Java), que es una extensión del lenguaje para permitir el desarrollo de sistemas de tiempo real. Sin embargo, RTSJ no proporciona facilidades para el desarrollo de aplicaciones distribuidas de tiempo real. Es una limitación importante dado que la mayoría de los actuales y futuros sistemas serán distribuidos. El grupo DRTSJ (DistributedRTSJ) fue creado bajo el proceso de la comunidad de Java (JSR-50) con el fin de definir las abstracciones que aborden dicha limitación, pero en la actualidad aun no existe una especificacion formal. El objetivo de esta tesis es desarrollar un middleware de comunicaciones para el desarrollo de sistemas distribuidos de tiempo real en Java, basado en la integración entre el modelo de RMI (Remote Method Invocation) y el perfil HRTJ. Ha sido diseñado e implementado teniendo en cuenta los requisitos principales, como la predecibilidad y la confiabilidad del comportamiento temporal y el uso de recursos. El diseño parte de la definición de un modelo computacional el cual identifica entre otras cosas: el modelo de comunicaciones, los protocolos de red subyacentes más adecuados, el modelo de análisis, y un subconjunto de Java para sistemas de tiempo real crítico. En el diseño, las referencias remotas son el medio básico para construcción de aplicaciones distribuidas las cuales son asociadas a todos los parámetros no funcionales y los recursos necesarios para la ejecución de invocaciones remotas síncronas o asíncronas con atributos de tiempo real. El middleware propuesto separa la asignación de recursos de la propia ejecución definiendo dos fases y un mecanismo de hebras especifico que garantiza un comportamiento temporal adecuado. Además se ha incluido mecanismos para supervisar el comportamiento funcional y temporal. Se ha buscado independencia del protocolo de red definiendo una interfaz de red y módulos específicos. También se ha modificado el protocolo JRMP para incluir diferentes fases, parámetros no funcionales y optimizaciones de los tamaños de los mensajes. Aunque la serialización es una de las operaciones fundamentales para asegurar la adecuada transmisión de datos, las actuales implementaciones no son adecuadas para sistemas críticos y no hay alternativas. Este trabajo propone una serialización predecible que ha implicado el desarrollo de un nuevo compilador para la generación de código optimizado acorde al modelo computacional. La solución propuesta tiene la ventaja que en tiempo de compilación nos permite planificar las comunicaciones y ajustar el uso de memoria. Con el objetivo de validar el diseño e implementación se ha llevado a cabo un exigente proceso de validación con énfasis en: el comportamiento funcional, el uso de memoria, el uso del procesador (tiempo de respuesta de extremo a extremo y en cada uno de los bloques funcionales) y el uso de la red (consumo real conforme al estimado). Los buenos resultados obtenidos en una aplicación industrial desarrollada por Thales Avionics (un sistema de gestión de vuelo) y en las pruebas exhaustivas han demostrado que el diseño y el prototipo son fiables para aplicaciones industriales con estrictos requisitos temporales.

Desarrollo sostenible de la construcción naval: dinámica evolutiva y eco-innovación en el sector de reparaciones europeo

El impacto ambiental directo de la construcción naval, que se refiere a la construcción, mantenimiento y reparación de buques, no es de ninguna manera pequeño. La construcción de buques depende de un gran número de procesos que por sí mismos constituyen un riesgo significativo de daño medio ambiental en el entorno de los astilleros y que conducen a emisiones significativas de gases de efecto invernadero. Además, la construcción naval utiliza algunos materiales que no sólo puede llevar a graves consecuencias para el daño ambiental durante su producción y su uso en el proceso de construcción de la nave, sino también posteriormente durante la reparación de buques, el funcionamiento y las actividades de reciclaje. (OECD 2010) El impacto ambiental directo de la construcción naval constituye de por sí, un desafío importante para la industria. Pero este impacto no queda limitado a su entorno inmediato, aunque la Construcción Naval no es directamente responsable de la repercusión en el medio ambiente de la operación y el reciclaje de buques comerciales, si es una parte integral de estas actividades. (OECD 2010) En esta tesis se sugiere que el sector de la construcción naval puede y debe aceptar sus responsabilidades ambientales no solo en el entorno del astillero; también en la operación de los buques, sus productos; tomando conciencia, a través de un enfoque de ciclo de vida, del desempeño ambiental de la industria en su conjunto. Es necesario intensificar esfuerzos a medida que el impacto ambiental de la industria es cada vez más visible en el dominio público, en pro de un crecimiento verde que permita aumentar la capacidad de actividad o producción económica al tiempo que reduce o elimina, los impactos ambientales. Este será un imperativo para cualquier futura actividad industrial y exigirá naturalmente conocimiento ambiental intrincado perteneciente a todos los procesos asociados. Esta tesis - aprovechando como valiosa fuente de información los desarrollos y resultados del proyecto europeo: “Eco_REFITEC”. FP7-CP-266268, coordinado por el autor de esta Tesis, en nombre de la Fundación Centro Tecnológico SOERMAR - tiene como primer objetivo Investigar la interpretación del concepto de Construcción Naval y Transporte Marítimo sostenible así como las oportunidades y dificultades de aplicación en el sector de la Construcción y reparación Naval. Ello para crear o aumentar el entendimiento de la interpretación del concepto de transporte marítimo sostenible y la experiencia de su aplicación en particular en los astilleros de nuevas construcciones y reparación. Pretende también contribuir a una mejor comprensión de la industria Marítima y su impacto en relación con el cambio climático, y ayudar en la identificación de áreas para la mejora del desempeño ambiental más allá de las operaciones propias de los astilleros; arrojando luz sobre cómo puede contribuir la construcción naval en la mejora de la eficiencia y en la reducción de emisiones de CO2 en el transporte marítimo. Se espera con este enfoque ayudar a que la Industria de Construcción Naval vaya abandonando su perspectiva tradicional de solo mirar a sus propias actividades para adoptar una visión más amplia tomando conciencia en cuanto a cómo sus decisiones pueden afectar posteriormente las actividades aguas abajo, y sus impactos en el medio ambiente, el cambio climático y el crecimiento verde. Si bien cada capítulo de la tesis posee su temática propia y una sistemática específica, a su vez retoma desde una nueva perspectiva cuestiones importantes abordadas en otros capítulos. Esto ocurre especialmente con algunos ejes que atraviesan toda la tesis. Por ejemplo: la íntima relación entre el transporte marítimo y el sector de construcción naval, la responsabilidad de la política internacional y local, la invitación a buscar nuevos modos de construir el futuro del sector a través de la consideración de los impactos ambientales, económicos y sociales a lo largo de ciclo de vida completo de productos y servicios. La necesidad de una responsabilidad social corporativa. Estos temas no se cierran ni terminan, sino que son constantemente replanteados tratando de enriquecerlos. ABSTRACT The direct environmental impact of shipbuilding, which refers to construction, maintenance and repair of vessels, is by no means small. Shipbuilding depends on a large number of processes which by themselves constitute significant risks of damage to the shipyards‘ surrounding environment and which lead to significant emissions of greenhouse gases. In addition, shipbuilding uses some materials which not only may carry serious implications for environmental harm during their production and usage in the ship construction process, but also subsequently during ship repairing, operation, and recycling activities. (OECD 2010) The direct environmental impact of shipbuilding constitutes a major challenge for the industry. But this impact is not limited on their immediate surroundings, but while not being directly responsible for the impact on the environment from the operation and final recycling of commercial ships, shipbuilding is an integral part of these activities. (OECD 2010) With this in mind, this thesis is suggested that the shipbuilding industry can and must take up their environmental responsibilities not only on their immediate surroundings, also on the ships operation, becoming aware through a “life cycle” approach to ships, the environmental performance of the industry as a whole. As the environmental impact of the industry is becoming increasingly visible in the public domain much more effort is required for the sake of “green growth” which implies the ability to increase economic activity or output while lowering, or eliminating, environmental impacts. This will be an imperative for any future industrial activity and will naturally demand intricate environmental knowledge pertaining to all associated processes. This thesis making use as a valuable source of information of the developments and results of an European FP7-collaborative project called "Eco_REFITEC, coordinated by the author of this thesis on behalf of the Foundation Center Technology SOERMAR, has as its primary objective to investigate the interpretation of a sustainable Shipbuilding and Maritime Transport concept and the challenges and opportunities involved in applying for the Shipbuilding and ship repair Sector. It is done to improve the current understanding regarding sustainable shipping and to show the application experience in shipbuilding and ship repair shipyards. Assuming that sustainability is more than just an act but a process, this academic work it also aims to contribute to a much better understanding of the maritime industry and its impact with respect to climate change, and help in identifying areas for better environmental performance beyond the shipyard's own operations; shedding light on how shipbuilding can contribute in improving efficiency and reducing CO2 emissions in shipping. It is my hope that this thesis can help the Shipbuilding Industry to abandon its traditional perspective where each simply looks at its own activities to take a broader view becoming aware as to how their decisions may further affect downstream activities and their impacts on the environment, climate change and green growth. Although each chapter will have its own subject and specific approach, it will also take up and re-examine important questions previously dealt with. This is particularly the case with a number of themes which will reappear as the thesis unfolds. As example I will point to the intimate relationship between the shipping and shipbuilding industry, the responsibility of international and local policy, the call to seek other ways of building the future of the sector through the consideration of the environmental, economic and social impacts over the full life cycle of the products and services, the need for a corporate social responsibility. These questions will not be dealt with once and for all, but reframed and enriched again and again.