Replication management in reliable real-time systems

Building reliable real-time applications on top of commercial off-the-shelf (COTS) components is not a straightforward task. Thus, it is essential to provide a simple and transparent programming model, in order to abstract programmers from the low-level implementation details of distribution and replication. However, the recent trend for incorporating pre-emptive multitasking applications in reliable real-time systems inherently increases its complexity. It is therefore important to provide a transparent programming model, enabling pre-emptive multitasking applications to be implemented without resorting to simultaneously dealing with both system requirements and distribution and replication issues. The distributed embedded architecture using COTS components (DEAR-COTS) architecture has been previously proposed as an architecture to support real-time and reliable distributed computer-controlled systems (DCCS) using COTS components. Within the DEAR-COTS architecture, the hard real-time subsystem provides a framework for the development of reliable real-time applications, which are the core of DCCS applications. This paper presents the proposed framework, and demonstrates how it can be used to support the transparent replication of software components.

Towards a flexible and dynamic replication control for distributed real-time embedded systems with QoS interdependencies

Replication is a proven concept for increasing the availability of distributed systems. However, actively replicating every software component in distributed embedded systems may not be a feasible approach. Not only the available resources are often limited, but also the imposed overhead could significantly degrade the system's performance. The paper proposes heuristics to dynamically determine which components to replicate based on their significance to the system as a whole, its consequent number of passive replicas, and where to place those replicas in the network. The results show that the proposed heuristics achieve a reasonably higher system's availability than static offline decisions when lower replication ratios are imposed due to resource or cost limitations. The paper introduces a novel approach to coordinate the activation of passive replicas in interdependent distributed environments. The proposed distributed coordination model reduces the complexity of the needed interactions among nodes and is faster to converge to a globally acceptable solution than a traditional centralised approach.

Assigning real-time tasks on heterogeneous multiprocessors with two types of processors

Consider the problem of scheduling a set of implicitdeadline sporadic tasks on a heterogeneous multiprocessor so as to meet all deadlines. Tasks cannot migrate and the platform is restricted in that each processor is either of type-1 or type-2 (with each task characterized by a different speed of execution upon each type of processor). We present an algorithm for this problem with a timecomplexity of O(n·m), where n is the number of tasks and m is the number of processors. It offers the guarantee that if a task set can be scheduled by any non-migrative algorithm to meet deadlines then our algorithm meets deadlines as well if given processors twice as fast. Although this result is proven for only a restricted heterogeneous multiprocessor, we consider it significant for being the first realtime scheduling algorithm to use a low-complexity binpacking approach to schedule tasks on a heterogeneous multiprocessor with provably good performance.

Coordinated runtime adaptations in cooperative open real-time systems

This paper proposes an one-step decentralised coordination model based on an effective feedback mechanism to reduce the complexity of the needed interactions among interdependent nodes of a cooperative distributed system until a collective adaptation behaviour is determined. Positive feedback is used to reinforce the selection of the new desired global service solution, while negative feedback discourages nodes to act in a greedy fashion as this adversely impacts on the provided service levels at neighbouring nodes. The reduced complexity and overhead of the proposed decentralised coordination model are validated through extensive evaluations.

Flexible and dynamic replication control for interdependent distributed real-time embedded systems

Replication is a proven concept for increasing the availability of distributed systems. However, actively replicating every software component in distributed embedded systems may not be a feasible approach. Not only the available resources are often limited, but also the imposed overhead could significantly degrade the system’s performance. This paper proposes heuristics to dynamically determine which components to replicate based on their significance to the system as a whole, its consequent number of passive replicas, and where to place those replicas in the network. The activation of passive replicas is coordinated through a fast convergence protocol that reduces the complexity of the needed interactions among nodes until a new collective global service solution is determined.

Handling QoS dependencies in distributed cooperative real-time systems

Due to the growing complexity and adaptability requirements of real-time embedded systems, which often exhibit unrestricted inter-dependencies among supported services and user-imposed quality constraints, it is increasingly difficult to optimise the level of service of a dynamic task set within an useful and bounded time. This is even more difficult when intending to benefit from the full potential of an open distributed cooperating environment, where service characteristics are not known beforehand. This paper proposes an iterative refinement approach for a service’s QoS configuration taking into account services’ inter-dependencies and quality constraints, and trading off the achieved solution’s quality for the cost of computation. Extensive simulations demonstrate that the proposed anytime algorithm is able to quickly find a good initial solution and effectively optimises the rate at which the quality of the current solution improves as the algorithm is given more time to run. The added benefits of the proposed approach clearly surpass its reducedoverhead.

Run-time monitoring approach for the shark kernel

Typically common embedded systems are designed with high resource constraints. Static designs are often chosen to address very specific use cases. On contrast, a dynamic design must be used if the system must supply a real-time service where the input may contain factors of indeterminism. Thus, adding new functionality on these systems is often accomplished by higher development time, tests and costs, since new functionality push the system complexity and dynamics to a higher level. Usually, these systems have to adapt themselves to evolving requirements and changing service requests. In this perspective, run-time monitoring of the system behaviour becomes an important requirement, allowing to dynamically capturing the actual scheduling progress and resource utilization. For this to succeed, operating systems need to expose their internal behaviour and state, making it available to the external applications, usually using a run-time monitoring mechanism. However, such mechanism can impose a burden in the system itself if not wisely used. In this paper we explore this problem and propose a framework, which is intended to provide this run-time mechanism whilst achieving code separation, run-time efficiency and flexibility for the final developer.

Real time manufacturing systems simulator

A área da simulação computacional teve um rápido crescimento desde o seu apareciment, sendo actualmente uma das ciências de gestão e de investigação operacional mais utilizadas. O seu princípio baseia-se na replicação da operação de processos ou sistemas ao longo de períodos de tempo, tornando-se assim uma metodologia indispensável para a resolução de variados problemas do mundo real, independentemente da sua complexidade. Das inúmeras áreas de aplicação, nos mais diversos campos, a que mais se destaca é a utilização em sistemas de produção, onde o leque de aplicações disponível é muito vasto. A sua aplicação tem vindo a ser utilizada para solucionar problemas em sistemas de produção, uma vez que permite às empresas ajustar e planear de uma maneira rápida, eficaz e ponderada as suas operações e os seus sistemas, permitindo assim uma rápida adaptação das mesmas às constantes mudanças das necessidades da economia global. As aplicações e packages de simulação têm seguindo as tendências tecnológicas pelo que é notório o recurso a tecnologias orientadas a objectos para o desenvolvimento das mesmas. Este estudo baseou-se, numa primeira fase, na recolha de informação de suporte aos conceitos de modelação e simulação, bem como a respectiva aplicação a sistemas de produção em tempo real. Posteriormente centralizou-se no desenvolvimento de um protótipo de uma aplicação de simulação de ambientes de fabrico em tempo real. O desenvolvimento desta ferramenta teve em vista eventuais fins pedagógicos e uma utilização a nível académico, sendo esta capaz de simular um modelo de um sistema de produção, estando também dotada de animação. Sem deixar de parte a possibilidade de integração de outros módulos ou, até mesmo, em outras plataformas, houve ainda a preocupação acrescida de que a sua implementação recorresse a metodologias de desenvolvimento orientadas a objectos.

Energy resources management in three distinct time horizons considering a large variation in wind power

The intensive use of distributed generation based on renewable resources increases the complexity of power systems management, particularly the short-term scheduling. Demand response, storage units and electric and plug-in hybrid vehicles also pose new challenges to the short-term scheduling. However, these distributed energy resources can contribute significantly to turn the shortterm scheduling more efficient and effective improving the power system reliability. This paper proposes a short-term scheduling methodology based on two distinct time horizons: hour-ahead scheduling, and real-time scheduling considering the point of view of one aggregator agent. In each scheduling process, it is necessary to update the generation and consumption operation, and the storage and electric vehicles status. Besides the new operation condition, more accurate forecast values of wind generation and consumption are available, for the resulting of short-term and very short-term methods. In this paper, the aggregator has the main goal of maximizing his profits while, fulfilling the established contracts with the aggregated and external players.

Real-Time Simulation of energy Management in a Domestic Consumer

Recent and future changes in power systems, mainly in the smart grid operation context, are related to a high complexity of power networks operation. This leads to more complex communications and to higher network elements monitoring and control levels, both from network’s and consumers’ standpoint. The present work focuses on a real scenario of the LASIE laboratory, located at the Polytechnic of Porto. Laboratory systems are managed by the SCADA House Intelligent Management (SHIM), already developed by the authors based on a SCADA system. The SHIM capacities have been recently improved by including real-time simulation from Opal RT. This makes possible the integration of Matlab®/Simulink® real-time simulation models. The main goal of the present paper is to compare the advantages of the resulting improved system, while managing the energy consumption of a domestic consumer.

Intra-Task Device Scheduling for Real-Time Embedded Systems

An ever increasing need for extra functionality in a single embedded system demands for extra Input/Output (I/O) devices, which are usually connected externally and are expensive in terms of energy consumption. To reduce their energy consumption, these devices are equipped with power saving mechanisms. While I/O device scheduling for real-time (RT) systems with such power saving features has been studied in the past, the use of energy resources by these scheduling algorithms may be improved. Technology enhancements in the semiconductor industry have allowed the hardware vendors to reduce the device transition and energy overheads. The decrease in overhead of sleep transitions has opened new opportunities to further reduce the device energy consumption. In this research effort, we propose an intra-task device scheduling algorithm for real-time systems that wakes up a device on demand and reduces its active time while ensuring system schedulability. This intra-task device scheduling algorithm is extended for devices with multiple sleep states to further minimise the overall device energy consumption of the system. The proposed algorithms have less complexity when compared to the conservative inter-task device scheduling algorithms. The system model used relaxes some of the assumptions commonly made in the state-of-the-art that restrict their practical relevance. Apart from the aforementioned advantages, the proposed algorithms are shown to demonstrate the substantial energy savings.

Real-time Task-Splitting scheduling algorithms framework

Nos dias de hoje, os sistemas de tempo real crescem em importância e complexidade. Mediante a passagem do ambiente uniprocessador para multiprocessador, o trabalho realizado no primeiro não é completamente aplicável no segundo, dado que o nível de complexidade difere, principalmente devido à existência de múltiplos processadores no sistema. Cedo percebeu-se, que a complexidade do problema não cresce linearmente com a adição destes. Na verdade, esta complexidade apresenta-se como uma barreira ao avanço científico nesta área que, para já, se mantém desconhecida, e isto testemunha-se, essencialmente no caso de escalonamento de tarefas. A passagem para este novo ambiente, quer se trate de sistemas de tempo real ou não, promete gerar a oportunidade de realizar trabalho que no primeiro caso nunca seria possível, criando assim, novas garantias de desempenho, menos gastos monetários e menores consumos de energia. Este último fator, apresentou-se desde cedo, como, talvez, a maior barreira de desenvolvimento de novos processadores na área uniprocessador, dado que, à medida que novos eram lançados para o mercado, ao mesmo tempo que ofereciam maior performance, foram levando ao conhecimento de um limite de geração de calor que obrigou ao surgimento da área multiprocessador. No futuro, espera-se que o número de processadores num determinado chip venha a aumentar, e como é óbvio, novas técnicas de exploração das suas inerentes vantagens têm de ser desenvolvidas, e a área relacionada com os algoritmos de escalonamento não é exceção. Ao longo dos anos, diferentes categorias de algoritmos multiprocessador para dar resposta a este problema têm vindo a ser desenvolvidos, destacando-se principalmente estes: globais, particionados e semi-particionados. A perspectiva global, supõe a existência de uma fila global que é acessível por todos os processadores disponíveis. Este fato torna disponível a migração de tarefas, isto é, é possível parar a execução de uma tarefa e resumir a sua execução num processador distinto. Num dado instante, num grupo de tarefas, m, as tarefas de maior prioridade são selecionadas para execução. Este tipo promete limites de utilização altos, a custo elevado de preempções/migrações de tarefas. Em contraste, os algoritmos particionados, colocam as tarefas em partições, e estas, são atribuídas a um dos processadores disponíveis, isto é, para cada processador, é atribuída uma partição. Por essa razão, a migração de tarefas não é possível, acabando por fazer com que o limite de utilização não seja tão alto quando comparado com o caso anterior, mas o número de preempções de tarefas decresce significativamente. O esquema semi-particionado, é uma resposta de caráter hibrido entre os casos anteriores, pois existem tarefas que são particionadas, para serem executadas exclusivamente por um grupo de processadores, e outras que são atribuídas a apenas um processador. Com isto, resulta uma solução que é capaz de distribuir o trabalho a ser realizado de uma forma mais eficiente e balanceada. Infelizmente, para todos estes casos, existe uma discrepância entre a teoria e a prática, pois acaba-se por se assumir conceitos que não são aplicáveis na vida real. Para dar resposta a este problema, é necessário implementar estes algoritmos de escalonamento em sistemas operativos reais e averiguar a sua aplicabilidade, para caso isso não aconteça, as alterações necessárias sejam feitas, quer a nível teórico quer a nível prá

A framework for real time MMO game content generation

Com o aumento de plataformas móveis disponíveis no mercado e com o constante incremento na sua capacidade computacional, a possibilidade de executar aplicações e em especial jogos com elevados requisitos de desempenho aumentou consideravelmente. O mercado dos videojogos tem assim um cada vez maior número de potenciais clientes. Em especial, o mercado de jogos massive multiplayer online (MMO) tem-se tornado muito atractivo para as empresas de desenvolvimento de jogos. Estes jogos suportam uma elevada quantidade de jogadores em simultâneo que podem estar a executar o jogo em diferentes plataformas e distribuídos por um "mundo" de jogo extenso. Para incentivar a exploração desse "mundo", distribuem-se de forma inteligente pontos de interesse que podem ser explorados pelo jogador. Esta abordagem leva a um esforço substancial no planeamento e construção desses mundos, gastando tempo e recursos durante a fase de desenvolvimento. Isto representa um problema para as empresas de desenvolvimento de jogos, e em alguns casos, e impraticável suportar tais custos para equipas indie. Nesta tese e apresentada uma abordagem para a criação de mundos para jogos MMO. Estudam-se vários jogos MMO que são casos de sucesso de modo a identificar propriedades comuns nos seus mundos. O objectivo e criar uma framework flexível capaz de gerar mundos com estruturas que respeitam conjuntos de regras definidas por game designers. Para que seja possível usar a abordagem aqui apresentada em v arias aplicações diferentes, foram desenvolvidos dois módulos principais. O primeiro, chamado rule-based-map-generator, contem a lógica e operações necessárias para a criação de mundos. O segundo, chamado blocker, e um wrapper à volta do módulo rule-based-map-generator que gere as comunicações entre servidor e clientes. De uma forma resumida, o objectivo geral e disponibilizar uma framework para facilitar a geração de mundos para jogos MMO, o que normalmente e um processo bastante demorado e aumenta significativamente o custo de produção, através de uma abordagem semi-automática combinando os benefícios de procedural content generation (PCG) com conteúdo gráfico gerado manualmente.

Time diversity solutions to cope with lost packets

A dissertation submitted to Departamento de Engenharia Electrotécnica of Faculdade de Ciências e Tecnologia of Universidade Nova de Lisboa in partial fulfilment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy in Engenharia Electrotécnica e de Computadores

A clustering approach for vehicle routing problems with hard time windows

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Logica Computicional