Flexible management of bandwidth and redundancy in fieldbuses

Os sistemas distribuídos embarcados (Distributed Embedded Systems – DES) têm sido usados ao longo dos últimos anos em muitos domínios de aplicação, da robótica, ao controlo de processos industriais passando pela aviónica e pelas aplicações veiculares, esperando-se que esta tendência continue nos próximos anos. A confiança no funcionamento é uma propriedade importante nestes domínios de aplicação, visto que os serviços têm de ser executados em tempo útil e de forma previsível, caso contrário, podem ocorrer danos económicos ou a vida de seres humanos poderá ser posta em causa. Na fase de projecto destes sistemas é impossível prever todos os cenários de falhas devido ao não determinismo do ambiente envolvente, sendo necessária a inclusão de mecanismos de tolerância a falhas. Adicionalmente, algumas destas aplicações requerem muita largura de banda, que também poderá ser usada para a evolução dos sistemas, adicionandolhes novas funcionalidades. A flexibilidade de um sistema é uma propriedade importante, pois permite a sua adaptação às condições e requisitos envolventes, contribuindo também para a simplicidade de manutenção e reparação. Adicionalmente, nos sistemas embarcados, a flexibilidade também é importante por potenciar uma melhor utilização dos, muitas vezes escassos, recursos existentes. Uma forma evidente de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas dos sistemas embarcados distribuídos é a replicação dos barramentos do sistema. Algumas soluções existentes, quer comerciais quer académicas, propõem a replicação dos barramentos para aumento da largura de banda ou para aumento da tolerância a falhas. No entanto e quase invariavelmente, o propósito é apenas um, sendo raras as soluções que disponibilizam uma maior largura de banda e um aumento da tolerância a falhas. Um destes raros exemplos é o FlexRay, com a limitação de apenas ser permitido o uso de dois barramentos. Esta tese apresentada e discute uma proposta para usar a replicação de barramentos de uma forma flexível com o objectivo duplo de aumentar a largura de banda e a tolerância a falhas. A flexibilidade dos protocolos propostos também permite a gestão dinâmica da topologia da rede, sendo o número de barramentos apenas limitado pelo hardware/software. As propostas desta tese foram validadas recorrendo ao barramento de campo CAN – Controller Area Network, escolhido devido à sua grande implantação no mercado. Mais especificamente, as soluções propostas foram implementadas e validadas usando um paradigma que combina flexibilidade com comunicações event-triggered e time-triggered: o FTT – Flexible Time- Triggered. No entanto, uma generalização para CAN nativo é também apresentada e discutida. A inclusão de mecanismos de replicação do barramento impõe a alteração dos antigos protocolos de replicação e substituição do nó mestre, bem como a definição de novos protocolos para esta finalidade. Este trabalho tira partido da arquitectura centralizada e da replicação do nó mestre para suportar de forma eficiente e flexível a replicação de barramentos. Em caso de ocorrência de uma falta num barramento (ou barramentos) que poderia provocar uma falha no sistema, os protocolos e componentes propostos nesta tese fazem com que o sistema reaja, mudando para um modo de funcionamento degradado. As mensagens que estavam a ser transmitidas nos barramentos onde ocorreu a falta são reencaminhadas para os outros barramentos. A replicação do nó mestre baseia-se numa estratégia líder-seguidores (leaderfollowers), onde o líder (leader) controla todo o sistema enquanto os seguidores (followers) servem como nós de reserva. Se um erro ocorrer no nó líder, um dos nós seguidores passará a controlar o sistema de uma forma transparente e mantendo as mesmas funcionalidades. As propostas desta tese foram também generalizadas para CAN nativo, tendo sido para tal propostos dois componentes adicionais. É, desta forma possível ter as mesmas capacidades de tolerância a falhas ao nível dos barramentos juntamente com a gestão dinâmica da topologia de rede. Todas as propostas desta tese foram implementadas e avaliadas. Uma implementação inicial, apenas com um barramento foi avaliada recorrendo a uma aplicação real, uma equipa de futebol robótico onde o protocolo FTT-CAN foi usado no controlo de movimento e da odometria. A avaliação do sistema com múltiplos barramentos foi feita numa plataforma de teste em laboratório. Para tal foi desenvolvido um sistema de injecção de faltas que permite impor faltas nos barramentos e nos nós mestre, e um sistema de medida de atrasos destinado a medir o tempo de resposta após a ocorrência de uma falta.

Enhanced ethernet switching technology for adaptive hard real-time applications: Tecnologia de comutação ethernet melhorada para aplicações adaptativas e críticas de tempo-real

Os Sistemas Embarcados Distribuídos (SEDs) estão, hoje em dia, muito difundidos em vastas áreas, desde a automação industrial, a automóveis, aviões, até à distribuição de energia e protecção do meio ambiente. Estes sistemas são, essencialmente, caracterizados pela integração distribuída de aplicações embarcadas, autónomas mas cooperantes, explorando potenciais vantagens em termos de modularidade, facilidade de manutenção, custos de instalação, tolerância a falhas, entre outros. Contudo, o ambiente operacional onde se inserem estes tipos de sistemas pode impor restrições temporais rigorosas, exigindo que o sistema de comunicação subjacente consiga transmitir mensagens com garantias temporais. Contudo, os SEDs apresentam uma crescente complexidade, uma vez que integram subsistemas cada vez mais heterogéneos, quer ao nível do tráfego gerado, quer dos seus requisitos temporais. Em particular, estes subsistemas operam de forma esporádica, isto é, suportam mudanças operacionais de acordo com estímulos exteriores. Estes subsistemas também se reconfiguram dinamicamente de acordo com a actualização dos seus requisitos e, ainda, têm lidar com um número variável de solicitações de outros subsistemas. Assim sendo, o nível de utilização de recursos pode variar e, desta forma, as políticas de alocação estática tornam-se muito ineficientes. Consequentemente, é necessário um sistema de comunicação capaz de suportar com eficácia reconfigurações e adaptações dinâmicas. A tecnologia Ethernet comutada tem vindo a emergir como uma solução sólida para fornecer comunicações de tempo-real no âmbito dos SEDs, como comprovado pelo número de protocolos de tempo-real que foram desenvolvidos na última década. No entanto, nenhum dos protocolos existentes reúne as características necessárias para fornecer uma eficiente utilização da largura de banda e, simultaneamente, para respeitar os requisitos impostos pelos SEDs. Nomeadamente, a capacidade para controlar e policiar tráfego de forma robusta, conjugada com suporte à reconfiguração e adaptação dinâmica, não comprometendo as garantias de tempo-real. Esta dissertação defende a tese de que, pelo melhoramento dos comutadores Ethernet para disponibilizarem mecanismos de reconfiguração e isolamento de tráfego, é possível suportar aplicações de tempo-real críticas, que são adaptáveis ao ambiente onde estão inseridas.Em particular, é mostrado que as técnicas de projecto, baseadas em componentes e apoiadas no escalonamento hierárquico de servidores de tráfego, podem ser integradas nos comutadores Ethernet para alcançar as propriedades desejadas. Como suporte, é fornecida, também, uma solução para instanciar uma hierarquia reconfigurável de servidores de tráfego dentro do comutador, bem como a análise adequada ao modelo de escalonamento. Esta última fornece um limite superior para o tempo de resposta que os pacotes podem sofrer dentro dos servidores de tráfego, com base unicamente no conhecimento de um dado servidor e na hierarquia actual, isto é, sem o conhecimento das especifidades do tráfego dentro dos outros servidores. Finalmente, no âmbito do projecto HaRTES foi construído um protótipo do comutador Ethernet, o qual é baseado no paradigma “Flexible Time-Triggered”, que permite uma junção flexível de uma fase síncrona para o tráfego controlado pelo comutador e uma fase assíncrona que implementa a estrutura hierárquica de servidores referidos anteriormente. Além disso, as várias experiências práticas realizadas permitiram validar as propriedades desejadas e, consequentemente, a tese que fundamenta esta dissertação.

Demonstrador para rede tempo-real HaRTES

A utilização de sistemas embutidos distribuídos em diversas áreas como a robótica, automação industrial e aviónica tem vindo a generalizar-se no decorrer dos últimos anos. Este tipo de sistemas são compostos por vários nós, geralmente designados por sistemas embutidos. Estes nós encontram-se interligados através de uma infra-estrutura de comunicação de forma a possibilitar a troca de informação entre eles de maneira a concretizar um objetivo comum. Por norma os sistemas embutidos distribuídos apresentam requisitos temporais bastante exigentes. A tecnologia Ethernet e os protocolos de comunicação, com propriedades de tempo real, desenvolvidos para esta não conseguem associar de uma forma eficaz os requisitos temporais das aplicações de tempo real aos requisitos Quality of Service (QoS) dos diferentes tipos de tráfego. O switch Hard Real-Time Ethernet Switching (HaRTES) foi desenvolvido e implementado com o objetivo de solucionar estes problemas devido às suas capacidades como a sincronização de fluxos diferentes e gestão de diferentes tipos de tráfego. Esta dissertação apresenta a adaptação de um sistemas físico de modo a possibilitar a demonstração do correto funcionamento do sistema de comunicação, que será desenvolvido e implementado, utilizando um switch HaRTES como o elemento responsável pela troca de informação na rede entre os nós. O desempenho da arquitetura de rede desenvolvida será também testada e avaliada.

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.

Common DC link in residential LV network to improve the penetration level of Small-Scale Embedded Generators

This paper presents a new approach for network upgrading to improve the penetration level of Small Scale Generators in residential feeders. In this paper, it is proposed that a common DC link can be added to LV network to alleviate the negative impact of increased export power on AC lines, allowing customers to inject their surplus power with no restrictions to the common DC link. In addition, it is shown that the proposed approach can be a pathway from current AC network to future DC network.

A new methodology for analyzing distributed systems modeled by petri nets

Distributed computing systems can be modeled adequately by Petri nets. The computation of invariants of Petri nets becomes necessary for proving the properties of modeled systems. This paper presents a two-phase, bottom-up approach for invariant computation and analysis of Petri nets. In the first phase, a newly defined subnet, called the RP-subnet, with an invariant is chosen. In the second phase, the selected RP-subnet is analyzed. Our methodology is illustrated with two examples viz., the dining philosophers' problem and the connection-disconnection phase of a transport protocol. We believe that this new method, which is computationally no worse than the existing techniques, would simplify the analysis of many practical distributed systems.

An Ounce of Prevention is Worth a Pound of Cure: Towards Physically-Correct Specifications of Embedded Real-Time Systems

Predictability — the ability to foretell that an implementation will not violate a set of specified reliability and timeliness requirements - is a crucial, highly desirable property of responsive embedded systems. This paper overviews a development methodology for responsive systems, which enhances predictability by eliminating potential hazards resulting from physically-unsound specifications. The backbone of our methodology is a formalism that restricts expressiveness in a way that allows the specification of only reactive, spontaneous, and causal computation. Unrealistic systems — possessing properties such as clairvoyance, caprice, infinite capacity, or perfect timing — cannot even be specified. We argue that this "ounce of prevention" at the specification level is likely to spare a lot of time and energy in the development cycle of responsive systems - not to mention the elimination of potential hazards that would have gone, otherwise, unnoticed.

An architectural approach to autonomics and self-management of automotive embedded electronic systems

Embedded electronic systems in vehicles are of rapidly increasing commercial importance for the automotive industry. While current vehicular embedded systems are extremely limited and static, a more dynamic configurable system would greatly simplify the integration work and increase quality of vehicular systems. This brings in features like separation of concerns, customised software configuration for individual vehicles, seamless connectivity, and plug-and-play capability. Furthermore, such a system can also contribute to increased dependability and resource optimization due to its inherent ability to adjust itself dynamically to changes in software, hardware resources, and environment condition. This paper describes the architectural approach to achieving the goals of dynamically self-configuring automotive embedded electronic systems by the EU research project DySCAS. The architecture solution outlined in this paper captures the application and operational contexts, expected features, middleware services, functions and behaviours, as well as the basic mechanisms and technologies. The paper also covers the architecture conceptualization by presenting the rationale, concerning the architecture structuring, control principles, and deployment concept. In this paper, we also present the adopted architecture V&V strategy and discuss some open issues in regards to the industrial acceptance.

Using a prioritized MAC protocol to execute the database operation join in networked embedded computer systems

Database query languages on relations (for example SQL) make it possible to join two relations. This operation is very common in desktop/server database systems but unfortunately query processing systems in networked embedded computer systems currently do not support this operation; specifically, the query processing systems TAG, TinyDB, Cougar do not support this. We show how a prioritized medium access control (MAC) protocol can be used to efficiently execute the database operation join for networked embedded computer systems where all computer nodes are in a single broadcast domain.

Information Discovery in Distributed Systems-A Novel Concept Based on Modelling of Information Elements

Sharing of information with those in need of it has always been an idealistic goal of networked environments. With the proliferation of computer networks, information is so widely distributed among systems, that it is imperative to have well-organized schemes for retrieval and also discovery. This thesis attempts to investigate the problems associated with such schemes and suggests a software architecture, which is aimed towards achieving a meaningful discovery. Usage of information elements as a modelling base for efficient information discovery in distributed systems is demonstrated with the aid of a novel conceptual entity called infotron.The investigations are focused on distributed systems and their associated problems. The study was directed towards identifying suitable software architecture and incorporating the same in an environment where information growth is phenomenal and a proper mechanism for carrying out information discovery becomes feasible. An empirical study undertaken with the aid of an election database of constituencies distributed geographically, provided the insights required. This is manifested in the Election Counting and Reporting Software (ECRS) System. ECRS system is a software system, which is essentially distributed in nature designed to prepare reports to district administrators about the election counting process and to generate other miscellaneous statutory reports.Most of the distributed systems of the nature of ECRS normally will possess a "fragile architecture" which would make them amenable to collapse, with the occurrence of minor faults. This is resolved with the help of the penta-tier architecture proposed, that contained five different technologies at different tiers of the architecture.The results of experiment conducted and its analysis show that such an architecture would help to maintain different components of the software intact in an impermeable manner from any internal or external faults. The architecture thus evolved needed a mechanism to support information processing and discovery. This necessitated the introduction of the noveI concept of infotrons. Further, when a computing machine has to perform any meaningful extraction of information, it is guided by what is termed an infotron dictionary.The other empirical study was to find out which of the two prominent markup languages namely HTML and XML, is best suited for the incorporation of infotrons. A comparative study of 200 documents in HTML and XML was undertaken. The result was in favor ofXML.The concept of infotron and that of infotron dictionary, which were developed, was applied to implement an Information Discovery System (IDS). IDS is essentially, a system, that starts with the infotron(s) supplied as clue(s), and results in brewing the information required to satisfy the need of the information discoverer by utilizing the documents available at its disposal (as information space). The various components of the system and their interaction follows the penta-tier architectural model and therefore can be considered fault-tolerant. IDS is generic in nature and therefore the characteristics and the specifications were drawn up accordingly. Many subsystems interacted with multiple infotron dictionaries that were maintained in the system.In order to demonstrate the working of the IDS and to discover the information without modification of a typical Library Information System (LIS), an Information Discovery in Library Information System (lDLIS) application was developed. IDLIS is essentially a wrapper for the LIS, which maintains all the databases of the library. The purpose was to demonstrate that the functionality of a legacy system could be enhanced with the augmentation of IDS leading to information discovery service. IDLIS demonstrates IDS in action. IDLIS proves that any legacy system could be augmented with IDS effectively to provide the additional functionality of information discovery service.Possible applications of IDS and scope for further research in the field are covered.

An efficient replicated data access approach for large-scale distributed systems

In data-intensive distributed systems, replication is the most widely used approach to offer high data availability, low bandwidth consumption, increased fault-tolerance and improved scalability of the overall system. Replication-based systems implement replica control protocols that enforce a specified semantics of accessing the data. Also, the performance depends on a number of factors, the chief of which is the protocol used to maintain consistency among object replica. In this paper, we propose a new low-cost and high data availability protocol called the box-shaped grid structure for maintaining consistency of replicated data on networked distributed computing systems. We show that the proposed protocol provides high data availability, low communication costs, and increased fault-tolerance as compared to the baseline replica control protocols.

Special issue : securing distributed networks and systems

With decades of progress toward ubiquitous networks and systems, distributed computing systems have played an increasingly important role in the industry and society. However, not many distributed networks and systems are secure and reliable in the sense of defending against different attacks and tolerating failures automatically, thus guaranteeing properties such as performance, and offering security against intentional threats. This special issue focuses on securing distributed networks and systems.

Taxonomy of contention management in interconnected distributed systems

Interconnected distributed computing systems, such as computing Grids and federated Clouds, have been of special importance in both industry and academia. Resources provided in these environments are usually shared between users from different groups and/or organizations. Therefore these environments are prone to contention between user requests for accessing resources. Particularly, resource contention takes place when a user requests cannot be admitted or cannot sufficiently access resources because they are occupied by other requests. In this paper, we deal with different types of resource contentions occurring in interconnected distributed systems as well as approaches for resolving them. Approaches developed to resolve resource contentions share similarities in many aspects while being different in other aspects. We investigate the features of these approaches, identify and categorize the similarities and differences of them. Additionally, we review various resource management systems of interconnected distributed systems and group them based on the identified specifications.