Real-time scheduling of parallel tasks in the Linux Kernel

This paper proposes a global multiprocessor scheduling algorithm for the Linux kernel that combines the global EDF scheduler with a priority-aware work-stealing load balancing scheme, enabling parallel real-time tasks to be executed on more than one processor at a given time instant. We state that some priority inversion may actually be acceptable, provided it helps reduce contention, communication, synchronisation and coordination between parallel threads, while still guaranteeing the expected system’s predictability. Experimental results demonstrate the low scheduling overhead of the proposed approach comparatively to an existing real-time deadline-oriented scheduling class for the Linux kernel.

Enhancing the real-time capabilities of the Linux Kernel

The mainline Linux Kernel is not designed forhard real-time systems; it only fits the requirements of soft realtimesystems. In recent years, a kernel developer communityhas been working on the PREEMPT-RT patch. This patch(that aims to get a fully preemptible kernel) adds some realtimecapabilities to the Linux kernel. However, in terms ofscheduling policies, the real-time scheduling class of Linux islimited to the First-In-First-Out (SCHED_FIFO) and Round-Robin (SCHED_RR) scheduling policies. These scheduling policiesare however quite limited in terms of realtime performance.Therefore, in this paper, we report one importantcontribution for adding more advanced real-time capabilitiesto the Linux Kernel. Specifically, we describe modificationsto the (PREEMPT-RT patched) Linux kernel to supportreal-time slot-based task-splitting scheduling algorithms. Ourpreliminary evaluation shows that our implementation exhibitsa real-time performance that is superior to the schedulingpolicies provided by the current version of PREMPT-RT. Thisis a significant add-on to a widely adopted operating system.

Linux based mobile: operating systems

Trabalho de Projeto para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Informática e de Computadores

Multicore Scheduling of Real-Time Irregular Parallel Algorithms in Linux

Face à estagnação da tecnologia uniprocessador registada na passada década, aos principais fabricantes de microprocessadores encontraram na tecnologia multi-core a resposta `as crescentes necessidades de processamento do mercado. Durante anos, os desenvolvedores de software viram as suas aplicações acompanhar os ganhos de performance conferidos por cada nova geração de processadores sequenciais, mas `a medida que a capacidade de processamento escala em função do número de processadores, a computação sequencial tem de ser decomposta em várias partes concorrentes que possam executar em paralelo, para que possam utilizar as unidades de processamento adicionais e completar mais rapidamente. A programação paralela implica um paradigma completamente distinto da programação sequencial. Ao contrário dos computadores sequenciais tipificados no modelo de Von Neumann, a heterogeneidade de arquiteturas paralelas requer modelos de programação paralela que abstraiam os programadores dos detalhes da arquitectura e simplifiquem o desenvolvimento de aplicações concorrentes. Os modelos de programação paralela mais populares incitam os programadores a identificar instruções concorrentes na sua lógica de programação, e a especificá-las sob a forma de tarefas que possam ser atribuídas a processadores distintos para executarem em simultâneo. Estas tarefas são tipicamente lançadas durante a execução, e atribuídas aos processadores pelo motor de execução subjacente. Como os requisitos de processamento costumam ser variáveis, e não são conhecidos a priori, o mapeamento de tarefas para processadores tem de ser determinado dinamicamente, em resposta a alterações imprevisíveis dos requisitos de execução. `A medida que o volume da computação cresce, torna-se cada vez menos viável garantir as suas restrições temporais em plataformas uniprocessador. Enquanto os sistemas de tempo real se começam a adaptar ao paradigma de computação paralela, há uma crescente aposta em integrar execuções de tempo real com aplicações interativas no mesmo hardware, num mundo em que a tecnologia se torna cada vez mais pequena, leve, ubíqua, e portável. Esta integração requer soluções de escalonamento que simultaneamente garantam os requisitos temporais das tarefas de tempo real e mantenham um nível aceitável de QoS para as restantes execuções. Para tal, torna-se imperativo que as aplicações de tempo real paralelizem, de forma a minimizar os seus tempos de resposta e maximizar a utilização dos recursos de processamento. Isto introduz uma nova dimensão ao problema do escalonamento, que tem de responder de forma correcta a novos requisitos de execução imprevisíveis e rapidamente conjeturar o mapeamento de tarefas que melhor beneficie os critérios de performance do sistema. A técnica de escalonamento baseado em servidores permite reservar uma fração da capacidade de processamento para a execução de tarefas de tempo real, e assegurar que os efeitos de latência na sua execução não afectam as reservas estipuladas para outras execuções. No caso de tarefas escalonadas pelo tempo de execução máximo, ou tarefas com tempos de execução variáveis, torna-se provável que a largura de banda estipulada não seja consumida por completo. Para melhorar a utilização do sistema, os algoritmos de partilha de largura de banda (capacity-sharing) doam a capacidade não utilizada para a execução de outras tarefas, mantendo as garantias de isolamento entre servidores. Com eficiência comprovada em termos de espaço, tempo, e comunicação, o mecanismo de work-stealing tem vindo a ganhar popularidade como metodologia para o escalonamento de tarefas com paralelismo dinâmico e irregular. O algoritmo p-CSWS combina escalonamento baseado em servidores com capacity-sharing e work-stealing para cobrir as necessidades de escalonamento dos sistemas abertos de tempo real. Enquanto o escalonamento em servidores permite partilhar os recursos de processamento sem interferências a nível dos atrasos, uma nova política de work-stealing que opera sobre o mecanismo de capacity-sharing aplica uma exploração de paralelismo que melhora os tempos de resposta das aplicações e melhora a utilização do sistema. Esta tese propõe uma implementação do algoritmo p-CSWS para o Linux. Em concordância com a estrutura modular do escalonador do Linux, ´e definida uma nova classe de escalonamento que visa avaliar a aplicabilidade da heurística p-CSWS em circunstâncias reais. Ultrapassados os obstáculos intrínsecos `a programação da kernel do Linux, os extensos testes experimentais provam que o p-CSWS ´e mais do que um conceito teórico atrativo, e que a exploração heurística de paralelismo proposta pelo algoritmo beneficia os tempos de resposta das aplicações de tempo real, bem como a performance e eficiência da plataforma multiprocessador.

Multilayer switch hardware support for Linux

VDSL on teknologia, joka mahdollistaa nopeat Internet-yhteydet tavallista puhelinlinjaa käyttäen. Tätä varten käyttäjä tarvitsee VDSL-modeemin ja Internet-operaattori reitittimen, johon VDSL-linjat kytketään. Reitittimen on oltava suorituskykyinen, jotta kaikki VDSL-liikenne voidaan reittittää eteenpäin. Tehokkuutta haetaan tekemällä suuri osa reitityksestä erityisillä reititinpiireillä. Tässä diplomityössä käsitellään reititinpiirien teoriaa ja niiden hallintaa. Lisäksi vertailtiin kolmen suuren valmistajan tuotteita. Tuotteiden tarjoamat ominaisuudet vaikuttivat hyvin yhteneväisiltä. Ominaisuuksien hallinta ja toteutus olivat erilaisia. Työn tavoitteena oli löytää ohjelmistoarkkitehtuuri piirien ohjaamiseen niin, että Linux-käyttöjärjestelmän ytimen palveluja voitaisiin käyttää mahdollisimman hyödyllisesti. Työssä havaittiin, että ohjelmistoarkkitehtuurin voi määritellä monella eri tavalla riippuen siitä, miten piiri on kytketty prosessoriin, mitä piirin ominaisuuksia halutaan käyttää ja miten arkkitehtuuria halutaan jatkossa laajentaa.

IT­-Forensisk undersökning av flyktigt minne : På Linux och Android enheter

Att kunna gör en effektiv undersökning av det flyktiga minnet är något som blir viktigare ochviktigare i IT-forensiska utredningar. Dels under Linux och Windows baserade PC installationermen också för mobila enheter i form av Android och enheter baserade andra mobila opperativsy-stem.Android använder sig av en modifierad Linux-kärna var modifikationer är för att anpassa kärnantill de speciella krav som gäller för ett mobilt operativsystem. Dessa modifikationer innefattardels meddelandehantering mellan processer men även ändringar till hur internminnet hanteras ochövervakas.Då dessa två kärnor är så pass nära besläktade kan samma grundläggande principer användas föratt dumpa och undersöka minne. Dumpningen sker via en kärn-modul vilket i den här rapportenutgörs av en programvara vid namn LiME vilken kan hantera bägge kärnorna.Analys av minnet kräver att verktygen som används har en förståelse för minneslayouten i fråga.Beroende på vilken metod verktyget använder så kan det även behövas information om olika sym-boler. Verktyget som används i det här examensarbetet heter Volatility och klarar på papperet avatt extrahera all den information som behövs för att kunna göra en korrekt undersökning.Arbetet avsåg att vidareutveckla existerande metoder för analys av det flyktiga minnet på Linux-baserade maskiner (PC) och inbyggda system(Android). Problem uppstod då undersökning avflyktigt minne på Android och satta mål kunde inte uppnås fullt ut. Det visade sig att minnesanalysriktat emot PC-plattformen är både enklare och smidigare än vad det är mot Android.

Esperimenti di Modularizzazione dello Stack TCP-IP di Linux

In questo lavoro si introduce il progetto di estrarre lo stack tcp-ip dal kernel di linux e farlo funzionare come una normale libreria in userspace. Si parlerà dei vantaggi di avere lo stack tcp-ip in userspace, di altri progetti simili, del motivo per cui si è scelto lo stack di linux, dei principali problemi incontrati nel corso del lavoro, del percorso seguito, e di come il risultato possa essere migliorato per renderlo uno strumento effettivamente utile.

Integrity-based kernel malware detection

Kernel-level malware is one of the most dangerous threats to the security of users on the Internet, so there is an urgent need for its detection. The most popular detection approach is misuse-based detection. However, it cannot catch up with today's advanced malware that increasingly apply polymorphism and obfuscation. In this thesis, we present our integrity-based detection for kernel-level malware, which does not rely on the specific features of malware. ^ We have developed an integrity analysis system that can derive and monitor integrity properties for commodity operating systems kernels. In our system, we focus on two classes of integrity properties: data invariants and integrity of Kernel Queue (KQ) requests. ^ We adopt static analysis for data invariant detection and overcome several technical challenges: field-sensitivity, array-sensitivity, and pointer analysis. We identify data invariants that are critical to system runtime integrity from Linux kernel 2.4.32 and Windows Research Kernel (WRK) with very low false positive rate and very low false negative rate. We then develop an Invariant Monitor to guard these data invariants against real-world malware. In our experiment, we are able to use Invariant Monitor to detect ten real-world Linux rootkits and nine real-world Windows malware and one synthetic Windows malware. ^ We leverage static and dynamic analysis of kernel and device drivers to learn the legitimate KQ requests. Based on the learned KQ requests, we build KQguard to protect KQs. At runtime, KQguard rejects all the unknown KQ requests that cannot be validated. We apply KQguard on WRK and Linux kernel, and extensive experimental evaluation shows that KQguard is efficient (up to 5.6% overhead) and effective (capable of achieving zero false positives against representative benign workloads after appropriate training and very low false negatives against 125 real-world malware and nine synthetic attacks). ^ In our system, Invariant Monitor and KQguard cooperate together to protect data invariants and KQs in the target kernel. By monitoring these integrity properties, we can detect malware by its violation of these integrity properties during execution.^

Integrity-Based Kernel Malware Detection

Kernel-level malware is one of the most dangerous threats to the security of users on the Internet, so there is an urgent need for its detection. The most popular detection approach is misuse-based detection. However, it cannot catch up with today's advanced malware that increasingly apply polymorphism and obfuscation. In this thesis, we present our integrity-based detection for kernel-level malware, which does not rely on the specific features of malware. We have developed an integrity analysis system that can derive and monitor integrity properties for commodity operating systems kernels. In our system, we focus on two classes of integrity properties: data invariants and integrity of Kernel Queue (KQ) requests. We adopt static analysis for data invariant detection and overcome several technical challenges: field-sensitivity, array-sensitivity, and pointer analysis. We identify data invariants that are critical to system runtime integrity from Linux kernel 2.4.32 and Windows Research Kernel (WRK) with very low false positive rate and very low false negative rate. We then develop an Invariant Monitor to guard these data invariants against real-world malware. In our experiment, we are able to use Invariant Monitor to detect ten real-world Linux rootkits and nine real-world Windows malware and one synthetic Windows malware. We leverage static and dynamic analysis of kernel and device drivers to learn the legitimate KQ requests. Based on the learned KQ requests, we build KQguard to protect KQs. At runtime, KQguard rejects all the unknown KQ requests that cannot be validated. We apply KQguard on WRK and Linux kernel, and extensive experimental evaluation shows that KQguard is efficient (up to 5.6% overhead) and effective (capable of achieving zero false positives against representative benign workloads after appropriate training and very low false negatives against 125 real-world malware and nine synthetic attacks). In our system, Invariant Monitor and KQguard cooperate together to protect data invariants and KQs in the target kernel. By monitoring these integrity properties, we can detect malware by its violation of these integrity properties during execution.

Supporting intra-task parallelism in real-time multiprocessor systems

Os sistemas de tempo real modernos geram, cada vez mais, cargas computacionais pesadas e dinâmicas, começando-se a tornar pouco expectável que sejam implementados em sistemas uniprocessador. Na verdade, a mudança de sistemas com um único processador para sistemas multi- processador pode ser vista, tanto no domínio geral, como no de sistemas embebidos, como uma forma eficiente, em termos energéticos, de melhorar a performance das aplicações. Simultaneamente, a proliferação das plataformas multi-processador transformaram a programação paralela num tópico de elevado interesse, levando o paralelismo dinâmico a ganhar rapidamente popularidade como um modelo de programação. A ideia, por detrás deste modelo, é encorajar os programadores a exporem todas as oportunidades de paralelismo através da simples indicação de potenciais regiões paralelas dentro das aplicações. Todas estas anotações são encaradas pelo sistema unicamente como sugestões, podendo estas serem ignoradas e substituídas, por construtores sequenciais equivalentes, pela própria linguagem. Assim, o modo como a computação é na realidade subdividida, e mapeada nos vários processadores, é da responsabilidade do compilador e do sistema computacional subjacente. Ao retirar este fardo do programador, a complexidade da programação é consideravelmente reduzida, o que normalmente se traduz num aumento de produtividade. Todavia, se o mecanismo de escalonamento subjacente não for simples e rápido, de modo a manter o overhead geral em níveis reduzidos, os benefícios da geração de um paralelismo com uma granularidade tão fina serão meramente hipotéticos. Nesta perspetiva de escalonamento, os algoritmos que empregam uma política de workstealing são cada vez mais populares, com uma eficiência comprovada em termos de tempo, espaço e necessidades de comunicação. Contudo, estes algoritmos não contemplam restrições temporais, nem outra qualquer forma de atribuição de prioridades às tarefas, o que impossibilita que sejam diretamente aplicados a sistemas de tempo real. Além disso, são tradicionalmente implementados no runtime da linguagem, criando assim um sistema de escalonamento com dois níveis, onde a previsibilidade, essencial a um sistema de tempo real, não pode ser assegurada. Nesta tese, é descrita a forma como a abordagem de work-stealing pode ser resenhada para cumprir os requisitos de tempo real, mantendo, ao mesmo tempo, os seus princípios fundamentais que tão bons resultados têm demonstrado. Muito resumidamente, a única fila de gestão de processos convencional (deque) é substituída por uma fila de deques, ordenada de forma crescente por prioridade das tarefas. De seguida, aplicamos por cima o conhecido algoritmo de escalonamento dinâmico G-EDF, misturamos as regras de ambos, e assim nasce a nossa proposta: o algoritmo de escalonamento RTWS. Tirando partido da modularidade oferecida pelo escalonador do Linux, o RTWS é adicionado como uma nova classe de escalonamento, de forma a avaliar na prática se o algoritmo proposto é viável, ou seja, se garante a eficiência e escalonabilidade desejadas. Modificar o núcleo do Linux é uma tarefa complicada, devido à complexidade das suas funções internas e às fortes interdependências entre os vários subsistemas. Não obstante, um dos objetivos desta tese era ter a certeza que o RTWS é mais do que um conceito interessante. Assim, uma parte significativa deste documento é dedicada à discussão sobre a implementação do RTWS e à exposição de situações problemáticas, muitas delas não consideradas em teoria, como é o caso do desfasamento entre vários mecanismo de sincronização. Os resultados experimentais mostram que o RTWS, em comparação com outro trabalho prático de escalonamento dinâmico de tarefas com restrições temporais, reduz significativamente o overhead de escalonamento através de um controlo de migrações, e mudanças de contexto, eficiente e escalável (pelo menos até 8 CPUs), ao mesmo tempo que alcança um bom balanceamento dinâmico da carga do sistema, até mesmo de uma forma não custosa. Contudo, durante a avaliação realizada foi detetada uma falha na implementação do RTWS, pela forma como facilmente desiste de roubar trabalho, o que origina períodos de inatividade, no CPU em questão, quando a utilização geral do sistema é baixa. Embora o trabalho realizado se tenha focado em manter o custo de escalonamento baixo e em alcançar boa localidade dos dados, a escalonabilidade do sistema nunca foi negligenciada. Na verdade, o algoritmo de escalonamento proposto provou ser bastante robusto, não falhando qualquer meta temporal nas experiências realizadas. Portanto, podemos afirmar que alguma inversão de prioridades, causada pela sub-política de roubo BAS, não compromete os objetivos de escalonabilidade, e até ajuda a reduzir a contenção nas estruturas de dados. Mesmo assim, o RTWS também suporta uma sub-política de roubo determinística: PAS. A avaliação experimental, porém, não ajudou a ter uma noção clara do impacto de uma e de outra. No entanto, de uma maneira geral, podemos concluir que o RTWS é uma solução promissora para um escalonamento eficiente de tarefas paralelas com restrições temporais.

Dynamic global scheduling of parallel real-time tasks

High-level parallel languages offer a simple way for application programmers to specify parallelism in a form that easily scales with problem size, leaving the scheduling of the tasks onto processors to be performed at runtime. Therefore, if the underlying system cannot efficiently execute those applications on the available cores, the benefits will be lost. In this paper, we consider how to schedule highly heterogenous parallel applications that require real-time performance guarantees on multicore processors. The paper proposes a novel scheduling approach that combines the global Earliest Deadline First (EDF) scheduler with a priority-aware work-stealing load balancing scheme, which enables parallel realtime tasks to be executed on more than one processor at a given time instant. Experimental results demonstrate the better scalability and lower scheduling overhead of the proposed approach comparatively to an existing real-time deadline-oriented scheduling class for the Linux kernel.

Implementing slot-based task-splitting multiprocessor scheduling

Consider the problem of scheduling a set of sporadic tasks on a multiprocessor system to meet deadlines using a task-splitting scheduling algorithm. Task-splitting (also called semi-partitioning) scheduling algorithms assign most tasks to just one processor but a few tasks are assigned to two or more processors, and they are dispatched in a way that ensures that a task never executes on two or more processors simultaneously. A particular type of task-splitting algorithms, called slot-based task-splitting dispatching, is of particular interest because of its ability to schedule tasks with high processor utilizations. Unfortunately, no slot-based task-splitting algorithm has been implemented in a real operating system so far. In this paper we discuss and propose some modifications to the slot-based task-splitting algorithm driven by implementation concerns, and we report the first implementation of this family of algorithms in a real operating system running Linux kernel version 2.6.34. We have also conducted an extensive range of experiments on a 4-core multicore desktop PC running task-sets with utilizations of up to 88%. The results show that the behavior of our implementation is in line with the theoretical framework behind it.

Yhteisön langaton palvelualusta

Yhteisön langaton palvelualusta on konsepti langattomien yhteisöllisten verkkopalveluiden tarjoamiseen.Konsepti perustuu langattomaan WLAN-reititinlaitteeseen sekä Linux-käyttöjärjestelmäpohjaiseen laiteohjelmistoon, joiden avulla voidaan tarjota paikallisia, erilaisten pienten yhteisöjen käyttöön tarkoitettuja langattomia verkkopalveluita.Soveltuvia käyttökohteita voivat olla esimerkiksi asuntoyhteisöjen välinen tiedotuskanava tai perheen sisäinen viihdekeskus, jonka kautta voidaan tarjota yhteisön toimintaa helpottavia ja tavoitteita edistäviä palveluita. Yhteisön langattomat palvelut perustuvat vapaisiin ohjelmistoihin, jotka mahdollistavat monipuolisen palveluvalikoiman luomisen. Langattoman palvelualustan avulla pienten yhteisöjen tarvitsemat langattomat palvelut voidaan luoda helposti, edullisesti ja joustavasti, ilman kaupallisten palveluoperaattoreiden asettamia rajoituksia.

Energy/power consumption model for an embedded processor board

This dissertation, whose research has been conducted at the Group of Electronic and Microelectronic Design (GDEM) within the framework of the project Power Consumption Control in Multimedia Terminals (PCCMUTE), focuses on the development of an energy estimation model for the battery-powered embedded processor board. The main objectives and contributions of the work are summarized as follows: A model is proposed to obtain the accurate energy estimation results based on the linear correlation between the performance monitoring counters (PMCs) and energy consumption. the uniqueness of the appropriate PMCs for each different system, the modeling methodology is improved to obtain stable accuracies with slight variations among multiple scenarios and to be repeatable in other systems. It includes two steps: the former, the PMC-filter, to identify the most proper set among the available PMCs of a system and the latter, the k-fold cross validation method, to avoid the bias during the model training stage. The methodology is implemented on a commercial embedded board running the 2.6.34 Linux kernel and the PAPI, a cross-platform interface to configure and access PMCs. The results show that the methodology is able to keep a good stability in different scenarios and provide robust estimation results with the average relative error being less than 5%. Este trabajo fin de máster, cuya investigación se ha desarrollado en el Grupo de Diseño Electrónico y Microelectrónico (GDEM) en el marco del proyecto PccMuTe, se centra en el desarrollo de un modelo de estimación de energía para un sistema empotrado alimentado por batería. Los objetivos principales y las contribuciones de esta tesis se resumen como sigue: Se propone un modelo para obtener estimaciones precisas del consumo de energía de un sistema empotrado. El modelo se basa en la correlación lineal entre los valores de los contadores de prestaciones y el consumo de energía. Considerando la particularidad de los contadores de prestaciones en cada sistema, la metodología de modelado se ha mejorado para obtener precisiones estables, con ligeras variaciones entre escenarios múltiples y para replicar los resultados en diferentes sistemas. La metodología incluye dos etapas: la primera, filtrado-PMC, que consiste en identificar el conjunto más apropiado de contadores de prestaciones de entre los disponibles en un sistema y la segunda, el método de validación cruzada de K iteraciones, cuyo fin es evitar los sesgos durante la fase de entrenamiento. La metodología se implementa en un sistema empotrado que ejecuta el kernel 2.6.34 de Linux y PAPI, un interfaz multiplataforma para configurar y acceder a los contadores. Los resultados muestran que esta metodología consigue una buena estabilidad en diferentes escenarios y proporciona unos resultados robustos de estimación con un error medio relativo inferior al 5%.

A new generation of real-time systems in the JET tokamak

Recently a new recipe for developing and deploying real-time systems has become increasingly adopted in the JET tokamak. Powered by the advent of x86 multi-core technology and the reliability of the JET’s well established Real-Time Data Network (RTDN) to handle all real-time I/O, an official Linux vanilla kernel has been demonstrated to be able to provide realtime performance to user-space applications that are required to meet stringent timing constraints. In particular, a careful rearrangement of the Interrupt ReQuests’ (IRQs) affinities together with the kernel’s CPU isolation mechanism allows to obtain either soft or hard real-time behavior depending on the synchronization mechanism adopted. Finally, the Multithreaded Application Real-Time executor (MARTe) framework is used for building applications particularly optimised for exploring multicore architectures. In the past year, four new systems based on this philosophy have been installed and are now part of the JET’s routine operation. The focus of the present work is on the configuration and interconnection of the ingredients that enable these new systems’ real-time capability and on the impact that JET’s distributed real-time architecture has on system engineering requirements, such as algorithm testing and plant commissioning. Details are given about the common real-time configuration and development path of these systems, followed by a brief description of each system together with results regarding their real-time performance. A cycle time jitter analysis of a user-space MARTe based application synchronising over a network is also presented. The goal is to compare its deterministic performance while running on a vanilla and on a Messaging Real time Grid (MRG) Linux kernel.