Deterministic Design and Implementation of Distributed Systems using System-Level Logical Execution Time
The way how software for safety-critical cyber-physical systems (CPSs) is developed has evolved fundamentally, regardless of whether it is an automated vehicle or a robot in a factory. This trend comprises the utilization of agile development paradigms, as well as the introduction of heterogeneous hardware/software architectures and distributed functions. On the other hand, there is the fact that we demand a safe operation of such CPSs in our everyday life. Technically speaking, our requirement for determinism in timing and data-flow of safety-critical cause-effect chains persists unchanged. As a result, we face new challenges in our design process. First, there is a significant flexibility in runtime behavior of both, computation and communication due to the underlying hardware/software platform. Second, the CPS is not static anymore but undergoes frequent updates and modifications. To mitigate the increased complexity, model-based approaches which are capable of providing a degree of robustness to a modified timing behavior are needed. At the same time, the design has to be composable to reduce development costs.
Limited to the scope of a single component, the Logical Execution Time (LET) paradigm is a promising candidate for such an abstraction of the runtime behavior and its applicability and benefits have already been demonstrated in the automotive domain. In this thesis, I extend the idea of a logical timing abstraction to the system level, enabling an efficient design of distributed CPS software, where robustness towards platform changes plays a key role. While LET implies major restrictions in terms of latencies and is not suited for distributed communication, System-Level Logical Execution Time (SL-LET) is capable of abstracting communication with distributed clocks as well as pipelined execution, where latencies are far larger than the period. I demonstrate that SL-LET can play its key strengths especially for complex systems with dependent cause-effect chains, where it effectively solves the problem of data-age deviation.
SL-LET can be further used to improve the architecture of an Ethernet based communication stack. It thereby allows to introduce a lightweight filter-stack that separates critical from non-critical traffic, while preserving the full stack functionality for non-critical traffic. Contrary to expectation, the determinism gained by SL-LET permits an efficient implementation that enables significantly lower end-to-end latencies for critical traffic. As a result, SL-LET programming rather reduces than extends latencies.
Die Art, wie Software für sicherheitskritische cyber-physical systems (CPSs) entwickelt wird, hat sich grundlegend verändert. Dieser Trend umfasst die Nutzung agiler Entwicklungsmethoden, sowie die Einführung heterogener
HW/SW-Architekturen und verteilter Funktionen. Gleichzeitig fordern wir in unserem Alltag weiterhin einen sicheren Betrieb solcher Systeme. Technisch ausgedrückt bedeutet dies die Forderung nach einem Determinismus im Zeit- und Datenfluss von sicherheitskritischen Wirkketten. Dies führt zu neuen Herausforderungen im Entwurfsprozess. Erstens gibt es aufgrund der zugrunde liegenden HW/SW-Plattform einen erheblichen Jitter im Laufzeitverhalten. Dies betrifft sowohl die reine Ausführungszeit auf einem Prozessor als auch die Kommunikationszeit in einem Netzwerk. Zweitens ist das System nicht mehr statisch, sondern unterliegt ständigen Updates. Um die Komplexität zu beherrschen, werden modellbasierte Ansätze benötigt, die Robustheit gegenüber einem veränderten Zeitverhalten bieten und gleichzeitig einen komponentenbasierten Entwurf ermöglichen. Für nicht-verteilte Systeme bietet das Logical Execution Time (LET)-Paradigma eine vielversprechende Möglichkeit das Laufzeitverhalten zu abstrahieren. Seine Umsetzbarkeit und Vorteile wurden bereits im Automobilbereich nachgewiesen. In dieser Arbeit erweitere ich die Idee einer logischen Timing-Abstraktion auf die Systemebene, um einen effizienten Entwurf von verteilter CPS-Software zu ermöglichen. Hier spielt die Robustheit gegenüber Veränderungen durch Updates eine Schlüsselrolle.
Während LET erhebliche Einschränkungen hinsichtlich der Latenzzeiten mit sich bringt und nicht für verteilte Systeme geeignet ist, ist System-Level Logical Execution Time (SL-LET) in der Lage, die Kommunikation in einem verteilten System mit synchronisierten Uhren sowie die Ausführung von Verarbeitungspipelines zu abstrahieren. Ich zeige, dass SL-LET seine Stärken insbesondere bei komplexen Systemen mit abhängigen Wirkketten ausspielen kann, wo es das Problem der Datenalterabweichung bei der Kombination verschiedener Eingangdaten effektiv löst. SL-LET kann zudem zur Verbesserung der Architektur eines Ethernet-basierten Kommunikationsstacks eingesetzt werden. Dadurch kann ein leichtgewichtiger Filter-Stack eingeführt werden, der kritischen von unkritischem Traffic trennt, während die volle Funktionalität für unkritischen Traffic erhalten bleibt. Entgegen den Erwartungen erlaubt der durch SL-LET gewonnene Determinismus eine effizientere Implementierung, die deutlich niedrigere Ende-zu-Ende-
Latenzen für kritischen Traffic ermöglicht. Infolgedessen werden durch die Programmierung mit SL-LET die Latenzen eher verringert als verlängert.
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