Mikrokernbasierte Betriebssysteme in industriellen Anwendungen

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1 Mikrokernbasierte Betriebssysteme in industriellen Anwendungen Diplomverteidigung André Puschmann 1. Dezember 2009

2 Überblick 1 Einführung 2 Echtzeit- und Verlässlichkeitsanalyse 3 Entwurf/Implementierung 4 Bewertung 5 Zusammenfassung André Puschmann Diplomverteidigung 2 / 20

3 Motivation (1) Systembeschreibung Industrielle Anlage für z. B. Produktionsprozess Zentraler Rechner regelt Ablauf Feldbus zur Vernetzung der Komponenten Konguration/Visualisierung der Anlage Systemanforderungen Funktion Zeit Verlässlichkeit André Puschmann Diplomverteidigung 3 / 20

4 Motivation (1) Systembeschreibung Industrielle Anlage für z. B. Produktionsprozess Zentraler Rechner regelt Ablauf Feldbus zur Vernetzung der Komponenten Konguration/Visualisierung der Anlage Systemanforderungen Funktion Zeit Verlässlichkeit André Puschmann Diplomverteidigung 3 / 20

5 Motivation (2) Probleme Anlagen sind Single-Master-Systeme Steuerung ist Single-Point-of-Failure Ausfall Steuerung Ausfall Anlage Systemarchitektur nicht robust Ausfall Komponente Ausfall Steuerung André Puschmann Diplomverteidigung 4 / 20

6 Vorgehen Analytischer Teil Gegenüberstellung beider Betriebssystemarchitekturen Betrachtung von Echtzeit- und Verlässlichkeitsaspekten Praktischer Teil Experimentelle Überprüfung der Vorüberlegungen Portierung EtherCAT-Stack auf mikrokernbasiertes BS Erweiterungen zur ausfallsichereren Kommunikation André Puschmann Diplomverteidigung 5 / 20

7 Auslöser und Ursache Auslöser des Ausfalls Software Betriebssystem Gerätetreiber Anwendungssoftware Hardware sonstige Fehler (z. B. Bedienungsfehler) Fehlerursache Zu hohe Systemrechte Keine geeigneten Isolationsmechanismen Komplexität der verwendeten Komponenten André Puschmann Diplomverteidigung 6 / 20

8 Auslöser und Ursache Auslöser des Ausfalls Software Betriebssystem Gerätetreiber Anwendungssoftware Hardware sonstige Fehler (z. B. Bedienungsfehler) Fehlerursache Zu hohe Systemrechte Keine geeigneten Isolationsmechanismen Komplexität der verwendeten Komponenten André Puschmann Diplomverteidigung 6 / 20

9 Lösungsmöglichkeit - Mikrokerne Idee Kleiner Betriebssystemkern Services als Benutzerprozess Ziel Robustheit Modularität André Puschmann Diplomverteidigung 7 / 20

10 Lösungsmöglichkeit - Mikrokerne Idee Kleiner Betriebssystemkern Services als Benutzerprozess Ziel Robustheit Modularität André Puschmann Diplomverteidigung 7 / 20

11 Ergebnisse Echtzeitanalyse Erhöhte Kommunikation beeinträchtigt Zeitverhalten Bessere Unterbrechbarkeit durch kleineren BS-Kern Konkrete Kosten abhängig von Architektur und Applikation Verlässlichkeitsanalyse Isolation der Subsysteme Fehlerausbreitung gemindert Fehlerbehandlung nach Absturz einer Komponente Fehlervermeidung durch exiblen, modularen Systemaufbau André Puschmann Diplomverteidigung 8 / 20

12 Ergebnisse Echtzeitanalyse Erhöhte Kommunikation beeinträchtigt Zeitverhalten Bessere Unterbrechbarkeit durch kleineren BS-Kern Konkrete Kosten abhängig von Architektur und Applikation Verlässlichkeitsanalyse Isolation der Subsysteme Fehlerausbreitung gemindert Fehlerbehandlung nach Absturz einer Komponente Fehlervermeidung durch exiblen, modularen Systemaufbau André Puschmann Diplomverteidigung 8 / 20

13 Ursprüngliche Architektur Privilegierter Modus Mastermodul Treibermodul Applikation vieles mehr Userspace Kernelspace Application Module Userspace Application Task ecrt_*() ecrt_*() Application Interface Character Device EtherCAT Master Module Application Interface libethercat Master 0 ethercat Tool Network Stack Nicht-privilegierter Modus Applikation (Bibliothek) Kongurationswerkzeug Helper-Software Hardware EtherCAT Ethernet ecdev_*() NIC Device Interface net_device EtherCAT Network Driver Module NIC netif_*() net_device André Puschmann Diplomverteidigung 9 / 20

14 Neue Architektur (1) Privilegierter Modus Mikrokern Nicht-privilegierter Modus Mastermodul Treibermodul(e) Applikation vieles mehr André Puschmann Diplomverteidigung 10 / 20

15 Neue Architektur (2) - Mastermodul Details EtherCAT-Stack als Bibliothek virtueller Netzwerktreiber als Paket-Multiplexer Masterbibliothek für Applikationen André Puschmann Diplomverteidigung 11 / 20

16 Echtzeitbewertung Betrachtete Aspekte Zeitverhalten der EtherCAT-Funktionen ecrt_master_receive() ecrt_domain_process() Systemkonguration AMD Athlon XP Realtek RTL8139 und Intel E100 Fast-Ethernet-Karten Linux rt22 und DROPS Hackbench und Calibrator zur Lasterzeugung André Puschmann Diplomverteidigung 12 / 20

17 Echtzeitbewertung Betrachtete Aspekte Zeitverhalten der EtherCAT-Funktionen ecrt_master_receive() ecrt_domain_process() Systemkonguration AMD Athlon XP Realtek RTL8139 und Intel E100 Fast-Ethernet-Karten Linux rt22 und DROPS Hackbench und Calibrator zur Lasterzeugung André Puschmann Diplomverteidigung 12 / 20

18 Echtzeitbewertung - Ergebnisse (1) Funktion ecrt_master_receive() Ausfuehrungszeit in us (DROPS) Linux DROPS 1000 Anzahl Ausfuehrungszeit in us (Linux) André Puschmann Diplomverteidigung 13 / 20

19 Echtzeitbewertung - Ergebnisse (2) Funktion ecrt_domain_process() Linux DROPS 1000 Anzahl Ausfuehrungszeit in us André Puschmann Diplomverteidigung 14 / 20

20 Verlässlichkeitsbewertung Eckdaten Evaluierung: Fehlerinjektion Linux: Einfrieren des Systems DROPS: Fehler erkannt, Gegenmaÿnahmen möglich if (! counter - -) { asm (" cli \n" " x1 :\ n" " jmp x1 \n" ); } Erweiterung Ziel: Fail-Stop-Ausfälle tolerieren Methode: Redundantes Treibermodul André Puschmann Diplomverteidigung 15 / 20

21 Verlässlichkeitsbewertung Eckdaten Evaluierung: Fehlerinjektion Linux: Einfrieren des Systems DROPS: Fehler erkannt, Gegenmaÿnahmen möglich if (! counter - -) { asm (" cli \n" " x1 :\ n" " jmp x1 \n" ); } Erweiterung Ziel: Fail-Stop-Ausfälle tolerieren Methode: Redundantes Treibermodul André Puschmann Diplomverteidigung 15 / 20

22 Fazit Echtzeitbewertung Absoluter Einuss abhängig vom Kommunikationsmuster Akzeptabel bei Verwendung geeigneter Mechanismen Verlässlichkeitsbewertung Erhöhte Verlässlichkeit durch Isolation der Komponenten Erkennung und Behandlung von Fail-Stop-Ausfällen André Puschmann Diplomverteidigung 16 / 20

23 Fazit Echtzeitbewertung Absoluter Einuss abhängig vom Kommunikationsmuster Akzeptabel bei Verwendung geeigneter Mechanismen Verlässlichkeitsbewertung Erhöhte Verlässlichkeit durch Isolation der Komponenten Erkennung und Behandlung von Fail-Stop-Ausfällen André Puschmann Diplomverteidigung 16 / 20

24 Ergebnisse (1) Mikrokernbasierte Systeme für.... Echtzeitsysteme.. verlässliche Systeme Warum? Isolation der Kernkomponenten Rechte der Systemsoftware eingeschränkt Kern- und Systemkomplexität verringert André Puschmann Diplomverteidigung 17 / 20

25 Ergebnisse (2) Mikrokernbasierter EtherCAT-Stack (Open-Source) Tolerierung Fail-Stop-Ausfälle von Netzwerktreibern Grundlage für Weiterentwicklungen Wegbereiter für Einsatz im industriellen Umfeld Synthese mehrerer Anwendungen André Puschmann Diplomverteidigung 18 / 20

26 Ausblick Optimierung Versand/Empfang der Pakete Portierung auf ARM-Plattform Portierung auf neuen Fiasco Kern Anbindung des Kongurationstools Vervollständigung EtherCAT-API André Puschmann Diplomverteidigung 19 / 20

27 Ende Diskussion! André Puschmann Diplomverteidigung 20 / 20

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