HARDLINC - Hard Real-Time Linux Clusters

Themenbeschreibung

Motivation: Der Bedarf an Computern für die Echtzeitsteuerung, Simulation, Test oder Überwachung nimmt stetig zu. Nach dem heutigen Stand der Technik werden hierzu VME-Bus Systeme oder Spezialentwicklungen verwendet. VME-Systeme haben den bekannten Nachteil, dass der VME-Bus bei hoher Last zum Flaschenhals wird, die Technologie (sie entstand in den 80iger Jahren) ist aus heutiger Sicht veraltet. Spezialentwicklungen (z.B. von den Firmen Concurrent oder Dspace) haben den Nachteil, dass besondere (und besonders teure) Hardware eingesetzt wird, so dass die einfache und preisgünstige Skalierbarkeit, wie man sie bei Standardsystemen heute vorfindet, hier nicht gegeben ist. Aus diesem Grund wird die Verwendung von Standard PCs für die genannten Anwendungsszenarien zur Zeit ausgiebig in Forschungsgruppen und Industrie diskutiert. Ein wichtiger Aspekt ist dabei auch die Einsetzbarkeit von Standard-Betriebssystemen, da man auf den von Linux, Solaris oder Windows gewohnten Komfort auch bei Echtzeitanwendungen nicht mehr missen möchte. Es gibt aber noch keine marktreife Lösung, so dass unser Projekt tatsächlich auf diesem Gebiet eine wichtiges und innovatives Thema untersucht.

Technische und Wissenschaftliche Inhalte: Wir schlagen vor, folgende Themenstellungen im Projekt zu behandeln. Weitere Themen können mit den TeilnehmerInnen bei Projektbeginn ausgearbeitet werden.

• Real-Time Erweiterungen für den Linux Kernel: Es gibt verschiedene Ansätze für Echtzeiterweiterungen des Linux-Kernels. Diese sollen verstanden und auf ihre Eignung für die Zielsetzung "Hard Real-Time Cluster" hin untersucht werden. Eine interessante, von anderen Gruppen noch nicht bearbeitete Variante ist die Entwicklung neuer Systemaufrufe und Modifikationen des Linux Schedulers, welche die explizite Reservierung von CPUs für bestimmte Prozesse oder Threads ermöglicht. Diese Möglichkeit kann sehr gute Ergebnisse bei Mehr-CPU PCs bringen.

• Aufbau eines Clusters: Ein vielversprechender Ansatz für den Aufbau von Echtzeit-Clustern ist die Entwicklung eines virtuellen gemeinsamen Speichers. Hierzu stehen auf der Hardware-Ebene IEEE1394 (FireWire) Verbindungen zur Verfügung. Weiterhin sind im Rahmen des Beowulf-Projektes (Hochleistungsrechner auf Linux-Basis) weitere Möglichkeiten zur schnellen Rechnerkopplung entwickelt worden. Auf Grundlage dieser Hardwareoptionen sollen Möglichkeiten einer Distributed Shared Memory Abstraktion untersucht und entwickelt werden. Neben den interessanten softwaretechnischen Aspekten dieser Aufgabenstellung wird hier auch die Entwicklung neuer Treiber mit DMA-Technologie erlernt und angewendet.

• Test und Verifikation von Echtzeiteigenschaften: Zur Prüfung der entwickelten Verfahren hinsichtlich ihrer Echtzeiteigenschaften werden Methoden des Echtzeittests und der Formalen Verifikation/Simulation eingesetzt. Diese Methoden sind wissenschaftlich und technisch spannend, da die Einbeziehung von Zeiteigenschaften Prüfverfahren erfordert, die ganz anders als Tests von Datentransformationen gestaltet werden müssen.

Wer sollte an diesem Projekt teilnehmen? Das Projekt ist für TeilnehmerInnen konzipiert, die gerne die Interna von Betriebssystemen verstehen und auch selber Betriebssystementwicklung betreiben möchten. Dies ist heute wieder ein hochrelevantes Thema geworden, da die vielfältigen neuen Softwareanwendungen in mobiler Kommunikation und Geräten der verschiedensten Ausprägungen fast immer auch die Entwicklung spezialisierter Betriebssysteme erfordern. Weiterhin ist Linux in die erste Reihe der heute verwendeten Betriebssysteme vorgerückt und wird auf der ganzen Welt weiterentwickelt, so dass Spezialistinnen und Spezialisten auf diesem Gebiet sicherlich zunehmend gefragt sind.

Bezug zu Forschungsprojekten: Im Projekt wird auch über die Anwendungen von Hard-Real Time Systemen gesprochen. Hier haben wir einen direkten Bezug zum parallel laufenden Europäischen Forschungsprojekt VICTORIA , welches sich mit Entwicklung, Test und Verifikation von neuen verteilten Steuerungssystemen für die Luftfahrt befasst. In diesem Projekt arbeiten wir mit den wichtigsten im Luftfahrtbereich vertretenden Europäischen Forschungsinstituten und Firmen zusammen. Ein Hard Real-Time Linux Cluster könnet hier beispielsweise für Echtzeitsimulationen und Tests von Controllern eingesetzt werden.

Begleitende Lehrveranstaltungen

Ausstattung

• Wir haben einen Projektraum in der Ebene 5, der dem Projekt komplett zur Verfügung steht.

• Als Clusterrechner werden wir mit 2 PCs mit jeweils 2 CPUs und FireWire-Kopplung beginnen. Dieser Cluster kann bei Bedarf erweitert werden.

• Rechner für Einzelexperimente: Zum Experimentieren mit Kernelmodifikationen und Treibern stehen mehrere PCs zur Verfügung, die Anzahl wird ausreichend sein. (Was P. damit sagen möchte, ist: Es gibt genug vorhandene HW und genug Geld, um bei Bedarf nachzukaufen :-)

Literatur

• Hermann Kopetz: Real-Time Systems - Design Principles for Distributed Embedded Applications. Kluwer Academic Publishers (1997).

• Michael Beck et al.: Linux Kernelprogrammierung. Addison Wesley (wahrscheinlich 2001, es soll eine aktualisierte Neuauflage mit Bezug auf den neuen Kernel 2.4 geben)

• Alessandro Rubini & Jonathan Corbet: Linux Device Drivers, 2nd Edition. O'Reilly (2001). (Dieses Buch ist auch online und zum drucken bei O'Reilly verfügbar.)

• Daniel P. Bovet & Marco Cesati: Understanding the LINUX Kernel. O'Reilly (2001)

WWW-Links für Information zu schnellen Netzwerk-Verbindungen

• FireWire (IEEE 1394) : .......

• Myrinet : http://www.myri.com

• Gigabit Ethernet : http://www.syskonnect.com

• SCRAMNet (Systran) : http://www.systran.com

• QsNet : http://www.quadrics.com