Software-intensive verteilte Echtzeitsysteme Echtzeit 2009: Fachtagung des GI GMA-Fachausschusses Echtzeitsysteme (real-time) Boppard, 19. und 20. November 2009 (Informatik aktuell)

146 Pages·2009·4.03 MB·German

by  Wolfgang A. Halang

Informatik aktuell
Herausgeber: W. Brauer
im Auftrag der Gesellschaft für Informatik (GI)
Informatik aktuell
Wolfgang A. Halang
Peter Holleczek (Hrsg.)
Software-intensive verteilte
Echtzeitsysteme
Fachtagung des GI/GMA-Fachausschusses
Echtzeitsysteme (real-time)
Boppard, 19. und 20. November 2009
(cid:2) (cid:3)(cid:4)
Herausgeber
Wolfgang A. Halang Peter Holleczek
Fernuniversität in Hagen Regionales Rechenzentrum
Lehrstuhl für Informationstechnik, der Universität Erlangen-Nürnberg
insb. Realzeitsysteme Kommunikationssysteme
58084 Hagen Martensstraße 1, 91058 Erlangen
[email protected] [email protected]
Programmkomitee
R. Arlt Hannover
J. Bartels Krefeld
R. Baumgartl Dresden
B. Beenen Lüneburg
J. Benra Wilhelmshaven
F. Dressler Erlangen
G. Frey Kaiserslautern
W. Gerth Hannover
W. A. Halang Hagen
H. Heitmann Hamburg
P. Holleczek Erlangen
J. Jasperneite Lemgo
R. Müller Furtwangen
G. Schiedermeier Landshut
U. Schneider Mittweida
H. F. Wedde Dortmund
H. Windauer Lüneburg
D. Zöbel Koblenz
Bibliographische Information der Deutschen Bibliothek
Die Deutsche Bibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte
bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.ddb.de abrufbar.
CR Subject Classification (2001): C3, D.4.7
ISSN 1431-472-X
ISBN-13 978-3-642-04782-4 Springer Berlin Heidelberg New York
Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Die dadurch begründeten Rechte, insbesondere die
der Übersetzung, des Nachdrucks, des Vortrags, der Entnahme von Abbildungen und Tabellen,
der Funksendung, der Mikroverfilmung oder der Vervielfältigung auf anderen Wegen und der
Speicherung in Datenverarbeitungsanlagen, bleiben, auch bei nur auszugsweiser Verwertung,
vorbehalten. Eine Vervielfältigung dieses Werkes oder von Teilen dieses Werkes ist auch im
Einzelfall nur in den Grenzen der gesetzlichen Bestimmungen des Urheberrechtsgesetzes der
Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils geltenden Fassung zulässig.
Sie ist grundsätzlich vergütungspflichtig. Zuwiderhandlungen unterliegen den Strafbestimmungen
des Urheberrechtsgesetzes.
Springer Berlin Heidelberg New York
Springer ist ein Unternehmen von Springer Science+Business Media
springer.de
© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2009
Printed in Germany
Satz: Reproduktionsfertige Vorlage vom Autor/Herausgeber
Gedruckt auf säurefreiem Papier SPIN: 12770779 33/3142-543210
Vorwort
DieimVorjahrvollzogeneUmbenennungdestraditionellimmerEndeNovemberoder
Anfang Dezember in Boppard stattfindenden Workshops des gemeinsamen Fachaus-
schusses Echtzeitsysteme der Gesellschaft für Informatik und der VDI/VDE-Gesell-
schaft Mess- und Automatisierungstechnikvon „PEARL 20XX“ in „Echtzeit 20XX“
und die damiteinhergehendeErweiterungdes Themengebietesauf den gesamtenBe-
reichderEchtzeit-undeingebettetenSystemeistoffensichtlich„amMarkt“gutaufge-
nommenworden.DaszeigtdiedeutlicherhöhteAnzahlvonVortragseinreichungenund
darausresultierenddieleiderebenfallserhöhteAblehnungsquote.
Um die auf der Tagung zur Verfügung stehende Vortragszeit und die im vorlie-
genden Band maximal mögliche Anzahl von Druckseiten optimal auszunutzen, ohne
dasvomFachausschussverfolgteZielderNachwuchsförderungausdemAugezuver-
lieren, entschied sich das Programmkomitee,in diesem Jahr den drei Preisträgernfür
studentischeAbschlussarbeitenjeweilsvierSeitenimTagungsbandzurVorstellungder
ErgebnisseihrerArbeiteneinzuräumen.Die kurzenmündlichenPräsentationendieser
BeiträgesindzusammenmitderPreisverleihungalsTeildesAbendprogrammsamers-
tenTagderFachtagungvorgesehen.
DemallgemeinenTrendderDatenverarbeitungfolgend,sindaucheingebetteteund
Echtzeitsysteme zunehmend vernetzt und ihr Software-Anteil wächst sprunghaft an.
WegenderSicherheitsrelevanzvielereingebetteterundEchtzeitsystemegibtdieseEnt-
wicklungzurBesorgnisAnlassundwardeshalbderGrund,denWorkshopdiesesJahr
software-intensivenverteiltenEchtzeitsystemenzuwidmen.
Eine Maßnahme zur Beherrschung von Software-Komplexitätist der Einsatz von
Entwurfs-undEntwicklungswerkzeugen,wiesieineinerSitzungderTagungbetrach-
tetwerden.EineweitereSitzungbeschäftigtsichdirektmitderKommunikationinver-
teiltenSystemenunterbesondererBerücksichtigungdesAspektsderEchtzeitfähigkeit.
ThematischschließtsichdaransehrengeineSitzungzurLeistungsanalysevonundzur
FehlerdiagnoseinverteiltenEchtzeitsystemenan.TraditionellwidmetsicheineSitzung
desWorkshopsimmeraktuellenEchtzeitanwendungen.IndiesemJahrwerdensolche
ausdemGebietderFertigungstechnikvorgestellt.BevordieTeilnehmeramAbenddes
erstenTagesderFachtagungbeimAbendessenschließlichaufdenTellerblicken,rich-
tensieindervorausgehendenSitzungnochihrenBlicküberdenTellerranddesGebietes
hinausaufdiezumManagementvonRessourceninLogistik,OperationsResearchund
BiologieverwendetenMethoden.
AuchdiesesJahristes–zurFreudedesSpringer-VerlagesundderHerausgeber–
wieder gelungen, den Tagungsband in einheitlichem Erscheinungsbild zu realisieren.
Dazu mussten nur noch ganz wenige Autoren überredet werden, statt des Standard-
Textverarbeitungsprogrammsdas sich durch seine viel höhere bibliographische Qua-
lität auszeichnende FormatierungssystemLaTeX zu verwenden.Die Herausgeber be-
dankensichbeidenAutorensehrherzlichfürdieEinhaltungderstriktenBegrenzung
des Beitragsumfangs, die im Regelfall vorzeitige Bereitstellung der Beiträge und die
VI Vorwort
reibungsloseZusammenarbeit.SoließsichdanndasdruckfertigeManuskriptinnerhalb
wenigerTagefertigstellen.
UnserbesondererDankgebührtdeshalbFrauDipl.-Ing.JuttaDüring,diedieseAuf-
gabeganzalleinebearbeitenmusste,weilderersteHerausgeberdurcheineAugenope-
rationaußerGefechtgesetztwar.FrauDüringhataberdenTagungsbandnichtnurfor-
matiert, sondern sogar noch orthographischeFehler korrigiertund im Druck schlecht
wirkendeAbbildungenneugezeichnet.
Programmkomiteeund Leitungsgremiumdes Fachausschusses danken den indus-
triellen Sponsoren sehr herzlich für die finanzielle Unterstützungdes Workshopsund
wünschendenTeilnehmernderFachtagungeinenintensivenundanregendenMeinungs-
austausch,eineschöneZeitinBoppardsowiedenLeserndesvorliegendenBandeseine
interessanteLektüre.
Hagen Erlangen
imAugust2009
WolfgangA.Halang PeterHolleczek
Inhaltsverzeichnis
KommunikationinverteiltenEchtzeitsystemen
EinFrameworkfürechtzeitfähigeEthernet-Netzwerke..................... 1
Dr.FrankDopatka
UniLoG–einSystemzurverteiltenLastgenerierunginNetzen .............. 11
AndreyKolesnikov,BerndE.Wolfinger,MartinKulas
PlanningofTimeTriggeredCommunicationSchedules .................... 21
OlafGraeser,OliverNiggemann
Engineering-Werkzeuge für Echtzeitsysteme
Raum-Zeit-ConstraintsalsProgrammierabstraktionfürAnwendungenin
mobilenverteiltenSystemen.......................................... 31
MartinDäumler,DirkMüller,MatthiasWerner
FormaleBestimmungvonSystemparameternzumtransparentenScheduling
virtuellerMaschinenunterEchtzeitbedingungen.......................... 41
TimoKerstan,DanielBaldin,GunnarSchomaker
Methoden des Ressourcen-Managements
AnwendungvonMethodenderLogistikundNetzplantechnikzurpräzedenz-
undressourcenbeschränktenAblaufplanungvonEchtzeitsystemen ........... 49
RomanGumzej,MartinLipicˇnik
Bienen-inspiriertesStraßenverkehrsrouting .............................. 57
SebastianSenge,SebastianLehnhoff,AncaM.Lazarescu
Studentische Beiträge
SchichtübergreifendeFrüherkennungvonVerbindungsausfällenindrahtlosen
Mesh-Netzwerken.................................................. 67
TimoLindhorst
KonzeptzurÜbertragungvonDateninverteiltenEchtzeitsystemenvia
Ethernet.......................................................... 71
WernerPirkl
EchtzeitfähigkeitdesVxWorksNetzwerkstacks .......................... 75
StefanZeltner
VIII Inhaltsverzeichnis
Fertigungstechnische Anwendungen
Kommunikationsanforderungenan verteilte Echtzeitsysteme in der
Fertigungsautomatisierung ........................................... 79
RomanJust,HenningTrsek
XML-basierteProdukt-undProzessdatenfürdieLeittechnik-Projektierung .... 89
MiriamSchleipen
Leicht konfigurierbare Hardware-Abstraktionsschicht für flexible
Automatisierung ................................................... 99
Uwe Schmidtmann,GerhardKreutz, MatthiasBarkhoff,Kristian Virkus,
TobiasStöckmann,MarcelJovic
Performance-Analyseund Debugging
UniversellerhybriderSystembeobachterfürEchtzeitsysteme................ 109
BjörnPietsch
EchtzeitverhaltendurchdieVerwendungvonCPUStubs:EineErweiterung
vonDynamicPerformanceStubs ...................................... 119
PeterTrapp,ChristianFacchi,MarkusMeyer
ProtokollanalyseundInformationsflussverfolgungzurFehlerdiagnosein
verteiltenEchtzeitsystemen .......................................... 129
EugenNoak,SilvijeJovalekic,HeinrichGrochowski
Ein Framework für echtzeitfähige Ethernet-Netzwerke
Dr.FrankDopatka
GFUCyrusAG
GesellschaftfürUnternehmensberatung,51105Köln-Deutz
(cid:0)(cid:2)(cid:3)(cid:4)(cid:5)(cid:6)(cid:7)(cid:8)(cid:3)(cid:9)(cid:5)(cid:3)(cid:10)(cid:11)(cid:12)(cid:13)(cid:14)(cid:15)(cid:12)
Zusammenfassung. ImRahmendieserArbeitwirddieEntwicklungeinesfor-
malenFramewoksvorgestellt,mitdessenHilfezwischenderKompatibilitätzum
verbreitetenbaumförmigenStandard-EthernetundderEinhaltungvonEchtzeitan-
forderungeneinerautomatisiertenAnlagevariiertwerdenkann.Damitkannbe-
reitsvorderAuswahleinerbestimmtenTechnologieeineSchedulederEchtzeit-
Übertragungenofflinekalkuliertundsimuliertwerden,sobalddieAnforderungen
derGeräteimindustriellenEchtzeit-Netzwerkbekanntsind.
Ausgehend von einer stark vereinfachten Modellbildung werden in mehreren
SchrittenVerfeinerungenvorgenommen,diezukünftigeinenahtloseIntegration
inexistierendeindustrielleLösungenermöglichensollen.
1 Motivation
Im Umfeld der Automatisierungstechnik ist bereits seit einigen Jahren der Trend zu
beobachten, etablierte Feldbusse durch echtzeitfähiges Ethernet zu ersetzen oder zu
ergänzen. Das Ziel liegt darin, eine einzige Netzwerkinfrastruktur von der Leitebene
im Bürobereich bis hin zu Feldgeräten wie Sensoren, Aktoren und Bedienpulten in
industriellenProduktionshallenzuschaffen.DieserTrendwirdalsvertikaleIntegration
bezeichnet[1].EinHauptproblemliegtdabeidarin,dassdieweitverbreitetenStandard-
EthernetNetzwerkenichtdenhartenAnforderungenderindustriellenEchtzeitgenügen.
So ist bereits in einem kollisionsfreienVollduplex-Ethernetdie Zwischenspeicherung
eines Datenpaketes ausreichend, um den Anforderungen der härtesten Echtzeitklasse
derIndustrialAutomationOpenNetworkingAlliance(IAONA)[2]zuwidersprechen,
beiderdiemaximaleVerzögerungeinesFramesimNetzwerk1msunddieSchwankung
dieser Verzögerung – der Jitter – maximal 1μs beträgt. Andererseits soll jedoch der
Ethernet-StandardauchaufderFeldebeneeingehaltenwerden,daansonstenwiederum
separateFeldbusseentstehen.
Esexistiertbereitseine Reihe vonindustrie-tauglichenLösungenfürechtzeitfähi-
gesEthernet,dieimfolgendenKapitelkurzvorgestelltundklassifiziertwerden.Eslässt
sich erkennen,dass jeder Ansatz einenindividuellenKompromißzwischen denEcht-
zeitanforderungen aus der Automatisierungstechnik und der Kompatibilität zu Stan-
dard-Ethernet darstellt. Die eigene Forschung hat sich nicht zum Ziel gesetzt, einen
weiterendieserKompromissehervorzubringen.
Statt dessen wird die Grundlage für ein technologie-unabhängiges,mathematisch
formales Framework gelegt, das im dritten Kapitel vorgestellt wird. Die Vorgehens-
weisebeiderEntwicklungdesFrameworksverläuftvoneinerstarkvereinfachtenMo-
2 F.Dopatka
dellierungundLösungsfindungschrittweisezurealitätsnäherenAnsätzen.DasZielbe-
stehtdarin,möglichstvielederexistierendenAnsätzeindemallgemeinenFramework
formalzusammenzufassen.ImdrittenKapitelwerdenexemplarischidealisierteVolldu-
plex-NetzeunterVerwendungvonSwitchesbetrachtet.ImviertenKapitelwerdendann
zweiVerfeinerungenderModellierungvorgestellt,indemzunächstHubsundanschlie-
ßendVerzögerungszeitenindieModellierungaufgenommenwerden.DieBetrachtung
endetmiteinerZusammenfassungdererreichtenErgebnisseundmitPerspektivenfür
diezukünftigeForschung.
2 Stand derForschung
Durch das Fehlen eines deterministischen Medienzugriffs, der Pufferung von Daten-
Frames in Switches und ggf. sogar deren Verwerfungbei vollen Puffern sowie durch
einen hohenProtokoll-Overheadim Vergleich zu Feldbus-Protokollenkönnenhärtes-
te Echtzeitanforderungender Antriebstechniknicht mit Standard-Ethernetnach IEEE
802.3umgesetztwerden.Dies beinhaltetinsbesonderedie Forderungnach Isochroni-
tät.DurchdiekonstantenPeriodenisochronerÜbertragungen(IRT)sollenmechanische
Wellen durch eine zyklische, hoch präzise getaktete Verbreitung der Ist-Werte einer
Master-AchsezuihrenSlavesersetztwerden.ManwünschtsichindiesemZusammen-
hangeine„Software-Welle“[3].
Die IRT-Übertragungensind in der Automatisierungstechnikim Vorfeld bekannt.
EslässtsichalsoimVorausbestimmen,welcherSensor,AktoroderwelcheSteuerung
zu welchem Zeitpunkt senden darf. Ebenso kann die maximale Größe der Echtzeit-
FramesimVorfeldfestgelegtwerden.ImGegensatzzuherkömmlichenEthernet-Über-
tragungen,bei denen u. a. Multimedia-Datenoder E-Mails mit Anhängen übertragen
werden,werdenimindustriellenBereichlediglicheinigeBytesanNutzdatenproFra-
meversendet,diezumeistSoll-undIst-PositionenderAntriebeenthalten.
Ein Lösungsansatz besteht darin, eine Modifikation zum Ethernet-Standard ober-
halb der Sicherungsschichtvorzunehmen,wie es unter anderem bei dem verbreiteten
EthernetPowerLink(EPL) der Fall ist. Dabeikommen100MBit/s-Hubsanstelle von
Switches zum Einsatz, da die Verzögerungszeitender Frames bei Hubs um ein Viel-
faches geringer sind. Nachteile bestehen darin, dass neben dem Einsatz von veralte-
ten Hubs lediglich eine Kommuniktion zu einem Zeitpunkt im Netzwerk erlaubt ist,
dadurchdieHalbduplex-ÜbertragungdasCSMA/CD-Verfahrenmitnicht-determinis-
tischerBackoff-StrategiezumEinsatzkommt.ZusätzlichhalbiertderHalbduplex-Be-
triebdiephysikalischeBandbreitedesNetzes.AuchzerstörenÜbertragungenvonasyn-
chronsendendenGeräte,dienichtdemEPL-Protokollfolgen,dieEchtzeitfähigkeitdes
Netzes.
Ein zweiter Lösungsansatz liegt in der Ersetzung oder Ergänzung der physikali-
schenEthernet-SchichtinklusivederMedienzugriffssteuerung.Die Ersetzunghatden
Zweck, für die härteste IAONA-Echtzeitklasse optimierte Hardware bereit zu stellen.
Als Vertreter dieses Ansatzes existieren ProfiNet IRT, SERCOS III sowie EtherCAT.
Der Vorteil der optimierten Hardware für die Automatisierungstechnik spiegelt sich
gleichzeitigalsNachteilfürdieKompatibilitätzumEthernet-Standardwider.