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Adaptive virtual machine scheduling and migration for embedded real-time systems
Erscheinungsjahr
2015
Verknüpfte Titel
Beschreibungen/Notizen
Tag der Verteidigung: 20.03.2015
Paderborn, Univ., Diss., 2015
ger: Integrierte Architekturen konsolidieren Funktionen auf einem Steuergerät und sind mit Mehrkernprozessoren geeignet, komplexe Funktionalität bei reduzierter Größe, Gewicht und Leistungsaufnahme zu implementieren. Die Herausforderungen sind eine robuste Isolation der integrierten Systeme und eine Ressourcenverwaltung, die jedem System die Erfüllung ihrer Anforderungen garantiert. Hypervisor-basierte Virtualisierung ist eine vielversprechende Integrationsarchitektur für eingebettete Echtzeitsysteme. Die Hardwareressourcen werden in isolierte virtuelle Maschinen aufgeteilt, von denen jede ein Betriebssystem und Anwendungen beinhaltet. Diese Arbeit befasst sich mit der Verwaltung der Ressource Rechenzeit durch den Hypervisor. Stand der Technik ist die Zuweisung exklusiver Prozessorkerne oder festgesetzter Ausführungszeitanteile zu allen virtuellen Maschinen. Solch statische Ansätze führen bei Anwendungen mit zur Laufzeit schwankendem Bedarf zu einer geringen Auslastung, da der Bedarf für den ungünstigsten Fall zu jeder Zeit reserviert werden muss, oft aber nicht benötigt wird. Anpassungsfähigkeit für die effiziente Nutzung des Prozessors ist wünschenswert, ohne die Echtzeitfähigkeit zu verlieren. Der erste Beitrag ist ein Algorithmus für die Aufteilung virtueller Maschinen auf homogene Prozessorkerne. Der zweite Beitrag ist eine Technik zur Ablaufsteuerung von virtuellen Maschinen, welche Antwortzeitgarantien mit einer adaptiven Verwaltung der Prozessorleistung im Falle von Betriebsmoduswechseln und Ausführungszeitschwankungen verbindet. Der dritte Beitrag ist eine Technik zur echtzeitfähigen Migration virtueller Maschinen. Zusammen ermöglichen es diese Beiträge unabhängig voneinander entwickelte Systeme mithilfe eines Hypervisors zu integrieren. Adaptive Maßnahmen reagieren effektiv auf Veränderungen des Bedarfs und schützen sicherheitskritische Systeme. Ein Prototyp demonstriert die Machbarkeit.
eng: Integrated architectures consolidate multiple functions on a shared electronic control unit and are in combination with multicore processors well suited to implement complex functionality with reduced size, weight, and power consumption. The major challenges are robust encapsulation (to prevent that the integrated systems corrupt each other) and resource management (to ensure that each system receives sufficient resources). Hypervisor-based virtualization is a promising integration architecture for complex embedded real-time systems. It refers to the division of the hardware resources into multiple isolated execution environments (virtual machines), each hosting an operating system and application tasks. This thesis addresses the hypervisors management of the resource computation time. State of the art approaches assign exclusive processor cores or fixed processor shares to each virtual machine. For applications with a computation time demand that varies at run-time, such static solutions result in a low utilization, since the pessimistic worst-case demand has to be reserved at all times, but is often not needed. Therefore, adaptability is desired in order to utilize the shared processor efficiently, but without losing the real-time capability as a prerequisite for the integration. The first contribution is an algorithm for the partitioning of virtual machines to homogeneous cores. The second contribution is a virtual machine scheduling architecture that combines real-time guarantees with an adaptive management of the computing power in case of mode changes and execution time variations. The third contribution is a technique for real-time virtual machine migration. Together, these contributions enable the integration of independently developed systems on top of a hypervisor. Adaptive measures are taken to follow the varying demand effectively and to protect critical systems. A prototype demonstrates the feasibility.