Secure Web Services für ambiente eingebettete Systeme

Das Internet der Dinge oder Smart Homes haben gemeinsam, dass in ihnen Kleinstgeräte ihren Dienst verrichten, die nicht über die Kapazitäten verfügen, klassische Sicherheitsmechanismen auszuführen. Außerdem müssen sie auch von technischen Laien sicher betrieben werden können. Diese Arbeit schlägt die Sicherheitsinfrastruktur DPWSec vor. DPWSec bildet eine Sicherheitsinfrastruktur, die einer ausführlichen Anforderungsliste genügt. Es wird gezeigt, dass sich die Kernkonzepte von DPWSec auf andere Basistechnologien übertragen lassen, wodurch eine sichere Protokollinteroperabilität möglich wird

Situationsbasiertes Scheduling von Echtzeit-Tasks in verteilten eingebetteten Systemen

Die Anforderungen an die verfügbare Rechenkapazität von Steuergeräten in der Automotive und Avionik-Domäne steigen kontinuierlich an. Dieser Anstieg ist auf die steigende Bedeutung von softwarebasierten Funktionen zurückzuführen, sowie auf die damit einhergehende steigende Anzahl und Komplexität der softwarebasierten Funktionen. In dieser Dissertation wird die Berücksichtigung der Situation (z. B. die geographische Position oder die Geschwindigkeit) als ein möglicher Ansatz beschrieben, um den steigenden Bedarf an Rechenkapazität der softwarebasierten Funktionen zu decken. Die benötigte Rechenkapazität einer softwarebasierten Funktion verändert sich in Abhängigkeit von der momentanen Situation. Durch die Berücksichtigung der Situation bei der Verteilung der Rechenkapazitäten entstehen freie Rechenkapazitäten, welche durch komplementäre softwarebasierte Funktion verwendet werden können. Die Zielsetzung dieser Dissertation ist es, eine situationsbasierte Verteilung der Rechenkapazität auf die softwarebasierten Funktionen des verteilen eingebetteten Systems zu erreichen.:1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Zielsetzung 1.3 Struktur der Arbeit 1.4 Zusammenfassung 2 Grundlagen 2.1 Situationsbasierte Systeme 2.2 Eingebettete verteilte Systeme 2.2.1 Architektur 2.2.2 Echtzeit-Tasks 2.2.3 Echtzeit-Scheduling 2.2.4 Echtzeit-Kommunikation 2.2.5 Steuergeräte der Zieldomänen 2.3 Prozessmigration in verteilten Systemen 2.3.1 Prozesssegmente 2.3.2 Möglichkeiten der Prozessmigration 2.4 Application checkpointing 2.5 Zusammenfassung 3 Stand der Forschung 3.1 Situationsbasiertes Scheduling für eingebettete verteilte Systeme 3.1.1 Semi-Statische Systeme 3.1.2 Dynamische Systeme 3.2 Situationsbasiertes Scheduling für Multi-Core Systeme 3.2.1 Situationen in HAMS 3.2.2 HAMS Architektur 3.2.3 Wissensdatenbank 3.3 Semi-Statische Netzwerkkonfiguration 3.4 Zusammenfassung 4 Situationsbasiertes Scheduling in verteilten eingebetteten Systemen 4.1 Analyse der Zielsetzung 4.2 Technische Ziele 4.3 SiVES-Sched Konzept 4.3.1 Erweiterter HAMS 4.3.2 Situations-Wissensdatenbank 4.3.3 TLS Master 4.3.4 Task-Migration 4.3.5 TLS Slave 4.3.6 Software Defined Network 4.3.7 TLS-KM 4.4 Zusammenfassung 5 Evaluation 5.1 Konzept der Evaluation 5.2 Evaluationsumgebung 5.2.1 Hardwareumgebung 5.2.2 Softwareumgebung 5.3 Rekonfiguration des verteilten eingebetteten Systems 5.3.1 Evaluation I: Erstellung der SWDB 5.3.2 Evaluation II: Durchführung der Rekonfiguration 5.3.3 Evaluation III: Dauer des kritischen Abschnitts 5.3.4 Evaluation IV: Vermeidung von Informationsverlust 5.4 Zusammenfassung 6 Zusammenfassung und Ausblick 6.1 Ergebnisse dieser Arbeit 6.1.1 Konzept 6.1.2 Evaluation 6.2 Ausblick 7 Appendix Literaturverzeichnis Nomenklatur Thesen Eigene Veröffentlichunge

FAMOUSO – Eine adaptierbare Publish/Subscribe Middleware für ressourcenbeschränkte Systeme

Eingebettete Systeme erbringen in unserem täglichen Leben eine Vielzahl von Aufgaben und der Anwendungsbereich umfasst ein weites Feld von der Haushaltselektronik über die Telekommunikation bis hin zu automotiven Anwendungen und Industrieautomation. Allgemein geht der Trend zu vernetzten Systemen, die zusammen eine Aufgabe erbringen. Software für solche Systeme grundsätzlich neu zu entwickeln, ist einerseits kostenintensiv und andererseits ist die Interoperabilität erschwert. Konfiguration und Adaption der Software an die jeweilige Situation ist wünschenswert. Als Antwort auf diese Herausforderungen wird in dieser Arbeit die adaptive publish/subscribe-Kommunikationsmiddleware FAMOUSO präsentiert. Weiterhin wird der Einsprachenansatz für die Adaption vorgestellt und gezeigt, welche Formen der Adaption unterstützt werden

Java in eingebetteten Systemen

Moderne, objektorientierte Sprachen spielen bei der Entwicklung von Software für eingebettete Systeme bislang kaum eine Rolle. Die Gründe hierfür sind vielfältig, meist wird jedoch die mangelnde Effizienz und der größere Speicherbedarf hervorgehoben. Obwohl Java viele Eigenschaften hat, die sehr für einen Einsatz in eingebetteten Systemen sprechen, so hängt doch gerade Java vielfach immer noch das Vorurteil an, in Systemen mit beschränkter Rechenleistung und Speicher zu viele Ressourcen zu benötigen. Diese Arbeit soll dazu beitragen, diese Vorurteile abzutragen. Sie stellt insbesondere Techniken vor, die den Speicherbedarf einer JVM so gering wie möglich halten und diese effizient mit der zur Verfügung stehenden Rechenleistung umgehen lassen. Viele der dargestellten Verfahren und Algorithmen wurden in der Kertasarie VM implementiert, einer virtuellen Maschine, die speziell für den Einsatz in eingebetteten Systemen konzipiert wurde. Durch die weit verbreitete Vernetzung eingebetteter Systeme über das Internet stellt sich in vielen Fällen zudem das Problem einer modernen, abstrakten und effizienten Form der Kommunikation. Aus diesem Grund liegt der zweite Schwerpunkt dieser Arbeit auf dem Vergleich von objektorientierten Middleware-Architekturen, insbesondere von Java-RMI. Auch auf diesem Gebiet wird eine eigene, speziell an eingebettete Systeme angepasste RMI-Variante vorgestellt.Modern, object oriented languages do not play an important role when developing software for embedded systems. There are many reasons for it, most often an inadequate performance and a greater memory demand are mentioned. In spite of the fact that Java has many features suitable for embedded systems, Java often faces the prejudice to consume too much resources in systems with limited processing power and memory. This work is a contribution to diminish this prejudices. It presents techniques to limit the memory demands of a Java Virtual Machine and to effectively cope with limited computing power. Many of the presented methods and algorithms are implemented in the Kertasarie VM, a JVM designed to run in embedded systems.Due to the fact of increasing network capabilities embedded systems often face the problem of a modern, abstract and efficient communication. Therefore the second emphasis of this work is put on the comparison of object oriented middleware architectures, especially Java-RMI. An own implementation for embedded systems is also presented

Stückweise lineare Funktionen für Network Calculus

Network Calculus ist ein häufig verwendetes und mächtiges Tool, um Aussagen über die Performanz und mögliche Probleme in Kommunikationsnetzwerken treffen zu können. Mit Hilfe dieser Aussagen zur Performanz eines Kommunikationsnetzwerkes ist es möglich, vorab Anforderungen an ein Kommunikationsnetzwerk zu stellen und dessen Aufbau richtig zu planen. Es ist dadurch auch möglich die maximale Belastung eines bestehenden Kommunikationsnetzwerkes zu bestimmen, ohne es einem tatsächlichen Stresstest unterziehen zu müssen. Das mathematische Grundgerüst des Network Calculus basiert dabei auf der (min,+) Algebra. Um die einzelnen Operationen der (min,+) Algebra berechnen zu können, bedarf es einer Darstellung der einzelnen Ankunftskurven und Servicekurven in dem Kommunikationsnetzwerk. Eine mögliche Art diese Ankunftskurven und Servicekurven darzustellen, sind stückweise lineare Funktionen. In dieser Arbeit wird basierend auf der Arbeit von Bouillard und Thierry eine Pythonbibliothek für die effiziente Berechnung mit stückweisen linearen Funktionen in der (min,+) Algebra erstellt. Die richtige Datenstruktur zum Darstellen einer stückweisen linearen Funktion, sowie Algorithmen zum Berechnen der Operationen in der (min,+) Algebra, werden erläutert. Wichtige Berechnungen wie die Faltung und Entfaltung, das Minimum und Maximum und die Addition und Subtraktion, sowie das Backlog und das Virtual Delay von zwei stückweisen linearen Funktionen werden dabei unterstützt

A dynamically reconfigurable hard-real-time communication protocol for embedded systems

Echtzeitkommunikation ist eine Grundanforderung für viele verteilte eingebettete Systeme. Für eine neue Klasse von Anwendungen sind jedoch nicht nur Echtzeitfähigkeit, sondern auch Flexibilität und Anpassungsfähigkeit notwendige System-Attribute. Um die Flexibilität zu erhöhen, wurde in dieser Arbeit ein neues Kommunikationsprotokoll namens TrailCable konzipiert. Es profitiert von den Eigenschaften des Earliest Deadline First Scheduling-Verfahrens, wie z. B. der optimalen Ausnutzung von Ressourcen und der Unterstützung von heterogenen Tasks. Ein Kommunikationsnetzwerk wird aufgebaut mit Hilfe von voll-Duplex-, Punkt-zu-Punkt-Verbindungen, wobei die Knoten Datenpakete weiterleiten können, um eine Multi-hop Übertragung zu gewährleisten. Es werden Methoden vorgestellt, die es erlauben, automatisch die Kommunikationsanforderungen erfüllende Echtzeit-Kanäle auf das Netzwerk abzubilden. Echtzeit-Kanäle können nur dann aktiviert werden, wenn im Voraus ein Akzeptanztest erfolgreich durchgeführt wurde. Solch eine Prüfung kann mittels eines Tools automatisch erfolgen. Alle dafür notwendigen Netzwerkinformationen werden aus XML-Dateien eingelesen. Zur Laufzeit prüft ein Mechanismus, der Bandbreitenwächter genannt wird, ob die eingelesenen Pakete mit ihrer Spezifikation übereinstimmen, damit Fehler die Echzeitfähigkeit anderer Kanäle nicht beeinträchtigen können. Zeitkritische Funktionen des Kommunikationsprotokolls, wie Scheduling, Bandbreitenwächter, Routing und Uhrsynchronisation, sind mittels dedizierter Hardware implementiert. Ein voll funktionsfähiger FPGA-basierter Prototyp wurde aufgebaut und in zahlreichen Tests evaluiert, um das Echtzeit-Verhalten des Protokolls unter realen Bedingungen zu testen und zu analysieren.Real-time communication is a basic requirement for many distributed embedded systems. However, for an emerging new class of applications not only real-time behavior but also flexibility and adaptability will become necessary system attributes. In order to increase the flexibility of real-time communication systems a new protocol called TrailCable was designed. It takes advantage of the properties of Earliest Deadline First (EDF) scheduling, which include optimal utilization bounds and the possibility to cope with heterogeneous task sets. A communication network is built with full-duplex, point-to-point links, and nodes can route packets to allow multi-hop message delivery. This work introduces methods for automatically mapping real-time channels on a given network directly from communication requirement specifications. The activation of real-time channels in the network is permitted only after a successful schedulability analysis, which can be executed automatically by a tool that checks XML-based network configuration models. At run-time, the characteristics of all incoming packets are checked against their specification by an admission control technique called bandwidth guardian, which is used to ensure that occasional faults will not impair the timeliness of other real-time channels. Time-critical functions of the communication protocol, such as scheduling, admission control, packet routing, and clock synchronization, are implemented by means of dedicated hardware. A fully operational FPGA-based prototype was built and used in different measurement experiments to validate the real-time behavior of the protocol under real conditions.Tag der Verteidigung: 02.04.2012Paderborn, Univ., Diss., 201

Durchgängige Timing-Bewertung von Vernetzungsarchitekturen und Gateway-Systemen im Kraftfahrzeug

Die steigende Anzahl von Elektrik-/Elektronik-Systemen im Automobil und damit verbunden das zunehmende Kommunikationsaufkommen stellen immer höhere Anforderungen an den Entwicklungsprozess. Aufgrund der wachsenden Anzahl an vernetzten Funktionen spielt die Betrachtung des Timing-Verhaltens der Systeme eine zentrale Rolle. Die Arbeit beschreibt eine Methodik, welche eine durchgängige Bewertung von Vernetzungsarchitekturen und Gateway-Systemen hinsichtlich deren Timing-Verhaltens ermöglicht