[論文レビュー] Real-Time scheduling: from hard to soft real-time systems

Giuseppe Lipari, Luigi Palopoli|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2015

Real-Time Systems Scheduling参考文献 6被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、ハードリアルタイムとソフトリアルタイムシステムの間のギャップを埋めるために、特に定常帯域幅サーバー（CBS）を含むリソース予約フレームワークを提唱し、混合クリティカルティ環境における時間的隔離と耐障害性を実現する。CBSが予算割り当てによる実行を保証することで、過負荷時でさえもデッドライン遵守を確保し、ハードスケジューラビリティを実現することを示しており、LinuxにおけるSCHED_DEADLINEを介した統合も成功裏に達成している。

ABSTRACT

Real-time systems are traditionally classified into hard real-time and soft real-time: in the first category we have safety critical real-time systems where missing a deadline can have catastrophic consequences, whereas in the second class we find systems or which we need to optimise the Quality of service provided to the user. However, the frontier between these two classes is thinner than one may think, and many systems that were considered as hard real-time in the past should now be reconsidered under a different light. In this paper we shall first recall the fundamental notion of time-predictability and criticality, in order to understand where the real-time deadlines that we use in our theoretical models come from. We shall then introduce the model of a soft real-time system and present one popular method for scheduling hard and soft real-time tasks, the resource reservation framework. Finally, we shall show how resource reservation techniques can be successfully applied to the design of classical control systems, thus adding robustness to the system and increasing resource utilisation and performance.

研究の動機と目的

• ハードリアルタイムとソフトリアルタイムシステムの境界が曖昧であるのを分析し、従来の分類の再評価を主張すること。
• 安全クリティカルなシステムにおけるデッドライン違反のリスクを扱い、システムの整合性と耐障害性を維持するメカニズムを提案すること。
• 特に定常帯域幅サーバー（CBS）を含むリソース予約技術が、時間的隔離を提供し、リソース利用効率を向上させることを示すこと。
• CBSが古典的制御システムにおける実用的適用性を示し、SCHED_DEADLINEを介してメインストリームLinuxに統合された事例を提示すること。

提案手法

• 論文は、時間予測可能性とクリティカルティの概念を導入し、リアルタイムデッドラインモデルを物理的およびシステムレベルの制約に根拠づける。
• リソース予約フレームワークを提示し、各タスクに固定実行予算Qと周期Pを持つスケジューリングサーバーを割り当てる。
• 定常帯域幅サーバー（CBS）アルゴリズムを詳細に説明する：予算は定期的に再充電され、実行中に減算される。予算が尽きた場合、タスクは遅延または一時停止される。
• Qがタスクの最悪実行時間（WCET）以上であり、Pがタスク周期以下である限り、ハードスケジューラビリティが保証される。
• 3つのタスクを用いた事例研究を通じて、CBSが高優先度タスクを低優先度タスクから隔離する方法を示す。
• LinuxにおけるSCHED_DEADLINEの使用を強調し、スレッドごとの予算と周期の割り当てを可能にすることで、CBSがネイティブにサポートされることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 デッドライン違反が生じた場合、特に安全クリティカルなアプリケーションにおいてリアルタイムシステムがどのようにして耐障害性と整合性を維持できるか。
• RQ2 CBSのようなリソース予約技術が、混合クリティカルティシステムにおけるタスク間の時間的隔離をどの程度実現できるか。
• RQ3 サーバー周期P = T/kなどの異なる周期設定が、タスクの実行タイミング挙動とシステムオーバーヘッドに与える影響は何か。
• RQ4 CBSモデルをメインストリームオペレーティングシステム（例：Linux）に効果的に統合するにはどうすればよいか。
• RQ5 リソース予約は、古典的制御システムにおいてスケジューラビリティとパフォーマンスの両方を向上させることができるか。

主な発見

• 定常帯域幅サーバー（CBS）は、割り当てられた予算Qがタスクの最悪実行時間（WCET）以上である限り、ハードスケジューラビリティを保証する。
• リソース予約は時間的隔離を提供する：タスクのデッドライン遵守は、他のタスクの動作に依存せず、自らの予算と周期にのみ依存する。
• LinuxにおけるSCHED_DEADLINEの使用により、開発者はスレッドごとの予算と周期を割り当てることができ、CBSが本番環境でも利用可能になる。
• サーバー周期P = T/kの選択により、タスク実行タイミングの細かい制御が可能となり、kの値を小さくすることでより予測可能な出力タイミングが得られる。
• CBSにより、高優先度タスクは過負荷時でさえも低優先度タスクの干渉から保護され、時間的隔離の形で実現される。
• 論文は、τ₁のようなタスクが予算不足によりデッドラインを逸脱しても、τ₂やτ₃のような他のタスクは影響を受けないことを示しており、耐障害性が裏付けられている。