[논문 리뷰] Xronos: Predictable Coordination for Safety-Critical Distributed Embedded Systems

Soroush Bateni, Marten Lohstroh외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 07. 19.

Distributed systems and fault tolerance인용 수 5

한 줄 요약

Xronos는 안전이 핵심인 분산 임베디드 시스템을 위한 결정론적이고 오픈소스의 미들웨어 프레임워크로, 비결정론적인 퍼블리시/서브스크립션 협업 방식을 LINGUA FRANCA 기반의 시간순서화된 논리적 실행 의미론으로 대체한다. 이는 시간 가정 하에 예측 가능한 동작을 보장하며, 응용 프로그램 전용 장애 핸들러를 통해 위반 사항을 탐지하고, 다양한 하드웨어 플랫폼에서 ROS 2 및 MQTT와 비교해 비교적 낮은 지연 시간 오버헤드로 유사한 처리량을 달성한다.

ABSTRACT

Asynchronous frameworks for distributed embedded systems, like ROS and MQTT, are increasingly used in safety-critical applications such as autonomous driving, where the cost of unintended behavior is high. The coordination mechanism between the components in these frameworks, however, gives rise to nondeterminism, where factors such as communication timing can lead to arbitrary ordering in the handling of messages. In this paper, we demonstrate the significance of this problem in an open-source full-stack autonomous driving software, Autoware.Auto 1.0, which relies on ROS 2. We give an alternative: Xronos, an open-source framework for distributed embedded systems that has a novel coordination strategy with predictable properties under clearly stated assumptions. If these assumptions are violated, Xronos provides for application-specific fault handlers to be invoked. We port Autoware.Auto to Xronos and show that it avoids the identified problems with manageable cost in end-to-end latency. Furthermore, we compare the maximum throughput of Xronos to ROS 2 and MQTT using microbenchmarks under different settings, including on three different hardware configurations, and find that it can match or exceed those frameworks in terms of throughput.

연구 동기 및 목표

• 자율주행 차량과 같은 안전이 핵심인 시스템에서 예측 불가능한 동작을 유도할 수 있는, ROS 2 및 MQTT와 같은 널리 사용되는 퍼블리시/서브스크립션 프레임워크의 비결정론성을 해결하기 위해.
• 변동하는 통신 지연과 시계 드리프트가 존재하더라도 결정론적 실행을 보장하는 협업 프레임워크를 설계하기 위해.
• 시간 가정 위반 시에 이를 탐지하고 응용 수준의 장애 복구를 가능하게 하는 메커니즘을 제공하기 위해.
• 실제 임베디드 플랫폼에서 수용 가능한 성능 오버헤드로 결정론적 협업이 달성될 수 있음을 입증하기 위해.
• 최소한의 리팩터링으로 ROS 2에서의 원활한 마이그레이션을 가능하게 하기 위해, 전체 스택 자율주행 시스템(Autoware.Auto)을 Xronos로 이식하기 위해.

제안 방법

• Xronos는 분산된 구성 요소 간에 결정론적 실행 순서를 보장하기 위해 논리적 시간을 사용하여 메시지 처리 순서를 예측 가능하고 반복 가능하게 한다.
• 물리적 시간과의 통합을 통해 시계 동기화를 통해 센서 및 액추에이터와 실시간으로 상호작용하면서도 논리적 결정론성을 유지한다.
• 프레임워크는 두 가지 협업 메커니즘을 지원한다: 네트워크 성능 악화 상황에서도 가용성을 중시하는 분산형 코ordinating 기반과, 지연된 입력 상황에서도 일관성을 중시하는 중앙집중형 코ordinating 기반.
• 안전한 처리 범위 준수 여부를 모니터링하여 장애 탐지를 달성하며, 위반 시 사용자가 정의한 장애 핸들러를 트리거한다.
• 논리적 연결과 물리적 연결을 모두 지원하며, 후자는 마이크로벤치마크에서 최대 7배 높은 처리량을 제공한다.
• 시간을 일등 시민으로 간주하는 LINGUA FRANCA 협업 언어를 활용하며, 이는 동기어휘 언어, 액터, 이산사건 시스템의 기능을 통합한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 ROS 2 기반의 퍼블리시/서브스크립션 기반 협업 모델이 안전이 핵심인 자율주행 시스템에서 비결정론적 행동을 유도할 수 있는가?
• RQ2 논리적 시간 기반 협업이 성능을 희생시키지 않고 분산 임베디드 시스템의 비결정론성을 어느 정도 감소시킬 수 있는가?
• RQ3 다양한 하드웨어 플랫폼에서 Xronos는 처리량과 종단 간 지연 시간 측면에서 ROS 2 및 MQTT와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 실시간 협업 프레임워크에 장애 탐지 및 응용 수준의 복구 기능을 효과적으로 통합할 수 있는가?
• RQ5 Xronos에서 시계 동기화 및 장애 탐지 메커니즘의 성능 오버헤드는 얼마인가?

주요 결과

• Xronos는 시계 동기화 없이도 분산 모드에서 최대 10.14 Mbps의 처리량을 달성했으며, 동기화 시 7.54 Mbps로 감소하여 낮은 성능 영향을 보였다.
• 처리량은 피드레디트 수와 메시지 크기와 비례적으로 약선형적으로 증가하여, 예측 가능하고 확장 가능한 성능을 입증했다.
• 마이크로벤치마크에서 Xronos의 물리적 연결은 논리적 연결 대비 최대 7배 높은 처리량을 제공했다.
• 시계 동기화로 인한 영향은 측정 가능하지만 낮았으며, 동기화 오차는 항상 10 마이크로초 이내로 일관되었다.
• Autoware.Auto를 Xronos로 이식하는 데 성공하여 이전에는 탐지되지 않았던 시간 오차 장애를 제거하고 시간 가정 위반을 탐지할 수 있게 되었다.
• 세 가지 하드웨어 플랫폼(PC, NVIDIA Jetson AGX Xavier, 이질적인 두 노드로 구성된 임베디드 시스템)에서 Xronos는 최대 처리량 측면에서 ROS 2 및 MQTT를 따라하거나 초월했다.