[论文解读] Real-time Linux communications: an evaluation of the Linux communication stack for real-time robotic applications

Carlos San Vicente Gutiérrez, Lander Usategui San Juan+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2018

Real-Time Systems Scheduling参考文献 2被引用 29

一句话总结

本文评估了在多核嵌入式系统中，Linux基于UDP的通信栈在机器人应用中的实时性能。通过将实时任务及其中断隔离到专用CPU上，研究证明了即使在并发流量下，也能显著提高确定性和有界的延迟，表明只要配置得当，Linux可以支持实时机器人应用。

ABSTRACT

As robotics systems become more distributed, the communications between different robot modules play a key role for the reliability of the overall robot control. In this paper, we present a study of the Linux communication stack meant for real-time robotic applications. We evaluate the real-time performance of UDP based communications in Linux on multi-core embedded devices as test platforms. We prove that, under an appropriate configuration, the Linux kernel greatly enhances the determinism of communications using the UDP protocol. Furthermore, we demonstrate that concurrent traffic disrupts the bounded latencies and propose a solution by separating the real-time application and the corresponding interrupt in a CPU.

研究动机与目标

• 评估Linux通信栈在分布式机器人系统中的实时能力。
• 识别在实时工作负载下基于UDP通信的性能瓶颈。
• 评估并发网络流量对Linux中延迟确定性的影响。
• 提出并验证一种CPU隔离策略，以提升实时通信的可靠性。
• 证明只要为实时机器人正确配置，Linux可支持确定性、低延迟通信。

提出的方法

• 在不同工作负载下，对多核嵌入式Linux系统上的UDP通信性能进行基准测试。
• 通过应用实时补丁（PREEMPT_RT）配置Linux内核，以提高调度的确定性。
• 将实时应用线程及其网络中断处理程序隔离到专用CPU核心上。
• 在受控和并发流量条件下，测量端到端延迟和抖动。
• 使用CPU亲和性和cgroups，强制实现实时与非实时任务之间的资源隔离。
• 分析中断处理行为及其对通信确定性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 Linux UDP通信栈能否实现适用于实时机器人控制的有界延迟？
• RQ2 并发网络流量如何影响Linux中UDP通信的确定性？
• RQ3 对实时任务及其中断进行CPU隔离，在多大程度上能改善通信延迟的边界？
• RQ4 哪些内核和系统配置参数对于在基于Linux的机器人中实现实时性能至关重要？
• RQ5 在仅进行最小修改的前提下，是否可行使用标准Linux实现确定性机器人通信？

主要发现

• 通过正确配置，Linux内核可显著提升嵌入式多核系统上基于UDP通信的确定性。
• 并发网络流量会破坏有界延迟，导致抖动增加和延迟不可预测。
• 对实时应用及其网络中断进行CPU隔离，可降低延迟抖动并确保通信时间的可预测性。
• 为实时任务分配专用CPU核心，即使在负载下也能实现一致的有界端到端延迟。
• PREEMPT_RT补丁集对于实现低延迟调度和改善实时行为至关重要。
• 通过CPU亲和性和cgroups实现的系统级隔离，能有效防止非实时进程的干扰。