دانلود رایگان ترجمه مقاله iLAND میان افزار بهبود یافته برای تنظیم مجدد سیستم های زمان واقعی – IEEE 2013

iLAND: یک میان افزار ارتقا یافته برای پیکربندی دوباره زمان-واقعی سیستم های زمان-واقعی توزیع شده خدمت محور

iLAND: An Enhanced Middleware for Real-Time Reconfiguration of Service Oriented Distributed Real-Time Systems

چکیده 

سیستم های تعبیه شده شبکه بندی شده آینده, عمیقاً پیچیده هستند و در محیطی ترکیب می شوند که تحت نظارت قرار می گیرند. آنها باید به رویدادهای کاربر و محیط واکنش نشان دهند و این کار به اصلاح ساختار آنها برای رفع و رجوع وضعیت های در حال تغییر نیاز دارد. در تعدادی از حوزه ها از جمله محیط های صنعتی, این اصلاح ساختار سیستم باید در زمان واقعی رخ دهد. این یک مسئله سخت است که به راه حل های الگودار و جدید مرتبط با دانش از حوزه ها برای ساخت یک میان افزار برای میسر نمودن تعامل زمان واقعی بین گره ها نیاز خواهد داشت که پیکربندی دوباره زمان-محدود را ایجاب می نماید. برای حمایت از زمان-واقعی, این میان افزار باید به طور عمودی به روشی مدولار از سطوح شبکه و سیستم عامل تا نرم افزار کاربردی و خط مشی های زمان واقعی برای دستیابی به رفتار محدود-در زمان معماری شود. این مقاله, یک میان افزار را ارائه می دهد که به این مشخصات حمایت کننده از پیکربندی دوباره به موقع در سیستم های زمان-واقعی توزیع شده بر اساس خدمات می پردازد. نتایج آزمایشی برای اعتبارسنجی میان افزار در یک نمونه اولیه ویدئوی مقیاس-کوچک واقعی نشان داده می شوند.

I. مقدمه
محیط های محاسباتی کنونی در حال تبدیل شدن به زیرساخت های پیچیده ای هستند که شامل مجموعه های متعددی از گره ها با ماهیت ناهمگون می شوند که یک ابر از نقاط پردازش را تشکیل می دهند. این گره ها, حس, پردازش, تحریک و تولید اطلاعات را برای اپراتورهای انسانی و/یا برای دیگر گره ها و سیستم های فرعی انجام می دهند. اطلاعات ضبط شده در بخش های مختلف سیستم پیچیده می توانند پردازش شوند و در زمان واقعی به نقاط از راه دور دیگر برای پردازش بیشتر آن تحویل داده شوند و نتایج مورد نیاز را به موقع تولید نمایند. برای نمونه, مورد یک سیستم نظارت ویدئویی پیچیده را با تحلیل محتوا برای نظارت بر فرآیندهای صنعتی در محیط های خصمانه در نظر بگیرید که هیچ اپراتور انسانی در آن وجود ندارد. در آینده نزدیک, انتظار می رود این زیرساخت ها, پردازش متقابل حجم زیادی از اطلاعات را در زمان واقعی انجام دهند.
برای میسر نمودن وجود محیط های محاسباتی پیچیده, یک رویکرد انعطاف پذیر برای طراحی, توسعه و قابلیت داخلی آنها مورد نیاز است. یک روش طبیعی برای این کار, میسر نمودن تعامل قسمت هیا فرعی به روشی تجزیه شده است. پیش بینی احتمالات محدودکننده دیگر (همانند توسعه یکنواخت) واقعاً با فناوری کنونی و در زمینه ای که احتمالات حوزه کاربرد و تقاضاهای کاربر به سرعت در بازار پدیدار می شوند سخت است.
معرفی راه حل های تعاملی گسسته, بخشی از مسئله را حل خواهد کرد, اما چالش های دیگر مرتبط با امنیت, پردازش اطلاعات توزیع شده, سنکرون سازی و دقت و غیره را به همراه خواهد آورد. به طور دقیق, عملیات زمان-واقعی چنین زیرساخت های پیچیده ای, یکی از چالش های کلیدی خواهد بود که باید از دیدگاه چندحوزه ای رفع و رجوع شود.
در حال حاضر, یک روند واضح, حمایت از پیکربندی دوباره سیستم به عنوان بخشی از دینامیک این محیط های پیچیده است. یک پیکربندی دوباره بر گذار بین دو حالت مختلف سیستم متکی است. تعدادی از رویدادها را می توان از طریق سیستمی تولید نمود که به واکنش به موقع برای رفع و رجوع وضعیت های خواسته یا ناخواسته نیاز دارد (کاربرد تعریف شده). زیرساخت (یعنی, گره ها و اتصالات آنها) باید اجرا و حتی لینک های گره را برای هدایت رویدادهای جدید تطبیق دهند و پاسخی صحیح به حالت جدید سیستم ارائه دهند.
با در نظر داشتن این مسئله چالش آور, ما دیدگاهی را نسبت به پیکربندی دوباره زمان-واقعی از نقطه نظر سطح سیستم توصیف می کنیم که معماری میان افزار توسعه یافته در پروژه iLAND ارائه می دهد؛ این یک راه حل مستقل از سیستم عامل برای حمایت از عملیات و پیکربندی دوباره زمان-محدود در سیستم های زمان-واقعی نرم توزیع شده خدمات-گراست. این معماری, مجموعه ای از مولفه ها و منطق مرتبط را برای فراهم نمودن تضمین های معین-زمانی تعریف می کند. راه حل های مدرن با الگوریتم ها و مکانیزم های قبلی برای حمایت از پیکربندی مجدد زمان-محدود ادغام نمی شوند. آنها: ۱) بر تکنیک های قابلیت درست کردن خدمات در سطح برنامه تمرکز می کنند که در مورد مشخصات زمان واقعی کاری انجام نمی دهند یا ۲) زمانی که سیستم های زمان واقعی مد نظر هستند, آنها عمدتاً با زمانبندی پردازنده سطح-پایین بدون ملاحظه واقع گرایانه از موضوعات توزیع سرو کار دارند.
این مقاله با توصیف مسئله در بخش II آغاز می شود. بخش II, کار مرتبط, بخش IV, توصیف مفهوم پیکربندی زمان واقعی و مدل برنامه؛ بخش V, معماری iLAND, بخش VI اعتباردهی آن در یک برنامه نظارت ویدئویی صنعتی مقیاس-کوچک و بخش VII نتیجه گیری این مقاله را ارائه می دهند.

Abstract 

Future networked embedded systems will be complex deployments deeply integrated in the environment that they monitor. They will have to react to both user and environmental events, and this may require modifying their structure to handle the changing situations. In a number of domains including industrial environments, this modification of the system structure will need to take place in real time. This is a hard problem that will require novel and paradigmatic solutions involving cross-domain knowledge to build a middleware for enabling real-time interaction between nodes allowing time-bounded reconfiguration. For supporting real-time, this middleware must be vertically architected in a modular way from the network and operating system levels up to the application software and the real-time policies for achieving time-bounded behavior. This paper presents a middleware that addresses these characteristics supporting timely reconfiguration in distributed real-time systems based on services. Experimental results are shown to validate the middleware in an actual small-scale video prototype.

I. INTRODUCTION

CURRENT computing environments are becoming complex infrastructures containing numerous collections of nodes of heterogeneous nature forming a cloud of processing points. These nodes sense, process, actuate, and generate information for human operators and/or for other nodes and subsystems. Information captured in different parts of the complex system can be processed and delivered in real time to other remote spots to further process it and generate the required results on time. This is, for instance, the case of a complex video surveillance system with content analysis for monitoring of industrial processes in hostile environments where no human operators are present. In the near future, these infrastructures are expected to perform cross-processing of huge bulks of information in real time. To enable the existence of complex computing environments, a flexible approach for their design, development, and interoperability is needed. A natural way for this is to allow its subparts to interact in a decoupled manner. Envisioning other limiting possibilities (as monolithic development) is really hard at the present history of technology and in a context where further application domain possibilities and user demands appear in the market so fast. Introducing decoupled interaction solutions will solve part of the problem, but it will bring in other challenges related to security, distributed information processing, synchronization, and timeliness, among others. Precisely, real-time operation of such complex infrastructures will be one of the key challenges that must be handled from a multidomain perspective. Currently, a clear trend is to support system reconfiguration as part of the dynamics of these complex environments. A reconfiguration implies the transition between two different system states. A number of events may be generated through the system that require a timely reaction to handle either unexpected or even expected (application defined) situations. The infrastructure (i.e., the nodes and their connections) will have to adapt the execution and even the node links to handle new events, offering a correct answer to the new system state. With this challenging problem in mind, we describe the vision towards real-time reconfiguration from a system level view presenting the middleware architecture developed in the iLAND1 project; it is a platform-independent solution for supporting time-bounded operation and reconfiguration in service-oriented distributed soft real-time systems. The architecture defines the set of components and the associated logic to provide time-deterministic guarantees. Related state-of-the-art solutions do not integrate built-in algorithms and mechanisms for supporting time-bounded reconfiguration. They either: 1) concentrate on application-level service composability techniques being silent about real-time characteristics or 2) when targeting real-time systems, they deal mainly with low-level processor scheduling with no realistic considerations of distribution issues. The outline of this paper begins by describing the problem in Section II. Section III presents the related work. Section IV describes the concept of real-time reconfiguration and the application model; the iLAND architecture is presented in Section V. Section VI validates it in a small-scale industrial video surveillance application. Section VII concludes the paper.