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CPU-Pinning in der Cloud

Näher an die harte Echtzeit

Die Produktion hat klare Anforderungen an echtzeitfähige Systeme. Sie müssen zeitlich fest definiert reagieren, etwa bei der Übertragung, Verarbeitung und Bereitstellung von Daten. Cloud-Systeme können das oft nicht leisten. Echtzeitkritische Anwendungen sind in der Regel an die Hardware gebunden. Werden diese Anwendungen nicht genutzt, bleiben Systeme und Rechenressourcen ungenutzt. Liefen echtzeitkritische Anwendungen in die Cloud, ließen sich Anwendungen dynamisch auf freie Rechen- und Speicherkapazitäten verteilen. Auch der Skalierung von Anwendungen fiele leichter. In der dynamischen und adaptiven Produktion werden somit vorhandene Ressourcen optimal ausgenutzt.

Determinismus in der Cloud

Um echtzeitkritische Anwendungen auf Cloud-Systemen auszuführen, muss die virtualisierte Anwendung die Rechenaufgaben in einer vorgegebenen Zeit erledigen können. Zusätzlich muss die Kommunikation der Cloud-Systeme zu den Endgeräten deterministisch sein. In Cloud-Systemen werden oft unterschiedliche Anwendungen parallel betrieben. Die Hardwareressourcen werden dabei meist ohne Priorisierung zugeteilt. Für die echtzeitfähige Anwendung müssen also eine Priorisierung und die Zuweisung möglich sein. Die Echtzeitanwendung muss in einer festgelegten Zeitspanne uneingeschränkten Zugriff auf die Hardware haben.

Hardware fest zugewiesen

Ein Hypervisor weist virtualisierten Systeme verfügbare Hardwareressourcen dynamisch zu. Das sogenannte CPU-Pinning ist eine Methode, um den virtuellen CPU-Kernen der virtualisierten Systeme physikalische CPU-Kerne fest zuzuordnen. Durch den direkten und reservierten Zugriff auf die Hardware kann das virtualisierte System verlässlich ohne den Einfluss durch andere Anwendungen ausgeführt werden. Eine weitere Voraussetzung für virtualisierte Echtzeitanwendungen ist die echtzeitfähige Kommunikation. Hierfür werden in der Automatisierungstechnik Feldbussysteme eingesetzt. Diese erfordern den Aufbau eines separaten Kommunikationsnetzwerks. Oft ist eine Anbindung des Feldbus-Netzwerks an das IT-Netzwerk unmöglich, da unterschiedliche Protokolle verwendet werden. Konvergente Netze sind mit heute existierenden Feldbussystemen nicht möglich. Dies erschwert die Integration von Cloud-Systemen und den virtualisierten Echtzeitanwendungen in die Produktion. Eine Technologie zur Bewältigung dieser Herausforderungen ist Time Sensitive Networking (TSN). Mit TSN als Erweiterung des Ethernet-Standards lässt sich die deterministische Datenübertragung über Ethernet-Netzwerke umsetzen. Zunächst müssen hierfür die virtualisierten Anwendungen TSN unterstützen. Zusätzlich muss das Cloud-System TSN-fähige Netzwerkkarten verbaut haben, welche den virtualisierten Systemen zugeordnet sein müssen.

Fraunhofer-Institut IPM

Dieser Artikel erschien in IT&Production 3 (April) 2022 - 06.04.22.
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