Arbeitsgruppe ESS BA/MA-Themen SS21 Universität Osnabrück
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Arbeitsgruppe ESS
BA/MA-Themen SS21
https://ess.cs.uni-osnabrueck.de/teaching/theses.html.de
Olaf Spinczyk
olaf@uos.de
http://ess.cs.uni-osnabrueck.de/~os
Arbeitsgruppe Eingebettete Softwaresysteme
Institut für Informatik, Universität Osnabrück
Wir suchen: (Bachelor|Master)and(en|innen)
Allgemeines
●
Empirisches Arbeiten
➔ Konzipieren, Bauen, Messen, Bewerten
Themenkomplexe
Eingebettete Systeme
Systemsoftware
Softwaretechnik
und Plattformen
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 2
Themenbereiche
●
Ressourcenmodelle (Daniel Friesel)
– Ressourcenmodelle, Systemkonfiguration, Energieverwaltung
●
Multi-/Manycore-Betriebssysteme (Michael Müller)
– MxKernel-Projekt, low-level Betriebssystemprogrammierung
– Skalierbarkeit, Heterogenität, Tasks vs. Threads
●
Zuverlässigkeit und Sprachen (Christoph Borchert)
– Softwarebasierte Fehlertoleranz
– Aspektorientierte Programmierung
●
Neue Hauptspeichertechnologien (Marcel Köppen)
– Effizientere Betriebssysteme mit NVRAM
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 3
Modellgestützte Systemkonfiguration
●
Anwendungen haben eine Vielzahl an Konfigurations-Optionen
– Z.B. Betriebssystem: Task-System, Scheduler, Compiler-Optimierungen, ...
– Beeinflussen Performance konkreter Anwendungsfälle
●
Ziel: Pareto-optimale Konfigurationen für einen Anwendungsfall finden
– Z.B. Video-Encoder: Kleines System-Image, hoher Durchsatz, ...
Scheduler VRR, -Os RR, -Os
... kB, ... FPS ... kB, ... FPS
VRR RR …
VRR, -O2 RR, -O2
… kB, … FPS ... kB, … FPS
Optimierung
VRR, -O3 RR, -O3
… kB, … FPS … kB, … FPS
-Os -O2 -O3
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 4Modellgestützte Systemkonfiguration
Herausforderungen:
n
●
Großer Zustandsraum: n binäre Optionen → bis zu 2 mögliche Konfigurationen
●
Umgang mit nicht-binären Optionen
●
Effiziente Modellaktualisierung nach Änderungen am Quelltext
●
Effiziente Modellnutzung während der Systemkonfiguration
Aufgaben: Aktuelle Konzepte aufarbeiten und in ESS-Software einbinden
●
V. Nair et al. Finding Faster Configurations using FLASH. IEEE Transactions on
Software Engineering Band 46, Ausgabe 7, 2018
●
C. Kaltenecker et al. Distance-Based Sampling of Software Configuration Spaces.
International Conference on Software Engineering (ICSE), 2019
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 5Energiemodelle für Betriebssysteme
●
Anwendungsfall: Batteriebetriebene eingebettete Systeme
– Funksensoren, IoT / Smart Home, …
●
Begrenzter Energievorrat → Laufzeit?
– Abhängig von Nutzung, Konfiguration und Umgebungseinflüssen
●
Energiemodelle zur Laufzeit- und Restenergiebestimmung
– Lebensdauer abschätzen, Restenergie zur Laufzeit kennen
– Komponentenweise Modellierung mit Priced Timed Automata (PTA)
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 6Ressourcenbeschränktes Energy Accounting
●
Einfachster Ansatz: Automat zur Laufzeit simulieren
●
Probleme: Ungenauigkeit durch Integervariablen, Overhead
●
Beobachtung: Systemverhalten folgt oft einem deterministischem Muster
sleep(1h) measure radio.TX sleep(1h) measure
Knopfdruck
Messdaten
anzeigen
Tag Nacht
●
Aufgabe: Untersuchung Workload-basierter Modelle
– Formale Spezifikation und Modellierung auf PTA-Basis
– Implementierung und Evaluierung in eingebettetem Betriebssystem
– Berücksichtigung nichtdeterministischer Aktionen
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 7Themenbereiche
●
Ressourcenmodelle (Daniel Friesel)
– Ressourcenmodelle, Systemkonfiguration, Energieverwaltung
●
Multi-/Manycore-Betriebssysteme (Michael Müller)
– MxKernel-Projekt, low-level Betriebssystemprogrammierung
– Skalierbarkeit, Heterogenität, Tasks vs. Threads
●
Zuverlässigkeit und Sprachen (Christoph Borchert)
– Softwarebasierte Fehlertoleranz
– Aspektorientierte Programmierung
●
Neue Hauptspeichertechnologien (Marcel Köppen)
– Effizientere Betriebssysteme mit NVRAM
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 8Kontext: MxKernel – OS-/DB-Codesign
●
Systemarchitektur für Many-Core CPUs
●
Dynamische Zuweisung von
Ressourcen an „Zellen“
– CPU-Cores & Speicher
– FPGA-LUTs
– GPU
●
Monitoring & Adaption
durch Hypervisor („MxVisor“)
●
Taskmodell innerhalb
der „Zellen“
– effiziente parallele Ausführung
– Elastizität („MxTasking“)
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 9MxKernel-Abschlussarbeiten (1)
●
Ressourcenüberwachung und -adaption im MxVisor
– Aufgabe: Strategien zur dynamischen Verteilung von Resourcen an Hand von
Lastprofilen entwickeln und bewerten
●
Task-basierter TCP/IP-Stack
– Tasks erlauben hohes Maß ein Parallelität
– Fragen: Lässt sich dies Ausnutzen um die Verarbeitung von Netzwerkpaketen
zu beschleunigen? Ist dadurch ein skalierbarer TCP/IP-Stack realisierbar?
– Aufgabe:
●
Parallelisierbare Abläufe im Netzwerkprotokollstack identifizieren
●
Konzept und Implementierung für Netzwerkstack auf Task-Basis erstellen
●
Evaluation der Skalierbarkeit und Auslastung der Kerne
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 10MxKernel-Abschlussarbeiten (2)
●
Survey von Synchronisationstechniken
– Problem: Es gibt vielfältige Ansätze zur Synchronisation, aber nur
wenige skalieren bei einer hohen Anzahl paralleler Kontrollflüsse.
Zudem ist die Skalierbarkeit oft abhängig vom Workload.
– Idee: MxTasking soll an Hand des Workloads automatisch
entscheiden, welche Synchronisationstechnik verwendet wird
●
Benötigt Wissen über Skalierbarkeit von Technik bei bestimmten
Workload
– Ziel: Entscheidungsbaum für Synchronisationstechniken an Hand des
Workloads einer Anwendung
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 11MxKernel-Abschlussarbeiten (3)
●
Blockgerätetreiber und Dateisystem auf Tasks
– Problem: IO bisher Flaschenhals für Skalierbarkeit im OS, Datenbank und
OS benutzen jeweils eigene Implementierungen → Redundanz
– Forschungsfragen:
●
Wie realisiert man skalierbare Treiber auf Basis von Tasks?
●
Wie muss ein skalierbares Dateisystem aussehen?
●
Wie kann eine gemeinsame Dateisystemschnittstelle für OS und DB aussehen?
– Aufgabe:
●
Entwurf eines Konzepts für taskbasierten Blocktreiber bzw. Dateisystem
●
Implementierung eines Prototypen
●
Evaluation der Skalierbarkeit, Vergleich mit Linux
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 12MxKernel-Abschlussarbeiten (4)
●
GPU-Virtualisierung im Xen-Hypervisor
– Bisher in der Praxis nur über Hardware-Unterstüzung (Virtual Device
Functions)
– Virtual Device Functions nur in begrenzter Anzahl vorhanden. Was
wenn mehr Gastsysteme als virtuelle GPUs?
– => Software-basierte Virtualisierung, aber wie?
– Mehrere Möglichkeiten: Hardwareemulation, Paravirtualisierung,
oder Virtualisierung im Hypervisor
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 13MxKernel-Abschlussarbeiten (5)
●
GPGPU-Virtualisierung: Hardwareemulation
Dom0 Gastsystem 1 Gastsystem 2
qemu Application Application
OS Gast-OS Gast-OS
GPU-Treiber GPU-Treiber
GPU-Treiber
Virtuelle HW Virtuelle HW
Xen
GPU Hardware
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 14MxKernel-Abschlussarbeiten (5)
●
GPGPU-Virtualisierung: Hardwareemulation
Dom0 Gastsystem 1 Gastsystem 2
qemu Application
Vorteile: Application
● Keine Anpassung des Gastsystems notwendig
OS ●
Gast-OS Gast-OS
●
● GPU-Treiber des Gast-OS kann verwendet werden
GPU-Treiber GPU-Treiber
GPU-Treiber Nachteile:
●
● Virtuelle
Nur Funktionen einer HW
ganz bestimmten GPUVirtuelle
verfügbarHW
● Viele Kontextwechsel und Traps notwendig
●
● Schlechte Performance
●
Xen
GPU Hardware
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 15MxKernel-Abschlussarbeiten (5)
●
GPGPU-Virtualisierung: Paravirtualisierung
Dom0 Gastsystem 1 Gastsystem 2
OS Application Application
PvGPU
backend Gast-OS Gast-OS
PvGPU PvGPU
frontend frontend
GPU-Treiber
Xen
GPU Hardware
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 16MxKernel-Abschlussarbeiten (5)
●
GPGPU-Virtualisierung: Paravirtualisierung
Dom0 Gastsystem 1 Gastsystem 2
OS Application Application
PvGPU Vorteile:
backend Gast-OS
● Bessere Performance
●
Gast-OS
PvGPU PvGPU
● Nicht an Funktionalität einer bestimmten GPU gebunden
●
frontend frontend
GPU-Treiber
Nachteile:
● Anpassung des Gastsystems notwendig
●
● Spezieller Backend- und Frontend-Treiber notwendig
●
Xen
GPU Hardware
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 17MxKernel-Abschlussarbeiten (5)
●
GPGPU-Virtualisierung: Treiber im Hypervisor
Dom0 Gastsystem 1 Gastsystem 2
OS Application Application
Gast-OS Gast-OS
PvGPU PvGPU
frontend frontend
PvGPU
GPU-Treiber
backend Xen
GPU Hardware
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 18MxKernel-Abschlussarbeiten (5)
●
GPGPU-Virtualisierung: Treiber im Hypervisor
Dom0 Gastsystem 1 Gastsystem 2
OS Vorteile:
Application
● Noch bessere Performance(?)
● Application
● Nicht an Funktionalität einer bestimmten GPU gebunden
●
Gast-OS Gast-OS
●
● PvGPU
Integration mit Xen-Scheduler PvGPU
möglich, GPU wie CPUs behandeln
frontend
● Hypervisor kann GPGPU-Funktionalität
●
selbstfrontend
nutzen
Nachteile:
● Anpassung des Gastsystems notwendig
●
● Spezieller Backend- und Frontend-Treiber notwendig
●
PvGPU
● Bisher keine Implementierung
●
GPU-Treiber
backend Xen
GPU Hardware
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 19MxKernel-Abschlussarbeiten (6)
●
Thema dieser Abschlussarbeit daher: Integration eines GPGPU-Treibers
in den Xen-Hypervisor
●
Fragestellungen:
– Lässt sich durch die direkte Integration des Treibers im Hypervisor die
Performance verbessern?
– Wie isoliert man einzelne Gastsysteme beim Zugriff auf die GPU?
– Wie verteilt man GPGPU-Rechenzeit zwischen Gastsystemen?
– Lassen sich CPU- und GPU-Scheduling miteinander verbinden und hat dies
Vorteile?
– Wie lassen sich auf diese Weise GPGPU-Funktionen für den Hypervisor nutzen?
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 20MxKernel-Abschlussarbeiten (6)
●
Aufgaben:
– Bereits vorhandenen GPGPU-Treiber für Intel in Xen integrieren
(bereits abgeschlossen)
– Treiber um Funktion zur räumlichen und zeitliche Isolation
erweitern
– Schnittstellen zwischen Treiber und Gastsystemen entwerfen und
implementieren
– Scheduling-Strategien für virtuelle GPUs entwerfen (oder mit CPU-
Scheduling koppeln?)
– Evaluation der Performance im Vergleich zu paravirtualisierter
Lösung
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 21Themenbereiche
●
Ressourcenmodelle (Daniel Friesel)
– Ressourcenmodelle, Systemkonfiguration, Energieverwaltung
●
Multi-/Manycore-Betriebssysteme (Michael Müller)
– MxKernel-Projekt, low-level Betriebssystemprogrammierung
– Skalierbarkeit, Heterogenität, Tasks vs. Threads
●
Zuverlässigkeit und Sprachen (Christoph Borchert)
– Softwarebasierte Fehlertoleranz
– Aspektorientierte Programmierung
●
Neue Hauptspeichertechnologien (Marcel Köppen)
– Effizientere Betriebssysteme mit NVRAM
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 22Fehlerinjektion mit GDB
●
Entwicklung eines generischen Fehlerinjektions-Tools auf
Basis des GNU-Debuggers
– Simulation von Hardwaredefekten auf ISA-Level (Register, Speicher)
●
Insbesondere zufälliger 1-Bit-Hauptspeicherfehler
●
Ziel: Bewertung der Fehlertoleranz von Software
– Nativ: Einzelne Linux-Programme auf einem PC (z.B. memcached)
– Qemu: Ganze Betriebssysteme (z.B. FreeRTOS)
– Remote: Software in eingebetteten Systemen (z.B. S32K SDK)
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 23AspectC++: Weben in Templates
●
Problem: Folgendes Sprachfeature “funktioniert noch nicht” …
aspect IntElementCounter {
advice execution("% Queue::enqueue(...)") : after() {
...
} };
– erfordert individuelle Transformation pro Template-Instanz
●
Aufgabe:
– Erarbeitung der nötigen Code-Transformationsmuster für Klassen- und
Funktions-Templates
– Prototypischen Implementierung als Erweiterung des ac++-Compilers
– Nachweis der Funktionstüchtigkeit an Fremdsoftware
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 24AspectC++: Unterstützung für C++1x
●
Problem: AspectC++ basiert auf C++ 2003
– Keine Untersützung für “move-semantics”, “variadic templates”,
“override, final, etc. keywords”, “type deduction with auto”, ...
– Der integrierte C++-Parser beherrscht aber durchaus neue Standards
●
Aufgabe:
– Sprachkonzepte: Wie muss AspectC++ auf der Sprachebene erweitert
werden, um auch die neuen Elemente von C++ zu berücksichtigen?
– Implementierungskonzept: Wie kann man C++1x-Features ausnutzen,
um die Codetransformationen zu vereinfachen?
– Prototypische Umsetzung der Konzepte in ac++
– Nachweis der Funktionstüchtigkeit an Fremdsoftware
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 25Tracing mehrfädiger Programme
●
Mehrfädige Programme (engl. multi-threaded code) müssen Zugriffe auf
Daten im gemeinsamen Speicher koordinieren
thread 1 thread 2
– Z.B. mittels pthread_mutex_lock()/unlock(), lock
lock
lock blocked
pthread_rwlock_rdlock(), ... read
Ziele: var1 var2
●
Entwicklung eines Tracing-Werkzeugs auf Basis von valgrind
– Aufzeichnung von Zugriffen auf Locking-Primitiven (s.o.)
– Aufzeichnung von Datenzugriffen, Nutzung von Debug-Infos
●
Rudimentäre Transaktionsanalyse:
– Welche Locks schützen welche Daten? Testprojekte, z.B. memcached, MariaDB
Fernziele (optional):
●
Locking-Dokumentation generieren, Anomalieerkennung (Bugs)
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 26Themenbereiche
●
Ressourcenmodelle (Daniel Friesel)
– Ressourcenmodelle, Systemkonfiguration, Energieverwaltung
●
Multi-/Manycore-Betriebssysteme (Michael Müller)
– MxKernel-Projekt, low-level Betriebssystemprogrammierung
– Skalierbarkeit, Heterogenität, Tasks vs. Threads
●
Zuverlässigkeit und Sprachen (Christoph Borchert)
– Softwarebasierte Fehlertoleranz
– Aspektorientierte Programmierung
●
Neue Hauptspeichertechnologien (Marcel Köppen)
– Effizientere Betriebssysteme mit NVRAM
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 27PMem: Persistenter Hauptspeicher
Neue Speicherklasse zwischen SSD und RAM
– Fast so schnell wie DRAM
– Verliert Inhalt beim Stromausfall nicht Registers
– Seit 2019 für Server verfügbar → Optane DC Caches
y
nc
Co
te
DRAM
st
La
Persistent Memory
Flash / SSD
Quelle: Intel Hard Disk
Capacity
Kann als schnelle SSD benutzt werden oder
Programme können auf PMem arbeiten wie auf DRAM
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 28Suspend to PMem
Klassische Verfahren, um Rechner „schlafen zu legen“:
●
Suspend to RAM: System einfrieren, Zustand im RAM halten
●
Suspend to Disk: Speicherinhalt zusätzlich auf HDD/SSD sichern
Idee: Speicherinhalt im persistenten Speicher sichern → Vorteile kombinieren
●
Rechner kann komplett ausgeschaltet werden wie bei Suspend to Disk
●
Beim Aufwachen: Im PMem gesicherte Speicherseiten benutzen, statt erst alles
zurück ins RAM zu kopieren.
Aufgabe:
●
Implementierung im Linux-Kernel
●
Evaluation verschiedener Ansätze, wann wieder ins RAM kopiert wird
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 29Infrastruktur für Block-Optimierung (1)
●
Zugriffsmuster auf Festplattenblöcke lernen
●
Platzierung der Blöcke transparent optimieren
– Mapping effizient und persistent in PMem speichern
10 3 besser
7 1 3 1
so:
6 6 6 1 1 1
Logische Blocknummern: Physische Blocknummern:
Sicht des Dateisystems Sicht des Blockgeräts
Map im 3 7 9 2 10 4 8
PMem: 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 30Infrastruktur für Block-Optimierung (2)
Ziel der Arbeit: Infrastruktur bereitstellen
●
Implementierung einer ausfallsicheren Block-Map im PMem
●
Sichern/Laden der Map auf der HDD beim Un-/Mounten
●
Dynamisches Verschieben physischer Blöcke
●
Schnittstelle für Zugriffsstatistik
06.07.2021 ESS-Themen für Abschlussarbeiten 31So, das war's
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Bei Interesse bitte einfach melden!
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