Resumen de A hierarchical and decentralized qos and resource management architecture for embedded systems
Resumen Los sistemas multimedia empotrados son una forma de sistemas de tiempo real acrítico de gran importancia en la actualidad. La facilidad de mejora y la reducción del tiempo de entrada en el mercado son factores esenciales para los fabricantes de este campo, por lo que es necesario que sus productos sean muy abiertos y flexibles. La tendencia actual para conseguir dicha flexibilidad es reemplazar la electrónica dedicada por electrónica programable {software). Sin embargo, para poder competir con las soluciones tradicionales basadas en electrónica dedicada, los recursos disponibles se deben gestionar de una forma muy eficaz, a la vez que es obligatorio respetar las propiedades típicas de un sistema multimedia, como son su robustez, estabilidad y predecibilidad, incluyendo los exigentes requisitos temporales que imponen el procesado digital de imagen y sonido. La gestión de la calidad de servicio y del uso de recursos juega un papel predominante para la obtención de un sistema capaz de procesar datos multimedia en dispositivos programables de manera eficaz, incluyendo la capacidad de tratar explícitamente situaciones de sobrecarga que podrían poner en peligro el adecuado comportamiento del sistema. El objetivo de este trabajo de tesis es el desarrollo de una arquitectura jerárquica y descentralizada para la gestión de la calidad de servicio y de los recursos en sistemas multimedia empotrados. La funcionalidad de este sistema gestor es la de dirigir la ejecución de los diversos servicios multimedia, de foima que éstos puedan coexistir y compartir eficazmente los recursos de una determinada plataforma. La ejecución del sistema se basa en un modelo de contrato, por el que el gestor garantiza una determinada cantidad de recursos de computación, mientras que los servicios proporcionan a cambio una cierta calidad de salida. Esta asignación de recursos es validada gracias a una prueba de planifícabilidad, que determina si es posible o no cumplir con los requisitos temporales demandados por las aplicaciones. Otro factor clave de la arquitectura desarrollada es proporcionar soporte para que las aplicaciones sean capaces de adaptarse de manera autónoma o semi autónoma a un entorno rápidamente cambiante, mediante la inclusión explícita de adaptabilidad en los distintos niveles de la arquitectura. Esta tesis propone una estructura genérica capaz de modelar las entidades operacionales, constituidas por una jerarquía de servicios (entidades activas de procesado dirigidas por el usuario) y sus trabajos constitutivos (entidades lógicas de procesado que constituyen la menor granularidad funcional). Esta jerarquía fiíncional se puede refinar en una jerarquía vertical de entidades conceptuales (servicios, niveles de calidad y asignaciones de recursos) que son susceptibles de ser gestionadas y monitorizadas dinámicamente. El sistema de control proporcionado es jerárquico y rnulti-nivel, siendo capaz de gestionar estos tres conceptos adecuadamente. Los niveles más altos de la jerarquía gestionan entidades de más alto nivel de abstracción, a la vez que controlan el comportamiento de los niveles inferiores, de forma que las decisiones que hay que tomar más frecuentemente son evaluadas en los niveles más bajos, necesitando acciones de control más rápidas y sencillas. La motivación principal para el diseño de la arquitectura de control definida en esta tesis es el hecho de que la calidad de servicio es esencialmente muy dependiente del dominio de las aplicaciones, y por tanto requiere un marco adecuado que permita a los programadores de aplicaciones definir e implementar sus mecanismos y políticas de gestión específicas. La arquitectura descentralizada propuesta permite la cooperación necesaria entre expertos del área de la calidad de servicio y gestión de recursos y aquellos que pertenecen a los diferentes dominios de las aplicaciones. El trabajo de esta tesis proporciona el soporte arquitectónico necesario para implementar agentes de los dominios de las aplicaciones capaces de encapsular conocimiento especifico de los servicios, mientras que existe un gestor central encargado de coordinar los distintos dominios de aplicación, asegurando la robustez general del sistema. El hecho de delegar la parte especifica de la gestión a los agentes de aplicación proporciona tres ventajas principales: primera, permitir la gestión de entidades dinámicas de procesado que no pueden ser modeladas estáticamente; segunda, reaccionar a situaciones inesperadas de una forma mas rápida eficaz usando el conocimiento de los dominios de aplicación; y tercera, facilitar la gestión de las características heterogéneas de las distintas aplicaciones. Se han definido dos modelos distintos que soportan la convivencia entre el gestor central y los distintos gestores especializados. Uno es el modelo de colaboración en el que las acciones de control son ejecutadas por el gestor central usando una única base de datos que contiene la información necesaria para gestionar las aplicaciones. Este modelo es sencillo, pero es poco flexible, y no es fácil incluir adaptabilidad ni gestión de la semántica del dominio de la aplicación. El modelo de delegación trata de solventar estos problemas delegando las funciones especificas a los agentes especializados de los dominios de la aplicación. La funcionalidad básica proporcionada por el sistema gestor consiste en: interacción con el usuario, establecimiento de las distintas configuraciones, monitorización del comportamiento de los servicios, adaptación a las sobrecargas transitorias en los distintos niveles de abstracción, negociación de los contratos, y optimización estos contratos cuando sea posible. El diseño arquitectónico se ha centrado en la provisión de estos mecanismos. Por ultimo, la validación de la arquitectura se ha basado en el desarrollo de un prototipo funcional. La ejecución de una serie de casos de prueba ha permitido: comprobar la operación del sistema de control, validar que la integración de servicios desarrollados de manera independiente era posible, y verificar la sobrecarga introducida. Se ha hecho también una implementación distribuida del prototipo del sistema de control que mejora la eficiencia, robustez, predecibilidad, y extensibilidad del sistema de control, distribuyendo la carga de gestión entre procesadores heterogéneos. Abstract Embedded multimedia systems are á type of soft real-time systems that have a great importance nowadays. Upgradability and time to market are very important parameters for manufacturers in that field, so that their goal is to have open and flexible products. For obtaining this desired flexibility current trend is to replace dedicated hardware by software. However, in order to be able to compete with dedicated hardware solutions, available resources will have to be used very cost-effectively, while preserving typical properties, such as robustness, stability, and predictability, and meeting stringent timing requirements imposed by high-quality digital audio and video processing. Quality of service and resource management play a crucial role in cost-effective media processing in software, as well as in handling explicitly overload situations that could otherwise jeopardize the desired behaviour of the system, The goal of this thesis work is to develop the architecture of a hierarchical and decentralized quality of service and resource manáger for multimedia embedded systems. The functionality of this manager is to drive the execution of multimedia services in order to allow múltiple independent services and jobs tó dynamically coexist and share resource on the same hardware platform in a cost effective way. System operation is based on a contract model. This means that the manager guarantees a given amount of computational resources to services, which should in tum provide a certain output quality. This assignment is validated by means of a feasibility test, which determines whether it is possible to meet the deadlines according to resource requirements and availability. The architecture also promotes autonomous or semi-autonomous adaptation to rapidly changing environments by explicitly including adaptation capabilities at difFerent hierarchical layers in the architecture. This thesis provides a generic structure for modelling operational entities made up by a hierarchy of services (active processing entities managed by the user) and their constitutive jobs (logical processing entities with the lowest level of functional granularity). This functional hierarchy is reflned into a vertical hierarchy of conceptual entities (services, quality levéis, and resource budgets) that are subject todynamic management and monitoring. The provided control system is a hierarqhical multi-level control system that addresses quality of service and resource management for these three reasoning concepts. Upper layers in the hierarchy manage higher abstraction entities, and control the behaviour of lower ones, so that high frequency decisions are evaluated in the lower layers, requiring fast and simple control actions. The main motivation for the designed control architecture is the fact that quality of service is primarily an application domain ¡ssue, so that it requires an appropriate framework for allowing application programmers to define and ¡mplement their own specific mechanisms and policies. The proposed decentralized architecture allows for the necessary cooperation between experts from the quality of service and resource management domain and those from appHcation domains. We provide expHcit architectural support for the ¡mplementation of application domain agents that encapsulate specific ioiowledge about services, while there is a central manager that coordinates the different application domains, ensuring global robustness. Delegating specific management to application domain software has three major advantages: first, it allows the management of dynamic processing entities that cannot be statically modelled oñ-line; second, responses to unexpected situations are more efíective taking into account application domain semantics, and third, it enhances appropriate handling of the diversity of application requirements. We also provide two diñerent models for allowing the coexistence of a central generic manager with several specialized managers. One is the collaboration model, where major actions are mainly done by the central manager by using a single datábase containing all the required Information for managing services and jobs. This approach is simple, but not very flexible, and adaptation capabilities and application domain semantics are difificult to be modeled. The delegation model tries to solve these problems by delegating the specific fliñctions to specialized application domain agents. The quality of service and resource management system provides basic capabilities for: user interaction, setting configurations, monitoring service behaviour, adapting to transient overloads at different abstraction layers, negotiating contracts, and optimizing these contracts when possible. The architectural design has focused on the provisión of such mechanisms. Finally, validation of the architecture has been based on the development of a functional prototype. The execution of a set of test cases has allowed to: check the operation of the control system, valídate the feasibility of the integration of independently developed services, and determine the overhead it introduces. There is also a distributed ¡mplementation of the prototype that enhances the eflFiciency, robustness, predictability, and extensibility of the control system by distributing the management work among heterogeneous processors.
