Performance engineering for real-time autonomous applications

Abstract

Diese Dissertation befasst sich mit der systematischen Sicherstellung deterministischen und echtzeitfähigen Verhaltens in autonomen Anwendungen, insbesondere in middlewarebasierten und serviceorientierten Architekturen. Autonome Systeme zeichnen sich durch komplexe Interaktionen zwischen Softwareund Hardwarekomponenten aus und unterliegen strengen zeitlichen Anforderungen, insbesondere in sicherheitskritischen Anwendungsdomänen. Die Arbeit adressiert die Herausforderung, sowohl Berechnungs- als auch Kommunikationsdeterminismus in integrierten sowie verteilten Architekturen zu gewährleisten. Zunächst wird eine generische Methodik zur Extraktion von Timing-Modellen aus middleware-basierten autonomen Anwendungen entwickelt. Hierbei werden Laufzeitinformationen genutzt, um Ausführungszeiten, Abhängigkeiten und Interaktionen zwischen Komponenten präzise zu erfassen, ohne in bestehende Implementierungen einzugreifen. Auf dieser Grundlage können Engpässe identifiziert und Optimierungspotenziale systematisch erschlossen werden. Darauf aufbauend werden Mechanismen zur gezielten Steuerung von Latenz und Jitter vorgestellt. Durch einen Scheduler-Middleware-Co-Design-Ansatz wird eine deterministische und jitterfreie Ausführung von Berechnungsketten erreicht. Die Methodik ermöglicht eine signifikante Verbesserung der zeitlichen Vorhersagbarkeit und Leistungsfähigkeit gegenüber bestehenden Ansätzen. Im dritten Schwerpunkt der Arbeit wird eine deterministische Kommunikationsarchitektur für verteilte autonome Systeme entwickelt. Hierzu wird ein leichtgewichtiger, mehrschichtiger Kommunikationsstack entworfen, der Echtzeitfähigkeit bei minimalem Overhead sicherstellt und gleichzeitig die CPU-Last reduziert. Experimentelle Evaluierungen zeigen eine deutliche Reduktion von Kommunikationslatenz und Prozessorbelastung bei gleichbleibender funktionaler Integrität. Insgesamt liefert die Dissertation einen ganzheitlichen Ansatz zur Beherrschung von Zeitverhalten in autonomen Echtzeitsystemen und leistet einen Beitrag zur Weiterentwicklung sicherer, leistungsfähiger und skalierbarer Systemarchitekturen.