[논문]리눅스 기반 ARINC 653 헬스 모니터

윤영일; 조현우; 김형신

doi:10.14372/iemek.2014.9.3.183

리눅스 기반 ARINC 653 헬스 모니터
Linux-based ARINC 653 Health Monitor 원문보기

대한임베디드공학회논문지 = IEMEK Journal of embedded systems and applications, v.9 no.3, 2014년, pp.183 - 191

윤영일 (LIG Nexone) , 조현우 (Chungnam National University) , 김형신 (Chungnam National University)

Abstract ▼ AI-Helper

The software running on avionic system is required to be highly reliable and productive. The air transport industry has developed ARINC Specification 653(ARINC653) as a standardized software requirement of avionics computers. The document specifies the interface boundary between avionics application software and the core executive software. Dependability in ARINC 653 is provided by spatial and temporal partitioning whilst fault-tolerance is provided by health monitoring mechanism. Legacy real-time operating systems are used to support ARINC653 health monitor on integrated modular avionics(IMA). However, legacy real-time operating systems are costly and difficult to modify the kernel. In this paper, we suggest a Linux-based ARINC653 health monitor. Functionalities to support ARINC653 health monitor are implemented as a Linux kernel module and its performance is evaluated.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

POK는 마이크로 커널 구조로 개발되었으며 ARINC 653 표준뿐만 아니라 다양한 표준을 적용 가능하게 설계되었다[4]. 그리고 안정성과 보안성의 수준이 다른 응용프로그램을 실행하기 위한 파티셔닝 기능을 제공해준다. POK는 파티셔닝 기능을 제공하기 위한 ARINC 653 APEX와 스케줄링 기능을 가진 구조로 구성되어있다[13].
따라서 본 논문에서는 ARINC653 표준에 따라 안정성과 신뢰성을 만족하기 위한 헬스모니터 기능을 오픈 소스 기반의 리눅스에 구현하였다. 우리가 구현한 리눅스 기반 ARINC 653 헬스모니터는 빠른 고장 탐지를 위해서 커널 영역과 사용자 영역에서 동시에 동작하여 고장처리하고 복구하는 시간을 줄일 수 있도록 하였다.
본 논문에서는 통합 모듈 항공 시스템을 구성하기 위해 리눅스 기반에 ARINC 653 헬스모니터를 설계하고 개발하였다. 리눅스는 기존의 실시간 운영체제와 다르게 오픈 소스 기반으로 개발비용과 유지보수비용을 줄일 수 있다.
우리가 구현한 리눅스 기반 ARINC 653 헬스모니터는 빠른 고장 탐지를 위해서 커널 영역과 사용자 영역에서 동시에 동작하여 고장처리하고 복구하는 시간을 줄일 수 있도록 하였다. 본 연구의 결과로 헬스모니터의 기능의 정상적으로 동작하는지 확인하였고, 고장탐지 시간과 시스템 오버헤드를 각각 측정하여 우리가 개발한 헬스모니터를 평가하였다. 평가결과 본 논문은 2장에서 기존에 실시간 운영체제에 적용된 헬스 모니터의 관련연구를 알아보고 3장에서는 리눅스에서 헬스 모니터 구현과 설계를 말한다.

가설 설정

모듈레벨에서의 고장을 탐지했을 때 시스템 구동 시 등록되어 있는 고장일 경우, 어느 파티션, 어느 프로세스에서 고장을 발생시켰는지 확인하고 이 파티션과 프로세스의 상태를 고장으로 변경하여 파티션과 프로세스를 격리시킬 수 있다. 시스템 하드웨어나 리눅스 커널 자체에 에러가 발생했을 경우에 대해서는 본 논문에서는 고려하지 않았다. 하지만 리눅스 커널이나 하드웨어 에러 역시 핸들러를 등록할 수 있게 설계 하였으며 등록된 에러를 감지할 경우 별도로 작성된 핸들러에 의해 격리가 가능하다.

제안 방법

그림 8의 첫 번째 동작에서 파티션 1의 task1 프로세스가 고장이 났을지라도 고장격리로 다른 프로세스와 파티션은 정상적으로 동작하는 것을 볼 수 있다. COLD_START 복구행동으로 본 실험에서는 SHUTDOWN 으로 task1 프로세스를 종료시켰으며 프로세스영역에 존재하는 헬스 모니터는 사용자에게 고장 정보를 알리기 위해서 사용자 영역으로 그림 8과 같이 메시지를 출력한다.
리눅스 기반 ARINC 653 헬스모니터의 기능을 확인하기 위해 가상 파티션 두 개를 생성하고 가 파티션1 에는 4개의 프로세스를 파티션2 에는 3개의 프로세스를 실행시켰다. 그리고 프로세스들은 더미(Dummy) 프로세스들로 단순히 화면 출력만을 수행하며 라운드 로빈 형태로 실행되도록 하였다. 파티션 Major Frame 의 시간은 각각 36ms 씩 동작하도록 설정했고, 그림 7은 2개의 파티션이 라운드로빈 형태로 스케줄링 하면서 동작하는 것을 보여준다.
32) 에서 동작 하였다. 그리고 헬스 모니터의 성능을 측정하기 위해서 고장을 탐지하는 시간과 실제 ARINC 653 API가 미치는 오버헤드에 대해서 측정하였다.
실시간성을 보장하기 위해서 시간 관리자를 통해 주기적 스케줄링을 하는 방법을 제공하고 있다. 또한 REPLENISH 기능을 이용해서 데드라인을 이용해서 시간을 연장시켜주는 기능을 제공하고, 현재시간을 얻어오는 GET_TIME 기능 등을 제공한다.
본 논문에서 개발한 리눅스 기반의 ARINC 653 헬스 모니터는 인텔 x86 프로세서에서 동작할 수 있게 개발하였다. 또한 실시간성을 높이기 위해서 우분투 리눅스 11.04(커널 2.6.32) 버전에 RT 패치를 적용하여 각각의 프로세스들은 라운드로빈 스케줄러(SCHED_RR)를 통해 프로세스 스케줄링 하도록 설정하였고, 각 파티션들은 전체 Major Frame 을 가지고 동작하도록 설장하였다.
리눅스 기반 ARINC 653 헬스모니터의 기능을 확인하기 위해 가상 파티션 두 개를 생성하고 가 파티션1 에는 4개의 프로세스를 파티션2 에는 3개의 프로세스를 실행시켰다. 그리고 프로세스들은 더미(Dummy) 프로세스들로 단순히 화면 출력만을 수행하며 라운드 로빈 형태로 실행되도록 하였다.
본 연구에서 제안하는 구조는 그림 2와 같다. 리눅스에서 파티셔닝 기능을 제공하기 위해서 사용자 영역의 프로세스들을 그룹으로 묶어 파티션화할 수 있도록 구성하였다. 그리고 고장 발생을 감지 하기 위해서 사용자 영역과 커널 영역에 각각 헬스 모니터가 동작한다.
본 논문에서 ARINC 653 헬스 모니터를 통해 고장을 처리하는 것에 구현에 초점을 맞췄기 때문에 헬스 모니터에 필요한 API 와 파티션과 프로세스 관련 API만 표 4와 같이 구현하였다.
본 논문에서 개발한 리눅스 기반의 ARINC 653 헬스 모니터는 인텔 x86 프로세서에서 동작할 수 있게 개발하였다. 또한 실시간성을 높이기 위해서 우분투 리눅스 11.
본 연구에서 개발한 헬스모니터는 WARM_START 가 구현되어 있지 않으므로 COLD_START 의 기능만을 검증했다. 이를 위해 파티션 1에 나누기0(Divide by zero) 에러를 발생시켰을 때 헬스모니터가 처리되는지 확인해보았다.
본 연구에서는 리눅스에서 고장을 빠르게 탐지하기 위해서는 사용자 영역과 커널 영역에서 프로세스레벨, 파티션레벨, 모듈레벨의 고장을 탐지할 수 있도록 헬스모니터를 커널모듈과 사용자영역 헬스모니터 프로세스로 각각 구현하였다. 사용자 헬스모니터 프로세스는 프로세스 레벨에서 발생하는 고장을 탐지할 수 있고 파티션 레벨 발생하는 고장 중 파티션 설정이 잘못되거나 파티션 초기화가 잘못된 경우에 이를 탐지 할 수 있다.
본 연구에서 개발한 헬스모니터는 WARM_START 가 구현되어 있지 않으므로 COLD_START 의 기능만을 검증했다. 이를 위해 파티션 1에 나누기0(Divide by zero) 에러를 발생시켰을 때 헬스모니터가 처리되는지 확인해보았다. 그림 8의 첫 번째 동작에서 파티션 1의 task1 프로세스가 고장이 났을지라도 고장격리로 다른 프로세스와 파티션은 정상적으로 동작하는 것을 볼 수 있다.
따라서 실시간 운영체제와 응용 프로그램간의 독립성을 보장할 수 있는 표준이 필요하다. 이를 위해 항공 전자 관련 학계와 업계가 모여 ARINC 653이라는 항공 전자기기를 위한 운영체제와 응용 프로그램간의 표준 인터페이스를 규정하였다. 통합 모듈 항공기반의 ARINC 653의 구조는 그림 1과 같으며 실시간 운영체제와 응용프로그램간의 인터페이스인 APEX (APplication/Executive) 를 제공한다.
파티션과 헬스 모니터는 XML을 통해 파티션정보를 입력 받는다. 파티션정보는 Partition Name, Duration, Period, Partition ID를 포함하며, 프로세스는 Process Name, Deadline, Base_Priority, Period, Process ID 정보등이 포함하여 XML설정을 하도록 구성하였다. 헬스 모니터 테이블은 각 상태 별로 고장을 정의하고 상태에 따라서 복구 액션에 관한 정보를 제공한다.
헬스모니터의 고장 탐지 시간은 고장이 발생된 시간부터 헬스모니터에서 복구 핸들러가 동작하기 전까지의 시간을 측정 하였다. 실험 결과는 그림 9와 같다.

대상 데이터

그리고 고장 발생을 감지 하기 위해서 사용자 영역과 커널 영역에 각각 헬스 모니터가 동작한다. 핵심이 되는 헬스 모니터는 리눅스 커널 영역에서 모듈형태로 동작하는 커널 모듈 레벨 헬스 모니터와 사용자 영역에서 데몬 프로세스 형태로 동작하는 프로세스 레벨 헬스 모니터로 구성되어있다. 또한 파티셔닝 기능을 제공하기 위한 ARINC 653 API 기능도 일부 지원한다.

성능/효과

본 논문에서 중요하게 살펴본 부분은 헬스모니터관련 API로 이는 2μs이하 정도로 측정되었다. 따라서 헬스모니터 API에서 발생되는 오버헤드 역시 마이크로초 단위로 실시간 리눅스의 지연시간 범위 내의 결과를 보여 주었다.
리눅스는 기존의 실시간 운영체제와 다르게 오픈 소스 기반으로 개발비용과 유지보수비용을 줄일 수 있다. 또한 확장과 수정이 용이하여 성능개선을 할 수 있었고 개발비용과 유지보수비용을 줄이는 효과를 가져올 수 있었다.
마지막 UserError Handler 의 경우 사용자가 추가로 처리하고 싶은 처리 방안을 설정하고 핸들러로 추가 등록하여 처리하는 방식이다. 본 연구에서 개발한 헬스 모니터는 개념증명(proof-of-concept)을 위한 시제품으로 WARM_START 는 구현되지 않았다.
본 연구에서는 개발한 ARINC 653 헬스모니터는 고장을 탐지시간이 전체 평균 3 μs 의 빠른시간을 보였고, ARINC 653 표준에 정의된 9개의 고장 중에 7개의 고장을 처리할 수 있었다.
사용자영역 헬스모니터 프로세스의 파티션 초기화 오류와 파티션 설정오류를 탐지 시간을 측정하기 위하여 각각 50회 실행하여 평균 5.2μs 와 6 μs의 시간이 소요되었다.

후속연구

본 연구에서는 개발한 ARINC 653 헬스모니터는 고장을 탐지시간이 전체 평균 3 μs 의 빠른시간을 보였고, ARINC 653 표준에 정의된 9개의 고장 중에 7개의 고장을 처리할 수 있었다. 체크 포인트에 의한 WARM_START를 구현은 향후 계획 중에 있으며, 다양한 아키텍쳐에서 지원가능 하도록 할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 독립적으로 구성된 전자 장비를 하나로 통합한 통합 모듈 항공 전자 시스템이 가져온 효과는?	통합 모듈 항공 전자 시스템은 기존의 독립적으로 구성된 전자 장비를 하나로 통합한다. 이에 기존의 독립적인 장비들이 차지하던 공간을 활용하여 장비의 크기와 무게를 줄이는 효과를 가져왔다. 뿐만 아니라 전력 소비와 유지보수 비용을 줄이고 임무 효율성을 증가시키는 장점을 얻을 수 있다. 이러한 통합 모듈 항공 전자 시스템을 구성하기 위해서는 실시간 운영체제와 응용프로그램간의 독립성을 보장할 수 있는 표준이 필요하였고 이를 위해 항공 전자 관련 학계에서는 ARINC 653 이라는 항공 전자 시스템을 위한 운영체제와 응용프로그램간의 표준 인터페이스를 규정하였다[2].
	연방형 시스템 사용 시의 장점은?	연방형 시스템은 다양한 독립적인 전자장치가 사용가능하며, 각 장치의 설계와 제작이 용이하다는 장점이 있다. 하지만 독립시스템들의 일부 기능이 중복되어 비용이 증가하고 소모되는 전력과 공간이불가피하게 증가하는 문제점이 있다.
	상용 실시간 운영체제의 문제점은?	현재 ARINC 653 헬스 모니터는 실시간 운영체제인 VxWorks[3], POK[4], LynxOS[5], XtratuM[6] 등에 구현되어 항공 전자 시스템 및 인공위성에서 적용되었고 헬스모니터 기능역시 포함하고 있다. 하지만 상용 실시간 운영체제들은 비싼 로열티와 유지보수 비용문제를 고려해야 하며 상용 실시간 운영체제에 적용된 연구는 기능수정과 확장이 용이하지 못하여 성능 개선이 어렵다는 단점이 있다. 실제로 VxWorks 653 기반 헬스모니터 연구[7] 에서는 ARINC 653 표준에 따라 헬스모니터를 설계하였으나, 이를 직접 구현하고 평가하지는 못했다.

참고문헌 (16)

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Y.K. Ko, S.H. Lee, S.Y. Park, C.B. Ban, D.L. Kang, J.Y. Jeong, C.H. Lee, "HM System Design for Fault Tolerance on the IMA System," Journal of Korea Contents Association, Vol. 12, No. 8 pp.77-86 2012 (in Korean).

원문보기 상세보기
S.H. Han, H.W. Jin, "Kernel-Level ARINC 653 Partitioning for Linux", Proceedings of ACM Symposium on Applied Computing, pp.1632-1637, 2012.
H.W. Joe, H.A. Jeong, Y.I. Yoon, H.S. Kim, S.H. Han, H.W. Jin. "Full virtualizing micro hypervisor for space flight computer," Proceedings of IEEE/AIAA Conference on Digital Avionics Systems, pp.1-24, 2012.
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상세보기
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S. Slawomir, "ARINC Specification 653 Based Real Time Software Engineering," e-Informatica Vol. 5, No. 1, pp.39-49 2011.
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K. Kushal, "Myths and realities of real-time linux software systems," Proceedings of Real-Time Linux Workshop, pp.13-18, 2009.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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