Worst-Case Execution Time Analysis of OPC UA PubSub on a Time-Predictable Processor

Abstract

Die industrielle Automatisierungspyramide erfährt derzeit einen Wandel hin zum industriellen Internet der Dinge, mit einem höheren Integrationsgrad und einem nahtlosen Kommunikationsfluss zwischen allen Ebenen. Die Zahl der Systeme mit Echtzeitanforderungen an die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation nimmt ständig zu. Insbesondere im Bereich der Fertigung steigt die Dichte der Systeme mit Echtzeitanforderungen stark an. Die aufkommenden Technologien Time-Sensitive Networking (TSN) und OPC Unified Architecture (OPC UA) PubSub werden wahrscheinlich einen großen Beitrag zur Lösung neuer Herausforderungen leisten, die sich in diesem Anwendungsbereich stellen. TSN wurde entwickelt, um eine Echtzeitkommunikation auch unter hoher Netzwerklast zu gewährleisten, OPC UA hingegen wurde nicht speziell für Echtzeitanforderungen entwickelt, so dass das zeitliche Verhalten des OPC UA-Stacks unbekannt bleibt.In dieser Arbeit wird der Weg von der Erstellung allgemeiner Worst Case Execution Time (WCET) Code-Transformationsregeln, zur Anwendung dieser Regeln auf einen bestehenden Open-Source OPC UA PubSub-Stack, bis hin zur statischen WCET-Ausführungszeitanalyse vorgestellt. Die WCET-Analyse wird auf der Grundlage des open62541 OPC UA PubSub-Stack jeweils für ein OPC UA-Publisher- und ein OPC UA- Subscriber-Beispiel mit Basisfunktionalität für den Datenaustausch durchgeführt. Für die Evaluierung werden zwei T-CREST-Plattformen, die direkt über Ethernet miteinander verbunden sind, als zeitlich vorhersehbarer Plattform verwendet, um die End-to-End-Latenz zu bewerten. Für die statische Analyse von WCET wird das zur T-CREST-Plattform gehörende Toolset verwendet. Die dynamische WCET-Analyse durch Messung wird mit einem Logikanalysator durchgeführt und ergänzt die statischen WCET Zeitmessergebnisse um die Teile der End-to-End-Latenz, die nicht statisch analysiert werden können.

The industrial automation pyramid is currently experiencing a transformation towards the Industrial Internet of Things (IIoT), with a higher level of integration and a seamless communication flow among all levels. The number of systems with real-time requirements for machine-to-machine communication is constantly increasing. Especially towards the shop-floor, the density of systems with real-time requirements is increasing. The emerging Time-Sensitive Networking (TSN) and OPC Unified Architecture (OPC UA) PubSub technologies are likely to contribute greatly to solving new challenges that arise in this application area. TSN was developed to ensure real-time communication, even under high network load, OPC UA on the other hand wasn’t especially developed to meet real-time requirements. Thus, timely behaviour of the OPC UA stack remains unknown.This thesis presents a path from the creation of general Worst Case Execution Time (WCET) code transformation rules, over the application of these rules to an existing open-source OPC UA PubSub stack, to static WCET execution time analysis. The WCET analysis process is applied to the open62541 OPC UA PubSub stack for an OPC UA publisher- and an OPC UA subscriber-example with basic functionality for data exchange. For the evaluation, two T-CREST platforms, that are directly connected over Ethernet with each other, are used as a time-predictable platform to evaluate the end-to- end latency. For static WCET analysis, the toolset that is part of the T-CREST platform is utilized. The dynamic WCET analysis, by means of measurement, is performed with a logic analyzer and complements the static WCET timing results with the parts of the end-to-end latency that cannot be statically analyzed.