CORTEX : Container Orchestration for Real-Time, Embedded, miXed-critical applications

1. Admin

Affectation : CEA LIST / DSCIN / LCYL (Département Systèmes & Circuits Intégrés Numériques ;  Laboratoire Confiance dans les sYstèmes de calcuL), sur le site Nano-Innov (CEA Saclay).

Affiliation : École doctorale Mathématiques, Sciences et technologies de l'information, Informatique (Grenoble)

Encadrant principal : Etienne HAMELIN (CEA LIST / DSCIN / LCYL)

Directeur de thèse : Alain GIRAULT (INRIA Grenoble)

Salaire : environ 2400€/mois brut (inclut couverture sociale et mutuelle)

Démarrage :  2025.

Durée : 3 ans (dont 1 mois période d’essai)

https://instn.cea.fr/these/cortex-orchestration-de-conteneurs-pour-les-applications-temps-reel-embarques-edge-a-criticite-mixte/ 

2. Sujet

Cette proposition de thèse se concentre sur l'orchestration de conteneurs afin de déployer des applications temps-réel à criticité mixte sur un cluster de ressources de calcul hétérogènes, typique du domaine embarqué-edge.

Ces types de logiciels temps-réel mixte-critique, qui impliquent une cohabitation et un partage de ressources entre des tâches temps-réel dur avec d’autres tâches de criticité plus faible, sont essentiels dans les véhicules autonomes ou les systèmes d’aide à la conduite, dans les réseaux intelligents, pour la surveillance de l'environnement, ou encore pour l'automatisation dans l’industrie.

Traditionnellement, les applications en temps-réel dur, soumises à des contraintes temporelles strictes, sont validées dans une configuration statique très rigide et surdimensionnée, afin de garantir leur fiabilité. Cependant, inspiré par les méthodes DevOps issues du domaine du Cloud computing, l’industrie attend également de plus en plus de flexibilité à l’exécution : qu’il s’agisse de mettre à jour certains composants logiciels en cours de fonctionnement, ou de migrer certains composants vers un autre calculateur pour s’adapter aux changements du contexte opérationnel (par exemple tolérance aux pannes, variation de la charge de calcul ou de l’énergie disponible, ...).

Pour répondre à ce nouveau besoin de flexibilité tout en garantissant le respect des échéances pour les tâches critiques, de nouveaux outils et méthodes sont nécessaires, capables d'optimiser dynamiquement le déploiement des tâches logicielles sur les nœuds matériels, en prenant en compte des objectifs non-fonctionnels comme la fiabilité, l’empreinte mémoire, la consommation énergétique, etc.

L’industrie des systèmes embarqués a développé depuis des décennies diverses techniques de conception et d’analyse, permettant d’avoir un comportement prédictible (déterministe) avec des garanties temps-réel, comme par exemple garantir qu'un système automobile d'aide à la conduite temps-réel dur respectera ses échéances en toutes circonstances. Dans le cadre de cette thèse on propose d’utiliser une approche à flots de données comme Polygraph [1]. Toutefois, Polygraph s’appuie généralement sur une configuration statique. Une piste prometteuse pour ajouter de la flexibilité et de la dynamicité dans un flot de données Polygraphe est illustrée par les mécanismes de reconfiguration introduits dans RDF [2].

En parallèle, les industriels adoptent de plus en plus des technologies modernes de « calcul défini par logiciel » (Software Defined Computing) issues de la communauté du cloud computing, telles que Docker, Kubernetes ou WebAssemblies : ces outils facilitent le développement et le déploiement de composants logiciels sur des clusters de machines distribuées, comme un continuum de ressources couvrant les domaines embarqué / edge / cloud (voir par exemple [3]).

En laissant un orchestrateur de conteneurs décider de manière adaptative sur quelle machine matérielle déployer un composant logiciel, l'architecte logiciel perd cependant le contrôle sur la manière dont les ressources machine sont partagées ; il devient extrêmement difficile d'évaluer lors de la conception si les quotas de CPU, de mémoire et de réseau gérés par les conteneurs permettent à toutes les tâches connectées de respecter leurs échéances temps-réel, donc l'allocation des ressources doit être ajustée en continu à l'exécution.

Dans ce travail de thèse, le doctorant proposera un modèle (typiquement basé sur un flot de données permettant des mécanismes de reconfiguration) pour concevoir et analyser les applications typiques du domaine considéré ; ainsi qu’un protocole permettant d’optimiser (pour une métrique à définir) les choix de déploiement et de reconfiguration d’une telle application sur un cluster de calcul embarqué/edge hétérogène ; ce protocole sera implémenté au sein d’un orchestrateur de type k3s, et évalué sur divers cas d’étude.

Références bibliographiques

[1] Etienne Hamelin, Alexandre Berne, Paul Dubrulle, Myrhal Boudiaf. Performance and confidence in feasibility analysis of real-time multi-core distributed systems. ERTS 2024 - Embedded Real Time Systems, Jun 2024, Toulouse, France. ⟨cea-04752746⟩

[2] Pascal Fradet, Alain Girault, Ruby Krishnaswamy, Xavier Nicollin, Arash Shafiei. RDF: A Reconfigurable Dataflow Model of Computation. ACM Transactions on Embedded Computing Systems (TECS), 2022, ⟨10.1145/3544972⟩. Egalement RR-Inria ⟨hal-03940615⟩

[3] Vaclav Struhar, Silviu S. Craciunas, Mohammad Ashjaei, Moris Behnam and Alessandro Papadopoulos, RT-SCALER: Adaptive Resource Allocation Framework for Real-Time Containers (April 2023)

3. Profil du candidat

• Master de recherche ou diplôme d’ingénieur en informatique (obligatoire)

• Compétences requises : Systèmes embarqués et temps-réel ; Conteneurs.

• Maîtrise du français et de l’anglais (obligatoire)

4. Comment candidater

Personne à contacter

Etienne HAMELIN, Ingénieur-chercheur CEA

DRT/DSCIN/DSCIN/LCYL

Tel : +33 1 69 08 00 22

https://instn.cea.fr/these/cortex-orchestration-de-conteneurs-pour-les-applications-temps-reel-embarques-edge-a-criticite-mixte/ 

Le CEA-List rassemble près de 1000 ingénieurs-chercheurs et techniciens autour d’un de leur domaine d’excellence : les systèmes numériques intelligents. Ensemble, ils se mobilisent pour développer des innovations à haute valeur ajoutée en mesure de répondre aux grands défis socio-économiques actuels.

Les programmes de R&D du CEA-List, centrés sur l’industrie du futur, le jumeau numérique holistique, l’intelligence artificielle et la confiance numérique, contribuent à la compétitivité industrielle de ses partenaires par l’innovation et le transfert technologique.

Basé à Paris-Saclay et à Grenoble, le CEA-List est l’un des trois instituts de recherche technologique de la direction de la recherche technologique du CEA.

• Master de recherche ou diplôme d’ingénieur en informatique (obligatoire)

• Compétences requises : Systèmes embarqués et temps-réel ; Conteneurs.

• Maîtrise du français et de l’anglais (obligatoire)