Umweltmodellierung in Sensornetzen am Beispiel von SWARMS

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1 Umweltmodellierung in Sensornetzen am Beispiel von SWARMS Software Architecture for Radio- Based Mobile Systems Carsten Buschmann, Stefan Fischer

2 Ziele von SWARMS Erforschung von Middlewarekonzepten zur Unterstützung der Programmierung von selbstorganisierenden Schwärmen von mobilen Rechensystemen Programmierung eines kohärenten Softwaresystems statt unterschiedlicher Einzelsysteme Verbergen von Selbstorganisation und Mobilität des Schwarms gegenüber der eigentlichen Applikation 2

3 Szenario!!!!!!!!!? 3

4 Schwärme Definition aus dem Tierreich: Verband mehrerer Einzelindividuen, die sich zusammenfinden, um gemeinsam verschiedene Zwecke zu erfüllen. Schutz vor Feinden Verbesserung des Jagderfolges Aufzucht der Brut Schwarm mobiler Geräte: Verband von Geräten die ein gemeinsames Ziel verfolgen 4

5 Eigenschaften der Mitglieder Die Einzelsysteme haben begrenzte Rechen- und Speicherfähigkeit, werden oftmals über eine Batterie mit Energie versorgt, kommunizieren über infrastrukturlose Funknetze weder mit totaler, noch mit dauerhafter Konnektivität, sind in vielen Fällen über Sensoren und/oder Aktoren direkt in ihre Umwelt eingebettet (d.h. keine Ausstattung mit Tastatur, Maus, Bildschirm o.ä.), sind unter Umständen voneinander unabhängig mobil. 5

6 Schwarmeigenschaften Zusammensetzung eines Schwarms nach Art und Anzahl der Einzelsysteme kann sich verändern durch menschlichen Eingriff durch die Bewegung und durch Fehlfunktionen der Einzelsysteme gemeinsames Operationsziel des Schwarms kann nicht von einem Einzelsystem allein erreicht werden Context / situation awareness ist oft wichtig (wo bin ich, wer ist noch da...) keine fest zugewiesenen Teilaufgaben für einzelne Mitglieder; die Aufgaben ergeben sich aus Situation/Kontext und Können der Geräte 6

7 Virtual Shared Information Space (VSIS) Problem erfordert häufig globale/regionale Sicht daher: Etablierung durch VSIS beschreibt Zustand von Umwelt und Schwarm Schwarmmitglieder sammeln Informationen und machen sie verfügbar kein Knoten verfügt über alle Komponenten des Informationsraumes jedes Mitglied hat ein lokale (und evtl. inkonsistente) Sicht auf einen Ausschnitt der Gesamtinformation Ähnlichkeit mit Publish/Subscribe Paradigma 7

8 Datenkomponenten VSIS besteht aus selbstbeschreibenden, semistrukturierten Informationskomponenten Augmentation mit syntaktischen und semantischen Metainformationen Kontext der Informationsgewinnung (Ort, Zeit, Verlässlichkeit, ) Metadaten (Aggregationsgrad, Gültigkeitsbereich/- zeitraum, ) Verwendung von XML/XML Schema 8

9 Aufgaben der Middleware Realisiert den VSIS Zugriffsfunktionen Informationsweiterleitung Verbergen der Verteiltheit Selbstorganisation (gemeinsames Verständnis von Ort und Zeit) Mobilitätstransparenz Unterstützung von Kontextuierung und Bewertung Informationsaggregation Rollenverteilung 9

10 Architektur Applikationslogik Kontrollfluss Datenfluss Applikation Filter & Filter Filter XML Schema Beschreibung Aggregation Relationen Kontext Interessen Rollen Vermittlungssystem XCast- Filter Informationsverwaltung (VSIS) Schreiben lokaler Daten Lesen entfernter Daten Language Binding Middleware-Logik Erweiterter Schema Parser Hardware Abstraktionsschicht 10

11 Modellierungsgebiete (Aggregierte) Sensordaten und Ereignisse Nachfragen nach Daten/Ereignissen Geräteeigenschaften Eigenschaften von Schwarm und Umwelt Rollen 11

12 Sensordaten/Ereignisse Daten- oder Ereignistyp Sensor- oder Ereigniswert* Zeitpunkt des Auftretens * Ort des Auftretens* Ursprung der Daten Gültigkeitsbereich der Information (Zeit und Raum) Kriterien zur Wiedererkennung der Daten ( Schlüssel ) Grenzen zur Verschmelzung von Daten *) Daten zur Sicherheit der Informationen 12

13 Aggregierte Sensordaten Ergänzend: Aggregationsmethode: Mittelwert, Minimum, Maximum, funktionale Beschreibung Aggregierte Daten bzw. Beschreibung Vertretene Sensordimensionen Anzahl der ursprünglichen Messwerte Aggregationregeln (wie, wann, von wem) 13

14 Datenanfragen/-abonnements Ergänzend: Granularität/Übertragungshäufigkeit Aggregationsgrad Aggregationsmethode Distanz 14

15 Geräteeigenschaften Verfügbare Sensoren Rechen- und Speicherkapazität Besondere Fähigkeiten Display, Bedienelemente, Festnetzanschluss, Energieeigenschaften Lokation Mobilität Kommunikationseigenschaften Konnektivität, Nachbarn, Signalqualität 15

16 Eigenschaften von Schwarm und Umwelt Allgemein: Situation/Zustände Differenzieren von Situationen Selbstorganisation, nacheinander durch Engpass Situationsübergänge abhängig z.b. von Messwerte, Ereignissen, Veränderungen von Geräteeigenschaften Modellierung: ähnlich Automaten? Ereignisse induzieren Zustandsübergänge Problem: Zustände nicht gleichwertig nebenläufige Zustandssysteme? 16

17 Rollen verschiedene Rollen differenzieren Überwachung, Forwarding, Anzeigen, Abhängigkeiten zwischen Situation, Geräteeigenschaften und eingenommenen Rollen Problem: Zustände nicht eindeutig Modellierung: Rangfolgen? Abhängigkeiten zwischen Rollen und Verhalten Implementierungsmöglichkeit: Binden von Code an Rollen 17

18 Vielen Dank. 18

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