Software ubiquitärer Systeme

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1 Software ubiquitärer Systeme Übung 3: CiAO/IP Christoph Borchert Arbeitsgruppe Eingebettete Systemsoftware Lehrstuhl für Informatik 12 TU Dortmund 1

2 Inhalt Internet in ubiquitären Systemen CiAO/IP 2

3 Internet in ubiquitären Systemen TCP/IP ist de-facto Standard für Datenübertragung Geeignet für ubiquitäre (eingebettete) Systeme? 3

4 Herausforderungen Verschiedenste Anforderung müssen erfüllt werden Unterschiedliche Hardware (Microcontroller) - Unterschiedliche Netzwerke (Ethernet, WLAN, GSM, Bluetooth, LTE, ) - Wenig Speicher verfügbar (z.b. die 32 KiB unseres MSP430) Unterschiedliche Anwendungen - Voice-over-IP: Geringe Latenz, Quality-of-Service Video Streaming: Hoher Durchsatz Zuverlässiger Datentransfer Statische Konfigurierbarkeit (zur Compile-Zeit) erforderlich TCP/IP als Software-Produktlinie 4

5 TCP/IP in Linux Geringe statische Konfigurierung des TCP/IP-Stacks Hoher Speicherbedarf: > 240 KiB The IPv6 Protocol IP: IPSec IP: Multicasting (IGMP) TCP/IP Networking (IPv4) IPv6: IPSec IP: Multicast Routing size arch/x86/boot/compressed/vmlinux.bin 5

6 uip Micro IP [1] Minimale TCP/IP Implementierung Ethernet, ARP, IPv4, TCP (nicht konfigurierbar) - Kein Sliding Window, Keine Übertragungswiederholung Wenig Konfigurierungsmöglichkeiten Ausgelegt auf minimale Codegröße - ca LOC - ca KiB Codegröße 6

7 lwip lightweight IP [1] Teilweise konfigurierbar (und mehr Funktionalität als uip) Codegröße: 7-40 KiB TCP Parallel zu uip entwickelt (vom selben Autor) 7

8 State-of-the-Art TCP/IP Stacks Linux Geringe statische Konfigurierung des TCP/IP-Stacks - Hoher Speicherbedarf: > 240 KiB micro-ip (uip) Wenig Konfigurierungsmöglichkeiten - Codegröße: 5-10 KiB lightweight IP (lwip) Teilweise konfigurierbar - Codegröße: 7-40 KiB Warum Warum nicht nicht feingranular feingranular konfigurierbar? konfigurierbar? 8

9 Konfigurierbarkeit in lwip Etwa 50 PräprozessorAnweisungen pro Merkmal switch (IPH_PROTO(iphdr)) { #if LWIP_UDP case IP_PROTO_UDP: #if LWIP_UDPLITE case IP_PROTO_UDPLITE: #endif /* LWIP_UDPLITE */ udp_input(p, inp); #endif /* LWIP_UDP */ #if LWIP_TCP case IP_PROTO_TCP: tcp_input(p, inp); #endif /* LWIP_TCP */ #if LWIP_ICMP case IP_PROTO_ICMP: icmp_input(p, inp); #endif /* LWIP_ICMP */ #if LWIP_IGMP lwip-1.3.2/src/core/ip.c 9

10 Etwa 50 PräprozessorAnweisungen pro Merkmal switch (IPH_PROTO(iphdr)) { #if LWIP_UDP case IP_PROTO_UDP: #if LWIP_UDPLITE case IP_PROTO_UDPLITE: #endif /* LWIP_UDPLITE */ udp_input(p, inp); #endif /* LWIP_UDP */ #if LWIP_TCP case IP_PROTO_TCP: tcp_input(p, inp); #endif /* LWIP_TCP */ #if LWIP_ICMP case IP_PROTO_ICMP: icmp_input(p, inp); #endif /* LWIP_ICMP */ #if LWIP_IGMP lwip-1.3.2/src/core/ip.c UDP Konfigurierbarkeit in lwip 10

11 Etwa 50 PräprozessorAnweisungen pro Merkmal switch (IPH_PROTO(iphdr)) { #if LWIP_UDP case IP_PROTO_UDP: #if LWIP_UDPLITE case IP_PROTO_UDPLITE: #endif /* LWIP_UDPLITE */ udp_input(p, inp); #endif /* LWIP_UDP */ #if LWIP_TCP case IP_PROTO_TCP: tcp_input(p, inp); #endif /* LWIP_TCP */ #if LWIP_ICMP case IP_PROTO_ICMP: icmp_input(p, inp); #endif /* LWIP_ICMP */ #if LWIP_IGMP lwip-1.3.2/src/core/ip.c UDP UDP Lite Konfigurierbarkeit in lwip 11

12 Etwa 50 PräprozessorAnweisungen pro Merkmal switch (IPH_PROTO(iphdr)) { #if LWIP_UDP case IP_PROTO_UDP: #if LWIP_UDPLITE case IP_PROTO_UDPLITE: #endif /* LWIP_UDPLITE */ udp_input(p, inp); #endif /* LWIP_UDP */ #if LWIP_TCP case IP_PROTO_TCP: tcp_input(p, inp); #endif /* LWIP_TCP */ #if LWIP_ICMP case IP_PROTO_ICMP: icmp_input(p, inp); #endif /* LWIP_ICMP */ #if LWIP_IGMP lwip-1.3.2/src/core/ip.c UDP UDP UDP Lite Konfigurierbarkeit in lwip 12

13 switch (IPH_PROTO(iphdr)) { #if LWIP_UDP case IP_PROTO_UDP: #if LWIP_UDPLITE case IP_PROTO_UDPLITE: #endif /* LWIP_UDPLITE */ udp_input(p, inp); #endif /* LWIP_UDP */ #if LWIP_TCP case IP_PROTO_TCP: tcp_input(p, inp); #endif /* LWIP_TCP */ #if LWIP_ICMP case IP_PROTO_ICMP: icmp_input(p, inp); #endif /* LWIP_ICMP */ #if LWIP_IGMP lwip-1.3.2/src/core/ip.c UDP Etwa 50 PräprozessorAnweisungen pro Merkmal TCP UDP UDP Lite Konfigurierbarkeit in lwip 13

14 UDP switch (IPH_PROTO(iphdr)) { #if LWIP_UDP case IP_PROTO_UDP: #if LWIP_UDPLITE case IP_PROTO_UDPLITE: #endif /* LWIP_UDPLITE */ udp_input(p, inp); #endif /* LWIP_UDP */ #if LWIP_TCP case IP_PROTO_TCP: tcp_input(p, inp); #endif /* LWIP_TCP */ #if LWIP_ICMP case IP_PROTO_ICMP: icmp_input(p, inp); #endif /* LWIP_ICMP */ #if LWIP_IGMP lwip-1.3.2/src/core/ip.c TCP Etwa 50 PräprozessorAnweisungen pro Merkmal ICMP UDP UDP Lite Konfigurierbarkeit in lwip 14

15 UDP TCP #ifdef Hölle switch (IPH_PROTO(iphdr)) { #if LWIP_UDP case IP_PROTO_UDP: #if LWIP_UDPLITE case IP_PROTO_UDPLITE: #endif /* LWIP_UDPLITE */ udp_input(p, inp); #endif /* LWIP_UDP */ #if LWIP_TCP case IP_PROTO_TCP: tcp_input(p, inp); #endif /* LWIP_TCP */ #if LWIP_ICMP case IP_PROTO_ICMP: icmp_input(p, inp); #endif /* LWIP_ICMP */ #if LWIP_IGMP lwip-1.3.2/src/core/ip.c ICMP Etwa 50 PräprozessorAnweisungen pro Merkmal MP UDP UDP Lite Konfigurierbarkeit in lwip 15

16 Feature-Implementierung in lwip Konvertierung der Paket-Header zur Network Byte Order Konfigurierbar durch #define (htons, ntohs, htonl, ntohl) Files of lwip inet.h ip_ addr.h etharp.h icmp.c inet.c ip.h inet_ chksum.c tcp.h ip.c udp.c ip_ frag.c tcp_ out.c etharp.c tcp.c tcp_ in.c 16

17 Feature-Implementierung in lwip Konvertierung der Paket-Header zur Network Byte Order Konfigurierbar durch #define (htons, ntohs, htonl, ntohl) 210 Code-Einfügungen, verteilt über 15 Dateien Files of lwip inet.h ip_ addr.h etharp.h icmp.c inet.c ip.h inet_ chksum.c tcp.h ip.c udp.c ip_ frag.c tcp_ out.c etharp.c tcp.c tcp_ in.c 17

18 State-of-the-Art TCP/IP Stacks (2) #ifdef-basierte Konfigurierung skaliert nicht Hunderte von #ifdef-basierten Bugs in Linux [2] problems induced by #ifdef-hell grow more than linearly [2] TCP/IP Stacks vermeiden feingranulare Konfigurierbarkeit Quellcode soll wartbar/verstehbar sein Zufällige Auswahl von Protokollfeatures wird implementiert - Häufig suboptimale Auswahl 18

19 Inhalt Internet in ubiquitären Systemen CiAO/IP 19

20 Der CiAO/IP Ansatz Jedes Merkmal ist optional Keine festgelegten Merkmale 20

21 Concern Impact Analysis (Iterativ) Merkmale und Abhängigkeiten identifizieren 2 Analyse der Interaktionen zwischen diesen Merkmalen 3 Entwurf der Software-Architektur 1 Specification (RFCs) 1 Expert Knowledge Explicit Features Feature Modelling 2 Concern Hierarchy 3 Impact Analysis Internal Features Design Design Principles 21

22 Concern Impact Analysis (Iterativ) Merkmale und Abhängigkeiten identifizieren 2 Analyse der Interaktionen zwischen diesen Merkmalen 3 Entwurf der Software-Architektur 1 Specification (RFCs) 1 Expert Knowledge Explicit Features Feature Modelling 2 Concern Hierarchy 3 Impact Analysis Internal Features Design Design Principles 22

23 Merkmalmodellierung Beispiel: Das Internet Protocol (IP) Ausgangspunkt: Spezifikation (z.b. RFC1122) - MUST, SHOULD, MAY 23

24 Concern Impact Analysis (Iterativ) Merkmale und Abhängigkeiten identifizieren 2 Analyse der Interaktionen zwischen diesen Merkmalen 3 Entwurf der Software-Architektur 1 Specification (RFCs) 1 Expert Knowledge Explicit Features Feature Modelling 2 Concern Hierarchy 3 Impact Analysis Internal Features Design Design Principles 24

25 Concern Impact Analysis Einfügung: Erweiterung: Modifikation: Basis: min. eine Einfügung Benutzt: min. eine Erweiterung Querschneidend: viele Modifikationen Events State API 25

26 Concern Hierarchy Basismerkmale Klassen (hier Rechtecke) Benutzt-Hierarchie Abgeleitete Klassen Querschneidende Merkmale Aspekte (hier abgerundet) 26

27 Concern Impact Analysis (Iterativ) Merkmale und Abhängigkeiten identifizieren 2 Analyse der Interaktionen zwischen diesen Merkmalen 3 Entwurf der Software-Architektur 1 Specification (RFCs) 1 Expert Knowledge Explicit Features Feature Modelling 2 Concern Hierarchy 3 Impact Analysis Internal Features Design Design Principles 27

28 ① Minimale Erweiterungen Inkrementeller Systementwurf Beginnend mit minimaler Merkmal-Teilmenge 29

29 ① Minimale Erweiterungen Inkrementeller Systementwurf Beginnend mit minimaler Merkmal-Teilmenge Querschneidende Merkmale werden Aspekte 30

30 ① Minimale Erweiterungen Inkrementeller Systementwurf Beginnend mit minimaler Merkmal-Teilmenge Querschneidende Merkmale werden Aspekte Ermöglicht feingranulare Konfigurierbarkeit 31

31 ② Upcall Dispatcher Hierarchy Modulares Demultiplexing von empfangenen Paketen 32

32 ② Upcall Dispatcher Hierarchy Modulares Demultiplexing von empfangenen Paketen Jeder Protokol-Handler zapft upcall()-funktionen an - Und fügt upcall()-funktionen für höhere Schichten hinzu 33

33 ② Upcall Dispatcher Hierarchy Modulares Demultiplexing von empfangenen Paketen Jeder Protokol-Handler zapft upcall()-funktionen an - Und fügt upcall()-funktionen für höhere Schichten hinzu 34

34 ③ Sichtbare Übergänge Systemstrategien explizit machen Durch eindeutige Benennung von C++ Klassen und Funktionen Erleichtert spätere Anwendung von AOP 35

35 ③ Sichtbare Übergänge Systemstrategien explizit machen Durch eindeutige Benennung von C++ Klassen und Funktionen Erleichtert spätere Anwendung von AOP 36

36 ③ Sichtbare Übergänge Aspekt zur Konvertierung zur Network Byte Order 37

37 ➃ Lose Kopplung Durch Selbstintegration von Komponenten CiAO/IP-Stack kennt die Gerätetreiber nicht - Stattdessen rufen diese einen expliziten JoinPoint auf (ready()) Aspekt meldet die Gerätetreiber am CiAO/IP-Stack an - Gerätetreiber können leicht weggelassen werden 38

38 Was bringt die Konfigurierbarkeit? Auf verschiedenen Systemen? 8-bit AVR 128 KiB ROM Sub GHz Radio 32/64-bit Intel/AMD 4 GiB RAM Gbit Ethernet 16-bit MSP KiB ROM Sub GHz Radio 39

39 Energieverbrauch (8-bit AVR) 32 kb Firmware-Update über TCP B-MAC link layer (25 ms LPL) Erklärung uip: RTT-Estimation ist Vielfaches von 500 ms (Relikt aus 4.3 BSD) 41

40 Zusammenfassung Internet & ubiquitäre Systeme Ansätze Herausforderung: verschiedenste Anforderungen uip/lwip: Effizienzprobleme durch mangelnde Flexibilität Mögliche Lösung Software-Produktlinie, wie z.b. CiAO/IP 43

41 Referenzen 1. Adam Dunkels: Full TCP/IP for 8-Bit Architectures In Proceedings of the first international conference on mobile applications, systems and services (MOBISYS 2003), San Francisco, May R. Tartler et al. Feature Consistency in Compile-Time-Configurable System Software: Facing the Linux 10,000 Feature Problem. In EuroSys '11, pages 47 60, April

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