Softwarestrukturen in Building Automation

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1 Institut für Datentechnik und Kommunikationsnetze Seminararbeit Softwarestrukturen in Building Automation Sven Chmielewski Matrikelnummer: Juli 2011 Prüfer: Betreuer: Prof. Dr.-Ing Rolf Ernst Dr.-Ing Harald Schrom Technische Universität Braunschweig Institut für Datentechnik und Kommunikationsnetze

2 Echtheitserklärung "Hiermit erkläre ich, dass ich die vorliegende Arbeit selbständig verfasst, alle wörtlichen und sinngemäßen Übernahmen als solche gekennzeichnet und keine anderen als die angegebenen Quellen und Hilfsmittel benutzt habe." Braunschweig, Sven Chmielewski

3 Inhaltsverzeichnis 2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 3 Abbildungsverzeichnis 4 1 Einleitung Erläuterungen zu verwendeten Begriffen Eigenschaften eines Softwaresystems in Building Automation Systemanforderungen Leistungsfähigkeit Zuverlässigkeit Stabilität Langlebigkeit Sicherheit Echtzeitfähigkeit Skalierbarkeit Abstrahierung des Systems für den Benutzer Konzepte Cloud-Computing Open Source SmallCAN2.0: Ein Softwaresystem für Building Automation auf L4/FreeRTOS- Basis Gesamtkonzept Home-Gateway Inhouse-Gateway Busknoten Ein Softwaresystem für Building Automation auf Linux-Basis Hardware und Topologie Ein erweitertes Cloud-Konzept Betriebssystem Embedded Linux OpenBSD Building-Gateway Hardware Software

4 Inhaltsverzeichnis Room-Gateway Hardware Software Busknoten Hardware Software Vergleich des SmallCAN2.0-Systems mit einem Linux-basierten System 22 6 Fazit 23 Literatur 24 3

5 4 Abbildungsverzeichnis 1 Darstellung der Softwarestruktur eines Busknotens im SmallCAN2.0-System Schematische Darstellung einer RTAI-Software-Architektur Schematische Darstellung des Schedulings in LibeRTOS

6 1 Einleitung 5 1 Einleitung Das Forschungsgebiet "Home Automation", entstanden als Ableger der Gebäudeautomation für Privathaushalte, wandelt sich zusehends zu einer eigenständigen Forschungssparte, dessen Bedeutung in der Zukunft nicht hoch genug bewertet werden kann. Wo es früher auf die Automatisierung und Synchronisation von Industrieanlagen und großen Komplexen ankam, liegt der neue Fokus nun auf Komfort für den Nutzer und die Unsichtbarkeit der Technik. Aus der veränderten Ausrichtung eines Building Automation Systems (BAS) hin zu einem Smart Home System ergeben sich auch neue Anforderungen an die Software dieses Systems und ihre Struktur. Sowohl muss sich die Software in die veränderte Systemumgebung einfügen, als auch bieten sich Möglichkeiten für den Einsatz neuer Techniken. In diesem Paper werde ich einen Überblick über die Anforderungen der Softwarestruktur eines modernen Building Automation Systems für den Einsatz in Wohnhäusern geben. Des Weiteren werde ich einen neuen Ansatz für ein Softwaresystem vorstellen und ihn mit einem aktuell in der Entwicklung befindlichen System vergleichen. 1.1 Erläuterungen zu verwendeten Begriffen In diesem Dokument werden verschiedene Begriffe und Synonyme verwendet, um Gebäudeautomation zu beschreiben. Obwohl es in der exakten Definition Unterschiede gibt, werden die Begriffe Building Automation und Home Automation hier synonym verwendet und meinen die Gebäudeautomation mit Fokus auf der Automation von Wohnhäusern. Außerdem werden die Begriffe Smart Building System, Hausautomatisierungssystem und Building Automation System, sowie dessen Abkürzung BAS synonym verwendet und meinen das in einem Gebäude installierte System zur Gebäudeautomatisierung. 5

7 2 Eigenschaften eines Softwaresystems in Building Automation 6 2 Eigenschaften eines Softwaresystems in Building Automation Aus den in der Einleitung formulierten Zielen eines Building Automation Systems lassen sich Forderungen an die Software und ihre Struktur ableiten. Zur Erfüllung dieser Anforderungen werden in diesem Kapitel einige Konzepte vorgestellt. Diese umfassen insbesondere die Verwendung von Open-Source-Produkten 1 und die Anwendung eines Cloud-Computing-Konzepts 2 innerhalb eines Smart Buildings. 2.1 Systemanforderungen Als grundlegende Forderungen an jedes Softwaresystem lassen sich Leistungsfähigkeit, Zuverlässigkeit, Stabilität und Sicherheit nennen. Weiter werden noch Langlebigkeit, Sicherheit, Skalierbarkeit, Echtzeitfähigkeit und Abstrahierung der Systemstruktur für den Nutzer als etwas spezifischere Anforderungen an ein BAS angesprochen Leistungsfähigkeit Die Leistungsfähigkeit hängt insbesondere stark von der verwendeten Hardware ab, aber auch von der effizienten Nutzung der zur Verfügung stehenden Ressourcen. Da die Produktzyklen eines BAS im Vergleich zu anderen Computersystemen sehr lang sind, neue Funktionen dem Nutzer jedoch nicht vorenthalten werden und durch Updates eingespielt werden sollten, wird ein BAS den größten Teil seines Lebenszyklus mit veralteter Hardware ausgestattet sein. Ein schlankes, effizientes Softwaresystem ist also ein elementarer Bestandteil eines BAS Zuverlässigkeit Zuverlässigkeit betrifft die Ausfallsicherheit des System, beziehungsweise seine Fähigkeit partielle Ausfälle zu kompensieren. Ein großer Beitrag dazu lässt sich leisten, indem Redundanz in Hardware erzeugt wird. Das Datennetzwerk im Haus sollte den Ausfall einzelner Netzwerkknoten und -verbindungen verkraften können. Auch das Doppeln ganzer Recheneinheiten zur Redundanzerzeugung ist denkbar. Aufgaben der Software sind vor allem die Erkennung und Lokalisierung eines Ausfalls, sowie das Management einer angemessenen Reaktion. Einen entscheidenden Beitrag dazu kann das weiter unten beschriebene Cloud-Computing leisten, indem Aufgaben ausgefallener Einheiten auf andere übertragen werden. 1 siehe Abschnitt siehe Abschnitt

8 2 Eigenschaften eines Softwaresystems in Building Automation Stabilität Stabilität bedeutet die Gefahr des Absturz einzelner Gerätes so weit wie möglich zu reduzieren. Ein stabiles Betriebssytem ist also von entscheidender Bedeutung. Ebenso wichtig ist die Abstrahierung der Hardware für die auf dem Gerät laufenden Tasks, sodass diese nicht direkt auf Systemprozesse zugreifen können. Ein wichtiger Punkt ist insbesondere getrennte Speicherbereiche für alle Tasks zu nutzen Langlebigkeit Systeme für Home Automation sind auf Lebenszyklen von mehreren Jahrzehnten ausgelegt. 3 Sowohl Software als auch Hardware müssen also für eine sehr lange Lebensdauer geschaffen sein. Dieses Problem ist bei Software weniger stark ausgeprägt, da diese nicht wie Hardware einem irreversiblen Verschleiß unterliegt (Korrosion, Abnutzung etc.). Jedoch sollte es möglich sein jede Software im System upzudaten, um Fehler zu beseitigen und neue Funktionen zu implementieren. Auch muss sichergestellt werden, dass die Software über die gesamte Lebenszeit des BAS verfügbar ist. Insbesondere bei Software von Drittherstellern könnte sich das als problematisch erweisen Sicherheit Sicherheit ist ein in bisher existierenden BAS ein wenig beachteter Faktor. Zugangsbeschränkungen, Verschlüsselung von Informationen innerhalb des Systems etc. sind in den meisten Systemen gar nicht, oder nur schwach implementiert. 4 Insbesondere für die Home Automation tritt der Sicherheitsaspekt in Zukunft in den Vordergrund Echtzeitfähigkeit Sowohl an Hardware als auch an Software lässt sich die Forderung der Echtzeitfähigkeit stellen. Sie ergibt sich aus der Sicherheitskritikalität des Systems. Würden sicherheitsrelevante Daten nicht oder mit großer (unerwarteter) Verzögerung ihr Ziel erreichen, kann es zu Störungen im System oder zu Unfällen kommen. Insbesondere bei sich überlappenden Prozessen, wie beispielsweise einer Rolladensteuerung und einer Fensteröffnungsautomatik ist die Problematik klar ersichtlich. In Hardware lässt sich die Grundlage für Echtzeitfähigkeit durch genügend hoch getaktete Computer und echtzeitfähige Datenübertragung schaffen. Die Hauptaufgabe 3 Wartung und Diagnose sollten für 30 Jahre verfügbar sein.,[15, S.5] 4 Für eine Zusammenfassung von Sicherheitsmerkmalen in am Markt befindlichen BAS, siehe [12] 7

9 2 Eigenschaften eines Softwaresystems in Building Automation 8 liegt hier aber bei der Software, die sicherstellen muss, dass die entsprechenden Kriterien der Datenverarbeitung und Übertragung eingehalten werden Skalierbarkeit Da ein BAS in möglichst vielen Umgebungen problemlos einsetzbar sein soll, ist die Skalierbarkeit des Systems eine wichtige Forderung. Im Idealfall sollte sich ein kleines System mit nur wenigen Hardwareknoten gleich verhalten wie ein großes System mit sehr vielen Knoten. Um für verschieden komplexe Systeme die gleiche Struktur verwenden zu können, bietet sich ein dezentral organisiertes System an. Dadurch lässt sich das System durch Variation der Anzahl kleiner, vernetzter Recheneinheiten skalieren, es ist keine an die Systemgröße angepasste Zentraleinheit notwendig Abstrahierung des Systems für den Benutzer Für den Nutzer sollte die Struktur des Systems möglichst unsichtbar sein, um die Interaktion so einfach wie möglich zu gestalten. Der Benutzer bedient das System zum einen traditionell über Wandschalter (Lichtschalter, Dimmer etc.), zum anderen über Bildschirme, auf denen eine möglichst leicht verständliche Benutzeroberfläche läuft. Dabei hat der Benutzer Kontrolle über globale (oder räumlich eingeschränkte) Funktionen des Hauses, nicht über einzelne Geräte. Die Softwarestruktur selbst so wie auch die meiste Hardware ist abstrahiert und bleibt für den Nutzer verborgen. 2.2 Konzepte Cloud-Computing Der Begriff des Cloud-Computings wurde in den letzten Jahren zum Schlüsselwort für neue Dienste im Internet 5. Die Grundidee, Aufgaben nicht mehr nur auf einem Rechner abzuarbeiten, sondern die Tasks je nach Ressourcenverfügbarkeit auf viele Computer zu verteilen, lässt sich auch auf den Bereich der Building Automation anwenden. Die nötige Infrastruktur von mehreren (gleichstarken) Geräten, die gut vernetzt sind, ist in einem BAS gegeben. Der Nutzen einer besseren Ressourcennutzung und damit von effizienterem und energiesparenderem Arbeiten ist ebenfalls offensichtlich. Im weiteren Verlauf des Papers werden in beiden vorgestellten Systementwürfen verschiedene Ansätze des Cloud-Computings beschrieben und miteinander verglichen. 5 vgl. [17, Seiten3,4]und[16] 8

10 2 Eigenschaften eines Softwaresystems in Building Automation Open Source Um die Forderung nach einer langlebigen Softwareumgebung und der Unabhängigkeit von Drittherstellern zu erfüllen, bietet sich die Verwendung von Open-Source-Software im gesamten System an. Die in der Vergangenheit oft genannten Kritikpunkte am Konzept von Open Source haben sich in den allermeisten Fällen als unbegründet oder zumindest umgehbar herausgestellt. Einer der gravierensten Kritikpunkte ist sicher, dass Open-Source-Software oft eine geringere Qualität habe, da es es keinen finanziellen Anreiz für die Entwickler gäbe. Wissenschaftliche Untersuchungen konnten allerdings keine generell mindere Qualität bei Open-Source-Produkten feststellen. 6 Auch die Verwendung von Open Source in vielen hochprofessionellen Umgebungen (beispielsweise Googles Android als Smartphonebetriebssystem) spricht gegen diesen Vorwurf. Insbesondere für Kernel und Betriebssysteme der verschiedenen Systemkomponenten sind Open- Source-Produkte sinnvoll. Neben dem Entfallen von Lizenzgebühren macht es das System unabhängig vom wirtschaftlichen Erfolg der lizensierenden Softwarefirma. Der gesamte verwendete Code ist außerdem einsehbar und so für den Entwickler transparent. Ein Schlüsselargument für offene Software (bzw. ein freies Lizenzmodell) ist außerdem der Anreiz, der für Drittfirmen geschaffen wird, Soft- und Hardware für das BAS zu erstellen. Durch die Offenlegung des Codes und den Wegfall von Lizenzgebühren wird es insbesondere kleineren Entwicklerfirmen erleichtert Produkte für das System zu entwickeln. Ein wichtiges Argument im Kampf um die Vorherrschaft auf dem Markt der Smart-Building- Systeme wird die Offenheit von Standards und Schnittstellen sein, die ein großes Feld von Unterstützern ermöglichen. Innerhalb der verwendeten Lizenz sollte es jedoch auch möglich sein Closed-Source-Software ins System einzubinden, um Herstellern, die dies wünschen die Verwendung proprietärer Standards zu ermöglichen. 6 vgl. [20] 9

11 3 SmallCAN2.0: Ein Softwaresystem für Building Automation auf L4/FreeRTOS-Basis 10 3 SmallCAN2.0: Ein Softwaresystem für Building Automation auf L4/FreeRTOS-Basis 3.1 Gesamtkonzept Das in diesem Kapitel vorgestellte Hausautomatisierungssystem SmallCAN2.0 entsteht momentan am Institut für Datentechnik und Kommunikationsnetze der TU Braunschweig. Es ist der Nachfolger eines bereits existierenden, im gleichen Institut zu Forschungszwecken entwickelten Systems. 7 Der Entwurf verfolgt den Ansatz eines verteilten Systems mit verschiedenen Klassen von Geräten. Die oberste Instanz stellt das Home-Gateway dar. Es verbindet das BAS sowohl mit dem Internet als auch mit dem internen IT-Netzwerk des Hauses. Eine Stufe darunter befinden sich sogenannten Inhouse-Gateways, oder Segment-Controller. Diese haben die Aufgabe einzelne Bereiche des Netzes voneinander zu separieren, sowohl informationell, als auch elektrisch. Sie werden beispielsweise für jeden Raum installiert, sodass einzelne Räume voneinander unabhängig sind. Das kleinste Element im System sind die Busknoten. Sie sind in (oder an) jedem Sensor und Aktor im Haus enthalten, und verbinden diesen mit dem Netzwerk. Das Netzwerk selbst ist ein Feldbus. Hier kommt SmallCAN zum Einsatz, eine modifizierte Version des CAN- Busses, die Echtzeitfähigkeit ermöglicht. Allgemein bietet jede Hardware im System Echtzeitfähigkeit, auch die verwendeten Betriebssysteme unterstützen Echtzeitscheduling. Besonderes Augenmerk liegt auf der freien Integrierbarkeit neuer Komponenten ins System. So ist es beispielsweise möglich auch nach der Erstinstallation des Systems Inhouse-Gateways oder ganze Räume hinzuzufügen. Diese werden im Betrieb vom System erkannt und integriert. Des Weiteren ist der geringe Energieverbrauch ein wichtiger Punkt. Die gesamte Energie für die Inhouse-Gateways und Busknoten wird vom Home-Gateway über den Bus bereitgestellt. Dadurch entfallen zusätzliche Stromleitungen, was die Installation der Geräte stark vereinfacht. SmallCAN2.0 bietet grundlegende Funktionalitäten von Cloud-Computing. Busknoten und dem Home-Gateway ist es möglich einzelne Anwendungen oder Teile dieser an die Inhouse-Gateways auszulagern und von diesen bearbeiten zu lassen. Dadurch lassen sich freie Ressourcen dynamisch nutzen und das System effizienter betreiben. Im Folgenden werden nun die einzelnen Geräteklassen des SmallCAN2.0-Systems kurz vorgestellt. Dabei wird neben der Software auch kurz auf die Hardware der Geräte eingegangen. 7 Die Systembeschreibung in diesem Abschnitt stützt sich auf eine Konzeptschrift des Instituts für Datentechnik und Kommunkationsnetze der TU Braunschweig [15], sowie auf eine von Harald Schrom an den Autor [21]. Der Name SmallCAN2.0 ist in diesen Quellen nicht enthalten, da er bisher nicht offiziell feststeht. Er wurde dem Autor von Harald Schrom als Übergangsbezeichnung empfohlen. 10

12 3 SmallCAN2.0: Ein Softwaresystem für Building Automation auf L4/FreeRTOS-Basis Home-Gateway Die leistungsfähigste Einheit im System hat vor allem die Aufgabe die Verbindung zur Außenwelt herzustellen und das System mit Energie zu versorgen. Außerdem kommen ihr globale Systemmanagementaufgaben zu. Die Hardware umfasst ein Multikernsystem auf ARM-Basis 8, sowie einen FPGA für generische, hardwarenahe Anwendungen. Daneben ist die nötige Peripherie für den Anschluss an Ethernet (internetseitig) und SmallCAN (hausseitig) vorhanden, sowie zwei Netzteile zur eigenen Stromversorgung und der des Busses. Optional können Batterien angeschlossen sein, um bei Stromausfällen für kurze Zeit Notenergie bereitzustellen. Auf Seiten der Software kommt als Grundlage ein L4-Kernel 9 zum Einsatz. Darauf setzen zum einen direkt sicherheitskritische Tasks auf, zum anderen ein FreeRTOS-Betriebssystem 10,das die Kommunikation mit dem Rest des Hauses und deren Verwaltung übernimmt. Des Weiteren ist für Wartungszwecke parallel zu FreeRTOS ein Linux-System installiert. Dieses hat jedoch im Tagesgeschäft keinen Einfluss. Auf dem Betriebssystem selbst setzt eine Middleware auf, die die Hardwareabstrahierung übernimmt und Dienste anbietet wie Kommunikations-APIs, Logging und Debugging und die Cloudfunktionen des Systems verwaltet. Auf dieser Schicht laufen die User-Anwendungen. 3.3 Inhouse-Gateway Das Inhouse-Gateway ist im Wesentlichen eine kleine Version des Home-Gateways. Es trennt einen Raum (oder einen Bereich des Hauses) vom Rest des Netzwerks. Die Hardware ist ebenfalls eine geschrumpfte Version des Home-Gateways. Als Prozessor kommt ein ARM Cortex M3 zum Einsatz. Es sind mehrere CAN-Ports vorhanden. Weitere Peripherie könnte Speicherchips umfassen, sofern diese nötig sind. Auch hier kommen kleine Batterien oder speicherstarke Kondensatoren zum Einsatz, um im Falle eines Energieverlusts in einen kontrollierten Aus-Zustand überzugehen. Die Software baut wieder auf einem L4-Kernel auf. Darauf läuft ein FreeRTOS Betriebssystem, Linux ist hier nicht installiert. Die Laufzeitumgebung hat vor allem die Aufgabe des Datenroutings, sowie das Abarbeiten der durch die Cloud zugewiesenen Tasks. 8 Gemeint sind Prozessoren, deren Architektur der von ARM Limited lizensierten entspricht. 9 L4 ist eine Mikrokernel-Familie, die sich besonders durch ihre Kompaktheit und Effizienz auszeichnet. Eine Variante von L4 wurde als ein beweisbar sicheres System identifiziert. L4 erfreut sich als Grundlage für eingebettete Systeme in der Industrie großer Beliebtheit. Für weitere Informationen siehe [19] 10 FreeRTOS ist ein freies Echtzeitbetriebssystem für Mikrocontroller. Für weitere Informationen siehe [2] 11

13 KERNEL Mode USER Mode KERNEL Mode 3 SmallCAN2.0: Ein Softwaresystem für Building Automation auf L4/FreeRTOS-Basis 12 CAN Driver Communications API Task 1 Task 2 Task 3 Task 4 Task 5 Task 6 Task 7 Hardware Access Controller Driver 1 Dynamic Driver-Slots Driver 2 Driver 3 Driver 4... UART SPI Multiplexer SPI Queue Application MPU Region Abbildung 1: Darstellung der Softwarestruktur eines Busknotens im SmallCAN2.0-System Quelle: Institut für Datentechnik, TU Braunschweig 3.4 Busknoten Als kleinste Einheit hat der Busknoten vor allem die Aufgabe alle Geräte im Haus ans System anzubinden. Die Hardware nutzt wie das Inhouse-Gateway einen ARM Cortex M3, allerdings eine Variante mit geringerer Ausstattung. Ein CAN-Port stellt die Verbindung zum Bus her. Seine Energie bezieht der Knoten vom Bus. Die Software sieht ein FreeRTOS-Betriebssystem vor, allerdings diesmal ohne L4-Unterbau, da der Chip durch geringere Speichergröße nicht für die Verwendung von L4 geeignet ist. 12

14 4 Ein Softwaresystem für Building Automation auf Linux-Basis 13 4 Ein Softwaresystem für Building Automation auf Linux-Basis Durch den kontinuierlichen technischen Fortschritt in der Computertechnik werden schon in wenigen Jahren Systeme denkbar sein, die heute nicht realisierbar sind oder stark überdimensioniert erscheinen. So werden in naher Zukunft preisgünstige Mikroprozessoren erhältlich sein 11, die die Nutzung eines ursprünglich für Desktoprechner vorgesehenen Betriebssystems wie Linux auf allen im BAS vorkommenden Plattformen ermöglichen. Es mag zunächst widersinnig erscheinen ein so komplexes und damit auch potenziell fehleranfälliges System wie Linux selbst auf Lichtschalter-Controllern laufen zu lassen. Mit genügend Entwicklungsarbeit in jene Richtung könnte diese Variante jedoch erste Wahl für Building-Automation-Systeme der Zukunft werden. 4.1 Hardware und Topologie Der Ansatz eines dezentralen Netzwerks mit verteilten Strukturen des SmallCAN2.0-Systems sollte fortgesetzt und mit gestiegenen Rechenkapazitäten noch ausgebaut werden. Auch die Hierarchie der Geräteklassen wird aus dem vorher vorgestellten Ansatz übernommen. Ein Building-Gateway verbindet das BAS mit der Außenwelt und dem Internet. Mit ihm verbunden sind sogenannte Room-Gateways, an die sich wie beim Inhouse-Gateway des zuvor beschriebenen Systems ein isoliertes Netzwerk anschließt. Diese isolierten Netzwerke erstrecken sich in der Regel über einen Raum. Hier ist wieder jedes Gerät (wie Lichtschalter, Lampe, Heizung etc.) über einen Busknoten an das Netzwerk angeschlossen. Die Datenübertragung wird über Feldbusse realisiert. Allerdings kommen im Raumnetzwerk und dem übergeordneten Hausnetzwerk verschiedene Busse zum Einsatz. Der Grund liegt im unterschiedlichen Datenaufkommen der verschiedenen Netze. Das Raumnetzwerk ist vom Rest des Hauses isoliert und über den Bus müssen nur Daten übertragen werden, die für die Steuerung des Raumes relevant sind. Dagegen laufen über das Hausnetzwerk deutlich mehr Daten. Nämlich neben allen Steuerungsinformationen, die über einen Raum hinaus bekannt sein müssen auch alle Softwareupdates von außen und Loggingdaten. Außerdem sollte, um ein allumfassendes System im Haus zu schaffen, das Haus-Entertainmentsystem ebenfalls ins BAS eingebunden werden, sodass auch dessen datenintensive Dienste (Streaming etc.) über das Hausnetzwerk laufen müssen. Daher eignet sich hier ein sehr leistungsfähiges Bussystem, beispielsweise Highspeed-CAN 12, oder eher noch FlexRay 13 aufgrund seiner Echtzeitfähigkeit. In den einzelnen Räumen sollte ein ebenfalls echtzeitfähiges low-speed Bussystem, beispielsweise SmallCAN zum Einsatz kommen. Hier muss 11 vgl. [9] 12 Highspeed-CAN ist eine Version des CAN Feldbussystems, was Datenraten bis zu 1Mbit/s ermöglicht. Für weitere Informationen siehe [10]. 13 FlexRay ist ein echtzeitfähiges Feldbussystem, welches für den Automobilbereich entwickelt wurde. Es sind Datenraten von bis zu 10Mbit/s möglich. Für weitere Informationen siehe [11]. 13

15 4 Ein Softwaresystem für Building Automation auf Linux-Basis 14 Augenmerk auf die Datenrate und den Energieverbrauch als komplementäre limitierende Faktoren gelegt werden. Das im nächsten Absatz beschriebene Cloud-Konzept stellt gewisse Mindestanforderungen an den Datendurchsatz, die Hardware selber dagegen legt Höchstwerte für den Energieverbrauch fest. 4.2 Ein erweitertes Cloud-Konzept Um Ressourcen effizienter nutzen zu können, ist in diesem System ein im Vergleich zum zuvor beschriebenen Ansatz in einigen Punkten erweitertes Cloud-Konzept implementiert. Wie im SmallCAN2.0-System können Applikationen auf beliebigen Busknoten ausgeführt werden. Auch Daten können auf beliebigen Knoten gespeichert werden. Komplexe Aufgaben können von Busknoten an Room-Gateways delegiert werden. Allerdings können diese keine Aufgaben, deren Ergebnisse und Daten nicht außerhalb des Raumes benötigt werden ans Building-Gateway oder andere Room-Gateways weiterleiten. Eine Cloud ist immer auf einen Raum beschränkt; so wird das Konzept der isolierten Räume gewahrt und dieser Sicherheitsvorteil wird weiterhin genutzt. Diese Beschränkung könnte unter Umständen durch entsprechend starke Verschlüsselungen entfallen, dies wäre allerdings durch weiterführende Studien zu überprüfen. Der Kern der erweiterten Cloud ist die Möglichkeit nicht nur Applikationen auf beliebigen Knoten auszuführen, sondern auch einzelne Tasks einer Applikation auf verschiedene Hardwareeinheiten zu verteilen. Auch können Tasks on-the-fly auf einen anderen Knoten übertragen werden, sodass eine Umverteilung von Aufgaben bei veränderter Auslastung von Busknoten (oder dem Ausfall einzelner Einheiten) möglich ist. Bei der Umverteilung im laufenden Betrieb wird dazu zunächst eine Kopie des zu verschiebenden Tasks auf der Zielhardware erstellt. Dem nicht mehr benötigen Task wird dann ein Stoppbefehl gegeben. Dieser versendet den aktuellen Status seiner Variablen an den Zielknoten. Dort wird der Task mit erhaltenen Variablenwerten gestartet und der alte Prozess auf dem Ursprungsknoten gelöscht. Im Falle des Ausfalls eines Knotens wird der Task vom Room-Gateway ebenfalls neu auf einen funktionierenden Knoten geschrieben, muss dort allerdings neu starten und hat keine Laufzeitinformationen des alten Tasks. Das Management dieser Vorgänge übernimmt das Room-Gateway. Es muss über die Auslastung aller Busknoten im Netzwerk informiert sein, natürlich ebenso wie über die Verteilung der Tasks und deren Status. Es übernimmt auch die Änderung von Routing-Informationen für Applikationen und ihre verteilten Tasks. Jede im Raumnetzwerk vorhandene Software muss im Room-Gateway zur Nachinstallation hinterlegt sein. 14

16 4 Ein Softwaresystem für Building Automation auf Linux-Basis Betriebssystem Durch die unterschiedlichen Hardwareplattformen im System ist es nötig, verschieden leistungsfähige und Ressourcen-verbrauchende Betriebssysteme bereitzustellen. Während auf einem Building-Gateway ein leistungsfähiges Betriebssystem laufen muss, liegt der Fokus bei den Busknoten auf einer effizienten Nutzung der begrenzten Ressourcen und dem Sparen von Energie. Es bietet sich also an verschiedene Ansätze für die Geräte zu verwenden. Eine andere Möglichkeit ist die Verwendung eines einzigen Betriebssystems auf allen Geräten, wobei der unterschiedlichen Möglichkeiten der Hardware durch Softwareskalierung Rechnung getragen wird. Auf allen Geräten läuft der gleiche Kern, je nach Art des Geräts werden Funktionen hinzugefügt oder entfernt. Dazu ist ein Betriebssystem nötig, das sowohl in seiner Minimalausführung sehr klein und energiesparend ist, als auch in größerer Konfiguration die Möglichkeiten eines Desktopsystems bereitstellt. Der Vorteil ist sowohl die einfachere Handhabbarkeit des ganzen Systems, da Daten nur noch zwischen gleichen Betriebssystemen versandt werden, als auch der deutlich reduzierte Entwicklungsaufwand, da nur noch ein Betriebssystem betrieben werden muss. Neben dieser und anderen allgemeinen Forderungen an ein Building Automation System 14 sind an das Betriebssystem noch weitere Anforderungen zu stellen: unter einer Open-Source-Lizenz verfügbar, die die Verwendung in einem kommerziellen System erlaubt kompatibel für alle Hardware-Plattformen, die im System verwendet werden ständige Weiterentwicklung ist durch eine große Nutzerschaft gewährleistet. Im Folgenden werde ich insbesondere Linux als Embedded System auf die geforderten Eigenschaften hin überprüfen und zeigen, dass diese erfüllt werden können. Zum Vergleich werde ich außerdem kurz auf OpenBSD als Beispiel eines Betriebssystems aus der Familie der Berkeley Software Distribution eingehen Embedded Linux Als Embedded Linux werden im Allgemeinen Linux-Systeme bezeichnet, die speziell auf die Verwendung in eingebetteten Systemen zugeschnitten sind. 15 Das betrifft den Umfang an installierten Bibliotheken, Echtzeitfähigkeit und weitere Eigenschaften. 14 vgl. Abschnitt vgl. [14] 15

17 4 Ein Softwaresystem für Building Automation auf Linux-Basis 16 Im Vergleich zu anderen Open-Source-Betriebssystemen hat Linux mit Abstand die weiteste Verbreitung und Entwickler können auf eine sehr große Community zurückgreifen. Ein weiteres Argument für Embedded Linux ist die große Flexibilität. Je nach Distribution sind Systeme ab 200 kbyte Programmspeicher und ca. 500 kbyte Arbeitsspeicher möglich. 16 Eine untere Grenze der Skalierbarkeit besteht in der Mindestwortbreite von 32bit von Linux (bis auf wenige Ausnahmen). Nach oben sind kaum Grenzen gesetzt, es gibt viele Embedded-Linux-Lösungen für High-Performance-Systeme. Traditionell ist Linux, da als Desktop-Betriebssystem entworfen, nicht echtzeitfähig. Es gibt jedoch Ansätze von verschiedenen Gruppen und Firmen Echtzeitfähigkeit für Embedded Linux zu realisieren. Dabei werden verschiedene Strategien verfolgt. Eine Möglichkeit ist es einen zusätzlichen Scheduler in den Kernel einzufügen, der den ursprünglichen Scheduler übergeordnet ist. Eine andere Variante, die beispielsweise von RTAI verfolgt wird, ist einen weiteren Kernel ins System einzufügen, der in Echtzeit taktet. Inzwischen ist auch ein nativer Patch für Linux verfügbar 17, der (allerdings recht weich definiertes) Echtzeitverhalten ermöglicht. Im Folgenden werden zwei Varianten von Echtzeit-Linux-Systemen kurz vorgestellt. Sie verwenden die beiden erwähnten Strategien, um Echtzeitfähigkeit zu erreichen RTAI Real Time Application Interface erweitert Linux um einen zweiten Kernel mit Echtzeitscheduling als Unterbau zwischen Linuxkernel und Hardware. Der eigentliche Linuxkernel läuft nun als Echtzeit-Task des neuen Kernels. Damit Linux sich deterministisch verhält, wird die Interruptverwaltung des Linuxkernels von einer Hardwareabstraktionsschicht namens Realtime Hardware Abstraction Layer (RTHAL) übernommen. Diese wird durch einen Patch dem Kernel hinzugefügt. 18 Der Nachteil dieser Herangehensweise ist, dass Echtzeit-Tasks gleichberechtigt mit dem Linuxkern im Kernelspace laufen (siehe Abbildung 2). Dadurch sind sie nicht durch die Speicherschutzmechanismen des Betriebssystems kontrolliert, was zu Sicherheitsproblemen führen kann. Es gibt eine Erweiterung für RTAI namens LXRT, die es ermöglicht Echtzeit-Tasks im Userspace auszuführen. Sie dient allerdings nur als Entwicklungshilfe, und ist nicht zur normalen Verwendung gedacht. 19 In einer sicherheitskritischen Umgebung, wie sie in einem BAS gegeben ist, ist der Einsatz von RTAI also eher wenig sinnvoll. 16 Speicherplatzangaben von [4]. Die Firma Coventive Solutions hat sogar eine Distribution entwickelt, die nur 143kB Speicher benötigt [22]. 17 vgl. [8] 18 Funktionsbeschreibung von RTAI aus [6]. Für weiterführende Informationen siehe ebenda. 19 Zur Funktionsweise: LXRT erstellt für jeden Linux-Task, der in Echtzeit gescheduled werden soll einen sogenannten Angel im Kernel-Space. Dieser ist quasi ein Schatten des Linux-Tasks und führt alle Befehle des Tasks in Echtzeit aus und gibt die Ergebnisse zurück. Für weitere Informationen siehe [5]. 16

18 4 Ein Softwaresystem für Building Automation auf Linux-Basis 17 Abbildung 2: Schematische Darstellung einer RTAI-Software-Architektur Quelle: [13] LibeRTOS Linux Based Enhanced Realtime Operating System verfolgt den Ansatz, dem Linuxkernel durch einen Patch einen weiteren Scheduler hinzuzufügen. Dieser Echtzeit- Scheduler arbeitet vor dem eigentlichen Linux-Scheduler und übernimmt das Scheduling, sofern ein Task Echtzeitfähigkeit fordert. Auf diese Weise können, im Gegensatz zu RTAI, alle Echtzeit-Tasks im Userspace laufen. 20, 20 Eine genauere Erklärung der Funktionsweise findet sich hier: [18], vgl. auch Abbildung 3 17

19 4 Ein Softwaresystem für Building Automation auf Linux-Basis 18 Abbildung 3: Schematische Darstellung des Schedulings in LibeRTOS Quelle: [18] OpenBSD Neben Embedded Linux soll OpenBSD kurz als Alternative betrachtet werden. Als Mitglied der BSD 21 -Familie ist OpenBSD wie Linux ein Unix-Derivat. Ein besonderer Entwicklungsfokus von OpenBSD liegt auf der Sicherheit des Systems 22. Dies äußert sich zunächst in der Entwicklung des Betriebssystems selbst, wo regelmäßig sogenannte Code Audits durchgeführt werden, bei denen bestehender Code systematisch nach Fehlern durchsucht wird. Des Weiteren sind einige C-Befehle, deren Verwendung die Gefahr von Programmierfehlern erhöhen kann in OpenBSD-Anwendungen verboten. Der C-Compiler von OpenBSD ist mit Erweiterungen ausgestattet, die schon beim Compilieren das Risiko von Speicherüberläufen vermindern soll. Außerdem sind viele Kryptographiemechanismen direkt ins Betriebssystem integriert. All diese Erweiterungen sorgen dafür, dass OpenBSD im Vergleich zu anderen Betriebssystemen langsamer läuft 23 und weniger ressourcenschonend arbeitet. Echtzeitfähigkeit ist nativ nicht implementiert. Es gibt proprietäre Plugins, die Echtzeitfähigkeit bereitstellen 24, quelloffene Varianten sind nicht zu finden. Insgesamt eignet sich OpenBSD weniger für die Verwendung in dem hier vorgestellten Ansatz 21 BSD steht für Berkeley Software Distribution, daeineersteversionderbetriebssystemfamilieanderberkeley- Universität entwickelt wurde. 22 Für die in diesem Abschnitt beschriebenen Sicherheitsmerkmale, vgl. [23]. 23 Felix von Leitner hat Linux Kernel v2.4 und v2.6 mit OpenBSD mit Hilfe von Benchmarks verglichen. Die Ergebnisse finden sich hier: [1] 24 vgl. [7] 18

20 4 Ein Softwaresystem für Building Automation auf Linux-Basis 19 eines BAS. Seine geringere Flexibilität und schlechtere Unterstützung eines Echtzeitbetriebs lassen es im Vergleich zu einer Embedded-Linux-Lösung zurückfallen. 4.4 Building-Gateway Die Aufgaben des Building-Gateways sind vor allem die Verbindung des BAS mit dem Internet, sprich Verbinden der beiden Protokolle und physikalischen Leitungen, und das Datenmanagement innerhalb des Hausnetzes. Es ist der leistungsfähigste Rechner im System. Da prinzipiell nur dem Building Gateway alle Informationen des BAS zur Verfügung stehen, muss hier auch die Benutzerschnittstellen-Software laufen Hardware Auf Hardwareseite muss genug Rechenleistung verfügbar sein, um auch sehr komplexe Tasks abzuarbeiten. Ein Mehrkernsystem bietet sich an, da damit auch echtes Multitasking möglich wird, was aufgrund der unterschiedlichen Aufgaben des Computers vorteilhaft ist. Die Leistung sollte etwa im Bereich heutiger Desktoprechner liegen. Die High-Performance-Prozessoren der aktuellen ARM-Prozessor-Generation beispielsweise kommt dieser Forderung sehr nah. 25 Es ist sinnvoll den Router sowohl in Software als auch in Hardware möglichst weit vom Rest des Systems zu separieren, um Angriffe von außen zu erschweren. Denkbar ist sowohl ein vollkommen separiertes Gerät, wie auch eine Isolierung in Software, beispielsweise den Betrieb der Internet-Gateway Anwendung in einer Sandbox, die nur über eine definierte Schnittstelle mit dem Rest des Systems kommunizieren kann Software Das Betriebssystem des Building Gateways ist die höchste Skalierungsvariante, die im System vorhanden ist. Die vorhandene Hardware wird optimal genutzt. Die zuvor angesprochene Mehrkernarchitektur wird unterstützt, ein Dateisystem verwaltet vorhandenen Speicherplatz, Routingsoftware und eine Firewall sind integriert. Die Verwaltung einer grafischen Oberfläche und von Benutzerinteraktion ist ebenfalls Teil des Systems. Weitere Routingprozesse verwalten die Datenströme innerhalb des Hausnetzwerks. 25 Als Beispiel sei hier der ARM Cortex A15 angeführt. Er kann bis zu 8 Kerne enthalten und mit bis zu 2,4GHz takten. Erste Produkte mit dem A15 werden 2012 erwartet. Weitere Informationen gibt es hier: [9] 19

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