SeNeTs Test- und Steuerungsumgebung für Software in großen drahtlosen Sensornetzen. Universität Rostock

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1 Test- und Steuerungsumgebung für Software in großen drahtlosen Sensornetzen Frank Reichenbach Jan Blumenthal, Matthias Handy, Dirk Timmermann Informatik 2004 Workshop on Sensor Networks

2 Übersicht Einleitung Sensor-Netzwerke Umgebung Architektur Environment-Management Beispielanwendung Fazit 2

3 Einleitung

4 Definition Sensor-Netzwerke: Hunderte bis tausende Sensorknoten Zufällige Verteilung Drahtlose Kommunikation Eigenschaften Sich ständig ändernde Topologie Mobile Knoten Selbstorganisierend Ressourcenkritisch (Energie, Speicher, Prozessor) Fehleranfällig 4

5 Motivation Wofür sind Sensornetzwerke sinnvoll? Analyse, Beobachtung, Erforschung, Monitoring der Umgebung Beispiele: Erforschung und Überwachung von Tornados Detektierung und Überwachung von Waldbränden 5

6 Software Entwicklung Automatisierter Ablauf von Programmen auf den Sensorknoten Selbstorganisierendes Netzwerk Zuverlässige und rechtzeitige Netzwerkoperation (Echtzeit) Resource Awareness (Energie, Hardware, Kommunikation Fehleranfällige Sensorknoten Services Wo ist das Feuer? Welche durchschnittliche Temperatur ist in der Umgebung des Bahnhofs? 6

7 Anforderungen während der Testphase Anwendungsspezifisch: Software Updates Überwachung der Anwendung Debugging Empfang von Zustandsinformationen - Logging (Register, Signale, Variablen) Netzwerkspezifisch: Einfache Administrierung aller Sensorknoten Scripting von Kommandos Test unter verschiedenen Umgebungsbedingungen (Sandsack) Flutprävention durch Deichüberwachung 7

8 1. Software Test mit Simulatoren Simulation: Erste und wichtige Einblicke Beweis der Funktionalität Problematik: Sequentielles Abarbeiten von gleichzeitig auftretenden Ereignissen Vereinfachte drahtlose Kanal-Modelle (Radiale Übertragungsreichweite) Unterstützung von neuen drahtlosen Übertragungstechniken (ZigBee) Wiederbenutzung von Quellcode ist nicht garantiert 8

9 2. Software Test auf Zielplattformen Ziel-Implementierung: Hunderte Sensorknoten benötigt Meistens nur wenige Prototypen von Sensorknoten verfügbar (Mica, Chipcon ) Umgebungsparameter oft nicht gegeben (Tornado, Waldbrand) Knoten noch in Entwicklungsphase hoher Stückpreis Echte Ziel-Implementierung ist meistens unpraktisch, aufgrund der knappen Sensorknoten! 9

10 2. Software Test auf Zielplattformen Basis Station B A D C Drahtloser Kommunikationskanal Kommunikation verursacht durch Anwendung Kommunikation verursacht durch Tests und Administrierung Erhöhte Kommunikation Drahtlose Kommunikationskanäle agieren als Flaschenhals Resultate werden unrealistisch oder falsch Administrierung und Testung dürfen Sensor-Netzwerk-Anwendungen nicht beeinflussen! 10

11 Environment - Architektur -

12 Software Test in Hauptproblem während der Testphase: Simulationen ungenau Fehlende echte Sensorknoten Aufwendige Administration Flaschenhalseffekt Ansatz: Ausrüsten von PC s (Hosts) mit Sensoren Übertragungsmodulen Emulieren des Sensor-Netzwerkes mit existierenden Netzwerken (Lan) Administrieren des Sensor Netzwerkes via Backbone 12

13 Kommunikationskanäle Anwendungen kommunizieren durch primären Kanal Administrierung durch sekundären Kommunikationskanal verhindert Flaschenhals-Effekt beseitigt Einfluss von Test und Administrierung auf den primären drahtlosen Kommunikationskanal Sensor Network Application 1 Application 2 Application 3 Application 4 Primary communication channel Application 5 Application 6 Application 7 Application 8 Base station Secondary communication channel 13

14 Architektur Hierarchische Netzwerk Architektur Loser Verbund der Komponenten Zusätzliche Features: Logging und Steuerung von entfernten Sensorknoten Software Updates Kommunikations-Management (sekundärer Kanal) Commands Graphical User Interface Scripts Network Host: rtl Application Host: mdnt1 Application Host: mdnt2 Application 1 Application 2 Application 3 Application 4 Evaluierung Management Anwendungen 14

15 Network Administriert Sensor-Netzwerk Startet, Stoppt und Beendet Sensoranwendungen Kommuniziert via Pipes (sekundärer Übertragungskanal) Externe Konfiguration via Kommandos und Skripte Empfängt Zustandsinformationen von den Sensorknoten- Anwendungen Terminal-basierender Service auf dem Host-System Commands Graphical User Interface Scripts Network Host: rtl Application Host: mdnt1 Application Host: mdnt2 Application 1 Application 2 Application 3 Application 4 Evaluierung Management Anwendungen 15

16 Application Verwaltet Instanzen von Anwendungen auf einem Host Unabhängig vom Network Kommuniziert via Pipes mit Anwendungen und Network Hardware-Mapping Terminal-basierender Service auf dem Host-System Commands Graphical User Interface Scripts Network Host: rtl Application Host: mdnt1 Application Host: mdnt2 Application 1 Application 2 Application 3 Application 4 Evaluierung Management Anwendungen 16

17 Application Verbunden mit Application Läuft als Terminal-Prozess auf dem Host-System Lauffähig ohne aufgebaute Pipes Enthält Originale Sensorknoten-Anwendung Anpassungsschicht Adaptation Sensor Application Commands Graphical User Interface Scripts Network Host: rtl Application Host: mdnt1 Application Host: mdnt2 Application 1 Application 2 Application 3 Application 4 Evaluierung Management Anwendungen 17

18 Anpassung Erforderlich um Sensorknoten-Anwendungen auf das Host-System zu adaptieren Einfache Entfernung durch Rekompilierung Sensor Node Application Algorithms Modules Services Middleware Management Operating System Drivers Application (SeA) Adaptation Logging Controlling Debugging Sensor Node Application Target Hardware Simulator Node Hardware Abstraction Environment Emulation 18

19 Environment-Management Bietet gültige Umgebungsdaten unter Laborbedingungen an Umgebungsbedingungen durch Entwickler vordefiniert Beispiel: Test von Anwendungen, die Temperaturen messen Network Host: rtl Application Application Adaptation Sensor Node Application Command Execution Network Management Application Management Components Logging Environment Management Environment Cache Environment Emulation HAL 19

20 Positionsbasierte Filterung Physikalische und virtuelle Positionen stimmen nicht überein Alle Knoten innerhalb der gegenseitigen Übertragungsreichweite Filterung aller Nachrichten, die von Knoten empfangen wurden, welche sich nicht in virtueller Übertragungsreichweite befinden. A B A B C D C D Physikalische Anordnung (Lab) Virtuelle Anordnung (Deich) 20

21 Derzeitiger Stand Bereits fertiggestellt: Plattform-unabhängig (Linux, Windows) Zwei Beispiel-Anwendungen (ANSI C) Application (C++) Network (C++) In Arbeit: Umgebungs-Management GUI Commands via TCP/IP 21

22 Environment - Beispielanwendung -

23 Data Collection Protocol Data Collection Protocol (DCP) ein Kommunikationsprotokoll für Sensornetzwerke Optimiert für Sensorknoten mit Bluetooth Bildung eines Baumes von Clustern und Sammlung von Daten zu einer zentralen Basis Station Nicht betroffen durch Piconetz oder Scatternetz Einschränkungen B B 1 7 Sensor Network : Basisstation : Sensorknoten : Clusterhead : Cluster 23

24 Vorteile von Extensive Emulation und Testung von DCP-basierenden Netzwerken Beweis des Konzeptes -Emulation bietet essentielle Einsicht in das Protokoll-Design Synchronisierung von Page/Inq. scan modes Test der Multihop-Funktionalität Beobachtung des tatsächlich anfallenden Netzwerkverkehrs 24

25 Fazit Aufgabe: Test und Validierung von Sensornetzwerk- Anwendungen Ansatz: Umgebung Test und Validierung von Anwendungen Verhindert Kommunikationsüberlastung Unterstützung von Tests mit vordefinierten Umgebungsbedingungen Validierung: Data Collection Protocol 25

26 Vielen Dank! Web:

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