Contiki-OS. Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Master Angewandte Informationstechnologien Sensornetze. 26.

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1 Contiki-OS Angelos Drossos Hermann Lorenz Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden Master Angewandte Informationstechnologien Sensornetze 26. November 2012

2 Übersicht Einführung in Contiki Implementationsaspekte Theorie Protothreads Interprozess-Kommunikation Beispielprojekt MAC-Implementierung Net Stack Layers Aufgaben und Implementationen Nachrichtenaustausch Dynamic Module Loading Anforderungen und Umsetzungen Vom Empfang bis zur Ausführung Ausblick Schlussbemerkungen 2/39

3 Was ist Contik-OS? Open-Source-Betriebssystem (3-Klausel-BSD-Lizenz) für eingebettete, batteriebetriebene Systeme Netzwerkgeräte bereits auf verschiedenste Hardwareplattformen portiert 3/39

4 Was ist Contik-OS? Open-Source-Betriebssystem (3-Klausel-BSD-Lizenz) für eingebettete, batteriebetriebene Systeme Netzwerkgeräte bereits auf verschiedenste Hardwareplattformen portiert»open Source Operation System for the Internet of Things«3/39

5 Welche Funktionalität bietet Contiki? Netzwerkunterstützung: UDP, TCP, HTTP, 6LoWPAN, RimeStack, RPL, CoAP Protothreads Speicherverwaltung: memory block allocation (memb) managed memory allocator (mmem) Dateisystem: Coffee flash file system (CFS) Programme zur Laufzeit nachladen»dynamic Module Loading«Tools: Netzwerk-Simulation durch den Cooja Simulator Überwachung des Energieverbrauchs (EnergEst-Modul) 4/39

6 Wie ist Contiki aufgebaut? Applikationen Services Webserver FTP Telnet... eigene Kern Process Timer Netzwerk ELF-Loader... Tools Treiber Plattform CPU 5/39

7 Übersicht Einführung in Contiki Implementationsaspekte Theorie Protothreads Interprozess-Kommunikation Beispielprojekt MAC-Implementierung Net Stack Layers Aufgaben und Implementationen Nachrichtenaustausch Dynamic Module Loading Anforderungen und Umsetzungen Vom Empfang bis zur Ausführung Ausblick Schlussbemerkungen 6/39

8 Theorie Anforderungen Strom Knoten sollen Jahre mit einer Batterie auskommen Speicher nur wenige KB RAM Programmierung einfache Programmierung Netzwerkprotokolle sind kontrollfluss- und nicht zustandsorientiert 7/39

9 Theorie Systemarchitekturen ereignisgesteuert nur ein Stack geringer Speicherbedarf Programmierung als Zustandsmaschine notwendig threadorientiert intuitivere Programmierung, keine Zustandsmaschinen notwendig hohe Speicherreservierung je Thread 8/39

10 Protothreads Umsetzung der Makros (schematisch) Quellcode PROCESS_THREAD(xyz) { int i = 0; PROCESS_BEGIN(); do_something(); PROCESS_WAIT(); do_something_else(); PROCESS_END(); } 9/39

11 Protothreads Umsetzung der Makros (schematisch) Quellcode PROCESS_THREAD(xyz) { int i = 0; PROCESS_BEGIN(); } do_something(); PROCESS_WAIT(); do_something_else(); PROCESS_END(); ausgewertete Defines int process_xyz(int marke) { int i = 0; switch(marke) { case 0: do_something(); return 123; case 123: do_something_else(); return PROCESS_DONE; } } 9/39

12 Protothreads Umsetzung der Makros (schematisch) Quellcode PROCESS_THREAD(xyz) { int i = 0; PROCESS_BEGIN(); } do_something(); PROCESS_WAIT(); do_something_else(); PROCESS_END(); ausgewertete Defines int process_xyz(int marke) { int i = 0; switch(marke) { case 0: do_something(); return 123; case 123: do_something_else(); return PROCESS_DONE; } } CPU-Abgabe return mit nächster Sprungmarke CPU-Zuweisung Funktionsaufruf mit Sprungmarke lokale Variablen verlieren Werte bei Kontextwechsel globale Variablen oder static nutzen 9/39

13 Prozesse und Protothreads Prozess ist einzelner Protothread Protothread leichtgewichtiger Thread kein eigener Stack kooperatives Multitasking wait Protothread gibt Kontrolle ab, bis Event eintritt yield Protothread gibt Kontrolle ab keine direkte Switchanweisung 10/39

14 Kommunikation zwischen Prozessen Events und Polling Event Signal an einen Prozess in die Event Queue einordnen 11/39

15 Kommunikation zwischen Prozessen Events und Polling Event Signal an einen Prozess in die Event Queue einordnen Prozess A 11/39

16 Kommunikation zwischen Prozessen Events und Polling Event Signal an einen Prozess in die Event Queue einordnen Prozess A process_post(prozessc) Event-Queue... 11/39

17 Kommunikation zwischen Prozessen Events und Polling Event Signal an einen Prozess in die Event Queue einordnen Prozess A process_post(prozessc) Event-Queue... Prozess B 11/39

18 Kommunikation zwischen Prozessen Events und Polling Event Signal an einen Prozess in die Event Queue einordnen Prozess A process_post(prozessc) Event-Queue... process_post_synch(prozessc) Prozess B Prozess C 11/39

19 Kommunikation zwischen Prozessen Events und Polling Event Signal an einen Prozess in die Event Queue einordnen Prozess A process_post(prozessc) Event-Queue... process_post_synch(prozessc) Poll Prozess B Prozess C jeder Prozess besitzt Polling Flag vor der Event Queue werden alle Polling Flags geprüft bei gesetzten Polling Flag wird der Polling Handler ausgeführt 11/39

20 Kommunikation zwischen Prozessen Events und Polling im Einsatz ISR 12/39

21 Kommunikation zwischen Prozessen Events und Polling im Einsatz ISR process_poll(prozessa) Prozess A Polling-Handler 12/39

22 Kommunikation zwischen Prozessen Events und Polling im Einsatz ISR process_poll(prozessa) Prozess A Polling-Handler process_post(prozessa) Event-Queue... 12/39

23 Kommunikation zwischen Prozessen Events und Polling im Einsatz ISR process_poll(prozessa) Prozess A Polling-Handler process_post(prozessa) Event-Queue... Prozess A 12/39

24 Kommunikation zwischen Prozessen Semaphore und Protosockets Semaphore zur Synchronisation der Protothreads PT_SEM_INIT(s, c) PT_SEM_WAIT(pt, c) PT_SEM_SIGNAL(pt, c) Protosockets Zugriff auf das uip-interface, analog zu BSD-Sockets PSOCK_INIT(... ) PSOCK_SEND_STR(... ) PSOCK_READBUF(... )... 13/39

25 Beispielprojekt Repository klonen git clone anpassen contiki/cpu/avr/makefile.avr avrdude sudo avrdude platform/avr-atmegarfa1/makefile.avr-atmegarfa1 AVRDUDE_PROGRAMMER=jtag2 dragon_jtag AVRDUDE_PORT=usb:00B000000D79 usb Projekt Projektverzeichnis erstellen mkdir -p project/hellosworld Bibliotheken des Sensorterminalboards kopieren config.h, usb.c, usb.h, io_access.c, io_access.h und io_access_ext.h 14/39

26 Beispielprojekt hellosworld.c hellosworld.c #include "contiki.h" #include "usb.h" #include <string.h> /* */ PROCESS(hellosworld_process, "HeLLo s World process"); AUTOSTART_PROCESSES(&hellosworld_process); /* */ PROCESS_THREAD(hellosworld_process, ev, data) { char * str = "HeLLo s World!\n"; int i; PROCESS_BEGIN(); usb_init(); for(i = 0; i < strlen(str); ++i) usb_putc_std(str[i], stdout); PROCESS_END(); } /* */ 15/39

27 Beispielprojekt Makefile Makefile CONTIKI_PROJECT = hellosworld CONTIKI_SOURCEFILES += io_access.c usb.c TARGET = avr-atmega128rfa1 Verzeichnisbaum contiki project hellosworld config.c hellosworld.c all: $(CONTIKI_PROJECT) program: $(CONTIKI_PROJECT).$(TARGET).u.PHONY: program CONTIKI =../.. include $(CONTIKI)/Makefile.include io_access.c io_access.h io_access_ext.h usb.c usb.h Makefile Makefile.include make program 16/39

28 Übersicht Einführung in Contiki Implementationsaspekte Theorie Protothreads Interprozess-Kommunikation Beispielprojekt MAC-Implementierung Net Stack Layers Aufgaben und Implementationen Nachrichtenaustausch Dynamic Module Loading Anforderungen und Umsetzungen Vom Empfang bis zur Ausführung Ausblick Schlussbemerkungen 17/39

29 Contiki Net Stack layers Der Aufbau 1. Radio (Hardware) 2. Radio Duty Cycling (RDC) 3. Framer 4. Medium Access Control (MAC) 5. Network 18/39

30 Contiki Net Stack layers Die Konfiguration core/net/netstack.h extern const struct network_driver NETSTACK_NETWORK; extern const struct rdc_driver NETSTACK_RDC; extern const struct mac_driver NETSTACK_MAC; extern const struct radio_driver NETSTACK_RADIO; extern const struct framer NETSTACK_FRAMER; 19/39

31 Contiki Net Stack layers Die Konfiguration core/net/netstack.h extern const struct network_driver NETSTACK_NETWORK; extern const struct rdc_driver NETSTACK_RDC; extern const struct mac_driver NETSTACK_MAC; extern const struct radio_driver NETSTACK_RADIO; extern const struct framer NETSTACK_FRAMER; contiki-conf.h (Platform, Projekt) #define NETSTACK_CONF_MAC #define NETSTACK_CONF_RDC #define NETSTACK_CONF_FRAMER #define NETSTACK_CONF_RADIO #define NETSTACK_CONF_NETWORK nullmac_driver sicslowmac_driver framer_ rf230_driver sicslowpan_driver 19/39

32 Radio layer Aufgaben und Implementationen Aufgaben Kommunikation mit dem Funksensor CPU-abhängige Implementation Bestimmte Funktionalität auf die Hardware umlegen (Auto-ACK) Implementationen (CPU) NullRadio rf230 (AVR) cc2430_rf (cc2430) cc2530_rf (cc253x) stm32w (stm32w108) Contiki MACA (mc1322x) 20/39

33 Network layer Aufgaben und Implementationen Aufgaben Schnittstelle zu den Applikationen (Empfangen und Versenden von Nachrichten) Interagiert mit dem MAC layer Implementationen RIME SicsLowPAN 21/39

34 Radio Duty Cycling layer Aufgaben und Implementationen Aufgaben schaltet den Radio Transceiver so oft wie möglich aus sorgt damit für energie-effizientes Arbeiten Implementationen ContikiMAC (Low-Power-Listening, LPL) LPP (Low-Power Probing) X-MAC CX-MAC (Compatiblity X-MAC) SicsLowMAC (no Radio Cycling) NullRDC (no Radio Cycling) NullRDC No Framer (no Radio Cycling) 22/39

35 Framer layer Aufgaben und Implementationen Aufgaben Erzeugen von Frames zum Versenden Parsen von Frames beim Empfangen Wird vom RDC layer aufgerufen und legt die bearbeiteten Frames in einen Packet-Buffer Implementationen Framer Framer NullMAC 23/39

36 MAC layer Aufgaben und Implementationen Aufgaben empfängt eingehende Packete vom RDC layer benutzt den RDC layer, um Packete zu versenden sorgt dafür, dass Packete erneut gesendet werden, sofern der RDC layer eine Kollision detektiert hat Implementationen CSMA (Carrier Sense Multiple Access) TDMA (Time Division Multiple Access) CTDMA (Carrier / Time Division Multiple Access) RIME UDP NullMAC SicsLowMAC (AVR, nutzt nicht RDC-Protokoll) 24/39

37 Nachrichtenaustausch Eintreffende Nachricht Nachricht ISR Packet Buffer Radio RDC MAC Network input parse input input input Callback / TCP/IP Framer APP 25/39

38 Nachrichtenaustausch Ausgehende Nachricht (TCP/IP) Nachricht ISR Packet Buffer packet sent Radio RDC MAC send packet? create send packet send output packet Framer TCP/IP Network output Callback set output tcpip output APP 26/39

39 Nachrichtenaustausch Ausgehende Nachricht (RIME) Nachricht ISR Packet Buffer packet sent Radio RDC MAC Network RIME send packet? create send packet send packet abc sent rime output recv Callback Framer RIME abc APP abc send 27/39

40 Übersicht Einführung in Contiki Implementationsaspekte Theorie Protothreads Interprozess-Kommunikation Beispielprojekt MAC-Implementierung Net Stack Layers Aufgaben und Implementationen Nachrichtenaustausch Dynamic Module Loading Anforderungen und Umsetzungen Vom Empfang bis zur Ausführung Ausblick Schlussbemerkungen 28/39

41 Dynamic Module Loading Einführung Anwendung an schwer zugänglichen Orten (Daten sammeln, extern auswerten, Software anpassen) Korrektur von Softwarefehlern Schließen von Sicherheitslücken Erweiterung der Funktionalität: spezielle Applikationen situationsbedingt (temporär) ausführen 29/39

42 Dynamic Module Loading Einführung Anwendung an schwer zugänglichen Orten (Daten sammeln, extern auswerten, Software anpassen) Korrektur von Softwarefehlern Schließen von Sicherheitslücken Erweiterung der Funktionalität: spezielle Applikationen situationsbedingt (temporär) ausführen Problemstellung genügend Speicher zum Zwischenspeichern des»programms«energieaufwändige Übertragung (Verkürzung der Batterielaufzeit) 29/39

43 Dynamic Module Loading Einführung Anwendung an schwer zugänglichen Orten (Daten sammeln, extern auswerten, Software anpassen) Korrektur von Softwarefehlern Schließen von Sicherheitslücken Erweiterung der Funktionalität: spezielle Applikationen situationsbedingt (temporär) ausführen Problemstellung genügend Speicher zum Zwischenspeichern des»programms«energieaufwändige Übertragung (Verkürzung der Batterielaufzeit) Lösung effizientes Verteilen der neuen»softwareversion«29/39

44 Dynamic Module Loading Anforderungen Anforderungen Das ganze System ist austauschbar. Nur ein Modul ist zur Laufzeit nachzuladbar und ausführbar. Wenn ein kleiner Codeabschnitt geändert werden soll, dann soll nicht das komplette System neu aufgespielt werden. niedriger Energieverbrauch sowohl bei der Übertragung als auch Ausführung 30/39

45 Dynamic Module Loading Anforderungen Anforderungen Das ganze System ist austauschbar. Nur ein Modul ist zur Laufzeit nachzuladbar und ausführbar. Wenn ein kleiner Codeabschnitt geändert werden soll, dann soll nicht das komplette System neu aufgespielt werden. niedriger Energieverbrauch sowohl bei der Übertragung als auch Ausführung Methoden der Umsetzung Full-Image Replacement Differential Image Replacement Virtual Machines Dynamic Operation Systems 30/39

46 Dynamic Module Loading Umsetzungsarten Methoden der Umsetzung Full-Image Replacement Differential Image Replacement Virtual Machines Dynamic Operation Systems Lösungen in bekannten Betriebssystemen TinyOS SOS (Weiterentwicklung 2008 eingestellt) Contiki-OS 31/39

47 Dynamic Module Loading Vom Empfang bis zur Ausführung des Moduls Schritte vom Empfang bis zur Ausführung 1. Empfangen 2. EEPROM beschreiben 3.»Link & Relocation«4. Flash ROM beschreiben Das Programm ist ausführbar. 32/39

48 Dynamic Module Loading Vom Empfang bis zur Ausführung des Moduls Schritte vom Empfang bis zur Ausführung 1. Empfangen 2. EEPROM beschreiben 3.»Link & Relocation«4. Flash ROM beschreiben Das Programm ist ausführbar. Technologien im Contiki ELF CELF (compact ELF) Java Virtual Machine CVM (Contiki Virtual Machine) (und weitere) 32/39

49 Dynamic Module Loading Vom Empfang bis zur Ausführung des Moduls Notwendige Schritte in den verschiedenen Technologien ELF CELF Java VM CVM Empfangen!!!! EEPROM beschreiben!! Link & Relocation!! Flash ROM beschreiben!!! 33/39

50 Dynamic Module Loading Vom Empfang bis zur Ausführung des Moduls Notwendige Schritte in den verschiedenen Technologien ELF CELF Java VM CVM Empfangen!!!! EEPROM beschreiben!! Link & Relocation!! Flash ROM beschreiben!!! Energie-Verbrauch [mj] ELF CELF Java VM CVM Empfangen EEPROM beschreiben 2 1 Link & Relocation 3 3 Flash ROM beschreiben /39

51 Dynamic Module Loading Vom Empfang bis zur Ausführung des Moduls Ausführungszeit (einfaches Programm) Native Java VM CVM Ausführungszeit [ms] Energieverbrauch [µj] Energieverbrauch [µj] bei der Übertragung 34/39

52 Dynamic Module Loading Vom Empfang bis zur Ausführung des Moduls Ausführungszeit (einfaches Programm) Native Java VM CVM Ausführungszeit [ms] Energieverbrauch [µj] Energieverbrauch [µj] bei der Übertragung Ausführungszeit (komplexes Programm) Native Java VM CVM Ausführungszeit [ms] Energieverbrauch [µj] /39

53 Dynamic Module Loading Ausblick Fazit Optimale Lösung kommt auf den Anwendungsfall an. Virtual Machines haben ihren Reiz bei der Übertragung, aber Defizite bei der Ausführung Virtual Machine Code kann nicht auf Hardware-nahe Funktionen zugreifen: Es sind native Schnittstellen erforderlich. 35/39

54 Dynamic Module Loading Ausblick Fazit Optimale Lösung kommt auf den Anwendungsfall an. Virtual Machines haben ihren Reiz bei der Übertragung, aber Defizite bei der Ausführung Virtual Machine Code kann nicht auf Hardware-nahe Funktionen zugreifen: Es sind native Schnittstellen erforderlich. Dynamic Module Loading in der Hausautomatisierung Application Reconfiguration ist eine mögliche Anwendung Sicherheit ist ein Problem: z.b. Manipulationen für Entwicklungsumgebungen sinnvoll in der Praxis i.d.r. zu hoher Energieverbrauch 35/39

55 Übersicht Einführung in Contiki Implementationsaspekte Theorie Protothreads Interprozess-Kommunikation Beispielprojekt MAC-Implementierung Net Stack Layers Aufgaben und Implementationen Nachrichtenaustausch Dynamic Module Loading Anforderungen und Umsetzungen Vom Empfang bis zur Ausführung Ausblick Schlussbemerkungen 36/39

56 Schlussbemerkungen die Implementierung von Contiki ist sehr verwoben die Programmierung für Contiki ist recht elegant der Dokumentation fehlen Einführungen für das Systemverständnis die Netzwerk-Anbindung ist gut ausgebaut die Funktionalität im Net Stack sind klar getrennt die praktischen Einsatzmöglichkeiten des Dynamic Module Loading ist in Sensornetzen beschränkt 37/39

57 Ausblick Net Stack: Security layer (ContikiSec) Sleep Modi einbauen Debug-System (bisher nur als Macro pro Datei) Echtzeit-Eigenschaften 38/39

58 Ausgewählte Quellen Farooq, O. M. & Kunz, T.: Operating Systems for Wireless Sensor Networks: A Survey, Strübe, Jan Moritz: Dynamische Re-Programmierung von Sensorknoten zur Laufzeit, strübe.de/wp-content/uploads/2008/08/da.pdf, Diplomarbeit, 2008 Dunkels, Adam et al.: Run-Time Dynamic Linking for Reprogramming Wireless Sensor Networks dunkels.com/adam/dunkels06runtime.pdf, /39