Einführung Internet of Things + Themenvorstellung

Transkript

1 Einführung Internet of Things + Themenvorstellung Proseminar Technische Informatik Oktober 2013 Michael Frey Distributed, embedded Systems Computer Systems and Telematics (CST) Freie Universität Berlin

2 Agenda Einleitung in das Internet of Things Themenvorstellung 2

3 Was ist das Internet-of-Things? Internet-of-Things (IoT)/Internet der Dinge Kevin Ashton in The Internet of Things Thing (1999) Verknüpfung eindeutig identifizierbarer physischer Objekte (things) mit virtuellen Repräsentation in einer Internet-ähnlichen Struktur Ziel: Minimierung der Informationslücke zwischen realer und virtueller Welt Quelle: geek-and-poke.com 3

4 Begriffe (1) Ubiquitous Computing Marc Weiser in The Computer for the 21st Century (1991) In the 21st century the technology revolution will move in the everyday, the small and the invisible Vision einer Technik, die unsichtbar, unaufdringlich und auf den Menschen ausgerichtet ist Pervasive Computing Allesdurchdringende Vernetzung des Alltags durch den Einsatz intelligenter Gegenstände Im Grunde synonym zu Ubiquitous Computing Eher durch die Industrie geprägt Weniger Vision als technisches Konzept mit heutigen Komponenten 4

5 Begriffe (2) Ambient Intelligence Umgebungsintelligenz : Erweiterung nahezu aller Gegenstände der Umgebung um eine gewisse Intelligenz, um den Alltag auf natürliche Art und Weise bei Bedarf spürbar zu erleichtern Ubiquitous Computing als technologische Grundlage mit Aspekten der MMK und KI Vor allen genannt in Europäischen Förderprogrammen Cyber Physical Systems Bei einem cyber-physischen System werden mittels Software mechanische und elektronische Systeme gesteuert, die über eine Computernetzwerk miteinander kommunizieren. Der Begriff wird oft synonym zu Internet of Things verwendet, hat jedoch einen anderen Ursprung. 5

6 Gemeinsamkeiten Ziele: Durchgängige Automatisierung und Optimierung wirtschaftlicher Prozesse Aber auch: Unaufdringliche, aber nachhaltige Unterstützung des Alltags Erreicht durch: Sehr viele eingebettete Rechnerknoten Mit vielfältiger und ebenfalls eingebetteter E/A Drahtloser Kommunikation Einbettung in Alltagsgegenständen Mit unterstützenden Infrastruktursystemen 6

7 Technologische Treiber (1) Miniatarisierung, Leistungssteigerung und Preisverfall Gesetz von Moore Leistungsfähige eingebettete Systeme sind möglich geworden Neue Materialien Epaper, OLED Neue Interfacing-Techniken Retina-Displays, Implantierte Sensoren/Aktoren Wearable Computing Neue Sensorik On-Chip Integration Chemische Sensoren 7

8 Technologische Treiber (2) Drahtlose Kommunikation WLAN, 3G, LTE für LAN- und WAN-Bereich Hohe Bandbreiten, Große Reichweite Bluetooth, IEEE (10-100m) ZigBee, IEEE (10-100m) NFC - Near Field Communication (10 cm) RFID (wenige cm m) Geringere Bandbreiten, kleinerer Energieverbrauch Drahtgebundene Kommunikation Powerline Communication (PLC) MBUS 1-Wire Lon Talk RS-232 8

9 Technische Herausforderungen (1) Lokalisierung GPS ist allgegenwärtig heute, aber Nur outdoor verfügbar Nur für Selbstlokalisation Nur Meter-Genauigkeit Funkortung (2G, 3G, WLAN) Möglich: Selbstlokalisation und Fremdortung Genauigkeit schlechter als GPS Ziel Ortung von Gegenständen auf cm-genauigkeit Ohne aufwändige Infrastruktur Ohne Sichtkontakt 9

10 Technische Herausforderungen (2) Energie Sehr langsame Fortschritte im Vergleich zu Rechnerleistung und Kommunikation Aufteilung: Ziel: Mikrowatt-Knoten: - Energieautonom über Monate (z.b. Sensorknoten) - Heute: Sensorik, sporadische Meldungen über Funk Milliwatt-Knoten - Energieautonom über Tage (z.b. Handies) - Heute: Interfacing, Nachrichten-Weiterleitung Watt-Knoten - Nicht energieautonom (z.b. Home-Router, PCs) - Heute: Internet-Anbindung, Kontrolle Kurzfristig: nutzbare Mikrowatt-Knoten Mittelfristig: Energie-Ernte aus der Umgebung o.ä. 10

11 Technische Herausforderungen (3) Sicherheit Informationelle Selbstbestimmung und Datenschutz Was darf/soll meine Umgebung über mich wissen Wer darf diese neuen Daten (automatisiert) nutzen? Alle Aspekte der Netzwerksicherheit auch für Dinge Authentifikation, Vertraulichkeit, Integrität, Verfügbarkeit Durchgesetzt mit minimalen Resourcen Neuer Aspekt der Location Privacy Wie geht man damit um, dass auch (persönliche) Dinge wissen, speichern und kommunizieren, wo sie sind und waren? 11

12 Technische Herausforderungen (4) Internet-Standards Heterogene Netze Im Internet der Dinge kommunizieren unterschiedlich leistungsfähige Geräte miteinander Die Kommunikationspartner müssen ohne Wissen über die Leistungsfähigkeit des Gegenübers in der Lage sein Daten auszutauschen Neue Anforderungen an etablierte Standards Einige Eigenschaften weit verbreiteter Internetprotokolle wurden unter bestimmten Annahmen entworfen, die in verlustbehafteten Netzen oft nicht zutreffen und daher andere Maßnahmen erfordern (zum Beispiel Staukontrolle in TCP) Die Größe von Paket-Headern und die Formatierung des Payloads spielt im Internet eine untergeordnete Rolle, ist im IoT aber wichtig komprimierte Header Binärformat statt ASCII-Codierung 12

13 Soziale Herausforderungen Zuverlässigkeit und Haftung Reliability und Liability Übertragung der Kontrolle Delegation of Control Soziale Verträglichkeit Social compatibility Akzeptanz Acceptance 13

14 Themen - Aufteilung der Themen: Betriebssysteme C-Bibliotheken für eingebettete Systeme Hardware-Plattformen Programmiersprachen und -paradigmen Middleware Protokolle Frameworks Simulatoren IoT/Cloud Integration Data Security 14

15 Betriebssysteme Betriebssysteme für IoT Untersuchung von Prozess- und Speichermodellen, Programmierparadigmen Fragestellungen: Beispiele: Welche Betriebssysteme gibt es? Welche Konzepte (Prozess-Model, Speicher-Model, Programmierparadigmen) gibt es? Welcher Anwendungsbereich wird anvisiert und was sind typische Anforderungen? Contiki, RIOT, TinyOS 15

16 C-Bibliotheken für eingebettete Systeme Standard C Bibliotheken für eingebette Systeme nicht geeignet Ziel: Bereitstellung einer C Bibliothek nach Single Unix Specification 2 (oder GNU libc) für eingebettete Systeme Fragestellungen zu: Welche Implementierungen einer Standard-C-Bibliothek gibt es? Was sind die Merkmale? Wie unterscheiden sie sich hinsichtlich Funktionsumfang, Größe und Performance? Welche Rolle spielt eine solche Bibliothek in IoT-(Betriebs)Systemen? Braucht man überhaupt zwingend solche Bibliotheken? 16

17 Hardware Plattformen Evaluation von Hardware Plattformen für das IoT Anforderungen, Herausforderungen, Probleme Fragestellungen (Auszug): Was sind die gängigsten Vertreter? Welche Micro-Controller, Funk-Chips und Sensoren werden eingesetzt? Welche Netzwerk-Technologie wird eingesetzt? Unterschiede und Gemeinsamkeiten der Architekturen? Was sind typische Schnittstellen zwischen den Bausteinen und wie funktionieren sie? Wie wird eine hohe Energie-Effizienz erreicht? Vergleiche zu existierenden Ansätzen und WSN Plattformen 17

18 Programmiersprachen und -paradigmen Programmiersprachen- und paradigmen für ressourcenbeschränkte Hardware Fragestellungen: Welche Programmiersprachen kommen in IoT-Szenarien zum Einsatz? Wie unterscheiden sie sich grundsätzlich und welche Anforderungen stellen sie an die Hardware und das Betriebssystem? Welche Abstraktionen stellen diese Programmiersprachen bereit? Welche Paradigmen verfolgenden einzelne Programmiersprachen für das IoT? Was sind ihre Vor- und Nachteile? 18

19 Middleware Message-Oriented Middleware (MOM) Ziele: Lose gekoppelte Systeme durch asynchrone gepufferte Kommunikation Persistenz der Nachrichten häufig Transaktionsunterstützung (Kopplung verschiedener transaktionsverarbeitender Systeme) Mittel: Warteschlangensysteme mit Zwischenspeicherung der Nachrichten MQ Telemetry (MQTT) Advanced Message Queuing Protocol (AMQP) Data-Distribution Service (DDS) DDS = Data Distribution Service for Real-Time Systems Middleware Standard zur datenzentrierten Kommunikation (OMG) Fragestellungen insbesondere zu: Survey on DDS Systems Security in DDS Systems DDS and Wireless Sensor Networks/IoT 19

20 Protokolle (1) XMPP XMPP = Extensible Messaging and Presence Protocol (früher Jabber) Streaming XML Protocols for exchanging messages, presence, and other structured information in close to real time Ziel im Kontext: IoT enable sensors and actuators to communicate in the IoT world Ansätze: IEEE P : Standard for a Smart Transducer Interface for Sensors, Actuators, and Devices - extensible Messaging and Presence Protocol (XMPP) for Networked Device Communication Internet Protocols for the Smart Grid (IETF RFC 6272) Weightless Protokolle zur Nutzung des White Space (nicht genutzte lokale freie Rundfunkfrequenzen) 20

21 Protokolle (2) Machine to Machine (M2M) Communication Ziel: Automatisierter Austausch von Informationen zwischen technischen Geräten Typischerweise Aufteilung in: Beispiele: Data End Point (DEP) Kommunikationsinfrastruktur Data Integration Point (DIP) Machine to Machine XML (M2MXML) 21

22 Protokolle (3) IETF Steigende Anzahl an Arbeitsgruppen, die sich mit IoT-relevanten Themen beschäftigen: 6lowpan und 6lo roll core lwig Im Entstehen begriffen: coman, dice, 6tisch Adaption entsprechender Internetprotokolle an die besonderen Anforderungen ressourcenbeschränkter Systeme und verlustbehafteter Übertragungen 6LoWPAN (IPv6 over WPANs) CoAP (Ersatz für HTTP) RPL (Routingprotokoll) DTLS (TLS über UDP) 22

23 Networking Fragestellungen zum Thema Networking/Routing (in IoT Szenarien) Routing in großen heterogenen Netzwerken (10 n Teilnehmer, n 3) Protokolle, selbstorganisierende Systeme/Algorithmen, Modelle Delay Tolerant Networking and IoT 23

24 Simulatoren Fragestellung zur simulationsbasierten Evaluation von Algorithmen für das IoT Welche Simulatoren werden genutzt und wie werden verschiedene Aspekte von Algorithmen evaluiert? Insbesondere hinsichtlich von Energieeffizienz und/oder Skalierbarkeit Welche Modelle werden genutzt und was sind ihre Besonderheiten? In welchen Aspekten unterscheiden sie sich zu bekannten Modellen? 24

25 IoT/Cloud Integration Untersuchung von Ansätzen zur Integration von IoT in Cloud Anforderungen und Problemstellungen Service-orientierte Architekturen (SOA) und WSNs Quelle: dilbert.com 25

26 Frameworks Frameworks zur Entwicklung von Hard- und Software für das IoT Fragestellungen: Welche Frameworks existieren? Wie wird die entsprechende Funktionalität bereitgestellt? Was sind die Grenzen der Ansätze? Wie wird der Einsatz entsprechender Software auf ressourcenbeschränkter Hardware sichergestellt? Beispiele: node.js und asm.js, tessel.io Arduino und das IoT 26

27 Data Verarbeitung von Daten in Sensornetzen/IoT stellt ein Problem dar Unterschiedliche Güte von Daten Echtzeitverarbeitung von Daten (Data Stream Mining/Complex Event Processing) Datenmengen (Big Data?) Verteilung der Daten (intelligentes Routing?) Fragestellungen: Was sind die Anforderungen? Was sind die Problemstellungen? Welche Ansätze existieren? 27

28 Security Sicherheitsanalyse von Routing Protokollen Sicherheit in IoT Szenarien Protokolle, Ansätze, Probleme Hard- und Softwarelösungen Angriffsszenarien Untersuchung von Grenzen kryptographischer Operationen auf Mobilgeräten Quelle: xkcd.com Quelle: schneierfacts.com.com 28

29 Themen im Überblick (1) Arbeitstitel Operating Systems for the IoT Hardware Platforms for the IoT Simulations and IoT C Libraries for Embedded Systems MQ Telemetry Advanced Message Queuing Protocol Survey on DDS Security in DDS DDS and WSNs/IoT XMPP for the IoT Weightless M2MXML IETF Protocols Bereich Betriebssysteme Hardware Simulatoren C Bibliotheken Middleware Middleware Middleware Middleware/Security Middleware Protokolle Protokolle Protokolle Protokolle 29

30 Themen im Überblick (2) Arbeitstitel Programming Languages and IoT Programming Paradigms and IoT Survey on IoT and Cloud Computing Service-oriented Architectures and WSNs/IoT Routing in Large Heterogeneous Networks Delay Tolerant Networking and IoT node.js/asm.js/tessel.io/arduino Data Stream Mining/Complex Event Processing in WSNs/IoT Data Dissemination in IoT Security in IoT Analysis of Limitations of Cryptographic Operations on Mobile Devices Security Analysis of Routing Protocols Bereich Programming Programming Cloud Cloud Networking Networking Frameworks Data Data Security Security Security 30

31 Letzten Worte Viel Spaß und Erfolg im Seminar! Nächster Termin: Zuweisung der Themen und Seminar zu den Grundlagen des wissenschaftlichen Arbeitens: 25. Oktober 2013 Webseite zum Seminar Lehrveranstaltungsseite im KVV 31