Sisteme de Operare pentru Reele de Senzori Conductor

Sisteme de Operare pentru Rețele de Senzori Conducător ştiinţific, Conf. Dr. Ing. Ştefan Stăncescu Masterand, Mihai Pâsoi Master IISC – An II

Rețele de senzori wireless � Un nod de senzori wireless este compus dintr-un microcontroler, un emitor-receptor, un temporizator, o memorie și un convertor analog-digital. Arhitectura unui nod de senzori

Sisteme de operare în rețele de senzori wireless � Este necesar în WSN pentru a oferi diverse funcționalități, pentru a facilita utilizatorului scrierea aplicațiilor cu ușurință, cu puține cunoștințe cu privire la detaliile hardware de nivel scăzut. Straturi software și locația sistemului de operare

Cerințele în realizarea unui sistem de operare pentru WSN operează pe două niveluri - Nivel de rețea: conectivitatea, rutarea, caracteristicile de canal de comunicare, protocoale - Nivel nod: hardware-ul, radioul, CPU, senzorii si energiea limitată � Clasificare SO: - Nod local - Nod distribuit �

Cerințele în realizarea unui sistem de operare pentru WSN � Resurse limitate - Puterea bateriei: trebuie limitat consumul de energie prin încărcare/descărcare module în memorie - Puterea de procesare: nodurile au putere de procesare de câteva MIPS. Trebuie să se țină cont de prioritatea sarcinilor - Memoria: aprox. 128 Kbiți de memorie de program. Trebuie încadrat SO-ul, plus middleware și algoritmii aplicațiilor

Cerințele în realizarea unui sistem de operare pentru WSN - Lățimea de bandă: • Portabilitate: Sistemul de operare trebuie realizatîn în așa fel încât să fie ușor portabil pentru diferite platforme hardware cu modificări minime • Particularizare: Designul sistemului de operare trebuie să fie realizat în așa fel încât să fie ușor personalizabil și extensibil pentru diverse aplicații.

Cerințele în realizarea unui sistem de operare pentru WSN � Multitasking: nodul de senzori are următoarele sarcini, la un moment dat de timp: - detectare date colectare date de la alte noduri de senzori vecine centralizare date bazate pe anumite condiții prevăzute criptare / decriptare date înainte de prelucrare / expediere rutare date spre nodul coordonator - Unele dintre aceste operații sunt concurente. Sistemul de operare ar trebui să se ocupe de aceste situații prin furnizarea unui model de bună execuție și bun mecanism pentru a comuta între sarcini cu ușurință.

Cerințele în realizarea unui sistem de operare pentru WSN � Dinamică de rețea: Sistemul de operare ar trebui să se adapteze cererii în funcție de contextul dinamici diferite ale mediului. Acest lucru ajută la asigurarea transparenței la dinamica de rețea la cerere. � Natura distribuită: Într-un mediu distribuit, scopul unui sistem de operare ar trebui să fie de a gestiona diferite noduri repartizate pe regiune și a le face să apară ca o singură entitate virtuală. Acest lucru implică: asigurarea transparenței de comunicare transparenței de eșec eterogenitatea suportul scalabilității pentru aplicație. -

Caracteristici de design Arhitectura Tipuri folosite în WSN-uri: � Monolitic - Modular - Stratificat - Un sistem de operare pentru o rețea wireless ar trebui să aibă o arhitectură care conduce la o dimensiune mică kernel, prin urmare, de amprentă redusă la memorie. Arhitectura trebuie să permită extensii kernel, dacă este necesar. Arhitectura trebuie să fie flexibilă și anume, numai servicii necesare aplicațiilor vor fi încărcate pe sistem.

Caracteristici de design Modelul de programare: Există două modele populare de programare oferite de sisteme de operare pentru WSN: determinarea unui eveniment de programare și programarea multithread Multe sisteme de operare WSN contemporane oferă suport pentru modelul de programare multithreading. � � Planificarea: Sistemul de operare WSN trebuie să ofere algoritmi de planificare, care pot îndeplini cerințele aplicației. Selecția unui algoritm de planificare adecvat pentru WSN-uri depinde de obicei de natura aplicației. � Application Programming Interface (API): Sistemul de operare ar trebui să ofere set complet de API-uri pentru a interacționa cu sistemul și I / O. Sistemul poate conține API: de rețea de citire, de manipulare memorie, de gestionare a energiei, de gestionare a sarcinilor

Caracteristici de design � Suport pentru protocoale de comunicare: În comunicarea bazată pe rețea, sistemul de operare ar trebui să ofere implementări de protocol de transport, de rețea, și de strat MAC � Gestionarea resurselor: Este responsabilitatea sistemului de operare să urmeze mecanismele necesare pentru a consuma puterea în mod optimizat, pentru prelungirea duratei de viață a WSN-ului � Reprogramarea: Este procesul de actualizare dinamic al software-ului care rulează pe nodurile de senzori. Fără reprogramare, este dificil de a adăuga, modifica sau șterge software-ul de sistem care rulează în WSN.

Clasificarea framework-ului pentru sisteme de operare pentru WSN

Suport pentru RTA (Real Time Applications) � Un sistem de operare pentru WSN ar trebui să ofere implementări de algoritmi de planificare în timp real pentru a respecta termenul sarcinilor grele în timp real. � Este necesar în rețete de senzori multimedia (WMSN), fiind necesare protocoale de comunicație ce susțin flux de date multimedia în timp real. � Până în prezent, s-a presupus că WSN-urile vor rula doar o singură aplicație pe un nod senzor. Ca rezultat, cercetătorii au dezvoltat arhitecturi de straturi încrucișate care să poată lucra în mod eficient pentru aplicații singulare pe rețele de senzori wireless.

Analiză comparativă a sistemelor de operare WSN prezente OS Tiny. Os Contiki Arhitectură Monolitică Modulară Model de programare Planificare Gestiune de memorie Evenimente, suport pentru threaduri TOS FIFO Protothreaduri și evenimente Evenimentele sunt Gestionare de lansate la apariție, memorie, întreruperi executate cu dinamică prioritate relativă Gestionare de memorie, dinamică Gestionare de memorie, statică Mantis Stratificată Threaduri Cinci clase de priorități, ramificate fiecare în mai multe clase Nano. RK Monolitică Threaduri Planificare de rată monotonă și armonică Gestionare de memorie, statică Modulară Threaduri și evenimente Planificare Round Robin Gestionare de memorie, dinamică Lite. OS

Analiză comparativă a sistemelor de operare WSN prezente Suport pentru protocol de comunicație Împărțire de resurse Tiny. Os Mesaje active Evenimente de virtualizare și terminare Nu are Contiki Rime Acces serializat Nu are Prin semafoare Relativ prezent la nivel de planificare OS Mantis Nano-RK Lite. OS Aplicațiile sunt libere să folosească protocoale particulare, nivelul de rețea este la nivel utilizator Abstractizare pentru rețea Comunicare bazată pe fișiere Acces serializat prin mutex și semafoare Prin primitive de sincronizare Suport pentru aplicații în timp real Da Nu are

Analiză comparativă a sistemelor de operare WSN prezente Securitate în comunicare OS Tiny. Sec Contiki. Sec MANTIS NANO-RK Lite. OS Nu este prezent Suport pentru sisteme de fișiere Sisteme de fișiere pe un singur nivel Sistem de fișiere Coffee Suport pentru simulări Limbaj de programa re TOSSIM Nes. C Cooja C Nu este prezent AVRORA C Not este prezent Nu este prezent C Lite. FS AVRORA Lite. C++ Caracteristici particulare ale sistemelor de operare comparate

Concluzii � Sisteme de operare pentru WSN-uri se particularizează în funcție de aplicațiile în care sunt folosite. � Nu multe SO pentru WSN-uri prezintă suport pentru aplicații în timp real. � Sistemele de operare contemporane suportă model de programare bazat pe threading