SWISSQM S tephan Wagner Seminar Datenmanagement in Sensornetzen SS 2007, Prof. Ulf Leser, Dipl-Inf. Timo Mika Gläßer.

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1 SWISSQM S tephan Wagner Seminar Datenmanagement in Sensornetzen SS 2007, Prof. Ulf Leser, Dipl-Inf. Timo Mika Gläßer

2 Timo Mika Gläßer & Ulf Leser - Data Management in Wireless Sensor Networks Eckpunkte SWISSQM Entwicklung im Rahmen des XTream Projektes an ETH Zürich SWISSQM = Scalable Wireless Sensor Network Query Machine auf Stack basierende integer VM ist Turingvollständig Unterstützung benutzerdefinierter Funktionen

3 Timo Mika Gläßer & Ulf Leser - Data Management in Wireless Sensor Networks Motivation 1.Trennung der Sensoren vom externen Interface - Knoten sollen keine anwendungsspezifische Funktionalität beinhalten (z.B. Parsen) 2.Dynamische multi-user- und multi-programing- Umgebung 3.Effiziente Benutzung der Sensoren - Empfangen, Berechnen und Senden von Daten 4.Erweiterbarkeit - benutzerdefinierte Funktionen - Benutzung von higher data processing layers

4 Timo Mika Gläßer & Ulf Leser - Data Management in Wireless Sensor Networks Anwendungsmöglichkeit: Der Vesuv letzter Ausbruch ereignete sich im Jahre 1944 gilt als gefährlichster Vulkan Europas es wird ein baldiger Ausbruch befürchtet (ca. 1-100 Jahre) am Fuß des Vulkans liegt die Stadt Neapel mit mehr als einer Million Menschen

5 Timo Mika Gläßer & Ulf Leser - Data Management in Wireless Sensor Networks Beispiel SWISSQM: Sensorknoten Netzwerk von Sensorknoten am Vesuv Sensoren messen Tektonik und Hitze Zweck: Vorwarnung

6 Timo Mika Gläßer & Ulf Leser - Data Management in Wireless Sensor Networks Netzwerktopologie: Koten Knoten sind in Baum angeordnet und senden Daten zum Gateway Unterstützt werden verschiedene Bäume und Adressierungen auf Sensoren läuft eine QM multi-hop routing (TinyOS)

7 Timo Mika Gläßer & Ulf Leser - Data Management in Wireless Sensor Networks Netzwerktopologie: Gateway Gateway generiert Bytecodeprogramme Speichert Daten die Effizienz des Netzes beeinträchtigen würden du liefert diese bei Bedarf aus Interface zur Kontrolle der Knoten (reset, stop, Code senden usw.) Funktionsweise: - Gateway wandelt Benutzerquerys über virtuelle Querys in Netzwerk-Querys um (liegen in Bytecode vor)

8 Timo Mika Gläßer & Ulf Leser - Data Management in Wireless Sensor Networks Beispiel SWISSQM: Gateway Netzwerktopologie: Koten SELECT parent, MAX(temp), MAX(uschall) WHERE temp > 400 AND beben > 5 FROM Sensoren GROUP BY parent SAMPLE PERIOD 5s Gateway übersetzt folgenden Querys in Bytecode Programme und sendet diese an Sensorknoten: 1.section delivery, "@5s" 2 get_parent 3 istore 0 4 get_temp 5 istore 1 6 iload 1 7 ipushw 400 8 if_icmpge 9 9 get_uschall 10 istore 2 11 iload 2 12 ipushb 5 13 if_icmpge 14 14 iconst_2 15 Iconst_2 16 iconst_2 17 iconst_2 18 merge 19 send_sy 20 21.section reception 22 iconst_2 23 iconst_2 24 iconst_2 25 iconst_2 26 merge

9 Timo Mika Gläßer & Ulf Leser - Data Management in Wireless Sensor Networks SWISSQM: Speicheraufbau SWISSQM und Benutzerprogramme sind im FLASH-Memory jedes Sensorknotens gespeichert SRAM speichert nichtbeständigen globalen Zustand von SWISSQM aus FLASH-Memory während des Bootens SWISSQM benötigt 3KB + 1KB für Stack für Programme werden 384 byte alloziert pro Programm: - 16byte Stack - 16byte Übertragungspuffer - 16byte * #Elemente Synopsis

10 Timo Mika Gläßer & Ulf Leser - Data Management in Wireless Sensor Networks SWISSQM: Virtuelle Maschine Virtuelle Maschine besteht aus: 1. Stack (beinhaltet Operanten und Befehle) 2. Übertragungspuffer (speichert Daten für Forwarding) 3. Synopsis ermöglicht Ausführung von Aggregationen 4. Sensoren 5. QM-Programme

11 Timo Mika Gläßer & Ulf Leser - Data Management in Wireless Sensor Networks SWISSQM: Querymaschine Bytcodeinterpreter Übertragungspuffer Stack Synopsis - raw mode: Array wird benutzt wie Übertragungspuffer - managed mode: ermöglicht Kombination von Daten des Übertragungspuffers und Synopsis - hat Tabellenstruktur

12 Timo Mika Gläßer & Ulf Leser - Data Management in Wireless Sensor Networks Beispiel SWISSQM: QM parentMAX(temp)MAX(uschall) id 1wert 1 id 2wert 2......... id kwert k Synopsis 1.section delivery, "@5s" 2 get_parent 3 istore 0 4 get_temp 5 istore 1 6 iload 1 7 ipushw 400 8 if_icmpge 9 9 get_uschall 10 istore 2 11 iload 2 12 ipushb 5 13 if_icmpge 14 14 iconst_2 15 Iconst_2 16 iconst_2 17 iconst_2 18 merge 19 send_sy 20 21.section reception 22 iconst_2 23 iconst_2 24 iconst_2 25 iconst_2 26 merge

13 Timo Mika Gläßer & Ulf Leser - Data Management in Wireless Sensor Networks SWISSQM: Querymaschine QM Programm besteht aus 3 Sektionen: init section: wird nur beim Programmstart ausgeführt und initialisiert Synopsis delivery section: wird einmal pro Samplingperiode ausgeführt, tastet Sensoren ab, sammelt Daten, mergen mit localer Synopsis reception section: beinhaltet Daten vom Kindknoten, leitet Daten weiter 1.section init 2 400 3 istore 2 4 5.section delivery, "@5s" 6 get_parent 7 istore 0 8 get_temp 9 istore 1 10 iload 1 11 iload 2 12 if_icmpge 13 13 iconst_2 14 iconst_1 15 iconst_1 16 merge 17 send_sy 18 19.section reception 20 iconst_2 21 iconst_1 22 iconst_1 23 merge

14 Timo Mika Gläßer & Ulf Leser - Data Management in Wireless Sensor Networks SWISSQM: Befehlssatz Befehlssatz ermöglicht: Manipulation, Logik, Arithmetik, Jumps und Kontrolle pro Befehl 1 byte -> 256 Befehle möglich Befehlssatz sind modular und dadurch leicht erweiterbar 7 verschiedene Sensorbefehle

15 Timo Mika Gläßer & Ulf Leser - Data Management in Wireless Sensor Networks SWISSQM: Merge-Befehl ermöglicht komplexe Berechnung trotz einfacher Bytecodebefehle merge-Syntax: merge(n,m,aggop 1,aggop 2,…,aggop m ) n = Anzahl der Gruppen m = Anzahl der Aggregationen aggop = Aggregation

16 Timo Mika Gläßer & Ulf Leser - Data Management in Wireless Sensor Networks Beispiel SWISSQM: Beispielrechnung für 2. Knoten 0temp443 uschall9 1temp450 uschall8 2temp417 uschall8 3temp4154temp4105temp413 uschall7 6 7 6temp401 uschall5 parentMAX(temp)MAX(uschall) 44015 24137 14178 parentMAX(temp)MAX(uschall) 44015 24137 14178 parenttempuschall 24158 merge GATEWAY

17 Timo Mika Gläßer & Ulf Leser - Data Management in Wireless Sensor Networks Beispiel SWISSQM: Synopsis für 0. Knoten parentMAX(temp)MAX(uschall) 44015 24137 14178 04509 gateway4439 0temp443 uschall9 1temp450 uschall8 2temp417 uschall8 3temp4154temp4105temp413 uschall7 6 7 6temp401 uschall5 GATEWAY

18 Timo Mika Gläßer & Ulf Leser - Data Management in Wireless Sensor Networks SWISSQM GATEWAY Evakuieren Abschalten

19 Timo Mika Gläßer & Ulf Leser - Data Management in Wireless Sensor Networks SWISSQM: Vor- und Nachteile VorteileNachteile hohes AbstraktionslevelBaumstruktur leichte ProgrammierungUpdates werden über jeden Knoten gesendet MultiprogramingAusfall eines Knotens führt zum Ausfall seiner Kindknoten Aktuallisierung der Knoten per Funk