Seminar Verteilte Systeme: Drahtlose Sensornetzwerke

In der Literatur über Sensornetze werden oft Szenarios beschrieben um die Verwendung eines solchen Netzwerkes zu motivieren. Hinterfragt man diese Szenarios ein wenig genauer kann man oft auch ohne die Verwendung eines Sensornetzes die genannten Probleme mit existerenden Techniken genauso gut oder besser lösen.

Diese Seminararbeit soll einen Überlick über "gängige" Szenarios erarbeiten und untersuchen inwieweit diese wirklich den Einsatz von Sensornetzwerken rechtfertigen. Basierend auf diesen Überlegungen sollen solche Einsatzgebiete skizziert werden, die überzeugend aufzeigen wo ein Einsatz dieser Netzwerke sinnvoll und gewinnbringend möglich ist.

Die Simulation von Sensornetzwerken ist erforderlich um die Kosten bei der Entwicklung und dem Test von neuen Methoden und Aufgaben der Sensornetzwerke in verschiedenen Szenarios mit variierenden Umwelteinflüssen möglichst gering zu halten. Da die Anzahl der Knoten in Sensornetzwerken mitunter sehr hoch ist, werden an die Simulationssoftware besondere Anforderungen gestellt um die Berechnung innerhalb akzeptabler Zeiträume durchführen zu können.

In dieser Arbeit sollen verschiedene Simulationstools verglichen werden. Es soll untersucht werden, welche Aspekte der Realität in der Simulationswelt sinnvoll repräsentiert werden sollten. Vor- und Nachteile unterschiedlicher Simulationsmethoden in Hinblick auf Sensornetzsimulation sollen dargestellt werden. Des Weiteren soll ausgearbeitet werden, welche Möglichkeiten vorhanden sind Sensornetzsimulationen zu optimieren.

Eine der noch recht ungeklärten Fragen in Sensornetzen ist, wie Sensorknoten ein Bewusstsein für ihre Lage im Netz entwickeln können, und wie dieses in Anwendungen ausgenutzt werden kann. Dieses Bewusstsein kann beispielsweise darin bestehen, dass jeder Knoten seine Koordinaten in einem gemeinsamen System kennt. Eine Anwendung von Koordinaten ist geographisches Routing. Dabei werden die Empfänger von Paketen nicht über eine Adresse sondern eine geographische Region adressiert.

Diese Arbeit soll einen Überblick über existierende Georouting-Algorithmen und -Protokolle für Sensornetze erarbeiten, bei dem die Funktionsweise und Eigenschaften der einzelnen Algorithmen und Protokolle beschrieben werden. Abschliessend wird eine abschliessende Analyse erstellt, die Stärken und Schwächen und eine abschliessende Leistungsbewertung wiedergibt und bewertet.

In Sensornetzen kann es oft sinnvoll sein, mehrere Sensoren zu Clustern bzw. zu einer Hierarchie von Clustern zusammenzufassen. Dabei kann es darum gehen möglichst viele Sensorknoten abzuschalten um Energie zu sparen, oder logische Hierarchien aufzubauen, die für Routingzwecke verwendet werden können.

In dieser Arbeit soll mit einem Überblick über die Einsatzgebiete von Clustering-Algorithem in Sensornetzen begonnen werden. Im Anschluss daran sollen einzelne Clustering-Algorithem im Detail beschrieben werden. Das Auswahlkriterium für die Algorithmen soll sein, dass sie nicht nur eine einstufige Hierarchie aufbauen, sondern eine mehrstufige.

Werden Sensornetze in sicherheitskritischen Bereichen eingesetzt, so stellt sich ziemlich schnell die Frage, wie sicher Sensornetze eigentlich sind, bzw. wie ihre Daten und ihr Betrieb geschützt werden können.

Diese Seminararbeit soll einen Überblick über mögliche Angriffe auf Sensornetze geben. Die verschiedenen Angriffe sollen hierbei sinnvoll zu Angriffsklassen kategorisiert werden. Des Weiteren sollen Ansätze beschrieben werden, wie ein Sensornetz vor diesen Angriffsklassen geschützt werden kann.

In Sensornetzwerken ist es häufig erwünscht, dass mehrere Sensorknoten zusammenarbeiten, um gemeinsam eine bestimmte Aufgabe zu lösen. Dabei sollen die einzelnen Geräte unterschiedliche Rollen einnehmen, deren Verteilung in situ ausgehandelt werden muss.

In der Seminararbeit sollen verschiedene Ansätze zur Rollenverteilung recherchiert und analysiert werden. Sie sollen dabei auf ihre Eignung für Sensornetze untersucht werden und solche näher beschrieben werden, die prinzipiell geeignet sind. Diese sollen dann auf die Möglichkeiten zur Rollendefinition zum Zeitpunkt der Programmierung und die Rollenaushandlung hin untersucht werden. Dabei sind Effizienz von Code und Kommunikation (bei der Rollenaushandlung), Mächtigkeit der Spezifikationsmöglichkeiten, Komfort und Einfachheit der Beschreibung wesentliche Kriterien.

In Sensornetzwerken kann die Gesamtaufgabe des Netzes häufig nicht von einzelnen Netzwerkknoten, sondern nur vom gesamten Sensornetz (oder Teilen davon) erreicht werden. Daher sind für Sensornetze besondere Programmierparadigmen erforderlich, die von ihrer Semantik her das gesamte Netz umfassen. Es geht darum, von der Programmierung einzelner Systeme zu einer System- oder Netzwerkprogrammierung zu gelangen. Zu nennen sind hier datenzentrische, lokationszentrische, nachbarschaftszentrische oder gruppenzentrische Modelle. Beispiele in diese Richtung sind SWARMS, GHT, GPL und andere.

Für diese Seminararbeit sollen zunächst verschiedene Programmierpradigmen bzw. -systeme recherchiert und dann miteinander hinsichtlich Komfort, Sichtweise, Mächtigkeit usw. verglichen werden.

Obwohl Sensornetzwerke ein recht junges Feld der Forschung sind, existieren schon eine Vielzahl an Hardwareplattformen. Dabei sind einige noch Forschungsprototypen (z.B ESB Sensorboards, andere hingegen werden schon kommerziell vertrieben (z.B. XBow). Die Sensoren unterscheiden sich jedoch gravierend in:

• Verfügbarer Rechenleistung
• Sensor- und Aktor-Hardware
• Speicher
• Kommunikationsfähigkeit
• Betriebssystem
• Tool-Chain Support
• ...

In dieser Arbeit sollen die verschiedenen existierenden Sensornetzwerk Hardwareplattformen im Detail untersucht werden. Dabei sollen unter anderem die oben beschriebenen Punkte genau untersucht werden und die jeweilige Plattform nach diesen Kriterien klassifiziert werden.
Eine weitere Frage, die diese Arbeit untersuchen soll ist die wahrscheinliche Entwicklung in der Zukuft. Im klassischen PC Markt gilt seit Mitte der sechziger Jahre das Mooresche Gesetz (Moores Beobachtung dass sich durch den technischen Fortschritt die Komplexität von integrierten Schaltkreisen alle 18 Monate verdoppelt). Hier soll mit Blick auf die bewerteten Plattformen und deren zeitlichen Entwicklung extrapoliert werden, in welche Richtung sich die Entwicklung der Hardware bewegt. Werden wir eher einfache aber extrem kleine Sensoren oder komplexere aber ähnlich grosse Sensoren erwarten?

Momentan dominieren im Sensornetz-Markt noch sehr simple Firmwares den Markt die speziell auf die einzelnen Sensoren abgestimmt sind. Dies kennt man noch aus frühen Zeiten der prä-PC Ära, wo Betriebssysteme noch speziell auf die Hardwareplattform zugeschnitten wurde. Heute jedoch ist es die Aufgaben der Betriebsysteme von der verwendeten Hardware zu abstrahieren und den Zugriff auf Ihre Ressourcen effizient zu verwalten. Wichtige Aspekte von klassischen Betriebsystemen sind:

• Prozessverwaltung
• Speicherverwaltung
• Ein- Ausgabe Verwaltungsverfahren

In dieser Arbeit soll erarbeitet werden, welche "Betriebssysteme"/Firmwares es für Sensornetze gibt und inwieweit diese eine Abstraktion der Hardware vorsehen. Hier soll auch ein Vergleich mit klassischen PC Betriebssystemen angestellt werden und beantwortet werden, inwiefern die Übertragung von Konzepten aus diesem Bereich auf Sensornetze überhaupt Sinn macht. Bei der Analyse der einzelnen Betriebssystemen soll speziell betrachtet werden, wie Prozessverwaltung, Speicherverwaltung und E/A von diesen Systemen behandelt werden.