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

SWISSQMStephan Wagner

Seminar Datenmanagement in Sensornetzen

SS 2007, Prof. Ulf Leser, Dipl-Inf. Timo Mika Gläßer

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


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“


Anwendungsmöglichkeit: Der Vesuv

• letzter Ausbruch ereignetesich 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


Beispiel SWISSQM: Sensorknoten

• Netzwerk von Sensorknoten amVesuv

• Sensoren messen Tektonik und Hitze

• Zweck: Vorwarnung


Netzwerktopologie: Koten

• Knoten sind in Baumangeordnet und sendenDaten zum Gateway

• Unterstützt werden verschiedene Bäume undAdressierungen

• auf Sensoren läuft eine QM

• multi-hop routing (TinyOS)


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)


Beispiel SWISSQM: Gateway

Netzwerktopologie: KotenSELECT parent, MAX(temp), MAX(uschall)WHERE temp > 400 AND beben > 5FROM 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 17 ipushw 4008 if_icmpge 9 9 get_uschall 10 istore 2 11 iload 212 ipushb 513 if_icmpge 1414 iconst_215 Iconst_2 16 iconst_2 17 iconst_2 18 merge 19 send_sy 20 21 .section reception22 iconst_223 iconst_2 24 iconst_2 25 iconst_2 26 merge


SWISSQM: Speicheraufbau

• SWISSQM und Benutzerprogramme sind im FLASH-Memory jedes Sensorknotens gespeichert

• SRAM speichert nichtbeständigenglobalen Zustand von SWISSQM aus FLASH-Memory während des Bootens

• SWISSQM benötigt 3KB + 1KBfür Stack

• für Programme werden 384 byte alloziertpro Programm:- 16byte Stack- 16byte Übertragungspuffer- 16byte * #Elemente Synopsis


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


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


Beispiel SWISSQM: QM

parent MAX(temp) MAX(uschall)

id 1 wert 1 wert 1

id 2 wert 2 wert 2

. . .

. . .

. . .

id k wert k wert k

Synopsis

1 .section delivery, "@5s"2 get_parent 3 istore 0 4 get_temp 5 istore 1 6 iload 17 ipushw 4008 if_icmpge 9 9 get_uschall 10 istore 2 11 iload 212 ipushb 513 if_icmpge 1414 iconst_215 Iconst_2 16 iconst_2 17 iconst_2 18 merge 19 send_sy 20 21 .section reception22 iconst_223 iconst_2 24 iconst_2 25 iconst_2 26 merge


SWISSQM: Querymaschine

• QM Programm besteht aus 3 Sektionen:

init section: wird nur beim Programmstartausgeführt 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 init2 4003 istore 245 .section delivery, "@5s"6 get_parent 7 istore 0 8 get_temp 9 istore 1 10 iload 111 iload 212 if_icmpge 13 13 iconst_2 14 iconst_1 15 iconst_1 16 merge 17 send_sy 18 19 .section reception20 iconst_2 21 iconst_1 22 iconst_1 23 merge


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


SWISSQM: Merge-Befehl

ermöglicht komplexe Berechnung trotz einfacher Bytecodebefehle

merge-Syntax: merge(n,m,aggop1,aggop2,

…,aggopm)

n = Anzahl der Gruppen m = Anzahl der Aggregationen aggop = Aggregation


Beispiel SWISSQM: Beispielrechnung für 2. Knoten

0 temp 443

uschall 9

1 temp 450

uschall 8

2 temp 417

uschall 8

3 temp 415 4 temp 410 5 temp 413

uschall 7 uschall 6 uschall 7

6 temp 401

uschall 5


4 401 5

2 413 7

1 417 8


4 401 5

2 413 7

1 417 8

parent tempuschall

2 415 8merge

GATEWAY


Beispiel SWISSQM: Synopsis für 0. Knoten


4 401 5

2 413 7

1 417 8

0 450 9

gateway 443 9

0 temp 443

uschall 9

1 temp 450

uschall 8

2 temp 417

uschall 8

3 temp 415 4 temp 410 5 temp 413

uschall 7 uschall 6 uschall 7

6 temp 401

uschall 5

GATEWAY


SWISSQM

GATEWAY

Evakuieren

Abschalten


SWISSQM: Vor- und Nachteile

Vorteile Nachteilehohes Abstraktionslevel

Baumstruktur

leichte Programmierung

Updates werden über jeden Knoten gesendet

Multiprograming Ausfall eines Knotens führt zum Ausfall seiner Kindknoten

Aktuallisierung der Knoten per Funk

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