Rodrigo Vieira Steiner. Estudo e Implementação de Protocolos de Disseminação de Dados para Redes de Sensores Sem Fio

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1 Rodrigo Vieira Steiner Estudo e Implementação de Protocolos de Disseminação de Dados para Redes de Sensores Sem Fio Florianópolis 2009

2 Rodrigo Vieira Steiner Estudo e Implementação de Protocolos de Disseminação de Dados para Redes de Sensores Sem Fio Trabalho de conclusão de curso apresentado como parte dos requisitos para obtenção do grau de Bacharel em Ciências da Computação. Orientador: Antônio Augusto M. Fröhlich Co-orientador: Giovani Gracioli BACHARELADO EM CIÊNCIAS DA COMPUTAÇÃO DEPARTAMENTO DE INFORMÁTICA E ESTATÍSTICA CENTRO TECNOLÓGICO UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA Florianópolis 2009

3 Trabalho de conclusão de curso sob título Estudo e Implementação de Protocolos de Disseminação de Dados para Redes de Sensores Sem Fio, defendido por Rodrigo Vieira Steiner e aprovado em de de, em Florianópolis, Santa Catarina, pela banca examinadora constituída por: Banca Examinadora Prof. Dr. Antônio Augusto Medeiros Fröhlich Orientador Giovani Gracioli Co-orientador Rafael Pereira Pires Roberto de Matos

4 Keep it simple: as simple as possible, but no simpler. - Albert Einstein

5 Resumo Redes de sensores sem fio foram propostas como uma solução para coleta de dados com uma ampla gama de aplicações incluindo as áreas de saúde, segurança, ambientais entre outras. Apesar dos recursos limitados que essas redes possuem espera-se que elas funcionem por um longo intervalo de tempo sem intervenções humanas, um requisito difícil de ser alcançado uma vez que o ambiente monitorado pode desenvolver características não previstas, ou alguma funcionalidade da rede pode necessitar de mudanças. Sendo assim é necessário um mecânismo que permita a reprogramação da rede após a implantação da mesma. Um protocolo de disseminação de dados permite o envio de dados através da rede. Um mêcanismo de programação em rede pode ser considerado como um caso especial de disseminação de dados, onde o protocolo garante a correta entrega dos dados para todos os nodos da rede. O trabalho de pesquisa desta dissertação consiste no estudo dos principais protocolos de disseminação de dados existentes e no desenvolvimento de um protocolo para o sistema operacional EPOS. Palavras-chave: disseminação de dados, programação em rede, redes de sensores sem fio.

6 Abstract Wireless sensor networks have been proposed as a solution for data gathering with a wide range of aplications including areas like health, security, environmental and others. Despite the limited resources these networks posseses they are expected to operate for a long period of time without human interventions, a requirement difficult to be accomplished since the environment might develop unpredicted characteristics, or some network functionality might need some changes. Thus we need a mechanism that allows the network to be reprogrammed after its deployment. A data dissemination protocol allows the transmission of data accross the network. A network programming mechanism might be considered as a special case of data dissemination, where the protocol guarantees the correct delivery of data to all network nodes. This thesis research work consist at the study of the main existing data dissemination protocols and at the development of a protocol for the EPOS operating system. Keywords: data dissemination, network programming, wireless sensor networks.

7 Sumário Lista de Figuras Lista de Tabelas 1 Introdução p Redes de Sensores Sem Fio p Nodos Sensores p Sistemas Operacionais para Redes de Sensores Sem Fio p EPOS p MantisOS p SOS p TinyOS p Protocolos de Disseminação de Dados para Redes de Sensores Sem Fio p Propriedades p Arquiteturas de Execução p Arquiteturas com MMU p Arquiteturas sem MMU p Análise dos Protocolos Existentes p Deluge p Infuse p MNP p. 15

8 3.3.4 MOAP p Reijers et. al p Sprinkler p Comparação dos Protocolos Analisados p Proposta p Implementação p Considerações Finais p. 19 Referências Bibliográficas p. 20

9 Lista de Figuras 2.1 Arquitetura de uma RSSF [Akyildiz et al. 2002] p Componentes de um nodo sensor [Akyildiz et al. 2002] p Processo de programação em rede [Jeong e Culler 2004] p Diagrama de características p. 17

10 Lista de Tabelas 3.1 Comparação entre as arquiteturas de execução [Han et al. 2005] p Um resumo dos protocolos vistos p. 16

11 1 Introdução 10

12 11 2 Redes de Sensores Sem Fio Figura 2.1: Arquitetura de uma RSSF [Akyildiz et al. 2002] 2.1 Nodos Sensores Figura 2.2: Componentes de um nodo sensor [Akyildiz et al. 2002] 2.2 Sistemas Operacionais para Redes de Sensores Sem Fio EPOS [Fröhlich e Schröder-Preikschat 1999] [Wanner 2004]

13 MantisOS [Bhatti et al. 2005] SOS [Han et al. 2005] TinyOS [Levis et al. 2005]

14 13 3 Protocolos de Disseminação de Dados para Redes de Sensores Sem Fio Figura 3.1: Processo de programação em rede [Jeong e Culler 2004] 3.1 Propriedades Um protocolo de disseminação de dados deve ser projetado levando em conta as seguintes propriedades [Lanigan, Gandhi e Narasimhan 2005]: Baixa Latência: como a atualização é um serviço secundário o protocolo não deve interromper a aplicação principal por muito tempo. Esta propriedade é desejável. Baixo Consumo de Memória: os dados necessários para a atualização devem ser armazenados até que a transmissão termine, entretanto o protocolo deve requisitar pouco espaço de memória de forma a não restringir a quantidade de memória disponível para a aplicação principal. Esta propriedade também é desejável. Confiabilidade: ao contrário das aplicações tradicionais de redes de sensores onde a perda de um pacote é tolerável devido ao fato de que os dados extraídos do ambiente são redundantes e correlacionados, na reprogramação cada pacote é crucial e todos devem ser

15 14 recebidos para que a atualização possa ocorrer. Sendo assim o protocolo deve possuir uma política de retransmissão permitindo a recuperação de pacotes perdidos. Esta propriedade é obrigatória. Eficiência Energética: o protocolo deve minimizar seu consumo de energia de forma a não diminuir severamente o tempo de vida da rede. Esta propriedade é desejável. Tolerância a Inclusão/Remoção de nodos: é possível que um nodo falhe durante um periodo de tempo e depois volte a funcionar, ou até mesmo que novos nodos sejam incluidos na rede. O protocolo deve então ser tolerante a inclusão ou remoção de nodos. Esta propriedade é desejável. Uniformidade: para garantir que a rede inteira seja atualizada, todos os dados devem ser entregues a todos os nodos da rede. Nodos incluídos na rede durante ou depois de uma atualização também devem ser capazes de receber os dados da atualização. Esta propriedade é obrigatória. As propriedades obrigatórias são necessárias para garantir que o mecânismo funcione corretamente. Propriedades desejáveis não garantem a corretude, entretanto um protocolo que as ignore seria de pouca utilidade na prática [Stathopoulos John Heidemann 2003]. 3.2 Arquiteturas de Execução [Han et al. 2005] Arquiteturas com MMU Arquiteturas sem MMU Máquina Virtual Modular Monolítico

16 15 Consumo Energético Máquina Virtual Modular Monolítico Transmissão em rede Melhor Intermediário Pior Armazenamento externo Melhor Intermediário Pior Armazenamento on-chip Melhor Intermediário Pior Execução do programa Pior Intermediário Melhor Flexibilidade de atualização Pior Intermediário Melhor Exemplo TinyOS SOS Maté Tabela 3.1: Comparação entre as arquiteturas de execução [Han et al. 2005] 3.3 Análise dos Protocolos Existentes Deluge [Hui e Culler 2004] Infuse [Arumugam 2004] MNP Multi-hop Network Programming [Wang 2004] MOAP Multi-hop Over the Air Programming [Stathopoulos John Heidemann 2003] Reijers et. al. [Reijers e Langendoen 2003] Sprinkler [Naik et al. 2005] 3.4 Comparação dos Protocolos Analisados

17 16 Protocolo Deluge Infuse MNP MOAP Reijers et. al. Sprinkler Aqui vão as características dos protocolos Tabela 3.2: Um resumo dos protocolos vistos

18 17 4 Proposta Figura 4.1: Diagrama de características

19 5 Implementação 18

20 6 Considerações Finais 19

21 20 Referências Bibliográficas [Akyildiz et al. 2002]AKYILDIZ, I. F. et al. Wireless sensor networks: A survey. Computer Networks, v. 38, p , [Arumugam 2004]ARUMUGAM, M. U. Infuse: a tdma based reprogramming service for sensor networks. In: SenSys 04: Proceedings of the 2nd international conference on Embedded networked sensor systems. New York, NY, USA: ACM, p ISBN [Bhatti et al. 2005]BHATTI, S. et al. Mantis os: an embedded multithreaded operating system for wireless micro sensor platforms. Mob. Netw. Appl., Kluwer Academic Publishers, Hingham, MA, USA, v. 10, n. 4, p , ISSN X. [Fröhlich e Schröder-Preikschat 1999]FRÖHLICH, A. A.; SCHRÖDER-PREIKSCHAT, W. EPOS: an Object-Oriented Operating System. In: Proceedings of the 2nd ECOOP Workshop on Object-Orientation and Operating Systems. Lisbon, Portugal: [s.n.], p [Han et al. 2005]HAN, C. et al. Sensor network software update management: a survey. International Journal of Network Management, John Wiley & Sons, Ltd. Chichester, UK, v. 15, n. 4, [Han et al. 2005]HAN, C.-C. et al. A dynamic operating system for sensor nodes. In: MobiSys 05: Proceedings of the 3rd international conference on Mobile systems, applications, and services. New York, NY, USA: ACM Press, p ISBN [Hui e Culler 2004]HUI, J. W.; CULLER, D. The dynamic behavior of a data dissemination protocol for network programming at scale. In: SenSys 04: Proceedings of the 2nd international conference on Embedded networked sensor systems. New York, NY, USA: ACM, p ISBN [Jeong e Culler 2004]JEONG, J.; CULLER, D. Incremental Network Programming for Wireless Sensors. In: First IEEE International Conference on Sensor and Ad hoc Communications and Networks (IEEE SECON). [S.l.: s.n.], [Lanigan, Gandhi e Narasimhan 2005]LANIGAN, P.; GANDHI, R.; NARASIMHAN, P. Disseminating Code Updates in Sensor Networks: Survey of Protocols and Security Issues. [S.l.], [Levis et al. 2005]LEVIS, P. et al. Tinyos: An operating system for sensor networks. In:. [s.n.], p Disponível em: < [Naik et al. 2005]NAIK, V. et al. Sprinkler: A reliable and energy efficient data dissemination service for wireless embedded devices. In: RTSS 05: Proceedings of the 26th IEEE International Real-Time Systems Symposium. Washington, DC, USA: IEEE Computer Society, p ISBN

22 21 [Reijers e Langendoen 2003]REIJERS, N.; LANGENDOEN, K. Efficient code distribution in wireless sensor networks. In: WSNA 03: Proceedings of the 2nd ACM international conference on Wireless sensor networks and applications. New York, NY, USA: ACM, p ISBN [Stathopoulos John Heidemann 2003]STATHOPOULOS JOHN HEIDEMANN, D. E. T. A Remote Code Update Mechanism for Wireless Sensor Networks. [S.l.], Disponível em: < johnh/papers/stathopoulos03b.pdf>. [Wang 2004]WANG, L. Mnp: multihop network reprogramming service for sensor networks. In: SenSys 04: Proceedings of the 2nd international conference on Embedded networked sensor systems. New York, NY, USA: ACM, p ISBN [Wanner 2004]WANNER, L. F. The EPOS System Supporting Wireless Sensor Networks Applications