Resilient Power-Constrained Embedded Communication Terminals (ResPECT)

Abstract

[EN] Within the wide subject of resilience in networked worlds ResPECT focuses on a core element of all networked systems: sensor- and actuator-nodes in cyber-physical systems. Communication up to today is understood and implemented as an auxiliary functionality of embedded systems. The system itself is disruption-tolerant and able to handle power failures or in a limited scope even hardware problems, but the communication isn’t part of the overall design. In the best case it can make use of the underlying system resilience. ResPECT develops a holistic operating system and communication protocol stack, assuming that conveying information (the receipt of control data for actuators or the sending of sensor data) is a core task of all networked components. Consequently it must become a part of the operating system’s management functionality. ResPECT builds on two pillars: Non-volatile memory and transactional operation. Non- volatile memory in recent years has evolved towards a serious element of the storage hierarchy. Even embedded platforms with exclusively non-volatile memory become conceivable. Network- communication, other than social communication, is transactional in its design: Data is collected and under channel constraints like latency, error-resilience and energy consumption and content constraints like age and therewith value of information is transmitted between the communication partners. Other than for operating systems this communication, however, faces many external disruptions and impacts. In addition, the duration of a disruption can have severe implications on the validity of already completed transactions like the persistence of the physical connection. Hence on resumption all this has to be considered. ResPECT consequently will – by interdisciplinary research of operating system and communication experts – develop a model based on transactions and will apply non-volatile memory to ensure, that states during the flow of transactions are known at any point in time and can and will be stored persistently. This monitoring and storing functionality must be very efficient (with respect to the energy consumption as well as to the amount of data to be stored in non-volatile memory) and hence be implemented as a core functionality of the operating system. To ensure generalizability and to have the model available for a variety of future platforms, ResPECT will focus on IP-networks and use communication networks which typically are operated as WAN, LAN or PAN (wide, local or personal area networks).

[DE] Innerhalb des sehr weiten Feldes der Resilienz vernetzter Welten konzentriert sich ResPECT auf einen Kernbaustein aller vernetzten Systeme: Sensor- oder Aktor-Knoten in cyber-physischen Systemen. Bis heute wird die Kommunikation als Zusatzfunktionalität eingebetteter Systeme verstanden. Das System an sich wird Störungs-tolerant ausgelegt und kann mit Stromausfällen umgehen oder sogar Hardwareprobleme in gewissem Maße kompensieren. Die Kommunikation jedoch wird in die Konzeption nicht einbezogen, sondern kann die Verlässlichkeit allenfalls nutzen. ResPECT entwickelt daher ein holistisches Betriebssystem- und Kommunikations-Protokoll-Konzept, welches davon ausgeht, dass die Vermittlung von Information (der Erhalt von Steuerdaten für Aktoren oder das Versenden von Sensordaten) die Kernaufgabe fast aller vernetzten Knoten ist. Damit muss diese Aufgabe Teil des Managements des Betriebssystems werden. Grundlage von ResPECT sind zwei Pfeiler: Nicht-flüchtiger Speicher und transaktionaler Betrieb. Nicht-flüchtiger Speicher hat sich in den letzten Jahren zu einem sehr ernst zu nehmenden Element der Speicherhierarchie entwickelt. Selbst eingebettete Plattformen mit ausschließlich nicht-flüchtigem Speicher werden vorstellbar. Netzwerkkommunikation ist, anders als soziale Kommunikation, im Kern transaktional: Daten werden gesammelt und unter Rahmenbedingungen wie Latenz, Fehlertoleranz und Energieverbrauch der Übertragung sowie Alter und damit Wert der zu übertragenden Information vermittelt. Anders als das Betriebssystem unterliegt die Kommunikation jedoch einer Vielzahl äußerer Einflüsse und Störungen. Auch die Dauer einer Störung hat unmittelbaren Einfluss auf z. B. den Erhalt der physischen Verbindung und muss bei Wiederaufnahme berücksichtigt werden. ResPECT wird daher – durch die Zusammenarbeit von Betriebssystem- und Kommunikationsexperten – ein auf Transaktionen basierendes Modell für das Betriebssystem sowie die Kommunikation entwickeln und durch den Einsatz nicht-flüchtiger Speicher dafür Sorge tragen, dass Zustände im Ablauf der Transaktionen zu jedem Zeitpunkt bekannt sind und persistent gespeichert werden. Dieses Beobachten und Speichern muss sehr effizient (sowohl in Bezug auf den Energieverbrauch als auch in Bezug auf die im nicht-flüchtigen Speicher zu speichernden Datenmengen) geschehen und daher als Kernaufgabe des Betriebssystems implementiert werden. Um die Verallgemeinerbarkeit sicher zu stellen und das Modell für viele zukünftige Plattformen nutzbar zu machen, wird sich ResPECT auf IP-Netze fokussieren und Kommunikationsnetze verwenden, welche üblicherweise als WAN, LAN oder PAN (Wide, Local oder Personal Area Network) betrieben werden.