Sistemas Distribuidos

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1 Sistemas Distribuidos Redes Inalámbricas de Sensores Integrantes: Arriola, Nicolás Beltramini, Bruno Ferrato, Javier Sistemas Distribuidos Página 1 de 20

2 Schuager, Germán Sistemas Distribuidos Página 2 de 20

3 Introducción Los sistemas y procesos actuales, están diseñados bajo ciertas presunciones, entre las cuales se encuentran una estructura perfecta, es decir, que el entorno sobre el cual se apoya el sistema funcionará siempre de forma correcta: condiciones estáticas. Si esto no sucede, puede que el sistema falle o deje de realizar su función de forma precisa. Este acercamiento estático, puede llegar a ser insuficiente o inadecuado para satisfacer las necesidades de complejidad y flexibilidad de ciertos tipos de aplicaciones actuales o por venir. Es por esto, que se requiere un nuevo enfoque en el cuál se tenga en cuenta la naturaleza dinámica de cualquier sistema. La independencia de las variables que componen cualquier sistema hace que sea necesario establecer algún tipo de sensado para poder conocer el estado del mismo. De aquí surge la necesidad de sensores, los cuales para este caso consideramos son dispositivos que traducen magnitudes físicas a variables de naturaleza eléctrica capaces de ser procesadas. Hay situaciones, en las que los dispositivos encargados de las mediciones, no pueden ser conectados mediante cables directamente al sistema de procesamiento, por ej: estudio de migraciones de una comunidad de animales dentro de determinada zona geográfica. De esto se deriva la necesidad de utilizar sensores de carácter inalámbrico, los cuales en general se comunican mediante señales de radio. El resultado de todas estas implicancias, es el surgimiento de sistemas complejos compuestos por un gran número de componentes, los cuales se comunican entre sí y con el medio (a través de sensores), brindando soporte para tareas que necesiten ser dinámicamente reconfigurables y con un rendimiento garantizado. Sistemas Distribuidos Página 3 de 20

4 Nodos Sensores El avance en la tecnología ha impulsado la implementación de redes de sensores, compuestas por nodos de bajo costo (llamados comúnmente motes), los cuales están formados por el sensor propiamente dicho, la interfase para realizar las comunicaciones y generalmente un microprocesador. Estos nodos están diseñados para adquirir información del entorno, procesarla y transmitir los datos pertinentes a una estación base (de mucho mayor poder computacional que los nodos sensores). El campo de aplicación para esta nueva tecnología es muy amplio. Algunos usos actuales son: Control de procesos Alarmas Respuesta a emergencias Redes de transporte Investigación biológica Aplicaciones medicinales Estudios meteorológicos Existen sensores de todas clases; es posible medir aceleración, temperatura, movimientos sísmicos, posición global, intensidad de luz, sonido, campos magnéticos, etc. La interconexión de los sensores se presenta como uno de los mayores problemas a la hora de implementar el sistema. Las limitaciones físicas y Sistemas Distribuidos Página 4 de 20

5 económicas, imponen restricciones a la forma en la que se llevará a cabo. Anteriormente, las redes de sensores se interconectaban mediante cables (pares trenzados) que agregaban costo, complejidad de implementación y dificultad en la detección de fallas. Con la estandarización de las comunicaciones inalámbricas y la serialización de fabricación de dichos productos, esta pasó a ser una de las formas preferenciales para interconectar sensores. Actualmente, los sensores inalámbricos son de amplio uso en aplicaciones distribuidas o que implican el seguimiento de objetivos móviles. La administración del consumo de energía para este tipo de sensores, constituye un factor crítico en el diseño de dichos sistemas debido a que los mismos están generalmente alimentados mediante baterías. Además del problema del consumo, existe la dificultad del reemplazo de las mismas. La energía es utilizada por los nodos sensores en tres funciones principales: sensado, procesamiento y comunicación. Los dispositivos modernos utilizan técnicas avanzadas de ahorro de energía como el apagado de periféricos en desuso (stand-by) o reducción de la frecuencia de operación. Se ha demostrado que el proceso que requiere mayor energía es la transferencia de datos, por lo tanto se apunta a reducir la cantidad de comunicaciones a veces a costa de mayor tiempo de procesamiento. El software encargado del control del sistema, suele implementar tres estados de operación para el sensor: Activo: El nodo recibe datos del sensor y transmite información a la base continuamente. Quasi-activo: El nodo adquiere datos constantemente, pero solo transmite cuando la magnitud leída ha cambiado en una cantidad mayor a un límite establecido con respecto a la última medición transmitida Inactivo o monitor: El nodo monitoréa el entorno y el canal de comunicaciones esperando instrucciones desde la base, pero no transmite ningún dato. Sistemas Distribuidos Página 5 de 20

6 Activo Quasi-activo Monitor Para ahorrar energía en el proceso de comunicación se puede tener en cuenta el compromiso existente entre cantidad de comunicaciones y precisión de los datos transferidos; es decir, para ahorrar energía se puede utilizar una representación de menor precisión (mensaje más corto o menos mensajes). Otro aspecto importante para destacar es la implementación de los motes, es la necesidad de que sean de tamaño reducido y robustos constructivamente de forma de aguantar los embates del ambiente en el que se encuentran. Sistemas Distribuidos Página 6 de 20

7 Arquitectura del sistema El nivel inferior del sistema consiste en los nodos sensores, los cuales realizan tareas de computo básicas e implementan las interfaces de comunicación necesarias, además del sensado propiamente dicho. Estos sensores pueden estar ubicados a distancias considerables. Cada sensor transmite sus datos hacia un gateway asignado a la subred de sensores a la que pertenece. Este gateway es el responsable de retransmitir los datos de los sensores hacia la estación base mediante una red de paso (transit network), donde los mismos son registrados y puestos a disposición del resto del sistema. La estación base suele tener replicas de sus bases de datos ya que este suele ser el principal punto de falla del sistema. Finalmente, los datos son presentados a través de una interfaz de usuario correspondiente. La base de la aplicación de sensado es provista mediante nodos sensores autónomos. Estos dispositivos, generalmente alimentados a batería, son ubicados cerca del lugar de interés. Cada sensor recopila la información ambiental correspondiente a su entorno inmediato. Es por esto que suelen utilizarse sensores pequeños y económicos; con lo cual, puede lograrse una resolución espacial importante ubicando los sensores muy cerca unos de otros. Este acercamiento proporciona mayor robustez frente a fallas de Sistemas Distribuidos Página 7 de 20

8 los componentes que el enfoque tradicional en el cual se utilizan pocos nodos con alta calidad de sensado y gran capacidad de procesamiento. El módulo de procesamiento está conformado por una unidad reprogramable, la cuál provee capacidad de procesamiento, almacenamiento y comunicación bidireccional con el resto de los nodos del sistema. Comparado con los sistemas de adquisición de datos tradicionales, las redes de sensores presentan dos ventajas principales: pueden reasignarse las tareas sobre la marcha y permiten la comunicación con el resto del sistema. La reasignación de tareas sobre la marcha, permite a los científicos redireccionar sus observaciones basándose en el análisis de los resultados iniciales. Finalmente, los datos leídos por los sensores son distribuidos generalmente por Internet, ya sea los datos directos o procesados. Proporcionar a cada sensor la capacidad para conectarse directamente a una WAN no es factible debido al costo que esto conlleva, a los requerimientos de potencia y a la dificultad de acceso a los lugares donde deben instalarse los sensores. Es por esto, que la interconexión de la red de sensores con el exterior (Internet) es llevada a cabo por la estación base la cuál cuenta con rescursos energéticos y físicos adecuados. La estructura del sistema debe tomar en consideración la posibilidad de falla o desconexión de cada uno de sus componentes. Es por esto que cada nivel de implementación (nodos sensores, gateway, estación base) posee algún tipo de almacenamiento no volátil, con lo cual se protegen los datos frente a fallas de alimentación, generalmente. Sistemas Distribuidos Página 8 de 20

9 Comunicaciones Las comunicaciones dentro de la red de sensores son predominantemente del tipo multihop. Para enviar un mensaje entre sensores o hacia la estación base, la información circula de nodo a nodo (según las limitaciones de distancia impuestas por el tipo de comunicación) hasta llegar a destino. La mayor parte del tráfico entre los sensores puede clasificarse en uno de las siguientes categorías: Varios-a-uno: Más de un nodo transmite información hacia la estación base simultáneamente. Uno-a-varios: Un solo nodo, generalmente una estación base, realiza una transmisión del tipo multicast hacia varios sensores requiriendo información o enviando intrucciones de control. Comunicaciones locales: La información circula entre nodos vecinos (nodos dentro del area de alcance del enlace) para coordinar su funcionamiento. Es muy probable que nodos vecinos adquieran las mismas lecturas acerca de la evolución del entorno. Si cada nodo enviase sus datos hacia la estación base implicaría un gasto de energía y ancho de banda innecesario ya que se producirían transmisiones redundantes. Para contrarrestar este inconveniente, los datos son generalmente recolectados por un solo sensor, donde son procesados y filtrados (eliminando así información redundante) para luego ser retransmitidos. A la hora de diseñar un red de sensores, se plantean ciertas cuestiones respecto al esquema de comunicaciones: Sistemas Distribuidos Página 9 de 20

10 Full-duplex/Half-Duplex/Simplex: La transmisión full-duplex requiere dos canales de comunicación para ser implementada (ida y vuelta). Una comunicación full-duplex suele ser simulada alternando entre envío y recepción sobre un solo canal. El tipo de dispositivos en estudio utilizan generalmente comunicaciones tipo half-duplex. Banda base o señal modulada: En las redes inalámbricas, es imperativo el uso de algún tipo de modulación, ya que de otra manera sería imposible la transmisión de información. Aparte de esto, el uso de modulación permite la multiplexación en frecuencia del recurso de comunicación utilizado habilitando el establecimiento de varios canales. Conmutación de circuitos o conmutación de paquetes: En las redes digitales, suele usarse casi exclusivamente el esquema de conmutación de paquetes, en el cuál cada trozo de información transmitida (paquete) contiene datos correspondientes al encaminamiento. Generalmente, se utiliza un esquema de CDMA (Code División Múltiple Access), donde todos los nodos tienen todo el ancho de banda del canal disponible todo el tiempo, y a cada nodo se le asigna un código de secuencia para que los receptores puedan identificar el origen de la transmisión. Se utilizan frecuencias del orden del GigaHertz. Otra tecnología disponible para interconectar redes de sensores inalámbricos pequeñas y medianas es la especificación BlueTooth, la cual fue desarrollada por Ericsson en 1994 y revisada posteriormente por un grupo de empresas de telecomunicaciones. Este conjunto de protocolos es similar a los utilizados en comunicaciones infrarrojas y está diseñado para intercomunicar dispositivos en un rango relativamente reducido (de hasta 10 metros) y con un consumo de potencia mínimo. Sistemas Distribuidos Página 10 de 20

11 A continuación se listan las especificaciones principales de Bluetooth. Banda de Frecuencia: 2,4 GHz (Banda ISM). Potencia del transmisor: entre 1 y 100 mw, típica de 2,5 milivatios. Canales máximos: hasta 3 de voz y 7 de datos por red. Velocidad de datos: hasta 720 kbit/s por red. Rango esperado del sistema: 10 metros (30 pies). Número de dispositivos: 8 por red y hasta 10 redes. Tamaño del Módulo: 0,5 pulgadas cuadradas (9x9 mm). Interferencia: Bluetooth minimiza la interferencia potencial al emplear saltos rápidos en frecuencia =1.600 veces por segundo (espectro expandido). Seguridad Las comunicaciones inalámbricas son inherentemente inseguras. Debe tenerse en cuenta que las transmisiones pueden ser interceptadas o modificadas por agentes maliciosos. Un atacante puede, por ejemplo, actuar como receptor, modificar los paquetes y reenviarlos con contenido incorrecto o modificado a su conveniencia. En el comienzo de esta tecnología, el principal objetivo era el ahorro de potencia. Es por esto que los protocolos creados y el software correspondiente se centraban en esta tarea más que en proporcionar una comunicación relativamente segura. Sistemas Distribuidos Página 11 de 20

12 La natural escasez de recursos que rodea a las redes de sensores inalámbricos establece aún mayores restricciones en cuanto a las tecnologías de seguridad que pueden ser implementadas. Por ejemplo, es casi imposible proveer a los nodos con un sistema de clave pública/clave privada debido a su pequeño poder computacional y a su limitada memoria disponible. La transmisión de un bit de datos equivale en gasto de potencia a la ejecución de entre 800 y 1000 instrucciones, por lo que redundancias introducidas por mecanismos de seguridad es inaceptable. Por lo tanto, no es factible implementar un sistema con un medio-alto grado de complejidad o que agregue demasiada redundancias. El método que se utiliza excluyentemente es la encriptación por clave simétrica (por ser relativamente sencillo de implementar). Aún así, estos algoritmos deben ser implementados cuidadosamente. Actualmente existen dos protocolos que cumplen esta función: µtesla y SNEP. El primero provee autenticación, mientras que el segundo provee confidencialidad, autenticación y frescura. Atacante haciéndose pasar por estación base Atacante interceptando ordenes de la base y realizando transmisiones de tipo multicast hacia toda la red. Sistemas Distribuidos Página 12 de 20

13 La encriptación a nivel enlace y los mecanismos de autenticación mencionados, si bien proveen un nivel básico de seguridad contra intrusos de pequeño poder computacional, no son suficiente protección contra ataques de mayor escala. El diseño de protocolos seguros para redes de sensores inalámbricos es un area que todavía se encuentra en desarrollo. Sistemas Distribuidos Página 13 de 20

14 Entorno de software Históricamente, el software de los sistemas dedicados es diseñado para una tarea de control específica. Además estos sistemas no se modifican, y permanecen en el mismo durante toda la vida útil del dispositivo. La nueva generación de software embebido se caracteriza por ser ágil, dinámico, autoconfigurable, limitado en el uso de recursos y orientado a la comunicación entre pequeños dispositivos operando en forma colectiva. Una característica común de este tipo de software es su interacción entre los distintos componentes: se producen ráfagas de actividad cuando es necesario, y cuando no, el sistema se encuentra en un estado pasivo esperando por algún evento. El sistema operativo utilizado sobre una red de sensores debe ser simple, basado en componentes, cuya principal incumbencia sea el manejo de la concurrencia de almacenamiento y el manejo adecuado de energía. El sistema operativo más difundido para este tipo de aplicaciones es el TinyOS, desarrollado por la Universidad de California. TinyOS, como los sistemas operativos convencionales, busca simplificar el desarrollo de aplicaciones proveyendo abstracciones convenientes de los componentes físicos y funciones comunes altamente optimizadas. Sin embargo, este objetivo es más difícil en este caso debido a las altas restricciones impuestas por el entorno de aplicación. El sistema operativo está orientado a definir un modelo simple de componentes; expandible, para soportar una amplia gama de aplicaciones. TinyOS está estructurado en una serie de capas, cada una de las cuales presenta un nivel de abstracción mayor a las capas superiores. Sistemas Distribuidos Página 14 de 20

15 Estructura en capas Una de las características que resalta, es su estructura de comunicaciones. La comunicación entre los nodos de la red se realiza mediante un sistema de mensajes basado en eventos que permite el uso de RPC para la ejecución de ciertas tareas. Además, este también es usado para realizar operaciones complejas como el descubrimiento dinámico de la estructura de red o el ruteo multihop. Para realizar el descubrimiento, los nodos mandan señales periódicas mediante las que se identifican y determinan que vecinos están en su alcance de comunicación. De esta manera, el software logra formar un mapa de la red para poder realizar el ruteo. La dificultad que se presenta al diseñar un sistema operativo como TinyOS, para este tipo de redes radica en que se tiende al S.O. ideal, donde el mismo debe ser: De pequeña extensión en memoria Liviano al ejecutarse De fácil expansión gracias a la modularidad Predictivo para minimizar las operaciones de E/S Sistemas Distribuidos Página 15 de 20

16 Capaz de autoreconfigurarse a partir de los cambios en el sistema En la actualidad no existen muchos de estos sistemas operativos, y su desarrollo está en constante evolución. Sistemas Distribuidos Página 16 de 20

17 Caso de estudio: MICA El módulo MICA fue desarrollado por el grupo de investigación de redes de sensores inalámbricos de la Universidad de California en Berkeley. Es utilizado actualmente para investigación y desarrollo de redes inalámbricas de baja potencia. Consiste de: Puerto de expansión para diferentes sensores Sistema Operativo TinyOS Procesador Atmega 128L (4MHz, 128K Flash, 4K SRAM, 4K EEPROM, UART, 10 bit ADC) Transceptor de RF de 916 MHz o 433 MHz 2 baterías AA El microcontrolador utilizado fue seleccionado debido a sus características avanzadas de administración de energía. El software correspondiente está almacenado en la memoria FLASH. El módulo emisor/receptor de radiofrecuencia trabaja sobre una banda comercial para la que no se necesita licencia para su uso. Sistemas Distribuidos Página 17 de 20

18 El módulo adquisidor de datos se conecta al tipo de sensor correspondiente mediante un slot de expansión de 51 pines. Existen varios tipos de sensores, entre ellos sensores de temperatura, presión, acelerómetro, etc. La interface con el sensor puede ser analógica o digital, mediante protocolos SPI o I 2 C. Para tener una idea del alcance de este dispositivo puede mencionarse que fue utilizado para el monitoreo y estudio del comportamiento de una comunidad de gaviotas en una isla (Great Duck Island) al sur del estado de Maine, en Estados Unidos. La información recopilada mediante esta red de sensores puede verse en tiempo real en Internet en Sistemas Distribuidos Página 18 de 20

19 Referencias IEEE Distributed Systems Online. MIT. Proyecto NEST (Network Embedded Systems) Sensors Online. Universidad de California en Berkeley. Sistemas Distribuidos: Conceptos y Diseño. George Coulouris. Sitio web de UCLA Sistemas Distribuidos Página 19 de 20

20 Tabla de Contenidos Sistemas Distribuidos...1 Integrantes:... 1 Introducción...3 Nodos Sensores... 4 Arquitectura del sistema...7 Comunicaciones... 9 Seguridad...11 Entorno de software...14 Caso de estudio: MICA Referencias Tabla de Contenidos...20 Sistemas Distribuidos Página 20 de 20

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