CRUSTmeetResPECT: Collective Resilient Unattended Smart Things (CRUST) meet Resilient Power-Constrained Embedded Communication Terminals (ResPECT)

Abstract

[EN] The topic of the focus program pays respect to the fact that resilience in the era of ubiquitous connectivity of all kinds of devices has many facets and forms many worlds. One very important of such worlds is the world of sensor/actuator networks composed of resource-constrained, embedded devices that need to operate and communicate in an unattended and unsupervised manner and might even need to harvest their energy from external energy sources like light or electro-magnetic waves. CRUSTmeetResPECT brings together two projects from phase I and therewith two facets of resilience, implying significant evolution in the holistic system design and operation: The CRUST distributed application managers will embrace the transactional paradigm developed in ResPECT, decomposing tasks into transactions and transaction chains. Those transactions will then be weighted so that devices based on the current and historical set of weights they see can learn to decide which transaction or transactions to fire at each point in time. The devices themselves will, on the one hand, make their energy-budget handling more mature by complementing the worst-case energy consumption with factual energy consumption observations and, on the other hand, will offer a set of decision criteria. The application management will guide the devices following these decision criteria (the number of transactions that can be carried out could be maximized, the completion of a task could be prioritized or the age of information could have the highest preference). Since resilience basically stems from (exploitable) redundancy, CRUSTmeetResPECT will additionally develop a holistic anomaly detection: The devices will observe the behavior of components with respect to their timing and energy consumption and will detect anomalies and faults in their own parts, while the collection-based view can detect operational anomalies (e.g., an occluded lens of a camera turns it useless, even though it is physically working well). The set of detected anomalies can then be used to guide the decision process by modifying the weights for the transactions. As a side effect, also the absence of anomalies is important information, since it can be used to guide devices to put some of their sensors into standby and hence enable energy optimization without undermining the overall system functionality.

CRUSTmeetResPECT will hence develop resilient collection-based task management based on the model of transactions and tasks and the shared view onto a set of current and historical weights of such transactions and tasks. Transactions and weights have to be stored in a format that enables highly efficient, incremental storage in non-volatile memory as well as incremental communication.

[DE] Der Titel des Schwerpunktprogramms drückt bereits aus, dass Resilienz in der Ära allgegenwärtiger Vernetzung verschiedenster Geräte viele Facetten aufweist und daher verschiedenste Welten existieren. Eine sehr wichtige solcher Welten sind die Sensor-/Aktuator-Netze, welche aus sehr leistungsschwachen, eingebetteten Systemen bestehen, die unbeaufsichtigt arbeiten können und ihre Energie oft sogar aus externen Quellen wie der Sonne oder elektro-magnetischen Feldern gewinnen müssen. CRUSTmeetResPECT vereinigt zwei Projekte der Phase I und damit auch zwei Facetten von Resilienz. Dies impliziert eine signifikante Evolution des holistischen Systemdesigns und des Systembetriebs. Das verteilte Anwendungsmanagement von CRUST wird das in ResPECT entwickelte Paradigma des transaktionalen Betriebes übernehmen. Aufgaben werden zerlegt in Transaktionen und Transaktionsketten. Diese werden dann mit Gewichten versehen, sodass die Geräte auf der Basis aktueller und historischer Gewichte lernen können, welche Transaktion oder welche Transaktionen zu einem gegebenen Zeitpunkt durchgeführt werden sollen. Hierzu wird einerseits das Energie-Budget verfeinert (Worst-Case-Betrachtung genauso wie statistische Betrachtung), andererseits werden Entscheidungskriterien definiert, welche das Anwendungsmanagement nutzen kann, um die Entscheidungen der Geräte zu beeinflussen (so kann die ausführbare Anzahl an Transaktionen ein Kriterium sein, die vollständige Erfüllung einer Aufgabe oder auch die Aktualität verfügbarer Informationen können präferiert werden). Da Resilienz im Prinzip auf (nutzbarer) Redundanz aufbaut, wird CRUSTmeetResPECT zusätzlich eine ganzheitliche Anomalieerkennung entwickeln: Die Geräte beobachten das Verhalten ihrer Komponenten anhand des Energie- und Zeitverhaltens und können so Anomalien und Fehlfunktionen in ihren eigenen Sensoren und Aktoren erkennen, während das Kollektiv operative Anomalien entdecken kann (so kann eine abgedeckte Linse eine Kamera unbrauchbar machen, obwohl diese physikalisch funktioniert). Die Menge erkannter Anomalien kann dann den Entscheidungsprozess durch die Modifikation der Transaktionsgewichte steuern. Als Seiteneffekt ist auch die Information, dass keine Anomalien vorliegen, sinnvoll, denn dann kann die systemimmanente Redundanz genutzt werden, um Geräte oder Teile von Geräten abzuschalten und so den Energieverbrauch zu senken.

CRUSTmeetResPECT wird daher, basierend auf dem transaktionalen Modell und dem geteilten Wissen um die aktuellen und historischen Transaktionsgewichte, ein resilientes, kollektives Aufgabenmanagement entwickeln. Für die Transaktionen und ihre Gewichte muss dabei ein Format entwickelt werden, das einerseits effiziente, inkrementelle Speicherung in nicht-flüchtigem Speicher und andererseits ebenso effiziente und inkrementelle Kommunikation ermöglicht.