A State-Based Programming Model for Wireless Sensor Networks

Kurzfassung
Drahtlose Sensorknoten sind kostengünstige, programmierbare und vernetzte
Kleinstcomputer, die Sensorik, drahtlose Kommunikation sowie Energieversorgung
in sich vereinen. Im grossen Massstab eingesetzt können drahtlose Netze
aus solchen Sensorknoten Phänomene der realen Welt unauffällig beobachten.
Drahtlose Sensornetze sind ein relativ neues Forschungsfeld mit vielen potentiellen
Anwendungen. Unter anderem auf Grund des Fehlens geeigneter Unterstützung
bei der Programmierung von Sensorknoten sind von diesen Anwendungen
jedoch erst die wenigsten realisiert worden. Diese Dissertation liefert
ein neuartiges Programmiermodell mit dazugehöriger Entwicklungsumgebung
als Beitrag zur effizienten, modularen und wohlstrukturierten Programmierung
von Sensorknoten.
Heutzutage werden zur Programmierung von Drahtlosen Sensorknoten im
Wesentlichen zwei Modelle verwendet: das Multi-Threading Modell und das ereignisbasierte
Modell. Das Multi-Threading Modell erfordert Systemunterstützung,
die häufig als zu schwergewichtig empfunden wird, insbesondere für
Sensorknoten die am unteren Ende des Ressourcenspektrums betrieben werden.
Um solchen Ressourcenbeschränkungen gerecht zu werden, wurde das ereignisbasierte
Programmiermodell vorgeschlagen. Dieses Modell erfordert sehr geringe
Systemunterstützung und kann deshalb auch auf sehr beschränkten Sensoren
eingesetzt werden.
Währenddessen jedoch die Systemunterstützung für ereignisbasierte Programme
nur wenige Ressourcen erfordert, sind ereignisbasierte Programme
selbst sehr speicherineffizient. Das ereignisbasierte Modell verhindert nämlich
die effiziente Nutzung von lokalen Variablen. Als Konsequenz daraus müssen
Programmierer temporäre Daten in globalen Variablen speichern, wodurch die
effiziente und automatische Wiederverwendung von Variablenspeicher verhindert
wird. Für temporäre Daten könnte zwar der Variablenspeicher auch manuell
wiederverwendet werden. Das schwört jedoch Probleme mit der Modularität
und der Fehleranfälligkeit herauf. Zusätzlich zum Nachteil der Speicherineffizienz
erzwingt das ereignisbasierte Modell ein Programmierparadigma,
das Modularisierung und Fehlersuche signifikant erschwert und des Weiteren
zu unstrukturiertem Code führt.
Der wesentliche Beitrag dieser Dissertation ist zu zeigen, dass die genannten
Unzulänglichkeiten des ereignisbasierten Modells behoben werden können, ohne
seine positiven Eigenschaften (also die speichereffiziente Implementierbarkeit
auf Sensorknoten) massgeblich zu beeinträchtigen.
Konkret stellen wir das Object State Model (OSM) vor, ein Programmiermodell
das das ereignisbasierte Modell um die Abstraktion von hierarchisch- und
nebenläufig-strukturierbaren Programmzuständen erweitert. Wir vertreten die