Resumo Estendido da Tese de Doutorado
MANNA: Uma Arquitetura
para Gerenciamento de Redes de Sensores Sem Fio
Orientador:
José Marcos Silva Nogueira
Tese de
doutorado do Departamento de Ciência da Computação
da Universidade
Federal de Minas Gerais, 2003.
Veja um resumo estendido da tese em português
Uma Organização para o
Gerenciamento de RSSFs
Desenvolvendo uma
Solução de Gerenciamento para RSSFs Contínuas
Resumo
Esta tese
apresenta um arcabouço para o gerenciamento de redes de sensores sem fio que
inclui a especificação de uma arquitetura chamada
MANNA. Esta arquitetura estabelece uma separação entre as funcionalidades
da aplicação e as funcionalidades do gerenciamento através da proposição de
três arquiteturas (funcional, de informação e física). O arcabouço introduz uma
organização para o gerenciamento de redes de sensores sem fio considerando duas
dimensões de gerenciamento tradicionais sendo áreas funcionais e níveis de
gerenciamento e definindo uma nova dimensão chamada funcionalidades das redes
de sensores sem fio. Esta organização
tridimensional é importante na definição de serviços, funções e informação de
gerenciamento assim como na proposição de soluções integradas de gerenciamento.
Um dos principais objetivos da arquitetura MANNA é promover a produtividade dos
recursos da rede e a qualidade dos serviços providos.
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Introdução
Redes de Sensores Sem Fio (RSSFs) têm sido viabilizadas pela rápida convergência de três tecnologias:
circuitos integrados, comunicação sem fio e micro sistemas eletro-mecânicos. Uma RSSF pode ser usada para monitorar e
controlar um ambiente. Este tipo de rede tende a ser formada por centenas ou
milhares de dispositivos autônomos chamados nós sensores. Os principais
componentes de um nó sensor são unidade de comunicação sem fio, unidade de
energia, unidade de sensoriamento, unidade de computação. O componente lógico
de um nó sensor é o software que executa na unidade de computação.
A unidade de sensoriamento de um nó pode ser
equipada com uma variedade de dispositivos sensores, tais como acústico,
sísmico, infravermelho, vídeo-câmera, calor, temperatura e pressão. A unidade
de comunicação sem fio pode ser ótica ou usar rádio freqüência.
Os nós sensores podem ser lançados sobre áreas
remotas (reservas ambientais, oceanos,
vulcões, rios, florestas, etc.) e sem a intervenção de técnicos ou operadores
formam uma rede sem fio ad hoc que coleta dados sobre os fenômenos de
interesse, realiza processamento local, e dissemina as informações para um
ponto de acesso através do qual a rede comunica-se com outras redes ou com um
usuário. Uma RSSF é um tipo de sistema dependente da aplicação, isto é, os
parâmetros de configuração, operação e manutenção variam com o tipo de
aplicação definida. . Em função da área (remota ou inóspita) onde os nós são
depositados e do número de elementos que compõem a rede (centenas ou milhares),
a substituição ou recarga manual das fontes de energia desses elementos não é
uma atividade viável. Assim, uma das maiores restrições no projeto de uma RSSF
é o consumo de energia.
Os nós
sensores tendem a ser projetados com pequenas dimensões (cm3 ou mm3) e esta limitação de tamanho acaba impondo limitações nos recursos de
seus componentes quais sejam, transceptor para comunicação sem fio, fonte de
energia, unidade de sensoriamento, memória e processador. Mesmo que os nós
sensores não tenham mobilidade, a topologia da rede será dinâmica, uma vez que
alguns nós podem estar fora de serviço por razões como falta de energia,
problemas na deposição, ameaças e ataques a segurança, falhas dos componentes e
falha de comunicação. Para as RSSFs, falhas não são exceções mas acontecimentos
comuns. Apesar dos nós individualmente possuírem pouca capacidade computacional
e de energia, um esforço colaborativo entre os mesmos permite a realização de
uma tarefa maior. Em alguns casos, uma RSSF também pode ser composta de
dispositivos chamados atuadores que permitem ao sistema controlar parâmetros do
ambiente monitorado.
O
potencial de observação e controle do mundo real permite que as RSSFs se
apresentem como uma solução para diversas aplicações: monitoração
ambiental, gerenciamento de infra-estrutura, biotecnologia, monitoração e
controle industrial, segurança pública e de ambientes em geral, áreas de
desastres e risco para vidas humanas, transporte, medicina e controle militar.
Esta gama de aplicações tem estimulado ainda mais o desenvolvimento desses
dispositivos e atraído a atenção da comunidade acadêmica.
Apesar da
rápida expansão, as RSSFs e suas aplicações vinham sendo projetadas e
desenvolvidas sem considerar uma solução integrada de gerenciamento. Na maioria
dos casos, os pesquisadores desenvolviam soluções para problemas específicos,
fazendo suposições sobre o contexto sem considerar a integração com outros
trabalhos. Além disso, as
funcionalidades da aplicação eram confundidas com as funcionalidades de
gerenciamento, não havendo um mecanismo que pudesse propor a distinção entre
elas. Embora isso possa não ser um problema para redes pequenas, provavelmente
será para RSSFs formadas por centenas ou milhares de nós nas quais há a
necessidade de que as redes e seus elementos se re-configurem e se adaptem ao
seu próprio estado e às condições ambientais onde estão operando sem
intervenção humana. Dadas as características particulares das RSSFs, fica claro
que existem diferenças significativas entre o gerenciamento tradicional e o
gerenciamento de RSSFs. A energia é um recurso crítico e assim, todas as
operações executadas na rede devem ser eficientes em energia, incluindo as
tarefas de gerenciamento. Outro aspecto que deve ser considerado é que as RSSFs
estarão integradas a outras redes como por exemplo a Internet. Uma solução de
gerenciamento que separe as funcionalidades,
promova a integração das soluções propostas e utilize um modelo genérico
de informação pode facilitar o planejamento, desenvolvimento e implementação
das RSSFs, além de promover a produtividade da rede e a qualidade dos serviços
providos por ela.
Tomando
como pressuposto básico que o gerenciamento de RSSFs deve ser simples, aderente
às peculiaridades dessas redes, incluindo também o seu dinamismo, e eficaz no
uso dos recursos escassos, esta tese [Ruiz, 2003] propõe um arcabouço para o
gerenciamento de tais redes.
O
arcabouço foi inicialmente publicado em [Ruiz et al.,2003b]. Ele estabelece uma
organização baseada em três dimensões de gerenciamento. Duas dessas dimensões,
áreas funcionais de gerenciamento e níveis de gerenciamento, têm sido usadas no
gerenciamento tradicional e são redefinidas sob a perspectiva das RSSFs. A
terceira dimensão, chamada “funcionalidades de RSSFs” foi inicialmente publicada em [Ruiz et al., 2003c] como um modelo
funcional para as RSSFs. O arcabouço
também inclui uma arquitetura de gerenciamento chamada MANNA Esta arquitetura é
baseada no paradigma de computação autonômica (autonomic computing) [IBM, 2003] que
define sistemas que gerenciam a si próprios sem intervenção humana direta.
A tese foi redigida na língua inglesa e está
organizada em 6 capítulos e um anexo, além do resumo estendido em português
colocado no início do texto para estar em conformidade com as normas da
Universidade Federal de Minas gerais. O capítulo 1 trata dos objetivos da tese
e relaciona suas contribuições. O capítulo 2 apresenta as principais
características das RSSFs, aponta as diferenças entre as RSSFs e outras redes,
descreve aplicações e trabalhos relacionados. O capítulo 3 propõe uma
organização para o gerenciamento das RSSFs. O capítulo 4 descreve a arquitetura
MANNA. O capítulo 5 descreve os experimentos e
resultados obtidos. O capítulo 6 apresenta as considerações finais. Um serviço
de auto-diagnóstico para desenvolvimento de uma RSSF autonômica foi simulado e
os resultados estão descritos no anexo A da tese. Nas próximas seções, fazemos
uma exposição abreviada do conteúdo dos seis capítulos que compõe a tese e das
publicações resultantes deste trabalho.
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Por que MANNA?
MANNA -
tradução para a língua inglesa do termo Maná. A palavra MANNA tem origem no
hebraico Man hu: pão do céu ou “O que é isto?'” - alimento fornecido por Deus aos israelitas durante 40 anos no
deserto. Era como uma semente miúda que era lançada do céu e cobria a terra
como geada. Tinha gosto de bolo de mel (Êxodos 16:31). Sinal de confiança. O
Maná caia com o orvalho. O povo colhia o suficiente para o dia confiando que no
dia seguinte Deus enviaria novamente o pão necessário. Coisa excelente,
vantajosa. [Novo Aurélio Século XXI: o Dicionário da Língua Portuguesa.
AurélioBuarque de Holanda Ferreira, 3a. Edição, Editora Nova Fronteira, 1999].
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Contribuições da Tese
Construir partes
do sistema e desenvolver soluções para problemas específicos em RSSFs não são
tarefas triviais. Contudo, integrar estas partes ou soluções de maneira a
promover a produtividade da rede e a qualidade dos serviços providos é um
desafio ainda maior. Esta tese tratou deste desafio: estudar o problema do gerenciamento em RSSFs, procurando entender
as necessidades, os requisitos e as questões relacionadas ao tema e identificando as diferenças em relação ao
gerenciamento de outras redes. Definir um arcabouço para gerenciamento de RSSFs
foi a principal contribuição.
É notável
o progresso da área de RSSFs. Contudo, quando o desenvolvimento da tese teve
início, havia poucas publicações sobre RSSFs e muitos resultados de pesquisa
não estavam disponíveis. Este cenário impôs muitos desafios e dificuldades a
serem superados e que foram vistos como oportunidades de pesquisa. Era
necessário entender as RSSFs e suas características especiais para então propor
soluções de gerenciamento e avaliar como estas soluções contribuiriam para o
funcionamento da rede. Por ocasião do desenvolvimento da tese, não foram
encontrados na literatura trabalhos relacionados ao gerenciamento integrado de
RSSFs. As contribuições da tese apresentadas no capítulo 1 são:
v
Um arcabouço de gerenciamento para RSSFs que
provê a distinção entre funcionalidades de gerenciamento e funcionalidades da
aplicação. O arcabouço estabelece uma organização tridimensional para o
gerenciamento de RSSFs. Duas dessas dimensões, áreas funcionais de gerenciamento
e níveis de gerenciamento são comuns no gerenciamento de outras redes mas foram
redefinidas sob a perspectiva de RSSFs e a terceira dimensão “funcionalidades de RSSFs” é também uma
outra contribuição desta tese. Esta nova dimensão é baseada no modelo funcional
e na caracterização das RSSFs que também são contribuições desta tese;
v
Uma arquitetura de gerenciamento chamada
MANNA, que é construída a partir de uma arquitetura de informação, uma
arquitetura funcional e uma arquitetura física, cada uma delas relacionadas a
diferentes aspectos da solução de gerenciamento. A arquitetura MANNA propõe que as RSSFs sejam auto-gerenciadas,
isto é, a rede executa funções e serviços automáticos de gerenciamento sem
intervenção de técnicos ou operadores;
v
Um esquema para definição de funções de
gerenciamento de RSSFs e um esquema para estabelecimento de serviços de
gerenciamento considerando o tipo de aplicação de RSSF a ser gerenciada. Uma
lista de serviços e uma lista de funções são fornecidas pela tese como resultado
do uso desses esquemas;
v
Um ambiente chamado MANNASim para a simulação de aplicações e soluções de
gerenciamento construído a partir da ferramenta Network Simulator (NS-2). Atualmente, o MANNASim é um projeto de
software livre aprovado pelo CNPq;
v
A proposição de novos modelos para
representação dos estados de uma RSSFs;
v
Um modelo genérico de informação;
v
A aplicação dos conceitos do paradigma de
computação autonômica ou auto-gerenciamento (self-management) em RSSFs.
Algumas das contribuições e
resultados deste trabalho foram obtidos com a colaboração de bolsistas. Todos
os trabalhos foram escritos em co-autoria com o Prof. José Marcos Silva Nogueira
(orientador da tese) e Prof. Antônio
Alfredo Ferreira Loureiro e publicados em paralelo ao seu desenvolvimento
periódico [Ruiz et al., 2003b], conferências internacionais [Ruiz et al.,
2003a, Ruiz et al., 2004b, Ruiz et al., 2003c, Silva et al., 2003a, Vieira et
al., 2003b] e nacionais [Ruiz et al., 2003d, Ruiz et al., 2003e, Ruiz et al.,
2004a, Ruiz et al., 2004d, Loureiro et
al. 2002, Loureiro et al. 2003a, Loureiro et al. 2003b, Silva et al.,2004,
Siqueira et al., 2004, Vieira et al., 2004, Vieira et al., 2003a], revista
nacional [Braga et al., 2004, Silva et al., 2004], além de um capítulo de livro
internacional [Ruiz et al., 2004c] e relatórios técnicos [Ruiz, 2002, Silva et
al. 2003].
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Revisão Bibliográfica
O capítulo
2 da tese apresenta uma revisão bibliográfica sobre RSSFs incluindo as
características particulares dessas redes e
apontando as diferenças entre as RSSFs e outras redes. O capítulo também
descreve aplicações e trabalhos relacionados.
Algumas
características especiais das RSSFs são:
v
Fluxo de dados predominantemente
unidirecional: os dados são disseminados dos nós sensores em direção ao ponto
de acesso utilizando nós intermediários como roteadores. Em RSSFs que utilizam
rádio freqüência para transmissão a atividade de maior consumo de energia é a
transmissão de dados. A energia consumida com a transmissão via rádio varia com
o quadrado do alcance de transmissão. Uma forma de economizar energia é se
utilizar pequeno alcance de transmissão. Assim, os nós coletam seus dados e se
usam os nós intermediários para retransmissão de seus dados até a entrega ao
PA.
v
Topologia dinâmica: mesmo que os nós não sejam
móveis, eles podem ocasionar alterações na topologia quando saem de serviço por
problemas tais como quebras e defeitos resultantes da deposição, falta de
energia, ameaças e ataques à segurança, problemas de calibração dos
dispositivos sensores, falhas nos componentes e falhas de comunicação;
v
Dependência da aplicação: os parâmetros de
configuração, operação e manutenção das RSSFs variam com o tipo de aplicação.
Qualquer projeto (hardware ou software) ou solução proposta para estas redes ou
seus elementos deve levar em consideração essas características e restrições,
assim como as características do ambiente onde tais redes serão aplicadas. Isto
determina o desenvolvimento de diferentes arquiteturas de nós sensores ou
diferentes configurações para arquiteturas existentes, assim como o
desenvolvimento de soluções de gerenciamento compostas por diferentes serviços
e funções.
v
Grande número de nós distribuídos em áreas
remotas ou inóspitas que operam sem intervenção humana direta.
v
Apresentam restrições severas de energia, e
devem possuir mecanismos para auto-configuração e adaptação devido a problemas
como falhas de comunicação e perda de nós.
v
Tendem a serem autônomas e requerem um alto
grau de cooperação entre os elementos de rede para executar um objetivo comum.
Na maioria das aplicações de RSSFs, os elementos de rede executam tarefas
comuns enquanto que nas redes tradicionais os elementos executam aplicações
diferentes.
Estas características tornam as RSSFs
diferentes das redes tradicionais. Isto significa que algoritmos distribuídos
tradicionais, como protocolos de comunicação e eleição de líder, assim como
paradigmas de gerenciamento, devem ser revistos para esse tipo de rede antes de
serem usados diretamente. Além disso, as RSSFs também herdaram os problemas
típicos das redes sem fio incluindo as altas porcentagens de erros de
comunicação e dificuldade no controle do consumo de energia.
Os desafios e considerações de projeto
de RSSFs vão além das redes tradicionais promovendo oportunidades de pesquisa
em diferentes áreas como por exemplo, micro sistemas eletromecânicos,
arquitetura de computadores, gerenciamento de redes, computação móvel, robótica
móvel, nanotecnologia, sistemas operacionais, algoritmos distribuídos,
otimização, banco de dados, recuperação de informação, visão computacional e
processamento de imagens.
Os
resultados do desenvolvimento da fase de revisão bibliográfica, apresentada no
capítulo 2, foram publicados como mini-curso na Jornada de Atualização em
Informática do Simpósio Brasileiro de Computação de 2002 [Loureiro et al.,
2002]. A partir da identificação de
problemas em RSSFs e da definição dos primeiros requisitos de gerenciamento,
publicamos outros dois mini-cursos no Simpósio Brasileiro de Redes de
Computadores de 2003 e 2004 [Loureiro et al., 2003, Ruiz et al.,2004]. Durante
o trabalho de pesquisa sobre o
gerenciamento de serviços e a definição de requisitos de QoS (Quality of Service) para RSSFs,
publicamos um mini-curso referente ao tema no Workshop de Comunicação Sem Fio e
Computação Móvel de 2003 [Ruiz et al., 2003d].
Um outro mini-curso sobre middleware
e tolerância a falhas em RSSFs foi publicado no Workshop de Segurança e
Tolerância a Falhas do Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores de 2003
[Loureiro et al., 2003b].
Os
principais obstáculos ao desenvolvimento de um arcabouço de gerenciamento para
RSSFs decorreram da novidade, da interdisciplinaridade do tema e da dificuldade
associada ao entendimento dos detalhes dessas redes. Estas dificuldades foram
superadas e resultaram em contribuições na forma de 5 mini-cursos.
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Linnyer Beatrys Ruiz
Caracterização das RSSFs
Como
mencionado antes, uma RSSF é um tipo de sistema dependente da aplicação Qualquer projeto ou solução proposta para
estas redes deve levar em consideração os requisitos da aplicação a ser
desenvolvida, as características e restrições dos componentes dos nós sensores,
assim como as características do
ambiente onde tais redes serão
aplicadas.
Classificação das RSSFs segundo a configuração
Classificação das RSSFs segundo o sensoriamento
Classificação das RSSFs segundo a comunicação
Classificação das RSSFs segundo o processamento
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Uma Organização para o Gerenciamento de RSSFs
Como
mencionado, uma RSSF é um tipo de sistema dependente da aplicação, isto é, os
parâmetros de configuração, operação e manutenção variam com o tipo de
aplicação definida. Sendo assim, no
processo de desenvolvimento do arcabouço de gerenciamento, estudamos um
conjunto de aplicações encontradas na literatura e propusemos um modelo
funcional que permite caracterizar as RSSFs. O modelo funcional foi
inicialmente publicado em [Ruiz et al., 2003c] e serviu de base para o
desenvolvimento de um modelo de informação genérico que define aspectos
referentes à sintaxe e à semântica da informação da rede.
Construir
e desenvolver soluções de gerenciamento em ambientes onde existem centenas ou
milhares de nós com características particulares não é uma tarefa trivial. Esta
tarefa torna-se ainda mais difícil devido às restrições de recursos, à
dependência da aplicação e à influência do ambiente no comportamento da RSSF.
Uma boa estratégia para lidar com esta complexidade é usar dimensões de
gerenciamento que permitam definir problemas e delinear soluções sob diferentes
níveis de abstração.
A
abordagem proposta no capítulo 3 da tese, trata de situações complexas do
gerenciamento de RSSFs pela decomposição do problema em sub-problemas menores,
seguindo refinamentos sucessivos a partir de uma organização tridimensional
(ver figura 1). Duas dessas dimensões, áreas funcionais de gerenciamento e
níveis de gerenciamento são comuns no gerenciamento de outras redes mas foram
redefinidas sob a perspectiva de RSSFs. A terceira dimensão foi estabelecida a
partir do modelo funcional [Ruiz et al., 2003c]. Esta nova dimensão é chamada
“funcionalidades de RSSFs” está organizada em níveis de configuração,
sensoriamento, comunicação, processamento e manutenção e pode ser vista na
parte superior da figura 1.
Função
de Gerenciamento
Figura 1 - Abstrações da Arquitetura MANNA
A
intersecção dos três planos da organização proposta para o gerenciamento de
RSSFs define uma célula. Cada célula contém um conjunto de funções de
gerenciamento. A coordenação entre os três planos pode ser baseada
O
arcabouço proposto vai além da organização tridimensional e define uma
arquitetura chamada MANNA para o gerenciamento das RSSFs. O arcabouço também
introduz vários aspectos relacionados ao gerenciamento de RSSFs que eram
inéditos na literatura até a publicação em [Ruiz et al.,2003b]. As contribuições relativas ao gerenciamento
de redes estabelecidas no capítulo 3 da tese foram publicadas como um capítulo
do livro “Handbook of Sensor Networks:
Compact Wireless and Wired Sensing Systems” [Ruiz et al., 2004c].
A visão do
arcabouço é que as RSSFs tornem-se sistemas autonômicos, isto é, sistemas que
gerenciem a si próprios sem intervenção humana direta. Uma RSSF auto-gerenciada é construída a
partir de serviços e funções automáticas de gerenciamento definidas no escopo
da arquitetura MANNA descrita na próxima seção.
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Arquitetura Manna
O
gerenciamento é uma área de pesquisa recém inaugurada
Sendo as
RSSFs dependentes da aplicação, a arquitetura MANNA provê flexibilidade, isto
é, ela permite o gerenciamento de qualquer tipo de RSSF. Com este intuito, a
arquitetura MANNA propõe três arquiteturas de gerenciamento - funcional, física e de informação -
que em seu desenvolvimento e implementação também levam em conta as três
dimensões de gerenciamento descritas na seção anterior. A arquitetura de informação é proposta para
garantir soluções comuns para o gerenciamento através da definição de um modelo
genérico de informação e estratégias
para obter esta informação. O modelo de informação genérico foi publicado em
[Ruiz et al., 2003c]. A arquitetura de informação define dois tipos de
informação para RSSFs, estática (representada através de classes de objetos) e
dinâmica (representada através de modelos de rede que podem ser observados na
figura 2). A arquitetura funcional é
proposta com objetivo de planejar os locais na rede onde as entidades de
gerenciamento (gerentes e agentes) podem ser executadas e por quais serviços e
funções de gerenciamento cada uma delas será responsável. A arquitetura física
descreve as interfaces que podem ser utilizadas para troca de informação entre
as entidades de gerenciamento. Ela não
define ou desenvolve protocolos de comunicação mas sugere quais perfis podem
ser mais adequados ao propósito da solução de gerenciamento. Um estudo sobre arquitetura de nós e
protocolos específicos para RSSFs foi publicado em [Ruiz et al.,2004a].
O capítulo
4 da tese define um esquema para se construir soluções de gerenciamento a
partir da definição de serviços e funções e da utilização de modelos. A figura 2 representa o esquema para a
construção do gerenciamento, iniciando pela definição dos serviços de
gerenciamento que são formados por funções de gerenciamento. As condições para
execução de uma função são obtidas a partir de modelos (também chamados de
mapas), os quais representam o estado da rede sob determinado nível de
abstração. Um serviço de gerenciamento pode utilizar uma ou mais funções de
gerenciamento. Diferentes serviços podem utilizar funções em comum, as quais
utilizam modelos para recuperar um estado da rede, considerando um dado
aspecto. Os serviços e as funções de gerenciamento utilizam e produzem
informação de gerenciamento e podem ser executados de forma manual,
semi-automática ou automática. Neste último caso, quando os serviços de
gerenciamento são executados automaticamente sem intervenção humana, a RSSF
passa a ser um sistema de computação autonômico [IBM, 2003], isto é,
auto-gerenciado.
O capítulo
4 também apresenta uma lista de serviços e funções de gerenciamento obtidas a
partir de esquemas definidos no escopo desta tese. Alguns destes serviços e
funções, assim como estratégias de atualização dos mapas que foram
implementados e testados durante o desenvolvimento da tese. Um esquema para construção e atualização de
mapas para RSSFs planas utilizando algoritmos distribuídos foi publicado em [Silva et al., 2003a].
Outro esquema para atualização de mapa de energia tolerante a falhas e
utilizando métodos de fusão por área foi publicado em [Vieira et al., 2003a].
Além disso, uma função de gerenciamento para identificação de nós redundantes
usando Diagramas de Voronoi foi publicada em [Vieira et al., 2003b]. Um serviço para manutenção da área de
cobertura centralizado foi definido e publicado em [Ruiz et al.,2003a] e outro
foi desenvolvido e publicado em [Siqueira et al., 2004]. Uma função para
deposição eficiente de nós sensores na área monitorada foi desenvolvida e publicada em [Vieira et al., 2004]. Um serviço de auto-configuração usando
políticas de gerenciamento foi publicado em
[Silva et al., 2004].
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Ruiz
Desenvolvendo uma Solução de Gerenciamento para
RSSFs Contínuas
Na seção
anterior descrevemos a arquitetura MANNA e algumas das funções desenvolvidas e
publicadas durante o seu desenvolvimento. Um dos maiores objetivos da
arquitetura MANNA é promover a produtividade dos recursos e a qualidade dos
serviços. No capítulo 5, implementamos e avaliamos alguns serviços automáticos
de gerenciamento de configuração e desempenho propostos pela arquitetura MANNA.
Foram implementadas diferentes configurações de uma RSSF considerando uma
aplicação de coleta e disseminação de dados contínua e os efeitos da solução de
gerenciamento proposta para esta rede. Para isto, consideramos as métricas:
atraso, número de mensagens perdidas, consumo de energia e precisão da
informação. A aplicação escolhida como caso de estudo realiza a monitoração de
temperatura e monóxido de carbono em área urbana. Os resultados mostram as
relações de custo-benefício das diferentes organizações, bem como demonstra que
o gerenciamento pode promover a produtividade dos recursos e controlar
qualidade dos serviços providos. Os resultados também demonstram que o gerenciamento
pode melhorar o desempenho de uma RSSF com várias configurações e fornecer ao
observador informação relevante, sem custo adicional de consumo de energia para
a rede. Os resultados iniciais foram
publicados em [Ruiz et al.,2003e]. Os experimentos foram ampliados e o
resultados publicados em [Ruiz et al.,2004b]. Resultados avaliando o
gerenciamento de serviços foram publicados em [Ruiz et al.,2003a].
Por
ocasião da implementação da tese não haviam nós sensores disponíveis para a
realização de experimentos. Decidimos por realizar simulações. Contudo, nenhuma
ferramenta de simulação específica para RSSFs estava disponível para uso.
Assim, para realizar os experimentos, projetamos e implementamos um módulo de
simulação que estende as funcionalidades da ferramenta Network Simulator (NS-2). Este módulo, chamado MANNASim, foi desenvolvido com auxílio de
dois bolsistas e classificado no Concurso de Trabalhos de Iniciação Científica
da Sociedade Brasileira de Computação 2004 [Braga et al., 2004]. Atualmente, o
MANNASim é um projeto de software livre aprovado pelo CNPq (Processo
401840/2003-4).
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Ruiz
Conclusão
Tal como
definido, alguns princípios nortearam a concepção do arcabouço proposto como
tese, quais sejam: (1) simplicidade, (2) aderência às peculiaridades das RSSFs,
incluindo também o seu dinamismo, e (3) eficácia no uso dos recursos escassos.
Entendemos
que o arcabouço proposto nesta tese [Ruiz, 2003] é uma contribuição relevante para a área [Ruiz
et al., 2004a, Ruiz et al., 2004b, Ruiz et al., 2004c, Ruiz et al., 2004d, Ruiz et al., 2003a, Ruiz et al., 2003b, Ruiz
et al., 2003c, Ruiz et al., 2003d, Ruiz et al., 2003e, Ruiz, 2002, Siqueira et
al., 2004, Loureiro et al., 2003a, Loureiro et al., 2003b, Loureiro et al.,
2002, Vieira et al., 2004, Vieira et al., 2003a, Vieira et al., 2003b, Silva et
al., 2003a, Silva et al., 2003b, Silva et al., 2004, Silva et al., 2004b, Braga
et al., 2004], uma vez que não havia na literatura qualquer proposta
relacionada ao tema gerenciamento integrado de RSSFs. Durante o processo de desenvolvimento muitos desafios foram superados
e muitos ainda prevalecem como trabalhos futuros.
Algumas extensões imediatas já estão sendo desenvolvidas por alunos de
graduação, mestrado e doutorado da Universidade
Federal de Minas Gerais. Atualmente, a arquitetura MANNA é parte do Projeto SensorNet financiado pelo
CNPq (Processo 55.2111/02-3).
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Publicações em RSSFs
Braga, Thais. R., Silva, Fabrício., Ruiz, Linnyer B., e Nogueira, José. M.
S. (2004). Mannasim: Um arcabouço para simulação de redes de sensores sem fio. Revista Eletrônica de Iniciação Científica
da Sociedade Brasileira de Computação, (aceito para publicação na edição de
agosto).
Loureiro, Antonio. A., Nogueira, José M. S., Ruiz,
Linnyer B., e Mini, Raquel. A.
(2002). Rede de sensores sem fio. Pág. 193–234. Capítulo 5 do Livro texto da
XXI Jornada de Atualização em Informática do XXII Congresso da Sociedade
Brasileira de Computação. ISBN: 85-88442-23-X.
Loureiro, Antonio. A., Nogueira, José M. S., Ruiz, Linnyer B., Nakamura, E., Seródio, C.
M., e Mini, Raquel. (2003a). Redes sensores sem fio. Pág. 179–226. Capítulo 4
Livro texto de mini-cursos do XXI
Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores (SBRC). ISBN 85-88442-48-5.
Loureiro, Antonio A., Ruiz, Linnyer B., Franciscani, Fernada P., Couto, Rainer R. P., e
Nogueira, José M. S. (2003b). Middleware para redes de sensores sem fio. Pág.
89–115. Livro texto do IV WTF do XXI
Simpósio Brasileiro de Redes de Computadores (SBRC). ISBN 85-88442-49-3.
Ruiz, Linnyer B. (2002). Manna: Uma
arquitetura para o gerenciamento de redes de sensores sem fio. Relatório
Técnico RT.DCC/UFMG 005/2002, Departamento de Ciência da Computação da
Universidade Federal de Minas Gerais.
Ruiz, Linnyer B. (2003). Manna: Uma arquitetura para gerenciamento de redes de sensores sem fio.
Tese de doutorado, Departamento de Ciência da Computação da Universidade
Federal de Minas Gerais.
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Linnyer B., Braga, Thais. R., Silva, Fabrício, Nogueira, José
M. S., e Loureiro, Antonio A. (2003a). Service management for wireless sensor networks. IEEE
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85-902104-2-1.
Ruiz,
Linnyer B., Nogueira, José M. S., e Loureiro, Antonio A.
(2003b). MANNA: A
management architecture for wireless sensor networks. IEEE Communications
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Ruiz,
Linnyer B., Nogueira, José M. S., e Loureiro, A. A. F. (2003c).
Functional and information models for the manna architecture. GRES03 -
Colloque Francophone sur
Ruiz,
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Última revisão: janeiro de 2004