WSN jako glob ální deduktivní databáze

1. WSN jako globální deduktivní databáze Petr Sobotka - DJ2, 5.4.2011

2. Osnova • WSN – popis problému • Existující řešení a návrhy • Popis nového návrhu • První testy a měření • Shrnutí a závěr WSN jako glob. deduktivní DB

3. WSN • Wireless Sensor Network • Síť z (mnoha) zařízení se senzory a vstupního uzlu WSN jako glob. deduktivní DB

4. WSN • Senzorové uzly • Poskytují různá data, z různých lokalit • Propojeny do jedné sítě bezdrátově (často špatně dostupná umístění) • Nemívají k dispozici mnoho energie – třeba šetřit! • Přes vstupní uzel se lze dotazovat na data celé sítě – navenek se WSN tváří jako DB • Např.: Oblasti, kde je teplo a přitom není vlhko. WSN jako glob. deduktivní DB

5. WSN • Mnoho využití • Sledování počasí (teplota, vlhkost, tlak,…) • Vojenské či bezpečnostní • Měření seismické činnosti, hurikánů, stavu vody v řece… • Výroba (stav zásob, opotřebení strojů, …) • Chytrá elektronika, košíky v obchodech,… • … WSN jako glob. deduktivní DB

6. WSN jako relační DB • Projekt Cougar (Cornell University) • První abstrakce WSN jako relační DB • Dotaz varianta SQL • Zajímavý nápad: přesun dotazů na samotné uzly • Uzlů mnoho – centrálně drahé a ne vždy proveditelné • Projekt Directed Diffusion (USC) WSN jako glob. deduktivní DB

7. WSN jako relační DB • TinyDB • Nástupce Cougar a Directed Diffusion • Distribuovaná na jednotlivé uzly (zrnka, motes) • Rozhraní obdoba SQL či deklarativně • Dokáže vyhodnocovat dotazy přes více uzlů, více zároveň • Spravuje topologii sítě • Agregace dat, cache – úspora energie • Běží nad TinyOS • OS pro malá bezdrátová zařízení • Nízké energetické nároky • Zadarmo (BSD licence) • Netriviální použití WSN jako glob. deduktivní DB

8. WSN jako relační DB • Nevýhody ex. relačních řešení: • Slabší vyjadřovací schopnost dotazu oproti deklarativním DB • Obtížná práce globálně (přes více atributů různých uzlů) • Data vázána k jednotlivým uzlům – musí se projít a agregovat • Neimplementují rekurzivní dotazy • Nepodporují logické dotazy WSN jako glob. deduktivní DB

9. WSN jako deduktivní DB • Lepší vyjadřovací schopnost, rekurzivní dotazy • Datalog – oblíbený jazyk na kladení dotazů nad deduktivní DB • Snlog • Dialekt Datalogu vyvinutý pro WSN • Ale deklarativní charakter • Pro Low-level programátory • Dotazy lokálně + musí se řešit síťové detaily a protokoly WSN jako glob. deduktivní DB

10. Příklad dotazů v Datalogu maTepleMisto(OblastID):- teplota(UzelID, Teplota),Teplota > 25,oblast(UzelID, OblastID). nebezpeci(OblastID) :- teplota(UzelID, T), T > 42, oblast(UzelID, OblastID). nebezpeci(OblastID) :- vlhkost(UzelID, H), H < 40, oblast(UzelID, OblastID), soused(OblastID, SousOblast),nebezpeci(SousOblast). WSN jako glob. deduktivní DB

11. WSN jako glob. deduktivní DB • Celá WSN je jedna velká deduktivní DB • Nahrazení TinyDB vlastní LogicQ • Původní způsoby zpracování dotazů pro deduktivní DB nebyly vytvořeny pro WSN • Typy zpracování dotazů • Prologové (Prologue + DB) • Shora dolů • Zdola nahoru WSN jako glob. deduktivní DB

12. WSN jako glob. deduktivní DB • V klasických deduktivních DB často preferován způsob „zdola nahoru“ • Ale ve WSN máme v každém uzlu lokální data a posílat je všechny „nahoru“ pro každý dotaz by bylo drahé • Použití způsobu „Shora dolů“ • Šlo by omezit, ze kterých uzlů data chceme • Např. potvrzení faktu stačí od jednoho uzlu • Vhodné pro rekurzivní dotazy • Neměnné fakty lze cachovat centrálně • Výsledky poddotazů lze využít pro filtraci následujících WSN jako glob. deduktivní DB

13. Příklad použití výsledků předchozích poddotazů horkyObjekt(ObjektID, OblastID):- detekuje(ObjektID, OblastID), teplota(ObjektID, T), T > 50 • Dotaz ?-horkyObjekt(X,oblast70) • Odešle se detekuje(ObjektID, oblast70) a na to odpoví jen relevantní část uzlů (nagativní mlčí) = uzly z oblasti 70 • Každý získaný ObjektID se pak dá do teplota(…,T) • Dokonce můžeme ještě dříve použít T > 50 a brát jen ty uzly WSN jako glob. deduktivní DB

14. LogicQ • Namísto TinyDB poběží LogicQ na každém uzlu (nad TinyOS) • Predikáty spojené s funkcí sensorů jsou zadány při instalaci • např. teplota(Uzel1, T) – senzor dá do T naměřenou hodnotu • Vyhodnocovač dotazů („nahoře“) má dáno, co poslat jako poddotazy „dolů“ (~iniciální pravidla v log. programování) • Při startu se sestaví Směrovací strom • Kořen je vstupní uzel • Každý (kromě kořene) uzel má jen jednoho otce • Slouží k jednoduchému přeposílání dotazů dle potřeby (pokud již uzel výše ve stromu sám neuspokojí) WSN jako glob. deduktivní DB

15. LogicQ • Rozlišovány 2 typy poddotazů: • Ověření faktu • detekuje(nádrž1, oblast70) – true/false • Lze splnit dříve než poslánio všem uzlům • Získání všech splněných predikátů • detekuje(X, oblast70) – nádrž1, nádrž2, nádrž8, … • Musí se poslat všem uzlům (které zatím nevyloučeny) WSN jako glob. deduktivní DB

16. LogicQ • Pseudokód vyhodnocování poddotazů: If (typ == overeni) { if (splnenoLokalne) posliNahoru(true); else posliDotazDetem; } Else //typ == ziskani všech splnenych { posliDotazDetem; if (necoLokalneSplnuje) posliNahoru(MnozinaSplnujici); } WSN jako glob. deduktivní DB

17. První měření LogicQ • Pomocí TOSSIM (TinyOS Simulator) • Předpokládáno spolehlivé spojení • Měřené metriky: • Úplnost (# získaných odpovědí / # vzniklých) • Přesnost (# relevantních odpovědí / # získaných) • Nákladnost (na energii, jako počet posílaných zpráv) • Měřeno vůči standardní metodě „zdola nahoru“ WSN jako glob. deduktivní DB

18. První měření LogicQ • LogicQ dosáhl 100% přesnosti za téměř 100% úplnosti a nákladech ve většině případů nižší než při použití metody „zdola nahoru“ • Úplnost měla drobné ztráty v důsledku zahlcení, avšak díky menšímu počtu poslaných zpráv k jevu docházelo méně často než ve druhém případě • Při narůstajícím počtu uzlů se rozdíl v nákladech snižoval, jelikož naivní implementace LogicQ posílá při bindingu zprávu pro každou hodnotu zvlášť WSN jako glob. deduktivní DB

19. Shrnutí • WSN jedna velká deduktivní DB • Logická pravidla i dotazy snadno zadatelná přes všechny uzly (globálně) • Podpora rekurzivních dotazů • Optimalizace • Dřívějším bindingem / splněním dříve • Nedostatky (zatím) • Naivní implementace dřívějšího bindování (jednotlivě a ne jako množiny – vícekrát posláno) • Není navrhnuté řízení zahlcení WSN jako glob. deduktivní DB

20. Závěr • Jedná se zatím jen o první pokusy nového řešení • Na rozdíl od TinyDB, která je již řadu let úspěšně používaná • Poskytuje ovšem již nyní směr vývoje WSN, který by mohl v řadě případů být lepším než stávající řešení WSN jako glob. deduktivní DB

21. Zdroje • A System for Using Wireless Sensor Networks as Globally Deductive Databases • Supasate Choochaisri, Chalermek Intanagonwiwat, wimob, pp.649-654, 2008 IEEE International Conference on Wireless & Mobile Computing, Networking & Communication, 2008 • http://www.cs.cornell.edu/bigreddata/cougar • http://telegraph.cs.berkeley.edu/tinydb/ • http://www.tinyos.net/ • http://en.wikipedia.org WSN jako glob. deduktivní DB