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Krzysztof Piotrowski

• Wireless sensor networks (WSNs) are built of cheap, resource constraint devices, capable to collect process and communicate data. WSN applications depend on the data they collect. In other words, the applications require the data to be available, even if some WSN nodes fail. The challenge is that nodes are prone to fail and todays WSNs do not provide highly reliable data storage. Thus, the quality of the service provided by the system, regarding the data handling, is one of the most important factors. Data replication increases the availability of the data and thus, the robustness and quality of the data storage. But the existence of several copies of data items in the WSN induces the data consistency to become of high importance in order to ensure proper behavior of the application. This work investigates the feasibility of data consistency models used in distributed shared memory in WSNs to provide more powerful distributed systems with reliable data exchange. As a starting point WSNs and consistency approaches are introduced. BasedWireless sensor networks (WSNs) are built of cheap, resource constraint devices, capable to collect process and communicate data. WSN applications depend on the data they collect. In other words, the applications require the data to be available, even if some WSN nodes fail. The challenge is that nodes are prone to fail and todays WSNs do not provide highly reliable data storage. Thus, the quality of the service provided by the system, regarding the data handling, is one of the most important factors. Data replication increases the availability of the data and thus, the robustness and quality of the data storage. But the existence of several copies of data items in the WSN induces the data consistency to become of high importance in order to ensure proper behavior of the application. This work investigates the feasibility of data consistency models used in distributed shared memory in WSNs to provide more powerful distributed systems with reliable data exchange. As a starting point WSNs and consistency approaches are introduced. Based on those basics, the mechanisms needed to allow for data consistency are discussed as a theoretical framework for the prototypical implementation of a data consistency providing middleware, which was implemented as part of this work. The middleware adapts the mechanisms known from original memory consistency approaches to be usable in the sensor network area and proposes own, low cost mechanisms, as well. The latter are at least partially based on the idea that within the shared memory of WSNs information is the major concern and that by that the replica update rates can be tailored to the application. In order to allow for ease of use of the middleware the replication schemes and consistency mechanisms can be defined by the application engineer as a policy. The latter is transformed and injected into the middleware code by a pre-compiler, so that the application engineer no longer needs to implement replication and consistency mechanisms herself. The most appropriate memory consistency models are implemented and evaluated using the framework proposed in this thesis.…
• Drahtlose Sensornetze (wireless sensor networks, WSN) bestehen aus kostengünstigen, ressourcenbeschränkten Sensorknoten, die zum Sammeln, Verarbeiten und Kommunizieren von Daten geeignet sind. Die Anwendungen drahtloser Sensornetze hängen stark von den zu sammelnden Daten ab. D.h. die Daten müssen im Falle eines möglichen Ausfalls eines einzelnen Sensorknotens trotzdem zur Verfügung stehen. Die Schwierigkeit besteht darin, dass die Knoten fehleranfällig sind und heutige WSN keinen hochverlässigen Datenspeicher zur Verfügung stellen. Somit ist die vom System bereitgestellte Servicequalität bezüglich der Datenbearbeitung einer der wichtigsten Faktoren. Die Replikation der Daten erhöht die Datenverfügbarkeit und damit die Robustheit und Qualität der Datenspeicherung. In WSN existieren mehrere Kopien einzelner Daten, die dazu führen, dass die Konsistenz der Daten von enormer Wichtigkeit ist, um das gewünschte Verhalten der Applikation zu gewährleisten. Diese Arbeit untersucht die Machbarkeit von Modellen bezüglich Datenkonsistenz, welcheDrahtlose Sensornetze (wireless sensor networks, WSN) bestehen aus kostengünstigen, ressourcenbeschränkten Sensorknoten, die zum Sammeln, Verarbeiten und Kommunizieren von Daten geeignet sind. Die Anwendungen drahtloser Sensornetze hängen stark von den zu sammelnden Daten ab. D.h. die Daten müssen im Falle eines möglichen Ausfalls eines einzelnen Sensorknotens trotzdem zur Verfügung stehen. Die Schwierigkeit besteht darin, dass die Knoten fehleranfällig sind und heutige WSN keinen hochverlässigen Datenspeicher zur Verfügung stellen. Somit ist die vom System bereitgestellte Servicequalität bezüglich der Datenbearbeitung einer der wichtigsten Faktoren. Die Replikation der Daten erhöht die Datenverfügbarkeit und damit die Robustheit und Qualität der Datenspeicherung. In WSN existieren mehrere Kopien einzelner Daten, die dazu führen, dass die Konsistenz der Daten von enormer Wichtigkeit ist, um das gewünschte Verhalten der Applikation zu gewährleisten. Diese Arbeit untersucht die Machbarkeit von Modellen bezüglich Datenkonsistenz, welche in verteiltem gemeinsamen Speicher in drahtlosen Sensornetzen verwendet werden, um leistungsstärkere verteilte Systeme mit einem zuverlässigen Datenaustausch bereitzustellen. Zu Beginn werden der Begriff drahtlose Sensornetze und die verschiedenen Konsistenzansätze vorgestellt. Basierend auf diesen Grundlagen werden die Mechanismen, welche zur Datenkonsistenz benötigt werden, vorgestellt und diskutiert. Diese Diskussion dient als theoretischer Rahmen zur prototypischen Implementierung von Datenkonsistenz, die Middleware zur Verfügung stellt. Die Middleware wurde als Teil dieser Arbeit implementiert. Die Middleware adaptiert Mechanismen, bekannt aus den Ansätzen zur Speicherkonsistenz, um sie im Sensornetzbereich nutzbar zu machen und schlägt zusätzlich eigene kostengünstige Mechanismen vor. Letztere basieren zumindest teilweise auf der Idee, dass innerhalb des gemeinsamen Speichers von WSN Nachrichten der Hauptbezugspunkt sind. Die Aktualisierungsraten der replizierten Daten können auf die Anwendung zugeschnitten werden. Um Nutzerfreundlichkeit der Middleware zu erreichen, können die Replikationsschemata und Konsistenzmechanismen vom Anwendungsentwickler als Policy definiert werden. Letzteres wird transformiert und durch einen Pre-Kompiler in den Code der Middleware eingefügt, so dass der Anwendungsentwickler nicht länger Replikations- und Konsistenzmechanismen selbst implementieren muss. Die geeignetsten Speicherkonsistenzmodelle werden unter Nutzung des in dieser Arbeit vorgestellten Frameworks implementiert und evaluiert.…