In-network processing based hardware acceleration for situational awareness

Abstract

Τα Ασύρματα Δίκτυα Αισθητήρων (ΑΣΑ) και το Διαδίκτυο των Πραγμάτων (ΔτΠ) αποτελούν δύο βασικές τεχνολογίες που υιοθετούνται στα συστήματα επίγνωσης κατάστασης (situation awareness). Οι σημερινές τεχνολογίες επίγνωσης κατάστασης μετατοπίζονται από τα παραδοσιακά μεγάλα κέντρα διοίκησης και ελέγχου σε μικρές ομάδες που εργάζονται με ένα κατανεμημένο τρόπο όπου και υιοθετούνται διάφορες τεχνικές της Επιστήμης της Πληροφορίας. Η συλλογή δεδομένων σε κεντρικές βάσεις όπως χρησιμοποιούνται σε τυπικά ΑΣΑ για την παρακολούθηση φαινομένων, δημιουργεί δυνητικά σημεία συμφόρησης και προσφέρει περιορισμένη ανθεκτικότητα. Η επικοινωνία σε πραγματικό χρόνο αποτελεί μια απαίτηση ώστε τα δεδομένα να παραδοθούν εγκαίρως ενώ ταυτόχρονα θα αποτελούν μια προσαρμοσμένη πληροφορία στις ανάγκες των εφαρμογών με απώτερο στόχο την ελαχιστοποίηση των καθυστερήσεων και την εξάρτηση από την κεντρική υποδομή.Σε αυτή την έρευνα, προτείνεται ένα υπολογιστικό πλαίσιο επεξεργασίας εντός δικτύου (In-Network Processing), το οποίο βελτιώνει σταδιακά τις συλλαμβανόμενες πληροφορίες ενώ τις μετακινεί προς τις εφαρμογές. Η τελειοποίηση της επεξεργασίας μπορεί να προχωρήσει από το σημείο της παρακολούθησης των δεδομένων προς την παραγωγή γνώσης μέσω της χρήσης πρωτογενών δεδομένων ή ακόμη και των αποτελεσμάτων μιας τεχνικής σύντηξής τους. Το προτεινόμενο σύστημα βασίζεται σε ένα εξελιγμένο σύστημα επεξεργασίας εντός δικτύου το οποίο βελτιώνει σταδιακά την εξαγωγή της γνώσης. Με αυτή τη διαδικασία, το πρόβλημα της κλιμάκωσης αντιμετωπίζεται πολύ πιο αποτελεσματικά μέσω μιας κατάτμησης και εκμετάλλευσης των διαθέσιμων πόρων.Η ενέργεια είναι ο κυρίαρχος περιορισμός στη μελέτη μας λόγω του γεγονότος ότι οι ποσότητες πληροφοριών είναι πολύ μεγάλες και οι αλγόριθμοι επεξεργασίας είναι αρκετά πολύπλοκοι. Η επεξεργασία στο δίκτυο είναι μια χρήσιμη τεχνική η οποία μπορεί να βοηθήσει προς την κατεύθυνση της μείωσης της απαιτούμενης ενέργειας. Τα στοιχεία που εκτελούνται στους κόμβους του δικτύου είναι δομημένα κατάλληλα έτσι ώστε να μεταβιβάζουν τις απαιτητικές επεξεργασίες σε κάποιο επιταχυντή επί της συσκευής. Το βασικό πρόγραμμα εκτελείται στην κεντρική μονάδα επεξεργασίας η οποία μπορεί υιοθετεί τις δυνατότητες του επιπλέον επεξεργαστή. Η χρήση ειδικού υλικού system-on-chip (SoC) που μπορεί να υιοθετηθεί για την υπολογιστική επιτάχυνση όπως μια κεντρική μονάδα επεξεργασίας (CPU), ενός ψηφιακού επεξεργαστή σήματος (DSP) ή προγραμματιζόμενων συστοιχιών πυλών πεδίου (FPGA) είναι επιθυμητή. Αυτό το επιταχυνόμενο υλικό υποστηρίζει μνήμη on-chip που καθορίζεται από το λογισμικό, η οποία επιταχύνει την προηγμένη επεξεργασία με ελάχιστη δαπάνη ενέργειας. Στην παρούσα μελέτη ενσωματώθηκε η δυνατότητα επεξεργασίας ορισμένου λογισμικού εντός δικτύου (ISDP) που επιτρέπει τη δυναμική αναδιάταξη της τοπολογίας του δικτύου. Πρόκειται για το πλεονέκτημα του δικτύου να διαθέτει αξιόπιστη και ολοκληρωμένη συνδεσιμότητα από άκρο σε άκρο. Ωστόσο, ακόμη και όταν το δίκτυο δεν είναι πλήρως συνδεδεμένο, το σύστημα μπορεί να λειτουργήσει ως αγωγός πληροφορίας είτε με κενά συνδεσιμότητας είτε με τη διανομή πληροφοριών από το χώρο του δικτύου.Για την αποτίμηση των αποτελεσμάτων, θεωρήσαμε ένα πραγματικό έργο συντήρησης σε ανιχνευτή ATLAS στο Ευρωπαϊκό Κέντρο Πυρηνικών Ερευνών (CERN). Οι προκλήσεις εστιάζονται στην μετάδοση δεδομένων σε πραγματικό χρόνο, στη στιγμιαία ανάλυση των δεδομένων που προέρχονται από διαφορετικές εισόδους, στην εφαρμογή ευφυών μοντέλων σε χαμηλής ισχύος ενσωματωμένα συστήματα, στην αλληλεπίδραση με πολλαπλούς χρήστες, σε πολύπλοκες διασυνδέσεις καθώς και σε θέματα διαμόρφωσης και φορητότητας. Έχει αναπτυχθεί ένα ολοκληρωμένο πρωτότυπο σύστημα με σύστημα διαχείρισης πληροφοριών που βασίζεται σε αυξημένη και εικονική πραγματικότητα (Augmented Reality). Η συνεργατική εκτέλεση επεξεργασιών στους κόμβους του δικτύου παρέχει επίσης χώρο για τη διαμόρφωση του συστήματος και βελτιώνει την ασφάλεια και την ιδιωτικότητα του δικτύου.Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας είναι ενδιαφέροντα για την επιστημονική και βιομηχανική κοινότητα και είναι πολύ ελκυστικά για το ευρύ κοινό. Η έρευνα θα είναι χρήσιμη σε φοιτητές καθώς και ερευνητές. Θα μπορεί να υποστηρίξει τους τομείς των συστημάτων στήριξης αποφάσεων επί των συσκευών και της επίγνωσης πλαισίου και κατάστασης. Τα επιτευχθέντα αποτελέσματα μπορούν να ασκήσουν επιρροή στην περαιτέρω βελτιστοποίηση της αρχιτεκτονικής της επεξεργασίας στο δίκτυο για τον έμμεσο παραλληλισμό. Η έρευνα ασχολείται με διάφορες επιταχυνόμενες λύσεις υλικού-λογισμικού χαμηλής ισχύος για τη διαδικασία της επεξεργασίας μέσα στο δίκτυο. Ωστόσο, υπάρχουν αρκετά ζητήματα που πρέπει να αντιμετωπιστούν για να μπορέσει να προσφέρει μια ασφαλή επικοινωνία μέσω ασύρματων δικτύων αισθητήρων. Άλλα σημαντικά χαρακτηριστικά αφορούν, για παράδειγμα, στη διαλειτουργικότητα μεταξύ των διαφόρων ασύρματων συστημάτων, στη διαθεσιμότητα και την ικανοποίηση των εγγυήσεων σε πραγματικό χρόνο, όπου η καθυστέρηση είναι μια σημαντική παράμετρος στην οποία θα πρέπει να δοθεί προσοχή. Τα ζητήματα αυτά αποτελούν τις μελλοντικές προεκτάσεις της παρούσας έρευνας.