Ulrich Gabor, Christoph Borchert€¦ · Software ubiquitärer Systeme: 3. Übung 4...

Software ubiquitärer Systeme

Übung 3: CiAO/IP

http://ess.cs.tu-dortmund.de/DE/Teaching/SS2016/SuS/

Ulrich Gabor, Christoph Borchert

http://ess.cs.tu-dortmund.de/~ug

AG Eingebettete SystemsoftwareInformatik 12, TU Dortmund

Software ubiquitärer Systeme: 3. Übung 2

Inhalt● Internet in ubiquitären Systemen

● CiAO/IP


Internet in ubiquitären Systemen● TCP/IP ist de-facto Standard für Datenübertragung

– Geeignet für ubiquitäre (eingebettete) Systeme?


Herausforderungen● Verschiedenste Anforderung müssen erfüllt werden

– Unterschiedliche Hardware (Microcontroller)● Unterschiedliche Netzwerke (Ethernet, WLAN, GSM, Bluetooth, LTE, …)● Wenig Speicher verfügbar (z.B. die 32 KiB unseres MSP430)

– Unterschiedliche Anwendungen● Voice-over-IP: Geringe Latenz, Quality-of-Service● Video Streaming: Hoher Durchsatz● E-Mail: Zuverlässiger Datentransfer● …

● Statische Konfigurierbarkeit (zur Compile-Zeit) erforderlich– TCP/IP als Software-Produktlinie


TCP/IP in Linux● Geringe statische Konfigurierung des TCP/IP-Stacks

– Hoher Speicherbedarf: > 240 KiB

TCP/IP Networking (IPv4)The IPv6 Protocol

IPv6: IPSecIP: IPSec

IP: Multicast RoutingIP: Multicasting (IGMP)

0

50

100

150

200

250

300

”size arch/x86/boot/compressed/vmlinux.bin”


uIP – Micro IP [1]● Minimale TCP/IP Implementierung

– Ethernet, ARP, IPv4, TCP (nicht konfigurierbar)● Kein Sliding Window, Keine Übertragungswiederholung

– Wenig Konfigurierungsmöglichkeiten– Ausgelegt auf minimale Codegröße

● ca. 2800 LOC● ca. 5-10 KiB Codegröße


lwIP – lightweight IP [1]● Teilweise konfigurierbar (und mehr Funktionalität als uIP)

– Codegröße: 7-40 KiB

● Parallel zu uIP entwickelt (vom selben Autor)

TCP


State-of-the-Art TCP/IP Stacks● Linux

– Geringe statische Konfigurierung des TCP/IP-Stacks ● Hoher Speicherbedarf: > 240 KiB

● micro-IP (uIP)– Wenig Konfigurierungsmöglichkeiten

● Codegröße: 5-10 KiB

● lightweight IP (lwIP)– Teilweise konfigurierbar

● Codegröße: 7-40 KiBWarum nicht feingranular konfigurierbar?Warum nicht feingranular konfigurierbar?


switch (IPH_PROTO(iphdr)) {#if LWIP_UDP case IP_PROTO_UDP:#if LWIP_UDPLITE case IP_PROTO_UDPLITE:#endif /* LWIP_UDPLITE */ snmp_inc_ipindelivers(); udp_input(p, inp); break;#endif /* LWIP_UDP */#if LWIP_TCP case IP_PROTO_TCP: snmp_inc_ipindelivers(); tcp_input(p, inp); break;#endif /* LWIP_TCP */#if LWIP_ICMP case IP_PROTO_ICMP: snmp_inc_ipindelivers(); icmp_input(p, inp); break;#endif /* LWIP_ICMP */#if LWIP_IGMP

lwip-1.3.2/src/core/ip.c

Konfigurierbarkeit in lwIP● Etwa 50 Präprozessor-

Anweisungen pro

Merkmal



Anweisungen pro

Merkmal



UDP



Anweisungen pro

Merkmal



UDP

UDP

Lite



Anweisungen pro

Merkmal



UDP

UDP

UDP

Lite



Anweisungen pro

Merkmal



TCP

UDP

UDP

UDP

Lite



Anweisungen pro

Merkmal



TCP

UDP

ICMP

UDP

UDP

Lite





Anweisungen pro

Merkmal

→ “#ifdef Hölle”

TCP

UDP

ICMP

UDP

UDP

Lite

MP


tcp_in.c

etharp.c

etharp.h

icmp.cinet.c

inet_chksum.c

inet.hip_addr.h

ip.c

ip_frag.c

ip.h

tcp.c

tcp.h

tcp_out.c

udp.c

Feature-Implementierung in lwIP● Konvertierung der Paket-Header zur Network Byte Order

– Konfigurierbar durch #define (htons, ntohs, htonl, ntohl)

Files of lwIP


tcp_in.c

etharp.c

etharp.h

icmp.cinet.c

inet_chksum.c

inet.hip_addr.h

ip.c

ip_frag.c

ip.h

tcp.c

tcp.h

tcp_out.c

udp.c

Feature-Implementierung in lwIP● Konvertierung der Paket-Header zur Network Byte Order

– Konfigurierbar durch #define (htons, ntohs, htonl, ntohl)– 210 Code-Einfügungen, verteilt über 15 DateienFiles of lwIP


State-of-the-Art TCP/IP Stacks (2)● #ifdef-basierte Konfigurierung skaliert nicht

– Hunderte von #ifdef-basierten Bugs in Linux [2]– “problems induced by “#ifdef-hell” grow more than linearly” [2]

● TCP/IP Stacks vermeiden feingranulare Konfigurierbarkeit– Quellcode soll wartbar/verstehbar sein– „Zufällige“ Auswahl von Protokollfeatures wird implementiert

● Häufig suboptimale Auswahl


Inhalt● Internet in ubiquitären Systemen

● CiAO/IP


Der CiAO/IP Ansatz● Jedes Merkmal ist optional

– Keine festgelegten Merkmale


Concern Impact Analysis (Iterativ) Merkmale und Abhängigkeiten identifizieren

Analyse der Interaktionen zwischen diesen Merkmalen

Entwurf der Software-Architektur

Specification(RFCs)

ExpertKnowledge

ConcernHierarchy

DesignPrinciples

FeatureModelling

ImpactAnalysis

Design

Explicit Features

Internal Features

1 2 3

1

2

3





Specification(RFCs)

ExpertKnowledge

ConcernHierarchy

DesignPrinciples

FeatureModelling

ImpactAnalysis

Design

Explicit Features

Internal Features

1 2 3

1

2

3


Merkmalmodellierung● Beispiel: Das Internet Protocol (IP)

– Ausgangspunkt: Spezifikation (z.B. RFC1122)● MUST, SHOULD, MAY





Specification(RFCs)

ExpertKnowledge

ConcernHierarchy

DesignPrinciples

FeatureModelling

ImpactAnalysis Design

Explicit Features

Internal Features

1 2 3

1

2

3


Concern Impact AnalysisEinfügung:

Erweiterung:

Modifikation:

● Basis: min. eine

Einfügung

● Benutzt: min. eine

Erweiterung

● Querschneidend:

viele Modifikationen

AP

IS

tate

Eve

nts


Concern Hierarchy● Basismerkmale → Klassen (hier Rechtecke)● Benutzt-Hierarchie → Abgeleitete Klassen● Querschneidende Merkmale → Aspekte (hier abgerundet)





Specification(RFCs)

ExpertKnowledge

ConcernHierarchy

DesignPrinciples

FeatureModelling

ImpactAnalysis

Design

Explicit Features

Internal Features

1 2 3

1

2

3


① Minimale Erweiterungen● Inkrementeller Systementwurf

– Beginnend mit minimaler Merkmal-Teilmenge




● Querschneidende Merkmale werden Aspekte




● Querschneidende Merkmale werden Aspekte– Ermöglicht feingranulare Konfigurierbarkeit


② Upcall Dispatcher Hierarchy● Modulares Demultiplexing von empfangenen Paketen



– Jeder Protokol-Handler zapft upcall()-Funktionen an● Und fügt upcall()-Funktionen für höhere Schichten hinzu


③ Sichtbare Übergänge● Systemstrategien explizit machen

– Durch eindeutige Benennung von C++ Klassen und Funktionen– Erleichtert spätere Anwendung von AOP


③ Sichtbare Übergänge● Aspekt zur Konvertierung zur Network Byte Order


➃ Lose Kopplung● Durch Selbstintegration von Komponenten

– CiAO/IP-Stack kennt die Gerätetreiber nicht● Stattdessen rufen diese einen expliziten JoinPoint auf (ready())

– Aspekt meldet die Gerätetreiber am CiAO/IP-Stack an● Gerätetreiber können leicht weggelassen werden


Was bringt die Konfigurierbarkeit?● Auf verschiedenen Systemen?

8-bit AVR128 KiB ROMSub GHz Radio

16-bit MSP43032 KiB ROMSub GHz Radio

32/64-bit Intel/AMD4 GiB RAMGbit Ethernet


Energieverbrauch (8-bit AVR)● 32 kB Firmware-Update über TCP

– B-MAC link layer (25 ms LPL)

● Erklärung– uIP: RTT-Estimation ist Vielfaches von 500 ms (Relikt aus 4.3 BSD)


Zusammenfassung● Internet & ubiquitäre Systeme

– Herausforderung: verschiedenste Anforderungen

● Ansätze– uIP/lwIP: Effizienzprobleme durch mangelnde Flexibilität

● Mögliche Lösung– Software-Produktlinie, wie z.B. CiAO/IP


Referenzen1. Adam Dunkels: „Full TCP/IP for 8-Bit Architectures“

In Proceedings of the first international conference on mobile applications, systems and services (MOBISYS 2003), San Francisco, May 2003

2. R. Tartler et al. Feature Consistency in Compile-Time-Configurable System Software: Facing the Linux 10,000 Feature Problem. In EuroSys '11, pages 47–60, April 2011.

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