Enabling Dependable Communication in Cyber-Physical Systems with a Wireless Bus

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1 Diss. ETH No Enabling Dependable Communication in Cyber-Physical Systems with a Wireless Bus A dissertation submitted to ETH Zurich for the degree of Doctor of Sciences presented by FEDERICO FERRARI M.Sc. ALaRI, USI born January 6, 1981 citizen of Italy accepted on the recommendation of Prof. Dr. Lothar Thiele, examiner Prof. Dr. Prabal Dutta, co-examiner Prof. Dr. Luca Mottola, co-examiner 2013

2 Abstract Cyber-physical systems (CPSs) are physical and engineered systems believed to radically transform how we interact with the physical world. By tightly integrating computation, low-power wireless communication, and physical processes, these systems realize safety-critical control loops with physical processes affecting computation and vice versa in scenarios where traditional systems are hardly applicable. Potential CPS applications include healthcare, factory automation, and smart structures. The safety-critical nature of most CPS applications demands highly dependable system operation. However, it is currently not possible to apply to cyber-physical systems established concepts for the design and validation of dependable distributed systems. These concepts require guarantees (e.g., on message delivery orderings) that existing CPS communication protocols do not provide. It is indeed extremely challenging to guarantee message delivery in low-power wireless networks, due to, for example, severe computation and memory constraints of typical CPS embedded devices, multi-hop wireless communication, and the need of satisfying also requirements on energy efficiency. State-of-the-art solutions try to overcome these challenges by involving in the exchange of messages as few nodes as possible, but they typically operate only in a best-effort manner. By contrast, we conjecture in this thesis that it is possible to enable dependable yet efficient communication in cyber-physical systems by employing a wireless bus a time-triggered communication infrastructure where, similar to protocols for (wired) safety-critical embedded systems, nodes are time-synchronized and communicate as if they were connected by a shared bus. In particular, we implement three main building blocks contributing towards a dependable wireless bus: We design Glossy, a flooding architecture that provides fast and highly reliable one-to-all communication in multi-hop low-power wireless networks, while also accurately time-synchronizing all devices. Glossy exploits synchronous transmissions of the same packet, and does not require nodes to maintain any knowledge of the network topology. Experimental results from three testbeds show that Glossy delivers messages within a few milliseconds and with probabilities above % in most scenarios, while also providing global time synchronization with sub-microsecond accuracy.

3 ii Abstract We present the Low-Power Wireless Bus (LWB), a wireless bus that maps all traffic demands on Glossy floods and globally schedules every flood, thus effectively turning a multi-hop wireless network into an infrastructure similar to a shared bus where all nodes are potential receivers of all data. Therefore, LWB inherently supports one-to-many, many-to-one, and many-to-many traffic without keeping any topology-dependent state at the nodes. Results from four testbeds show that LWB performs comparably or significantly better than seven state-of-the-art many-to-one and many-to-many protocols, adapts efficiently to traffic loads and network topologies varying over time, ensures fair bandwidth allocation, and supports mobile nodes without performance loss. We finally verify the validity of our conjecture by developing Virtus, a wireless bus that extends LWB s best-effort operation and provides virtual synchrony guarantees. By implementing atomic multicast and view management, Virtus ensures that non-faulty nodes see the same events in the same order despite possible communication failures or node crashes. Virtually-synchronous executions allow to apply to cyber-physical systems established methods for fault tolerance based on replication techniques. Testbed results show that Virtus implements virtual synchrony at a marginal cost compared with LWB, and is significantly more energy-efficient than existing best-effort multicast protocols for low-power wireless networks.

4 Sommario Si ritiene che i sistemi ciber-fisici (CPSs) possano cambiare radicalmente il modo in cui interagiamo con il mondo fisico intorno a noi. Integrando in modo stretto computazione, comunicazione senza fili a bassa potenza e processi fisici, questi sistemi realizzano circuiti di controllo critici per la sicurezza, dove processi fisici e computazione si influenzano a vicenda, e in situazioni in cui sistemi più tradizionali sono difficilmente applicabili. Possibili applicazioni CPSs includono assistenza sanitaria, automazione industriale e strutture intelligenti. Poiché la maggior parte delle applicazioni CPSs sono critiche per la sicurezza, è fondamentale che questi sistemi funzionino in modo affidabile. Tuttavia, non è al momento possibile applicare ai sistemi ciberfisici concetti consolidati per la progettazione e la validazione di sistemi distribuiti affidabili. Questi concetti richiedono garanzie (per esempio sulla consegna ordinata dei messaggi) che i protocolli di comunicazione esistenti non forniscono. È infatti estremamente arduo garantire la consegna di messaggi in reti senza fili a bassa potenza, per esempio a causa della limitata capacità di computazione e di memoria dei sistemi embedded (incorporati) tipici dei CPSs, dell uso di comunicazione senza fili di tipo multi hop (multi salto) e della necessità di soddisfare anche requisiti di efficienza energetica. Le soluzioni attuali cercano di superare questi ostacoli coinvolgendo nello scambio di messaggi il minor numero possibile di nodi, ma solitamente operano solo in modalità best effort (senza garanzie). In questa tesi ipotizziamo che è invece possibile ottenere una comunicazione affidabile oltre che efficiente nei sistemi ciber-fisici utilizzando un wireless bus (bus senza fili) un infrastruttura time triggered (attivata dall avanzare del tempo) dove, similmente a protocolli per sistemi embedded cablati critici per la sicurezza, i nodi sono sincronizzati e comunicano come se fossero collegati da un unico bus condiviso. In particolare, implementiamo tre mattoni principali che concorrono a realizzare un wireless bus affidabile: Ideiamo Glossy, un architettura flooding (per l inondazione di pacchetti) che consente ad un nodo di distribuire pacchetti in modo veloce ed altamente affidabile a tutti gli altri nodi di una rete senza fili a bassa potenza e multi hop, oltre a sincronizzare accuratamente tutti i dispositivi. Glossy sfrutta trasmissioni contemporanee dello

5 iv Sommario stesso pacchetto e non richiede che i nodi abbiano alcuna conoscenza della topologia della rete. Esperimenti su tre testbeds (banchi di prova per reti senza fili) mostrano che nella maggior parte dei casi Glossy consegna messaggi entro pochi millisecondi e con probabilità maggiori del %, fornendo anche una sincronizzazione globale con una precisione al di sotto del microsecondo. Presentiamo il Low-Power Wireless Bus (LWB), un wireless bus che usa Glossy per tutte le comunicazioni e che pianifica in modo globale ogni scambio di messaggi, trasformando di fatto una rete di comunicazione senza fili e multi hop in un infrastruttura simile ad un bus condiviso. LWB perciò supporta intrinsecamente traffico di tipo uno-verso-tutti, tutti-verso-uno e tutti-verso-tutti senza dover mantenere nessun tipo di stato che dipenda dalla topologia della rete. Esperimenti su quattro testbeds mostrano che LWB ha prestazioni simili o molto migliori di sette protocolli esistenti di tipo tutti-verso-uno e tutti-verso-tutti, si adatta in modo efficiente a carichi di traffico e topologie di rete variabili, assicura un allocazione equa della banda e supporta nodi mobili senza perdita di prestazioni. Verifichiamo la validità della nostra ipotesi sviluppando Virtus, un wireless bus che estende la modalità best effort di LWB e fornisce garanzie di virtual synchrony (sincronia virtuale). Implementando atomic multicast e view management, Virtus assicura che i nodi non guasti vedano gli stessi eventi nello stesso ordine, nonostante possibili mancate ricezioni o crash di nodi. Esecuzioni di tipo virtual synchrony permettono di applicare ai sistemi ciber-fisici metodi consolidati per la tolleranza ai guasti basati su tecniche di replicazione. Esperimenti su testbeds mostrano che Virtus implementa virtual synchrony con un costo marginale rispetto a LWB ed è sensibilmente più efficiente di protocolli multicast e best effort per reti senza fili a bassa potenza.

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