Resilient real-time wireless communications

Abstract

O uso de meios de comunicação sem fios está a tornar-se cada vez mais presente em nosso dia a dia, a invadir a esfera dos ambientes com restrições espaciais e temporais severas. Em meio às necessidades de realizar operações computacionais em um ambiente crítico, onde a corretude dos resultados obtidos obedece restrições impostas nos domínios do espaço e tempo, redes de comunicação têm fundamental contribuição no suporte à operação de sistemas distribuídos de tempo-real, compostos por diferentes partes a cooperar na direção de um objetivo comum. O simples ato de transmitir uma mensagem torna-se um requisito; a necessidade de garantir a transmissão e recepção da(s) trama(s) que levam o seu conteúdo até o destino esperado, uma obrigação; e a capacidade de estabelecer uma rede de computadores como um dos pilares de sustentação de uma operação confiável e pontual de todas as partes envolvidas, essencial. Das redes cabeadas pode-se extrair uma vasta experiência na lida com dificuldades observadas durante, e.g., a transmissão/recepção de dados; desde a perda de tramas até a presença de períodos de inacessibilidade, a afetar a operação da rede em ambos os seus domínios de dados e controle. Entretanto, as mesmas estratégias utilizadas nas redes cabeadas não podem ser aplicadas diretamente nas redes sem fios, onde o meio de comunicação é aberto, partilhado e mais susceptível às dificuldades impostas pela mobilidade dos nós da rede. Mesmo o 5G?uma das mais recentes tecnologias de comunicação sem fios?e suas evoluções possuem inconsistências e limitações quando as propriedades de confiança no funcionamento e pontualidade do sistema de comunicação tornam-se os principais requisitos desejados. Evolução na oferta e garantia das referidas propriedades, e tudo que envolve o aumento da confiança no funcionamento da rede, é o que a comunidade científica está urgentemente à espera no domínio das redes sem fios. Logo, de forma a suprir a necessidade de uma rede sem fios que possa oferecer um serviço com alto grau de confiança no seu funcionamento, esta tese de doutorado apresenta uma forma inovadora onde o desenho de sistemas de comunicação é realizado sob uma perspectiva invertida, a tornar as camadas mais baixas da rede extremamente confiáveis, e como consequência, a simplificar os protocolos e aplicações como resultado do uso de um serviço de rede mais robusto e confiável. A garantia da corretude dos resultados obtidos com o uso desta perspectiva invertida é assegurada pela primeira contribuição apresentada por esta tese de doutorado, um teorema poderoso e simples chamado de Teorema da Inacessibilidade. É por meio deste teorema que pode-se descrever o comportamento temporal das comunicações de forma simples e intuitiva, a permitir que esta tese de doutorado vá além de tudo que existe no domínio das redes sem fios aplicadas aos ambientes de restrições espaciais e temporais severas. É sabido que o foco deste trabalho é a garantia, e eventualmente o aumento, da confiança no funcionamento da rede de comunicação sem fios, a ter o seu desempenho como um objetivo secundário, e portanto, a implicar na apresentação do que chamou-se de Princípios de Comunicação de Alta Confiabilidade (TWCPs), a definir três regras fundamentais e centrais ao fornecimento da segunda contribuição desta tese de doutorado chamada de Alta Confiabilidade de Comunicação Sobre o Ar (TOTA). O conceito de TOTA tem quatro pilares fundamentais: confiança no funcionamento, determinismo, durabilidade, e previsibilidade. Estes pilares sustentam e ajudam a pavimentar o caminho para sedimentar o que o autor desta tese de doutorado chama de Comunicações Resilientes de Tempo-Real sobre Redes Sem Fios, tudo fundamentado sobre a arquitetura Wi-STARK, de onde surge a terceira contribuição desta tese de doutorado, um serviço de rede chamado de Serviço de Rede Altamente Confiável e Pontual da Wi-STARK. O referido serviço de rede é estabelecido sobre a interface exposta da Camada de Acesso ao Meio (MAC), a sustentar a concepção e desenho de infraestruturas de rede sólidas e robustas, ao mesmo tempo que se mantém resilientes para oferecer um suporte fidedigno à construção de sistemas distribuídos de tempo real?o que inclui os sistemas Ciber-Físicos. O serviço de rede proposto por esta tese de doutorado apresenta uma forma inovadora no fornecimento de comunicações resilientes de tempo-real sobre redes sem fios, a permitir lidar de forma transparente com as faltas de todos os componentes envolvidos nas referidas comunicações, e ajudar no restabelecimento da intrínseca proteção que o modelo de rede em camadas oferece, de forma a evitar que aplicações, protocolos, e outras entidades de software que podem estar a utilizar Inteligência Artificial (IA) ou não?sejam diretamente prejudicadas por faltas ocorridas nos níveis mais baixos das camadas de rede, e vice-versa. O objetivo a ser atingido é muito claro: ou se consegue realizar com sucesso uma transmissão a respeitar as restrições impostas, ou realiza-se uma parada segura aquando da impossibilidade de manter as comunicações de rede em conformidade com as restrições impostas pelos níveis de serviço e criticalidade observados no momento. Resultados de simulação são apresentados como parte dos estudos de caso realizados sobre as tecnologias de rede IEEE 802.15.4 e 5G, a gerar e complementar discussões e conclusões interessantes a respeito da aplicabilidade da abordagem proposta por esta tese de doutorado no contexto das referidas tecnologias de rede, o que também deu origem a separação do que conhece-se simplesmente como latência em dois termos distintos porém complementares definidos como latência de comunicação e latência de rede. Derivada e relacionada com as contribuições anteriores, essa tese de doutorado também apresenta uma nova e inovadora ferramenta de simulação de rede chamada Motor de Simulação Genérico (GCSE: JS-Dragon), a qual está em estado de desenvolvimento e foi utilizada na obtenção e análise dos resultados associados ao 5G no contexto deste documento de tese. Logo, como consequência da abordagem proposta e investigação científica realizada, pode-se dizer que comunicações resilientes de tempo-real sobre redes sem fios podem vir a substituir redes cabeadas no fornecimento de sistemas de comunicação em ambientes com restrições espaciais e temporais severas, a contribuir ainda para a redução do Tamanho, Peso, e Consumo Energético (SWaP) no desenho de sistemas e redes de computadores aplicados ao controle e monitoramento dos referidos ambientes.

Abstract: Wireless communications have become so present into our lives that the natural flow of its use is materialising itself, more and more, into the world of safety- and mixed-critical environments. In such type of environment, real-time is the term to pay attention to, not because it is ?fancy? or ?elegant? but essential to ensure the safe operation of the entire ecosystem. In the middle of computations where correctness is denoted by the production of intended results within bounded periods of time, networking communications have their fundamental contribution for sustaining the operation of distributed real-time systems, which are composed by different parts cooperating to achieve a shared goal. The act of transmitting a message becomes a requirement; the need to successfully guarantee both the transmission and reception of the frame(s) carrying the content of such a message mandatory; and the capability to establish the network as the foundation for dependable and timely operation of the entire ecosystem, essential. From the wired realm we can extract huge experience of dealing with communication disturbances, considering common yet relevant problems on both network data and control domains, such as frame corruption and network inaccessibility. However, the same strategies created and developed within the wired realm cannot be applied ?out-of-the-box? into the wireless counterpart, where the communication medium is open, shared, less isolated, and prone to disturbances caused by the mobile nature of network nodes. Even the fashionable atmosphere created around 5G technologies and beyond has its flaws the moment securing a dependable- and timely-operation of the entire network infrastructure becomes the main dreamed requirement to be provided. Therefore, we need evolution in the way dependability, timeliness, and related wireless networking properties are both provided and secured, implying in the attainment of a trustworthy network as the natural evolution wireless realm requires the most. In order to address such a dreamed requirement, we have shifted the way computer-based networked systems should be designed, presenting an innovative bottom-up approach that makes the lowest levels of the network protocol stack more trustworthy, namely offering a networking service to higher layers protocols and applications as an asset at hand they can rely on. Such an innovative bottom-up approach has the assessment of its design secured by the first contribution of this Ph.D. thesis work, which is the materialisation of a safe ground through a powerful yet simple formalisation we dubbed Theorem of Inaccessibility, enabling us to perform a simple and direct characterisation of all temporal aspects of networking communications, guaranteeing the correctness of all the research work and advances in the state-of-the-art proposed and presented in this document. Based on the formalisation of such a robust theorem, we went beyond from what the wireless realm had to offer in the domain of safety-and mixed-critical environments, presenting three TrustWorthy Communication Principles (TWCPs) that characterise the focus of our approach on trustworthiness?i.e., communications performed on top of a dependable and timely network operation?instead of performance, being part of our second contribution dubbed Trustworthiness Over-the-Air (TOTA). The TOTA concept is based on four fundamental trustworthy design settlements: dependability, determinism, durability, and predictability. Those design settlements both sustain and help paving the path to establish what we call Resilient Real-Time Wireless Communications on top of a well-designed architecture dubbed Wi-STARK, from where the Wi-STARK Dependable and Timely Networking Service emerges as the third contribution of the research work developed in the domain and context of this Ph.D. thesis. The aforementioned networking service is offered on top of the Medium Access Control (MAC) exposed service interface, enabling the conception of a solid, robust, yet resilient wireless network infrastructure for building distributed real-time systems on top?Cyber-Physical Systems included. Our proposed networking service presents an innovative way for providing resilient real-time wireless communications, allowing the transparent handling of faults of its components, which helps restoring the intrinsic layered-model protection of applications, protocols, and other software parts?whether using Artificial Intelligence (AI)?from dangerous cross-layer designs and faults occurred on lowest levels of the network protocol stack, and vice-versa. The clear goal is to ensure that either we perform a successful transmission respecting the constrains imposed, or enable the execution of a safe-stop operation when the network itself is not able to support networking communications respecting the aforementioned restrictions associated with the level of service and criticality required for the moment. We show simulation-based results as part of case studies performed on both IEEE 802.15.4 and 5G, promoting interesting discussions and conclusions concerning the application of our approach to those networking technologies, which also implies the segregation of what we simply known as latency into two distinguished yet complementary terms we have defined as communication latency and network latency. A side contribution also introduced by this Ph.D. thesis is a brand new network simulation tool we dubbed Generic Commons Simulation Engine (GCSE: JS-Dragon), which is an under-development tool used in the analysis and assessment of 5G in the context of this document. Thus, based on both our approach and research work, resilient real-time wireless communications may eventually replace its wired counterpart in the provision of a strong and trustworthy foundation for a communication system targeting safety- and mixed-critical environments, contributing to reduce Size, Weight, and Power (SWaP) consumption in the design of safety- and mixed critical computer-based systems and networks.