A sensor network consists of from several sensor nodes to tens of thousands of sensor nodes. Basically each sensor node contains simple software to sense surroundings and communicate with other sensor nodes. However, for more complex applications, more advanced technologies, such as operating system, layered network stack, localization, and time-synchronization, considering a sensor node as a system have been developed. It is nature to modify and update the software to fix bugs, and adapt the changes of surroundings and software requirements. Therefore, network re-programming in wireless sensor networks is an essential facility, especially in practice, for deploying and maintaining highly dynamic sensor nodes.
ANTS-PNP, or Progressive Network re-Programming, proposes an efficient way to update whole binary image based on the layered architecture with multi-hop dissemination protocol. The layered architecture consisting of four layers including Application, Buffering, Storage Management and Bootloader layers takes a role of storing a new binary image downloaded from other nodes and guaranteeing its integrity. It utilizes 3 different memories including flash, RAM, and EEPROM to store a new binary image in faster and more efficient manner, but it requires storage management scheme for efficient, safe use of the memory.
Dissemination protocol of PNP for multi-hop environment is based on hierarchical routing protocol providing information of parent/child nodes. It forms a so-called ‘Reprogramming Network' to update only sensor nodes interested in the new binary image. This leads to low-power consumption for the network re-programming. Moreover, it makes it possible for all sensor nodes to perform periodic jobs even during the update.
We implement ANTS-PNP targeted for ANTS-H20 sensor node hardware. In addition the implementation is done with full functional ANTS platform including operating system, network stack with MAC and routing protocol, and real application. We test functionality and performance by measuring the completion time, total number of packets, and retransmission rate with varying size of binary image, hop-count and radio range. The result shows the linearity of the completion time and total number of packets, and the uniform retransmission rate regardless of varying code size and hop-count. It implies the scalability of ANTS-PNP to the larger size of sensor networks.
ANTS-PNP는 센서 네트워크를 위한 다중홉 재프로그래밍 모델이다. TinyOS를 기반으로 한 기존의 연구사례에서는 센서 네트워크 재프로그래밍 자체를 위한 테스트 모델을 집중적으로 구현하였다. 하지만, ANTS-PNP는 응용 바이너리 이미지 전체를 업데이트하는 것을 목표로 하여 기존의 연구사례와 달리 센서 네트워크에 필요한 모든 기능을 포함하는 ANTS (An evolvable Network of Tiny Sensors) 플랫폼을 기반으로 실제 구현되었다.
ANTS-PNP는 크게 PNP Framework과 PNP Dissemination Protocol로 나뉠 수 있다. PNP Framework은 센서 노드 안에서 효율적으로 응용 이미지를 저장하고 업데이트시키는 층구조(Layered Architecture)를 가진다. 총 4개의 층으로 이루어진 층구조는 여러 응용을 동시에 저장할 수 있는 Application 층, 빠른 업데이트를 위해 작은 크기의 패킷을 버퍼링하는 Buffering 층, 세가지의 서로 다른 저장공간 (RAM, EEPROM, flash)을 관리하는 Storage Management 층, 그리고 flash 메모리의 읽기/쓰기 및 완성된 응용 이미지 업데이트를 맡은 Bootloader 층으로 이루어져 있다.
PNP Dissemination Protocol은 ADV, RES, DATA, RET, DONE 이렇게 5가지 종류의 패킷을 가진다. ADV와 RES 메시지를 통해 업데이트가 필요한 노드만을 선택하여 'Re-programming Network'을 형성한다. 그리고 업데이트가 필요한 노드에게만 DATA 패킷을 통해서 응용 이미지를 전달한다. 전송이 실패한 DATA 패킷에 대해서는 RET 메시지를 통해 재전송을 하고, 마지막으로 DONE 메시지를 통해 업데이트의 끝을 알린다.
ANTS-PNP는 필요한 모든 WSN 기능을 포함한 ANTS 플랫폼을 기반으로 구현되었다. Atmega128 기반의 센서 노드 ANTS-H20, 진화형 센서 운영체제 ATNS-EOS, CSMA/CA 기반의 MAC 프로토콜 ATNSMAC, 동적인 트리 기반의 라우팅 프로토콜 ANTS-NWK과 함께 구현되었다. 이는 기존에 없던건 사례로써, 실제 배치된 센서 네트워크를 위해서 사용될 것을 고려하였다.
ANTS-PNP의 새로운 기능을 확인하며 성능을 테스트하기 위해서 업데이트에 걸리 시간, 전송된 전체 패킷 수, 그리고 재전송 비율을 측정하였다. 각 측정치는 서로 다른 크기의 응용 바이너리 이미지와 다른 크기의 다중홉 네트워크에서 테스트되었다. 그 결과, 업데이트에 걸리 시간과 전송된 전체 패킷 수가 보여준 선형성과 3% 정도의 일정한 재전송 비율은 ANTS-PNP의 Scalability와 적은 시스템 부하를 보여준다.
