Reliable devices for safe communication in networks

Abstract

Embedded Systems sind aus unserem täglichen Leben nicht mehr wegzudenken. Sie durchdringen beinahe sämtliche Bereiche unseres Lebens. Mobiltelefon, Auto, Bankomatkarte, Herzschrittmacher, Smartmeter und der intelligente Kühlschrank sind nur einige Beispiele. Diese embedded Systems sind in einer Vielfalt an Ausprägungen zu finden, von kleinen Einzel-Chip Anwendungen bis zu weiträumig verteilten Lösungen. Alle diese Systeme haben eine Sache gemeinsam - manche würden es sogar eine Voraussetzung nennen: sie müssen in der Lage sein zu kommunizieren. Kommunikation ist ein Schlüsselfaktor, unabhängig davon, ob diese Kommunikation innerhalb eines Systems stattfindet oder ob mit anderen Systemen oder sogar mit der Umwelt kommuniziert wird. Die Integration wird jedenfalls immer dichter und dichter, und die Nachfrage nach mehr Integration steigt stetig. Eine Eigenheit, die diese Systeme teilen, ist die Tatsache, dass sie immer billiger werden sollen. Notwendigerweise müssen Hersteller solcher Systeme daher Kosten einsparen, mit der Konsequenz, dass der Sicherheitszuschlag in der Produktion zunehmend geringer wird, um Material zu sparen. Daraus resultiert meist eine geringere Lebenszeit dieser Produkte, aber auch die Fehleranfälligkeit steigt. Daher nimmt die Zuverlässigkeit ab. Ein kleiner Teil dieser embedded Systems spielt eine spezielle Rolle. Das sind jene Systeme, die für die Sicherheit von Menschen sorgen. Typischerweise sind solche Systeme im Normalfall für den Durschnittsbürger nicht sonderlich sichtbar, da sie eher im Hintergrund arbeiten. Solche Systeme lassen sich in Autos, Flugzeugen, der Prozess-Industrie oder im Brandmelde-Bereich finden. Naheliegend ist daher auch, dass solche Systeme zusätzliche Anforderungen erfüllen müssen. Die Arbeit fokussiert auf die Kommunikation und Zuverlässigkeit von Geräten in solchen sicherheitskritischen embedded Systems, wobei der Feuersicherheits-Bereich als Referenz-Beispiel herangezogen wird. Die Systemvoraussetzungen aus diesem Bereich kombinieren alle zuvorgenannten Eigenschaften auf spezielle Weise: häufige Kommunikation über längere Distanzen, günstige Hardware, aber hoher Zuverlässigkeitsbedarf. Diese Arbeit stellt eine kombinierte Software- und Hardware-Grundstruktur vor, die die Zuverlässigkeit (und damit auch die Kommunikation) von Geräten in kleineren embedded Systems verbessert, die in einem größeren Netzwerk miteinander verbunden sind und dessen Hardwarekosten niedrig sind. Die Anforderungen im Feuersicherheits-Bereich sind in mehreren Normen geregelt, die vorgestellt und verwendet werden, um die Herausforderungen der Konstruktion solcher Systeme zu beschreiben.

Embedded systems are part of our daily life and they pervade almost all areas of living. Mobile phones, cars, debit cards, medical equipment, energy meters and the intelligent fridge are just a few examples. These embedded systems also come in a variety of designs, from tiny single chip applications to wide-spread distributed solutions. All these systems have one thing in common - some may call it even a requirement - they have to be able to communicate. Communication is the key-factor, no matter if this communication happens within a system or with other connected systems or even with the environment. Integration is getting tighter and tighter in any case and demand for even more integration is never ending. Another demand these systems share is the fact that those system are getting cheaper. Obviously, the manufacturers of these systems have to reduce costs, with the consequence that safety-margin in the production are reduced to save material. This results mostly in less lifetime of products and also error-proneness is rising. The overall reliability is therefore getting worse. A small part of those networked embedded systems though plays a special role. These are those systems which actually care about human safety. Typically those safety systems are not very visible to the average person as they work rather in the background. They are to be found in cars, airplanes, the processing-industry or the fire-safety domain. Clearly, this special role implies some additional requirements those systems have to fulfil. This thesis takes a closer look at communication and reliability of such safety-critical embedded systems, taking the fire-safety domain as a reference use case. System requirements within this domain combine all properties mentioned above in a special way: frequent communication over longer distances, low-priced hardware, but high reliability demands. The thesis suggests a combined software- and hardware-framework, which improves reliability (and therefore also communication) of the devices in smaller embedded systems, which are connected in a larger network while keeping the necessary hardware costs low. The requirements in the fire-safety domain are regulated in various standards, which will be explained and used to describe the challenge of constructing such systems.