Byzantinische Fehlertoleranz in zeit- und energiebeschränkten Anwendungen mit begrenztem Speicher (BFTeam)

• Antragsteller: Privatdozent Dr.-Ing. Tobias Distler; Dr.-Ing. Peter Wägemann
• Fachliche Zuordnung: Sicherheit und Verlässlichkeit, Betriebs-, Kommunikations- und verteilte Systeme
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 554710377

Künftige Generationen des Internet of Things werden zu einem relevanten Teil aus batterielosen Kleinstgeräten bestehen, die nur über eine geringe Menge an Ressourcen verfügen und sämtliche Energie, die sie verbrauchen, eigenständig aus ihrer Umgebung gewinnen. Da derartige Kleinstgeräte mitunter auch kritische Aufgaben zu erfüllen haben, bedarf es einer Absicherung der betroffenen Daten und Berechnungen in Form einer redundanten Verteilung über mehrere Knoten hinweg. Byzantinisch fehlertolerante (BFT) Replikationsprotokolle wären grundsätzlich in der Lage, die hierfür nötigen Anforderungen in Bezug auf Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit zu erfüllen, sind jedoch leider nicht direkt für einen Einsatz in eingebetteten, stark ressourcenbeschränkten Systemen geeignet. Dies liegt daran, dass existierende BFT-Protokolle im Hinblick auf Server-basierte Infrastrukturen konzipiert wurden, und äußert sich insbesondere in zwei Aspekten: Zum einen weisen bisherige Protokollimplementierungen einen vergleichsweise großen Speicherfußabdruck auf und sind deshalb selbst bei minimaler Konfiguration auf Kleinstknoten nicht lauffähig. Zum anderen gehen vorhandene Ansätze von einer weitestgehend ununterbrochenen Stromversorgung korrekter Replikate aus, weshalb sich ihre Fortschrittsgarantien in Systemen, in denen temporäre Energieausfälle zum Alltag gehören, im Allgemeinen nicht gewährleisten lassen. Ziel des BFTeam-Projekts ist es, diese Umstände durch die Bereitstellung von Systemunterstützung für den Betrieb von BFT-Replikationsprotokollen auf eingebetteten Kleinstknoten zu beheben. Der besondere Charakter des Projekts besteht dabei in der Kooperation zweier Forschungsdomänen, die in der Vergangenheit weitestgehend unabhängig voneinander betrachtet wurden: (1) der Entwicklung ressourceneffizienter Protokolle zur robusten Replikation von Anwendungen sowie (2) der statischen Analyse von eingebetteten Echtzeitsystemen zur Zusicherung oberer Schranken hinsichtlich Ausführungszeit, Energieverbrauch und Speicherbedarf. Der kombinierte BFTeam-Ansatz erlaubt es hierbei erstmals, neuralgische Protokollschritte und -phasen dediziert zu analysieren und zur Laufzeit zum Beispiel erst dann auszuführen, wenn für sie ausreichend Energie vorhanden ist. Zur Umsetzung dieses Konzepts konzentriert sich BFTeam zuerst auf replikatlokale Fortschrittsgarantien, die jeweils nur den eigenen Kleinstknoten betreffen aber bereits für die Unterstützung asynchroner BFT-Protokolle ausreichen. Anschließend erfolgt eine Erweiterung des Prinzips auf systemweite Fortschrittsgarantien, bei welcher der Fokus auf die gesamte Replikatgruppe ausgedehnt und somit die Realisierung energiegewahrer partiell synchroner Protokolle möglich wird. Zur Evaluierung der entwickelten Protokolle und Techniken dient eine im Rahmen des Projekts eigens dafür gestaltete analysierbare Hardware-Plattform, mit der sich anhand von praxisnahen Experimenten die erzielten Ergebnisse umfassend bewerten lassen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen