Design and implementation of a data storage abstraction layer for the Internet of Things

Abstract

The usage of persistent flash storage to overcome the memory limitations of Wireless Sensor Network nodes emerged in the early 2000s. But research on usable and reusable storage systems for embedded Operating Systems has stagnated, while the emergence of the Internet of Things (IoT) has yielded new storage requirements, which existing literature does not take into account. In addition, the usage of NAND flash is scarcely discussed, even though it is significantly cheaper and offers lower energy consumption than NOR flash. This thesis proposes a design for a flash-based storage system for constrained IoT nodes which supports NAND flash memory, and is evaluated based on a proof-of-concept implementation for the RIOT Operating System. The design is based on an extensive literature review which was used to gather a list of requirements that a storage system for the IoT should meet. The resulting system can be used to provide both low-level storage with very low resource requirements as well as a more sophisticated storage API with moderate resource requirements. The evaluation of the implementation suggests that it is significantly more resource efficient than most previous systems providing a similar feature set, and that it can be more easily adapted to different use cases, improving its reusability.

Persistenter Flash Speicher wird seit den frühen 2000ern eingesetzt, um die Speicherlimitierung von Wireless Sensor Network Knoten zu überwinden. Während durch das Aufkommen des Internets der Dinge (IoT) neue Datenspeicherungsanforderungen entstanden sind, ist die Forschung im Bereich der Datenspeichersysteme jedoch stagniert. Des Weiteren geht bestehende Literatur kaum auf die Nutzung von NAND Flash Speicher ein, welcher jedoch signifikant günstiger und energieeffizienter als NOR Flash ist. In dieser Arbeit wird deshalb ein flashbasiertes Datenspeichersystem für IoT Knoten mit eingeschränkten Resourcen vorgestellt, welches NAND Flash Speicher unterstützt. Das Design dieses Systems baut auf einer ausführlichen Auswertung der bestehenden Literatur auf, welche die Basis für eine Anforderungsanlyse von IoT Datenspeichersysteme bietet. Die Evaluation der Implementierung des Systems suggeriert, dass es erheblich ressourceneffizienter ist als die meisten vergleichbaren Systeme. Darüber hinaus ist das Sytstem besser an neue Anwendungsfälle anpassbar, wodurch die Wiederverwendbarkeit verbessert wird.