Алтайский государственный университет
Опубликован: 05.06.2014 | Доступ: свободный | Студентов: 1592 / 751 | Длительность: 08:16:00
Лекция 3:

Популярные и перспективные стандарты и протоколы беспроводных сенсорных сетей

< Лекция 2 || Лекция 3: 123456 || Лекция 4 >

6LoWPAN

Сенсорная сеть глобального масштаба? Отслеживание процессов и событий через обычную компьютерную сеть? Сети 6LoWPAN открывают такую возможность - взаимодействие с беспроводными сенсорными сетями становится удобнее.

"Сеть - это компьютер" - гласит девиз компании Sun Microsystems.

Мощь сети определяется количеством задействованных в ней узлов и способностью протоколов эффективно использовать заложенные возможности. Сетевые возможности применяются во многих отраслях деятельности - мониторинг и управление объектами, сбор, передача и первичная обработка данных и многое другое. При этом узлы сети могут иметь существенные различия по вычислительным, коммуникационным ресурсам и по ресурсам памяти.

Особенно ценным качеством сети является её способность интегрировать в себе различные устройства с различными функциями и предоставляемыми ресурсами. Определяющую роль при этом играют сетевые протоколы - стек протоколов. Яркий пример этому - стек протоколов TCP/IP, лежащий в основе подавляющего большинства современных сетей различного уровня, масштаба и назначения. Самая крупная и самая используемая из них - сеть Internet, предоставляющая глобальные коммуникации, услуги, сервисы. Более важным фактором является то, что разработаны стандарты обработки информации и разработки приложений для сетей TCP/IP. Сеть Internet уж включает в себя несколько миллиардов узлов и стоит на пороге перехода на новую версию протокола IP - IPv6, обеспечивающего более гибкую схему адресации и приличный запас адресного пространства.

Повсеместное внедрение систем автоматики и автоматизации, несмотря на кажущуюся порой избыточность, показало свою эффективность. В основе этого разветвленные сети датчиков (сенсоров), управляемых узлов и механизмов. Даже для небольшого автоматизированного объекта их количество может превышать несколько сотен. Более того, современные задачи автоматизации требуют прозрачного межмашинного взаимодействия (M2M interaction), развитых сервисов, взаимодействия с базами данных, и даже пользовательского интерфейса. В этом ключе, использование инфраструктуры сети Internet для построения распределенной масштабируемой системы выглядит весьма соблазнительно.

Прямая поддержка протоколов Internet для подавляющего большинства узлов сенсорных сетей невозможна. Причин тому несколько:

  • ограниченные ресурсы источника питания (автономные устройства);
  • недостаточные вычислительные возможности;
  • малый объем памяти.

К этому добавляются достаточно большой объем заголовков и пакетов сетевых протоколов.

Для выхода из данной ситуации IETF разработан стек протоколов 6LoWPAN [14] - версия протокола IPv6 для беспроводных сенсорных сетей с низким энергопотреблением. Ключевые особенности сетей 6LoWPAN являются:

  • доступность любого узла сети по его адресу;
  • нет необходимости в шлюзе прикладного уровня для работы с узлами сети.

Так как 6LoWPAN является протоколом сетевого уровня, то может использоваться с любым физическим и канальным уровнем, аналогичная ситуация и со стеком TCP/IP. Более того, не обязательно использовать беспроводную среду передачи. Для поддержки больших сетей узлы 6LoWPAN могут выполнять роль маршрутизаторов, есть возможность маршрутизации, ориентируясь на уровень сигнала, что позволяет передавать данные на низкой мощности, экономя энергоресурс источника питания. Отсутствует единая точка отказа сети.

Предлагаемая на текущий момент реализация стека протоколов 6LoWPAN рассчитана на субгигагерцовый диапазон, и это не случайно [15]. Причина заключается в следующем. Во-первых, данный диапазон не требует лицензирования практически во всех странах мира (так, или иначе, ряд частотных полос этого диапазона доступен для свободного использования). Во-вторых, при равных затратах энергии на прием и передачу, по сравнению с диапазоном 2.4 ГГц, за счет большей длины волн, можно обеспечить устойчивую связь на большее расстояние. Также заметно меньше влияние препятствий в виде стен, перегородок машин, деревьев, что важно для систем, работающих в городских условиях. Это позволяет применять субгигагерцовые приемопередатчики для организации сетей как персонального (до 10 метров), так и локального масштаба. Верхний предел дальности связи колеблется на отметке 800 метров. Скорости передачи данных также хватает для типовых приложений сенсорных сетей - от 50 до 200 кбит/с.

Целевые приложения стека 6LoWPAN включают в себя достаточно большие сети с масштабируемые сети с подключением к IP сетям (Internet, intranet или extranet). Несмотря на хорошую масштабируемость и потенциально прозрачное управление, и доступ к узлам, подходят не для всех приложений. В частности, текущая версия стандарта стека протоколов требует постоянной активности маршрутизаторов для корректной передачи данных.

Некоторые области перекликаются с рядом профайлов ZigBee (см. Рис. 3.8), но не стоит думать, что назревает конкуренция стандартов и решений, скорее взаимовыгодное взаимодействие и дополнение друг друга, особенно в плане интеграции сервисов, расширения зон действия сети.

Сравнительные области применения и возможный территориальный охват сервисов ZigBee и 6LoWPAN

увеличить изображение
Рис. 3.8. Сравнительные области применения и возможный территориальный охват сервисов ZigBee и 6LoWPAN

Основные области применения:

  • интеллектуальные системы учета;
  • управление уличным освещением;
  • промышленная автоматика;
  • логистические системы, отслеживание товаров или объектов инвентаризации;
  • коммерческие охранные системы, системы контроля и управления доступом;
  • возможные военные приложения.

Список, конечно же, не окончательный и всегда решение остается за разработчиком.

Архитектура сетей 6LoWPAN несколько отличается от традиционных архитектур IP сетей (наличие специализированного коммутационного оборудования, маршрутизаторов, медиа-конверторов), и от сложившихся архитектур беспроводных сетей сбора данных. Ближе всего к ней находится архитектура WiFi сетей, хотя и от неё есть ряд отличий.

Прежде всего, сети 6LoWPAN являются подсетями IPv6 сетей, т.е. они могут взаимодействовать с другими сетями и узлами IP сети, но не являются транзитными для сетевого трафика IP сетей. Сети 6LoWPAN состоят из узлов, которые могут также выполнять роль маршрутизаторов (host и router), кроме этого в сети может присутствовать один или более так называемых граничных маршрутизаторов (edge routers). Участие в маршрутизации не является обязательным требованием для узла сети, и он может играть роль, аналогичную роли конечного устройства в сетях ZigBee или устройства с ограниченной функциональностью для сетей 802.15.4, в терминологии 6LoWPAN - хост-узел (host). Узел способный выполнять маршрутизацию в пределах сети 6LoWPAN называется роутером, или маршрутизатором (router). Граничный маршрутизатор отвечает за взаимодействие подсети 6LoWPAN с сетью IPv6, участвует в процедуре инициализации и маршрутизации в подсети 6LoWPAN, осуществляет компрессию/декомпрессию заголовков IPv6 при обмене с внешней сетью, в случае подключения к сети IPv4 может играть роль шлюза IPv6<>IPv4. Узлы подсети разделяют 64-битный префикс IPv6, который также является частью сетевого адреса граничного маршрутизатора. Для адресации внутри сети можно пользоваться оставшимися 64-мя битами (MAC адрес сетевого интерфейса), или использовать сжатие адреса и укороченную 16-битную схему адресации (младшие 2 байта MAC адреса). Предполагается, что сетевой адрес напрямую включает адрес сетевого интерфейса, это исключает необходимость применения протокола разрешения сетевых адресов (протокола ARP).

Выделяют три типа сетей 6LoWPAN: ad-hoc, простая 6LoWPAN сеть, расширенная 6LoWPAN сеть (Рис. 3.9).

Ad-hoc сеть не имеет подключения к внешней IP сети, не имеет граничного маршрутизатора. Является самоорганизующейся сетью, использующей стек протоколов 6loWPAN для организации работы и передачи данных между узлами.

Простая 6LoWPAN сеть подключена к другой IP сети при помощи одного граничного маршрутизатора. Граничный маршрутизатор может быть подключен к внешней IP сети напрямую (подключение типа точка-точка, например GPRS/3G модем) или входить в состав кампусной сети (например, сети организации).

Расширенная 6LoWPAN сеть состоит из одной или нескольких подсетей, подключенных к внешней IP cети через несколько граничных маршрутизаторов, подключенных к одной сети (например локальная сеть организации). При этом, граничные маршрутизаторы в расширенной сети разделяют один и тот же сетевой префикс. Узлы расширенной сети могут свободно перемещаться в пределах сети и осуществлять обмен с внешней сетью через любой граничный маршрутизатор (обычно выбирается маршрут с наилучшими показателями качества сигнала - уровень ошибок, уровень сигнала).

Архитектура сетей 6LoWPAN

увеличить изображение
Рис. 3.9. Архитектура сетей 6LoWPAN

Взаимодействие между узлами сети 6LoWPAN, а также взаимодействие с внешними узлами осуществляется, как и в обычной IP сети. Каждый узел имеет свой уникальный IPv6 адрес и может принимать и передавать пакеты IPv6. Упрощенная структура стека протоколов 6LoWPAN в сравнении со стеками TCP/IP и ZigBee представлена на Рис. 3.10. Обычно узлы имеют поддержку протокола ICMPv6 и UDP. Прикладные протоколы чаще всего используют бинарный формат данных при работе по UDP протоколу в сетях 6LoWPAN. В отличие от TCP/IP стека, в 6LoWPAN нет поддержки протокола транспортного уровня TCP - из-за больших накладных расходов на формирование пакетов, и из-за особенностей работы протокола, которые существенно затрудняют его применение в сенсорных беспроводных сетях - подтверждение пакетов, установление/разрыв соединения, что требует частой работы приемопередатчика узла, и, как следствие, повышенное потребление энергии.

Сравнительная структура стеков TCP/IP, 6LoWAPN, ZigBee

увеличить изображение
Рис. 3.10. Сравнительная структура стеков TCP/IP, 6LoWAPN, ZigBee

Так же как и сети ZigBee, сети 6LoWPAN являются самоорганизующимися. Для этого используется стандартная техника сетей IPv6. Основываясь на установленных параметрах стека, автоматически устанавливается оптимальная топология связей между узлами в сети. Оптимальные маршруты определяются на основе метрик.

Процедура инициализации и работы сети 6LoWPAN заключается в следующем:

  • соединение узлов на канальном уровне (commissioning);
  • инициализация сетевого уровня, обнаружение соседних узов, регистрация в сети (bootstrapping);
  • установление маршрутов (route initialization).
  • предыдущие пункты периодически повторяются для поддержания работоспособности сети.

Для мониторинга работы сети 6LoWPAN применяется специальный программный механизм, называемый доской объявлений (whiteboard) хранимой на граничном маршрутизаторе. Whiteboard применяется для:

  • обнаружения дублирования адресов;
  • поддержки мобильности узлов (для расширенных сетей 6LoWPAN);
  • генерации коротких адресов;
  • локализации узлов сети;
  • ведение черного списка узлов.
< Лекция 2 || Лекция 3: 123456 || Лекция 4 >