6LoWPAN IPv6 for Wireless Sensor Network SASE 2012 Ing. Ana Diedrics !"N # $endo%a # Argentina ana.diedrics&gridtics.fr'.(tn.ed(.ar
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Contenidos , , , ,
ntroduccin" /otivation ntroduccin a Lo12AN (ormato de Lo12AN Nei%hbor iscover# descubriendo nodos vecinos , ntroduccin a 4outin% , Capa de aplicacin , mplementacin de lo12AN
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ntroduccin" /otivation ntroduccin a Lo12AN (ormato de Lo12AN Nei%hbor iscover# descubriendo nodos vecinos , ntroduccin a 4outin% , Capa de aplicacin , mplementacin de lo12AN
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Internet of Things (IoT): el alcance del Internet de las Cosas
Internet of Things: aplicaciones
Internet (v4) Regional Registry Exhaustion Addresses Challenge IAA !nallocated Address "ool Exhaustion: #$%&e'%# *Exhaustion* +hen the pool of availa'le addresses in each RIR reaches the last ,- threshold.
IP ne)t generation IPv6
5spacio de direcciones# &67 bits 86 &679 8ipv* 36 bis9 3.*:&037 ; 3*06763)60)37*3*33'*0'*3&'76&&*+ addr.
>2odr?amos conectar un trilln de ob@etos en internet 5ncabeBado de tamao !i@o 8(iD siBe
Unicast" /ulticast Ancast 8NF Groadcast9 Con!i%uracin de las direcciones Stateless stateful
Internet of Things: el desaf/o de la interconexi0n Conectar millones de ob@etos$cosas de !orma cableada 8no inalHmbrica9 ser?a mu costoso. A modo de e@emplo 5lectrical wall socket I installation ; J+0 Cat+ socket I installation ; J&+0 & Trillon nodes KK &000 2 Ar%entina *o'+araciones entre distintas tecnolog,as wireless
"ecnolog-
ange
S+eed
Power !se
*ost
1i!i
&00 mts.
&0-&00 /b$s
JJJ
Gluetooth
&0-&00 mts.
&-3 /b$s
/edium
JJ
706.&+.*
&0-&00 mts.
0"6+-/b$s
Low
J
5volucin de las 1ireless Sensor Networks Scalability
Price Cabling
,ny !endor
Cables
1980s
Proprietary radio + network
"-'a!e( prop) IS* etc)
Vendor lock-in
"ig#ee
"ig#ee and ',.
Co$ple% $iddleware
2000
2006
Increased Prodcti!ity
6lowpan Internet
6lowpan IS,100
&pen de!elop$ent and portability
2008 -/
Gene!icios de la tecnolo%?a Lo12AN 2v over Low-2ower 1ireless 2ersonal Area Networks
, Low#+ower / IPv6 "e Wireless E'edded Internet , Lo12AN lo hace posible , Los bene!icios de -low2AN incluen# M M M M M M M
5l uso de un estHndar abierto" con!iable standards /3cil c(rva de a+rendi%a4e
nte%racin transparente con internet /antenimiento de la red 5scalailidad gloal (lu@o de datos End#to#end 5l uso de la in!raestructura eDistente de internet
ntroduccin a Lo12AN
OuP es Lo12ANQ , 2v sobre Low-2ower wireless Area Networks , e!inido en estHndares 5T( M 4(C *)&)" *)** M dra!t-iet!-lowpan-hc and -nd M dra!t-iet!-roll-rpl
, , , ,
Compresin de cabecera sin estado 8 Stateless header compression9 5nables a standard socket A2 Uso m?nimo de cdi%o memoria nte%racin punto a punto con internet M /Rltiples opciones de topolo%?a 8706.&+.*" Gluetooth"etc9
2ermite adaptar un protocolo como 2 a cualuier 2AN compuesta con dispositivos de recursos limitados ba@o consumo ener%Ptico
randes desa!?os en las LoWPAN's i!icultades en la implementacin en sistemas embebidos debido a# #Ali'entaci5n - d(t-#c-cle # dispositivos inalHmbricos alimentados por bater?as necesitan mantener ciclos cortos de actividad permanecer en modo ba@o consumo el tiempo restante. #"a'ao de la tra'a 7fra'e8 # 2rotocolos actuales de internet reuieren enlaces ue mane@en tramas %randes #$(lticast# usualmente los dispositivos inalHmbricos embebidos no soportan multicast. #*onfiailidad# Los protocolos de internet no estHn optimiBados para Lo12ANs 8low-power wireless and loss networks9. #We Services#
5l !ormato de Lo12AN
Aruitectura , Las Lo12ANs son stub networks# no tienen conocimiento de otras redes" no transportanV trH!ico de otras redes a travPs de ellas para comunicarse con otras redes tienen ciertos puntos de salidaV 8ed%e routers9 de!inidos. Una analo%?a es comparar la low2AN con una isla de la ue pueden salir uno o varios puentes. "i+os de config(raciones +osiles con 6lowPAN , Simple LoWPAN M Un 5d%e 4outer 8router de borde9 , Extended LoWPAN M arios Edge Routers compartiendo un enlace en comRn 8backbone9 , Ad-hoc LoWPAN M No ha routers en la Low2AN Prole'as de integraci5n con internet M Unidad mHDima de transmisin 8/TU9 M 2rotocolos de aplicacin IPv6#LoWPAN o(ter Edge Stack M nterconectividad con 2v* 8transicin9 M (irewalls NATs M Se%uridad
Aruitectura
5l !ormato de Lo12AN , Lo12AN es una adaptacin del !ormato de cabecera de 2 M 2ermite el uso de 2 en redes inalHmbricas de ba@o consumo M Compresin de cabecera 2v M Compresin de cabecera U2
, (ormato inicialmente de!inido en 4(C*)** , ActualiBado en dra!t-iet!-lowpan-hc
Caracter?sticas de lo12AN , Traba@a bien en con@unto a capas de enlace de ba@o consumo como 555 706.&+.*" narrowband S/ bluetooth , Soporte para direccionamiento de *-bit &-bit usado en 706.&+.* , Compresin de cabecera e!iciente M Cabeceras base de eDtensin de 2v" cabecera de U2
, Autocon!i%uracin de la red usando neighbor discover , Unicast" multicast and broadcast support M /ulticast is compressed and mapped to broadcast
, (ra%mentacin M &670 bte 2v /TU -K &6' bte 706.&+.* !rames
, Soporte para 2 routin% 8e.%. 5T( 42L9 , Soporte para el uso de link-laer mesh 8e.%. 706.&+.+9
The Lo12AN (ormat , Lo12AN makes use o! 2v address compression , 4(C*)** (eatures# M M M M M M
Gasic Lo12AN header !ormat
, dra!t-iet!-lowpan-hc (eatures# M M M M
New
2v* and 2v (ormat
irecciones 2v
Unicast Address Scope Local-link # Local-Site # lobal #
!e70##$* !ec0##$* 6000##$3
Global
Site-Local
Link-Local
ireccionamiento en 2v , Stateless Address Autocon!i%uration 8SAA9 2re!iD 8* bits9 I Sub!iD 8*bits9 , 2re!iD# 8indica el alcance de una direccin9
Local link 8pre!i@o !e70##9 lobal Link 8pre!iD# 4outer Advertisement M 4outer Solicitation9
, Sub!iD# 5U* *-bit 8lobal denti!ier - 5559 , 5@emplo de una inter!aB wlan0 de una notebook conectada a una red ipv 8direccin local direccin %lobal9 wlan0
Link encap#5thernet <1addr 00#6+#d3#'#')#ad inet addr# 600&#&6)ɘ#76)e#66+#d3!!#!e'#')ad$* Scope#lobal inet addr# !e70##66+#d3!!#!e'#')ad$* Scope#Link U2 G4FACAST 4UNNN /ULTCAST /TU#&+00 /etric#& 4X packets#&0'36 errors#0 dropped#0 overruns#0 !rame#0 TX packets#)+'3 errors#0 dropped#0 overruns#0 carrier#0 4X btes#'70'0+6 8'.7 /G9 TX btes#&&'++6' 8&.& /G9
ispatch el primer bte del Paload 8http#$$www.iana.or%$assi%nments$lowpan-parameters$9 :it Pattern
;eader "-+e
eference
00 DDDDDD
NAL2 - Not a Lo12AN !rame
Y4(C*)**Z
0& 000000 0& 00000& 0& 0000&0 0& 0000&& to 0&00&&&& 0& 0&0000 0& 0&000& to 0&0&&&&& 0& &DDDDD
4eserved as a replacement value !or 5SC 2v - uncompressed 2v Addresses LF12AN[
Y4(C676Z Y4(C*)**Z Y4(C*)**Z
&0 DDDDDD
/5S< - /esh header
Y4(C*)**Z
&& 000DDD && 00&000 to &&0&&&&& && &00DDD && &0&000 to &&&&&&&&
(4A& -- (ra%mentation
Y4(C*)**Z
Y4(C*)**Z Y4(C676Z
Y4(C*)**Z
2v$U2
2v
U2
2aload
1
2
3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ |1 0 0 0 0 0 0 1|Version| Traffic Class | Flow Label | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ |Flow Label con| !a"loa# Len$% | &e' (ea#er | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | (o) Li*i | | +-+-+-+-+-+-+-+-+ + | | + + | o,rce ##ress | + + | | + +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | | | +-+-+-+-+-+-+-+-+ + | | + + | .esinaion ##ress | + + | | + + | | + +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | | o,rce !or | .esinaion !/| +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | .es/ !/ con| Len$% | C%ecs,* | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | C%ecs,* con | .! !a"loa# ///
2
0 & 6 3 0&6 3* +'7 )0& 63*+ '7) 0&6 3*+ '7 )0 & I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I \ 0 & 0 0 0 0 & 0\SA5\A5\C\N< \0 \ Non-Compressed !ields... I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I-I ][[dispatch [[$ ][
Lo12AN U2$2v
2v
U2 1
2
3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | .is)ac% wi% L!&!(C | L!&&(C | rc | .s | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | .! C%ecs,* | .! !a"loa# /// +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
2aload
dra!t-iet!-lowpan-hc
2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
1
2
3
4
5
+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+ | 0 | 1 | 1 | TF |&( | (L |C.|C| | |.C| . | +---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+---+ TF > Traffic Class? Flow Label &( > &e' (ea#er Fla$ (L > (o) Li*i C. > Context #enifier ='ension C > o,rce ##ress Co*)ression > o,rce ##ress o#e > ,licas Co*)ression .C > .esinaion ##ress Co*)ression . > .esinaion ##ress o#e
dra!t-iet!-lowpan-hc
Cabeceras de Lo12AN
(ra%mentacin , 2v reuiere ue las capas in!eriores toleren un /TU 8/inimum Transmission Units9 m?nimo de &670 btes. , 555 706.&+.* de@a aproDimadamente 70-&00 btes de paload , 4(C*)** de!ine la !orma de !ra%mentar reensamblar 2v , La performance de pauetes 2 !ra%mentados sobre low2ANs es mu pobre. M (ra%mentos perdidos causan la retransmisin de todo el pauete M Ga@o ancho de banda %ran dela" propio de los canales inalHmbricos M 2rotocolos de aplicacin de Lo12AN deber?an evitar la !ra%mentacin M Compression should be used on eDistin% 2 application protocols when used over Lo12AN i! possible
, (ra%ment recover is currentl under 5T( consideration
(ra%mentacin niial Fra$*en 0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ |1 1 0 0 0| #aa$ra*si@e | #aa$ra*a$ | +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ Followin$ Fra$*ens 0 1 2 3 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ |1 1 1 0 0|
#aa$ra*si@e
|
#aa$ra*a$
|
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ |#aa$ra*offse| +-+-+-+-+-+-+-+-+
2v Nei%hbor iscover , 2v es el !ormato - N es el cerebro
Fne-hop routin% protocolV de!inido en 4(C*7&
, 5ncontrar vecinos M Neighbor Solicitation $ Neighbor Advertisement
, 5ncontrando routers M 4outer Solicitation $ 4outer Advertisement
, Stateless Address Autocon!i%uration usin% NS$NA etectin% Addresses uplication 8A9 usin% NS$NA , Nei%hbor Unreachabilit etection 8NU9 usin% NS$NA ,
2v Nei%hbor iscover
/ulticast Address# All nodes # !!06##&$&67 All routers # !!06##6$&67
iseminacin del pre!i@o 8pre!iD9 , 5n las redes 2 normales" 4As 8router advertisement 9 son enviados basados en la in!ormacin del pre!i@o con!i%urada en la inter!aB del router , 5n N para Lo12AN 4As son tambiPn utiliBados para diseminar automHticamente in!ormacin del router a travPs de mRltiples hops.
Un e@emplo de direccionamiento
etectando direcciones duplicadas en lo12AN , 5l Router Edge 8router de borde9 mantiene una tabla 8whiteboard9 Los nodos deben re%istrarse en la whiteboard New C/2 tpe# Node 4e%istration 8N49 New C/2 tpe# Node Con!irmation 8NC9 , Node registration permite eteccin de
Los re%istros son M 4e!rescados per?odicamente con un nuevo mensa@e N4
Tpical Lo12AN-N 5Dchan%e
N4$NC (ormat 0
1
2
3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 +-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | T")e ;&
Co#e
|
C%ecs,*
|
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ |
T.
|
a,s
|!||
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ |
:in#in$ Lifei*e
|
#erisin$ neral
|
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ | +
| wner nerface #enifier
|
+ |
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ |
wner &once
|
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+ |
e$israion o)ion;s
+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+-+
5l 1hiteboard , 5l !hiteboard es usado en la Lo12AN para# M eteccin de direcciones duplicadas en la Lo12AN 8; pre!i@o9 M Lidiar con mobilidad 8caso de las Extended LoWPANs 9 M LocaliBar nodos
4outin%
Lo12AN 4outin% /ultihop /esh Topolo% , Link Laer (orwardin% 8/esh Under9 # Link Laer mesh 8e.%. 706.&+.+ 9 Lo12AN mesh 84(C but not !orward al%orithm9 , 2 Laer 4outin% 84oute Fver9# , 4outin% in a Lo12AN M Sin%le-inter!ace routin% M (lat address space 8eDact-match9 M Stub network 8no transit routin%9
Tipos de protocolos de ruteo , Clases de al%oritmos M Gasados en vectores de distancia 8e@# AF9 Cada enlace es asociado con un costo ue es usado para encontrar la ruta mHs corta hacia el destino. Cada router %uarda en su tabla de ruteo in!ormacin del costo de los enlaces hacia cada uno de sus vecinos a un salto. M Gasados en el estado del enlace Cada nodo tiene in!ormacin completa sobre la red" usualmente %racias al broadcast$di!usin. 5l nodo calcula un Hrbol con los caminos mHs cortos hacia cada destino.
, 4especto al descubrimiento de nuevas rutas un al%oritmo de ruteo puede ser# M 2roactivo La in!ormacin de ruteo es aduirida antes de ser necesitada. M 4eactivo La in!ormacin de ruteo es descubierta dinHmicamente cada veB ue es necesitada.
2rotocolos para Lo12AN , 2 es independiente del protocolo de ruteo utiliBado M 4eenv?a basandose en tablas de ruteo
, As? tambiPn Lo12AN es independiente del protocolo de ruteo , Consideraciones especiales para rutear sobre Lo12ANs M Una sola inter!aB de enrutamiento" topolo%?as planas M Tecnolo%?as inalHmbricas de ba@o consumo con pPrdidas 8Low2ANs9 M (lu@os de datos espec?!icos de aplicaciones embebidas
, Los protocolos /AN5T son Rtiles en al%unos casos de redes adhoc" e.%. AF" ^/F , Nuevo 1 8workin% %roup9 de 5T( M 4outin% over low-power and loss networks 84FLL9 M esarrollado espec?!icamente para aplicaciones embebidas M 2rotocolo en pro%reso# 42L 8pronunciado como 4ippleV9" es un en!oue de ruteo proactivo por vector de distancia. er el dra!t de la 5T( 8dra!t-iet!-roll-rpl9
Application (ormats and 2rotocols
ntroduccin , Los procesos de las aplicaciones se comunican sobre 2 usando la perspectiva de internet socket , Lo12AN tambiPn utiliBa el paradi%ma de los socket , Los protocolos de aplicacin usados con Lo12AN tienen reuerimientos de diseo especiales
Socket A2 , La Socket A2 provee un acceso para comunicaciones de datos entre aplicaciones , nter!aB bien conocida para la manipulacin de !lu@os de datos %estin de bu!!ers via socket , Soporte para mensa@es de control , Los comandos incluen# M socket" bind" send" read" close etc.
, 5@emplos de A2s de sockets M Gerkele sockets in EniD sstems M /ac FSX 8arwin9 M Contiki u2 82seudo socket approach9
2aradi%ma punto a punto 85nd-to-end9
2rotocolos !ormatos de aplicacin
2rotocolos personaliBados , 5s la solucin mHs comRn ho en d?a , Los datos de la aplicacin son codi!icados en binario espec?!icos para la aplicacin , 5l protocolo de la aplicacin utiliBa un puerto U2 espec?!ico , Como Lo12AN permite comunicaciones 2v punto a punto" no es un problema , enta@a# M Compacto" e!iciente" puede tener se%uridad inte%rada" punto a punto
, esventa@a# M Se reuiere una aplicacin espec?!ica del lado del servidor" poco reusable" curva de aprendiBa@e costosa" ba@a interoperabilidad
Custom 2rotocol U2 2v $ lowpan L6$LL L&$2<^
X/L$
, isadvanta%es# M ne!iciente" comple@o
, Solucin# 5mbedded web-service# servicios web embebidos 8por e@. CoA29
X/L /essa%es SFA2
mplementaciones posibles de low2AN
Cmo inte%ramos low2AN en dispositivos embebidosQ , esa!?os# M M M M
Carencia de inter!aces estHndares 8no USG or 2C/CA9 No eDisten sistemas operativos estHndares Limitaciones en el consumo ener%Ptico Limitaciones de precio de mercado
, System-on-a-chip model M Todo en un slo chip I /HDima inte%racin I /enor precio menor tamao - i!icultades en el desarrollo - 2oca o escasa portabilidad 5@emplos#
T CC6+30" AT/5A &674( `ennic `N+&3).
Chip /odels , Solucin en 6 chips M La radio separada del micro I Libre eleccin del uC I /aor portabilidad - /Hs caro - nte%racin de la aplicacin en el stack 5@emplos# T CC6+60" Atmel AT74(63&.
, Solucin del procesador de red M 5l stack de la red en la radio I Libre eleccin del uC I Aplicacin independiente del stack I (Hcil inte%racin - Solucin cara 5@emplo# T CC&&70.
2rotocols Stacks , *ontiki M Low-2ower u2v$42L Network , "in-
SIPIA Net Wireless Sensor Network for Agrono'ical esearc
SIPIA Net
SIPIA6 Net
Pro+ietar- S"A*> 7grid"i*S8
6loWPAN S"A*>
