6loWPAN
- Introdução
O 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) é o nome do grupo de desenvolvimento da IETF, que cria e mantêm as especificações que nos permitem usar IPv6 nas redes IEEE 802.15.4. A IETF trabalha para definir os RFC do 6LoWPAN, cada RFC, define os métodos, comportamentos, pesquisas ou inovações, capazes de definir a compressão, encapsulamento e fragmentação do cabeçalho dos pacotes IPv6 em frames IEEE 802.15.4, permitindo que os mesmos sejam enviados e recebidos nestas redes.
A motivação para a criação do grupo IETF foi o aumento da utilização de redes de sensores e diminuição do custo desse tipo de dispositivos.
Redes sem fio de baixa potência (LoWPANs) compreendem os dispositivos que estejam em conformidade com a IEEE 802.15.4. Dispositivos IEEE 802.15.4 são caracterizados por curto alcance, baixa taxa de bits, baixo consumo de energia, baixo custo, poder computacional, memória e/ou disponibilidade de energia limitados.
Para transmitir um pacote ipv6 é necessário uma MTU mínima de 1280 bytes, em 802.15.4 o tamanho máximo do quadro é de 127 bytes, essa grande diferença de capacidade torna impossível o uso de ipv6 diretamente sobre o protocolo 802.15.4. Para superar esse problema, é usada uma camada extra chamada “6loWPAN” que adapta o ipv6 a capacidade do quadro 802.15.4.
- Aplicação do 6loWPAN
Segundo a RFC 6568:
- Monitoramento industrial:
- Processo de Monitoramento e Controle: reduzir os custos de energia, evitar a paralisação de máquinas e aumentar a segurança da operação.
- Vigilância de Equipamentos: verificação do funcionamento de equipamentos que podem indicar falha iminente ou mal funcionamento do equipamento.
- Gerenciamento de mercadorias e logística: monitoramento de estoques, condições de armazenamento, volume de vendas, distribuição de mercadorias, etc.
- Monitoramento de substâncias tóxicas e encanamentos: controle do armazenamento e substâncias controladas, para que estas não vazem de seus recipientes de armazenamento e contaminem o meio ambiente, e monitoramento de encanamentos para verificar vazamentos.
- Monitoramento de estruturas: pontes, prédios, estradas e construções podem ser monitorados para verificar problemas estruturais como rachaduras, efeitos de inundações, desgaste de materiais, etc.
- Casa conectada ou casa inteligente:
Figura 1: Exemplo de casa inteligente.
- Sistema de segurança e vigilância: controle e monitoramento de câmeras, sensores de presença, alarmes, trancas de portas e janelas, etc. Além disso, poderiam ser monitorados vazamentos de água e de gás e detectores de fumaça.
- Automação Residencial: monitoramento e controle de dispositivos como ar condicionado/aquecedor, esguinhos de jardim, lâmpadas que podem ser ativados e/ou controlados a distância. Telemetria de consumo de energia, de água e/ou de gás também podem ser implantados.
- Controle de saúde dos moradores: pessoas que possuem problemas de saúde podem ser monitoradas em casa por meio de sensores acoplados ao corpo para verificar os batimentos cardíacos, pressão arterial, glicose, medicamentos ingeridos, nível de movimentação do corpo, etc. Essas informações podem ser compartilhadas com o médico para acompanhamento do paciente e medidas para adaptar o tratamento podem ser tomadas.
- Sistema de entretenimento doméstico: compartilhamento de áudio, vídeo e fotos entre equipamentos como computadores, câmeras, TVs, aparelhos de som, etc.
- Telemetria veicular: sensores em veículos, estradas e sinais de trânsito podem contribuir para um trânsito mais seguro e otimizado. Monitoramento de volume de tráfego e localização de veículos podem ser a base de inúmeras aplicações. Alguns exemplos: procurar por táxis mais próximos de possíveis passageiros, encontrar caminhos alternativos em casos de congestionamentos, saber o horário do próximo ônibus que passará em determinando ponto, verificar vagas de estacionamento disponíveis em certa região.
- Monitoramento agrícola: o aumento e a otimização da produção agrícola podem ser obtidos por meio de sensores que verificam a temperatura, umidade e condições do solo, provendo dados para os devidos ajustes.
Figura 2: Exemplo de monitoramento agrícola.
- Visão geral
- Tamanho pequeno dos pacotes: Dado que o máximo de pacotes de camada física é de 127 bytes, o tamanho do quadro máximo resultante na mídia camada de controle de acesso é 102 octetos. Impõe segurança de camada de enlace ainda mais em cima, o que no caso máximo (21 octetos sobrecarga no caso AES- CCM- 128, contra 9 e 13 para AES- CCM -32 e AES- CCM- 64, respectivamente) deixa 81 octetos para dados pacotes
- Baixa largura de banda: As taxas de dados de 250 kbps, 40 kbps e 20 kbps para cada uma das camadas físicas definidas atualmente (2,4 GHz, 915 MHz e 868 MHz, respectivamente).
- Topologia: Incluem estrelas e operação da malha.
- Baixo custo: Estes dispositivos são tipicamente associados com sensores, interruptores, etc. Isso leva algumas das outras características tais como o baixo processamento, pouca memória, etc.
- Características típicas
- Capacidade limitada de processamento: Os menores nós LoWPAN comuns têm processadores de 8 bits com taxas de clock em torno de 10 MHz. Existem outros modelos com núcleos de 16 bits e de 32 bits, rodando a frequências da ordem de dezenas de MHz.
- Pequena Capacidade de memória: Os menores nós LoWPAN comuns têm poucos kilobytes de memória RAM, com algumas dezenas de kilobytes de memória ROM/flash. Enquanto tamanhos de memória de nós continuam a crescer a natureza da capacidade de memória pequeno para nós LoWPAN permanece um desafio.
- Baixa Potência: Rádios sem fio para LoWPANs são normalmente operado por bateria.
- Curto alcance: O espaço operacional pessoal definido pela IEEE 802.15.4 implica uma faixa de 10 metros. Para implementações reais, a gama de rádios LoWPAN normalmente é medido em dezenas de metros, mas podem chegar a mais de 100 metros em situações de linha de visada.
- Baixa Taxa de Bits: São definidos três menores taxas de dados de 20, 40 e 100 kbit/s
- A camada de adaptação 6loWPAN
O objetivo é permitir a utilização do protocolo IPv6 em uma rede de comunicação sem fio (IEEE 802.15.4) para aplicações rodando em dispositivos de baixo custo, baixa potência e pequeno recurso de memória (sensores, medidores, micro-controladores).
A unidade de transmissão mínima para um pacote IPv6 é 1280 octetos, no entanto, o tamanho máximo do quadro MAC definido pelo padrão IEEE 802.15.4 é de 127 bytes, onde 25 bytes são o "overhead" do frame, o que deixa apenas 102 bytes de "payload" para o pacote da camada superior. A situação se torna pior se impusermos mais "overhead" a camada de enlace para o propósito de segurança, adicionando um cabeçalho de Segurança Auxiliar no quadro MAC, que no caso máximo deixa apenas 81 bytes para os pacotes IPv6.
Dessa maneira, um pacote IPv6 completo não se encaixa em um quadro IEEE 802.15.4.
Além disso, uma vez que o cabeçalho num pacote IPv6 é de 40 bytes, sobram apenas 41 bytes para as camadas superiores. Necessitamos ainda de 8 bytes de cabeçalho caso utilizemos UDP ou 20-bytes de cabeçalho caso optemos por TCP na camada de transporte, portanto o pacote IPv6 deixa apenas alguns bytes de espaço para o uso de dados do aplicativo, tornando essa situação impraticável.
Portanto, a fim de implementar serviço de comunicação adequado entre a camada MAC e a camada de rede IPv6 o grupo de trabalho 6LoWPAN do IEEE sugeriu a adição de uma camada de adaptação entre estas com o objetivo de equacionar os problemas referentes a compressão de cabeçalho, fragmentação de quadros e encaminhamento em camada dois.
- Topologia
Figura 3: Dispositivos que compõe um nó.
- Coordenador FFD: O coordenador é único na rede. Tem capacidade de criar uma rede raiz, comutar dados entre redes (só ele pode se comunica com o gateway de saída) e ainda tem uma base de dados para armazenar a informação da rede.
- FFD (Dispositivo de função completa): Capacidade de coordenar uma rede e ainda pode comunicar com qualquer outro dispositivo.
- RFD (Dispositivo de função reduzida): São limitados a topologia estrela, não conseguem se comunicar com outro RFD e são simples de implementar. São dispositivos terminais, com baixa memória e potência, mais simples e possuem menor custo. Permitem controlar ou motorizar dispositivos como sensores, microcontroladores, etc.
Os FFDs enviam Beacon Frames de tempos em tempos, estes frames são anúncios para os RDFs saberem quando devem transmitir informações.
Figura 4: Exemplo das topologias existentes.
- Topologia em Estrela: Os nós comunicam-se somente com o coordenador da rede.
- Topologia Mesh: As Redes Ad-hoc são assim conhecidas pela capacidade de auto-organização e comunicação de forma dinâmica e independente de infra-estrutura pré-existente. Neste tipo de topologia, nas redes IEEE 802.15.4 as mensagens são encaminhadas de nó em nó através de dispositivos tipo FFD.
- Principais metas da IETF
- Datagrama IPv6 encaixe em um frame LoWPAN.
- Descoberta de vizinhança.
- Propor um protocolo de roteamento adequado para diminuir overhead IP.
- Reutilização de ferramentas IP.
- Melhor compressão.
- Comparação entre Datagrama IPv6 e Frame 802.15.4
Figura 5: Datagrama IPv6.
Figura 6: Frame IEEE 802.15.4.
- Compressão do cabeçalho ipv6
Figura 7: Compressão do cabeçalho IPv6, passa de 40 bytes para 2 bytes.
- Encadeamento de cabeçalhos
Figura 8: Tipos de encadeamento.
- 802.15.4 são cabeçalhos físico e enlace da rede WPAN.
- Mesh é o cabeçalho usado no encaminhamento.
- Fragmentação é o cabeçalho para fragmentar pacotes 6lowpan.
- Expedição é o cabeçalho que informa o tipo de compressão.
- HC1 é o cabeçalho IPV6 comprimido.
Referências
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