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Drahtlose Sensornetze: Hardware und Anwendungen Starke Ressourcenbeschränkung (Speicherplatz, Rechenkapazität, Energiever...
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Latenz / Round Trip Time (1/3) ICMPv6 Echo Request / Response Pakete 1-4 Hops, 8 - 512 byte Payload (Schrittgröße: 8 byt...
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Datendurchsatz (1/3) Transportprotokoll: UDP 1000 Pakete / Datenpunkt Variation der Sendegeschwindigkeit Paketgröße ...
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Mögliche Ursachen Unterschiedliche Mikrokontroller Taktrate 8/16/32-bit Unterschiedliche Funkchips Unterschiedliche P...
Zusammenfassung iSense IP Stack (iSIPS) Sehr niedrige Latenz (4-8x besser) Hoher Datendurchsatz (13-20% höher) Durchsc...
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Evaluation des iSIPS IP Stack für drahtlose Sensornetze

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Vortrag auf dem IPv6-Kongress 2013 in Frankfurt/Main (6./7.06.2013, Cinestar Metropolis) zum Thema "Evaluation des iSIPS IP Stack für Drahtlose Sensornetze"

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Evaluation des iSIPS IP Stack für drahtlose Sensornetze

  1. 1. Evaluation des iSIPS IP Stackfür drahtlose SensornetzeIPv6-Kongress 20137. Juni 2013, Frankfurt/MainPeter RothenpielerInstitut für TelematikUniversität zu LübeckDipl.-Inf. Peter Rothenpielerrothenpieler@itm.uni-luebeck.dehttp://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
  2. 2. Über uns Institut für Telematik der Universität zu Lübeck 20 Mitarbeiter (17 Wissenschaftler) Aktuelle Projekte SmartSantander (EU FP7 Call 5 IP) SPITFIRE (EU FP7 Call 5 STREP) Firestation (EU FP7 Call 5 CSA) IoT-I (EU FP7 Call 5 CSA) Real-World G-Lab (BMBF) http://www.itm.uni-luebeck.de/Dipl.-Inf. Peter Rothenpielerrothenpieler@itm.uni-luebeck.dehttp://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler2
  3. 3. 3Inhalt Drahtlose Sensornetze Eigenschaften und Anwendungen Beispiel: iSense Plattform Das Internet der Dinge iSense IP Stack Evaluation Latenz Datendurchsatz Vergleich mit anderen Implementierungen ZusammenfassungDipl.-Inf. Peter Rothenpielerrothenpieler@itm.uni-luebeck.dehttp://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
  4. 4. Drahtlose Sensornetze: Hardware und Anwendungen Starke Ressourcenbeschränkung (Speicherplatz, Rechenkapazität, Energieversorgung)Dipl.-Inf. Peter Rothenpielerrothenpieler@itm.uni-luebeck.dehttp://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler4iSense TelosB AVR Raven MicaZProzessor NXP JN5148(16 Mhz, 32-bit)TI MSP430(8 Mhz, 16-bit)ATmega1284(20 Mhz, 8-bit)ATmega128L(7,4 Mhz, 8-bit)Arbeitsspeicher128 KB10 KB 16 KB 4 KBProgrammspeicher 48 KB 128 KB 128 KBBSI Projekt FleGSens (2009)200 Sensorknoten zurÜberwachung einer„grünen Grenze“(Bewegungssensoren) Meldung von Alarmen(Wenige Byte / Ereignis)Niedrige Latenz!BMBF Projekt SmartAssist (2012)Erkennung von schleichendenVeränderungen im Tagesablaufzur Diagnose von Alters-Erkrankungen Kontinuierliche Messung(Wenige Byte / Minute)
  5. 5. Beispiel: iSense Plattform Ausgründung der Universität zu Lübeck Gegründet 2005, aktuell 6 Mitarbeiter http://www.coalesenses.com Modularer Aufbau Kommunikation (2.4 GHz/868 MHz IEEE 802.15.4,GSM, Ethernet) Sensoren (Temperatur, Luftfeuchtigkeit, PIRBewegungsmelder, Beschleunigungssensor, GPS, … Stromversorgung (AA Batterien, Li-Ion-Akkus,Solarzelle, …) Verfügbar im WISEBED TestbedEU-Projekt (ICT-2008-224460) http://www.wisebed.euDipl.-Inf. Peter Rothenpielerrothenpieler@itm.uni-luebeck.dehttp://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler5
  6. 6. Drahtlose Sensornetze  Internet der DingeFrüher Anwendungsspezifische Protokolle „Maßgeschneiderte“ Lösungen Wenig Interoperabilität (Proprietäre Protokolle)Zukünftig Standardisierte Netzwerkprotokolle zur nahtlosen Integrationin das Internet (der Dinge) IPv6 (RFC 2460, …), 6LoWPAN (RFC 4944, RFC 6282, …),RPL (RFC 6550, …), CoAP (IETF Draft)Dipl.-Inf. Peter Rothenpielerrothenpieler@itm.uni-luebeck.dehttp://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpielerCoAP6LoWPANIPv6UDPIEEE 802.15.4MAC & PHYCoAP6LoWPANIPv6UDPIEEE 802.15.4MAC & PHY6
  7. 7. iSense IP Stack (iSIPS) 2010: Start als Diplomarbeit am Institut für Telematik / coalesenses GmbH(Betreuer: P. Rothenpieler & C. Buschmann, Bearbeitet von: C. Tille) Weiterentwicklung durch coalesenses GmbH (closed source) IPv4, IPv6, ND, 6LoWPAN, ICMP, UDP, TCP, HTTP, CoAP, Dymo(-low) RoutingDipl.-Inf. Peter Rothenpielerrothenpieler@itm.uni-luebeck.dehttp://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler7Alternative Open Source Project Wiselib http://www.wiselib.org GSoC 2012: Wiselib IPv6/6LoWPAN Implementierung(Betreuer: P. Rothenpieler, Bearbeitet von: D. Gehberger) 2013: Implementierung des RPL Routing Protokolls (RFC 6550) GSoC 2013: IPv6 extensions, CoAP (Conditional-)Observe, Arduino Port, …
  8. 8. Evaluation: Aufbau der Experimente 5 Sensorknoten vom Typ iSense JN5148 (16 Mhz, 32-bit, 128 KB) Entfernung: ca. 20m von A nach E Funkreichweite: >20m (A bis E teilen sich Bandbreite) 4-Hop Overlay Topologie (feste Routingtabelle, IP Routing)Dipl.-Inf. Peter Rothenpielerrothenpieler@itm.uni-luebeck.dehttp://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler8A B C D E
  9. 9. Dipl.-Inf. Peter Rothenpielerrothenpieler@itm.uni-luebeck.dehttp://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpielerOSPlatformFlashContikiTelosB48 KBContikiJN5148128 KBiSenseJN5148128 KB6LoWPAN 4.6 5.9 5.1IPv6 7.4 8.7 18.3ND 6.8 9.3 5.0ICMP 0.8 1.0 1.2UDP 0.7 0.2 1.1Σ 20.3 25.1 30.7% Flash 42.2 % 19.6 % 23.9 %9SpeicherverbrauchStack OS ROM (KB) RAM (KB)*PhyNet TinyOs 10.0 2.0NanoStack TinyOs 10.0 2.0uIPv6 Contiki 11.5 2.06lowpancli TinyOs 21.0 3.0B6lowpan TinyOs 25.0 3.2SICSlowpan Contiki 40.0 5.0iSIPS iSense 30.7 5.2Quellen (links):Sarwar, U.; Rao, G.S.; Suryady, Z.; Khoshdelniat, R. A: „Comparative Study on Available IPv6 Platforms for Wireless Sensor Network“International Conference on Wireless Communications and Mobile Computing (ICWCMC 2010), 2010Ricardo Silva, Jorge Sa´ Silva and Fernando Boavida: „Evaluating 6LoWPAN implementations in WSNs“. Technical report,Department of Informatics Engineering – University of Coimbra, 2009Quellen (rechts):Instant Contiki 2.6, Jennisense (07/2012), iSense SVN (04/2012)* Ruhezustand
  10. 10. Latenz / Round Trip Time (1/3) ICMPv6 Echo Request / Response Pakete 1-4 Hops, 8 - 512 byte Payload (Schrittgröße: 8 byte) 100 Requests / Payload / Hop 256000 Requests insgesamtDarstellung: Median Oberes & Unteres QuartilDipl.-Inf. Peter Rothenpielerrothenpieler@itm.uni-luebeck.dehttp://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler10
  11. 11. Latenz / Round Trip Time (2/3)Median der Latenz steigt um: ≈ 0.5 ms / 8 byte / Hop ≈ 8 ms / Fragment / HopDipl.-Inf. Peter Rothenpielerrothenpieler@itm.uni-luebeck.dehttp://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler11
  12. 12. Dipl.-Inf. Peter Rothenpielerrothenpieler@itm.uni-luebeck.dehttp://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler12blip/TelosB Ludovici, A.; Calveras, A.; Casademont, J.: „Forwarding Techniques for IP Fragmented Packets in a Real 6LoWPAN Network“.In: MDPI Sensors Volume 11, Issue 1, 2011b6lowpan/MicaZ Cody-Kenny, B.; Guerin, D.; et al „Performance evaluation of the 6LoWPAN protocol on MICAz and TelosB motes“. In: Proceedings of the4th ACM workshop on Performance monitoring and measurement of heterogeneous wireless and wired networks; ACM: New York, 2009TinyOs/b6lowpan Conesa, F.V. „Avaluacio d’una implementacio de 6LoWPAN: el cami a la Internet de les coses“.Master’s Thesis, Universitat Politècnica de Catalunya, 20098x höher6x höher4x höherLatenz / Round Trip Time (3/3)
  13. 13. Datendurchsatz (1/3) Transportprotokoll: UDP 1000 Pakete / Datenpunkt Variation der Sendegeschwindigkeit Paketgröße Entfernung (1-3 Hops) IEEE 802.15.4 Brutto: 250 kbit/sec Netto: ~15.2 KB/sec(2.4 Ghz, unslotted, 64 bit MAC Adressen)Darstellung: Mittlerer Datendurchsatz beim Empfänger auf Anwendungsebene („Goodput“)Dipl.-Inf. Peter Rothenpielerrothenpieler@itm.uni-luebeck.dehttp://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler137.1 KB/sec12.3 KB/secEntfernung: 1 Hop
  14. 14. Datendurchsatz (2/3)Dipl.-Inf. Peter Rothenpielerrothenpieler@itm.uni-luebeck.dehttp://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler142.8 KB/sec4.1 KB/sec3.7 KB/sec5.4 KB/sec Sensorknoten teilen sich Broadcast-Medium Maximaler Datendurchsatz schrumpft nach „Peak“ auf etwa 75% Keine Überlastkontrolle (Congestion Control)Entfernung: 2 Hops Entfernung: 3 Hops
  15. 15. Dipl.-Inf. Peter Rothenpielerrothenpieler@itm.uni-luebeck.dehttp://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler15Quelle: Afanasyev, M.; O’Rourke, D.; Kusy, B.; Hu,W.: „Heterogeneous Traffic Performance Comparison for6LoWPAN Enabled Low-Power Transceivers“Proceedings of the 6th Workshop on Hot Topics in Embedded Networked Sensors, Killarney, Ireland, 2010Datendurchsatz (3/3)blip / TinyOs (evtl. AVR Raven)Links: TX/RX Rate in Kbit/sec auf Bitübertragungsschicht10,61,91,33,43,012,34,12,810,9024681012141 2 3Entfernung (Hops)Goodput(KB/sec)blip (RF230)blip (RF212)iSIPSRechts: Goodput in KByte/sec auf Anwendungsschicht+16%+13%+115%+20%+115%-7%
  16. 16. Mögliche Ursachen Unterschiedliche Mikrokontroller Taktrate 8/16/32-bit Unterschiedliche Funkchips Unterschiedliche ProgrammierungDipl.-Inf. Peter Rothenpielerrothenpieler@itm.uni-luebeck.dehttp://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler16iSense TelosB MicaZNXP JN5148(16Mhz, 32-bit)TI MSP430(8 Mhz, 16-bit)ATmega128L(7,4 Mhz, 8-bit)+10ms
  17. 17. Zusammenfassung iSense IP Stack (iSIPS) Sehr niedrige Latenz (4-8x besser) Hoher Datendurchsatz (13-20% höher) Durchschnittliche Programmgröße Closed Source Open Source Alternative: Wiselib 6LoWPAN Implementierung (GSoC 2012 & 2013)Dipl.-Inf. Peter Rothenpielerrothenpieler@itm.uni-luebeck.dehttp://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler17
  18. 18. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!Dipl.-Inf. Peter Rothenpielerrothenpieler@itm.uni-luebeck.dehttp://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler18

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