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Evaluation des iSIPS IP Stack für drahtlose Sensornetze

Peter Rothenpieler
Peter Rothenpieler
Peter RothenpielerWissenschaftlicher Mitarbeiter um University of Lübeck, Germany

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"

Evaluation des iSIPS IP Stack für drahtlose Sensornetze

1 von 18
Evaluation des iSIPS IP Stack
für drahtlose Sensornetze
IPv6-Kongress 2013
7. Juni 2013, Frankfurt/Main
Peter Rothenpieler
Institut für Telematik
Universität zu Lübeck
Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
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 Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
2
3
Inhalt
 Drahtlose Sensornetze
 Eigenschaften und Anwendungen
 Beispiel: iSense Plattform
 Das Internet der Dinge
 iSense IP Stack
 Evaluation
 Latenz
 Datendurchsatz
 Vergleich mit anderen Implementierungen
 Zusammenfassung
Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
Drahtlose Sensornetze: Hardware und Anwendungen
 Starke Ressourcenbeschränkung (Speicherplatz, Rechenkapazität, Energieversorgung)
Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
4
iSense TelosB AVR Raven MicaZ
Prozessor NXP JN5148
(16 Mhz, 32-bit)
TI MSP430
(8 Mhz, 16-bit)
ATmega1284
(20 Mhz, 8-bit)
ATmega128L
(7,4 Mhz, 8-bit)
Arbeitsspeicher
128 KB
10 KB 16 KB 4 KB
Programmspeicher 48 KB 128 KB 128 KB
BSI Projekt FleGSens (2009)
200 Sensorknoten zur
Überwachung einer
„grünen Grenze“
(Bewegungssensoren)
 Meldung von Alarmen
(Wenige Byte / Ereignis)
Niedrige Latenz!
BMBF Projekt SmartAssist (2012)
Erkennung von schleichenden
Veränderungen im Tagesablauf
zur Diagnose von Alters-
Erkrankungen
 Kontinuierliche Messung
(Wenige Byte / Minute)
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, PIR
Bewegungsmelder, Beschleunigungssensor, GPS, …
 Stromversorgung (AA Batterien, Li-Ion-Akkus,
Solarzelle, …)
 Verfügbar im WISEBED Testbed
EU-Projekt (ICT-2008-224460) http://www.wisebed.eu
Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
5
Drahtlose Sensornetze  Internet der Dinge
Früher
 Anwendungsspezifische Protokolle
 „Maßgeschneiderte“ Lösungen
 Wenig Interoperabilität (Proprietäre Protokolle)
Zukünftig
 Standardisierte Netzwerkprotokolle zur nahtlosen Integration
in das Internet (der Dinge)
 IPv6 (RFC 2460, …), 6LoWPAN (RFC 4944, RFC 6282, …),
RPL (RFC 6550, …), CoAP (IETF Draft)
Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler
rothenpieler@itm.uni-luebeck.de
http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
CoAP
6LoWPAN
IPv6
UDP
IEEE 802.15.4
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CoAP
6LoWPAN
IPv6
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Evaluation des iSIPS IP Stack für drahtlose Sensornetze

  • 1. Evaluation des iSIPS IP Stack für drahtlose Sensornetze IPv6-Kongress 2013 7. Juni 2013, Frankfurt/Main Peter Rothenpieler Institut für Telematik Universität zu Lübeck Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler rothenpieler@itm.uni-luebeck.de http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
  • 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 Rothenpieler rothenpieler@itm.uni-luebeck.de http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler 2
  • 3. 3 Inhalt  Drahtlose Sensornetze  Eigenschaften und Anwendungen  Beispiel: iSense Plattform  Das Internet der Dinge  iSense IP Stack  Evaluation  Latenz  Datendurchsatz  Vergleich mit anderen Implementierungen  Zusammenfassung Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler rothenpieler@itm.uni-luebeck.de http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler
  • 4. Drahtlose Sensornetze: Hardware und Anwendungen  Starke Ressourcenbeschränkung (Speicherplatz, Rechenkapazität, Energieversorgung) Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler rothenpieler@itm.uni-luebeck.de http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler 4 iSense TelosB AVR Raven MicaZ Prozessor NXP JN5148 (16 Mhz, 32-bit) TI MSP430 (8 Mhz, 16-bit) ATmega1284 (20 Mhz, 8-bit) ATmega128L (7,4 Mhz, 8-bit) Arbeitsspeicher 128 KB 10 KB 16 KB 4 KB Programmspeicher 48 KB 128 KB 128 KB BSI Projekt FleGSens (2009) 200 Sensorknoten zur Überwachung einer „grünen Grenze“ (Bewegungssensoren)  Meldung von Alarmen (Wenige Byte / Ereignis) Niedrige Latenz! BMBF Projekt SmartAssist (2012) Erkennung von schleichenden Veränderungen im Tagesablauf zur Diagnose von Alters- Erkrankungen  Kontinuierliche Messung (Wenige Byte / Minute)
  • 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, PIR Bewegungsmelder, Beschleunigungssensor, GPS, …  Stromversorgung (AA Batterien, Li-Ion-Akkus, Solarzelle, …)  Verfügbar im WISEBED Testbed EU-Projekt (ICT-2008-224460) http://www.wisebed.eu Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler rothenpieler@itm.uni-luebeck.de http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler 5
  • 6. Drahtlose Sensornetze  Internet der Dinge Früher  Anwendungsspezifische Protokolle  „Maßgeschneiderte“ Lösungen  Wenig Interoperabilität (Proprietäre Protokolle) Zukünftig  Standardisierte Netzwerkprotokolle zur nahtlosen Integration in das Internet (der Dinge)  IPv6 (RFC 2460, …), 6LoWPAN (RFC 4944, RFC 6282, …), RPL (RFC 6550, …), CoAP (IETF Draft) Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler rothenpieler@itm.uni-luebeck.de http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler CoAP 6LoWPAN IPv6 UDP IEEE 802.15.4 MAC & PHY CoAP 6LoWPAN IPv6 UDP IEEE 802.15.4 MAC & PHY 6
  • 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) Routing Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler rothenpieler@itm.uni-luebeck.de http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler 7 Alternative  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. 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 Rothenpieler rothenpieler@itm.uni-luebeck.de http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler 8 A B C D E
  • 9. Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler rothenpieler@itm.uni-luebeck.de http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler OS Platform Flash Contiki TelosB 48 KB Contiki JN5148 128 KB iSense JN5148 128 KB 6LoWPAN 4.6 5.9 5.1 IPv6 7.4 8.7 18.3 ND 6.8 9.3 5.0 ICMP 0.8 1.0 1.2 UDP 0.7 0.2 1.1 Σ 20.3 25.1 30.7 % Flash 42.2 % 19.6 % 23.9 % 9 Speicherverbrauch Stack OS ROM (KB) RAM (KB)* PhyNet TinyOs 10.0 2.0 NanoStack TinyOs 10.0 2.0 uIPv6 Contiki 11.5 2.0 6lowpancli TinyOs 21.0 3.0 B6lowpan TinyOs 25.0 3.2 SICSlowpan Contiki 40.0 5.0 iSIPS iSense 30.7 5.2 Quellen (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), 2010 Ricardo Silva, Jorge Sa´ Silva and Fernando Boavida: „Evaluating 6LoWPAN implementations in WSNs“. Technical report, Department of Informatics Engineering – University of Coimbra, 2009 Quellen (rechts): Instant Contiki 2.6, Jennisense (07/2012), iSense SVN (04/2012) * Ruhezustand
  • 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 insgesamt Darstellung:  Median  Oberes & Unteres Quartil Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler rothenpieler@itm.uni-luebeck.de http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler 10
  • 11. Latenz / Round Trip Time (2/3) Median der Latenz steigt um:  ≈ 0.5 ms / 8 byte / Hop  ≈ 8 ms / Fragment / Hop Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler rothenpieler@itm.uni-luebeck.de http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler 11
  • 12. Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler rothenpieler@itm.uni-luebeck.de http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler 12 blip/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, 2011 b6lowpan/MicaZ Cody-Kenny, B.; Guerin, D.; et al „Performance evaluation of the 6LoWPAN protocol on MICAz and TelosB motes“. In: Proceedings of the 4th ACM workshop on Performance monitoring and measurement of heterogeneous wireless and wired networks; ACM: New York, 2009 TinyOs/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, 2009 8x höher 6x höher 4x höher Latenz / Round Trip Time (3/3)
  • 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 Rothenpieler rothenpieler@itm.uni-luebeck.de http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler 13 7.1 KB/sec 12.3 KB/sec Entfernung: 1 Hop
  • 14. Datendurchsatz (2/3) Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler rothenpieler@itm.uni-luebeck.de http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler 14 2.8 KB/sec 4.1 KB/sec 3.7 KB/sec 5.4 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. Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler rothenpieler@itm.uni-luebeck.de http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler 15 Quelle: Afanasyev, M.; O’Rourke, D.; Kusy, B.; Hu,W.: „Heterogeneous Traffic Performance Comparison for 6LoWPAN Enabled Low-Power Transceivers“ Proceedings of the 6th Workshop on Hot Topics in Embedded Networked Sensors, Killarney, Ireland, 2010 Datendurchsatz (3/3) blip / TinyOs (evtl. AVR Raven) Links: TX/RX Rate in Kbit/sec auf Bitübertragungsschicht 10,6 1,9 1,3 3,4 3,0 12,3 4,1 2,8 10,9 0 2 4 6 8 10 12 14 1 2 3 Entfernung (Hops) Goodput(KB/sec) blip (RF230) blip (RF212) iSIPS Rechts: Goodput in KByte/sec auf Anwendungsschicht +16% +13% +115% +20% +115% -7%
  • 16. Mögliche Ursachen  Unterschiedliche Mikrokontroller  Taktrate  8/16/32-bit  Unterschiedliche Funkchips  Unterschiedliche Programmierung Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler rothenpieler@itm.uni-luebeck.de http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler 16 iSense TelosB MicaZ NXP JN5148 (16Mhz, 32-bit) TI MSP430 (8 Mhz, 16-bit) ATmega128L (7,4 Mhz, 8-bit) +10ms
  • 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 Rothenpieler rothenpieler@itm.uni-luebeck.de http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler 17
  • 18. Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Inf. Peter Rothenpieler rothenpieler@itm.uni-luebeck.de http://www.itm.uni-luebeck.de/users/rothenpieler 18