Redes de sensores inalámbricos (RSI)

Transcripción

1 Redes de sensores inalámbricos (RSI) Introducción a las RSI Leonardo Steinfeld Inst. de Ingeniería Eléctrica, Fac. de Ingeniería Universidad de la República (Uruguay) Viernes 4 de agosto/2017

2 Objetivos / Agenda Objetivos Introducir a los principales conceptos de RSI Repasar/introducir conceptos de redes de datos Agenda Conceptos y definiciones de RSI Elementos: nodos (nodo sensor, mote, mota, etc.) Conceptos y definiciones de redes de datos Modelo TCP/IP para RSI Estandarización 2

3 RSI: introducción Qué son las redes de sensores inalámbricos? sensores (también actuadores) comunicación inalámbrica redes: forman una red 3

4 RSI: otra aproximación... Fragmento de película Twister (1996) 4

5 RSI: características & desafíos Gran cantidad de sensores (decenas, cientos, miles) múltiples inmplicancias: costo, mantenimiento, etc. Red de comunicación multisalto en malla autoorganizadas autonomas Sistemas embebido en red Bajo consumo: autonomía de años Tolerante a fallos 5

6 RSI: relación con IoT & LNN IoT (Internet of Things) A global infrastructure for the information society, enabling advanced services by interconnecting (physical and virtual) things based on existing and evolving interoperable information and communication technologies. ( Overview of the Internet of things, ITU-T (Y.4000/Y.2060), 2012) LLN: Low power Lossy Network (IETF) Networks [...] composed of many embedded devices with limited power, memory, and processing resources interconnected by a variety of links. RFC 7102 (Jan. 2014) 6

7 Aplicaciones industrial monitoring building automation (heating, ventilation, air conditioning,lighting, access control, fire) connected home health care environmental monitoring urban sensor networks energy management assets tracking refrigeration RFC 7102 (Jan. 2014) 7

8 RSI: origen smart dust (~2000) Fuente: 8

9 RSI: dónde estamos hoy? TelosB /sky (2005) MSP430F1611 (8 MHz) 10 KB RAM 48 KB Flash 4mA active / 10 ua sleep CC2420 CCC2538 SoC (2013) Cortex M (32 MHz) 32 KB RAM 256 KB Flash ~10 ma active / ~1uA sleep CC2520 integrado Ley de Moore: en qué? 9

10 RSI: elementos / partes red de sensores inalámbricos servidor (app/web) base base Internet nodo sensor nodo sensor 10

11 Nodos Características bajo todo costo tamaño consumo Componentes sensor processor radio power supply 11

12 Nodos: sensores/actuadores transductor: magnitud física interfaz eléctrica analógica: 0-5V, 4-20mA, etc. digital: SPI, I2C, etc. calibración parámetros 12

13 Nodos: microcontrolador Procesador: programable, periféricos y memoria integrada Funciones Input: señales de sensores / output: actuadores procesado local de datos ejecución de pila de comunicación 13

14 Nodos: transceptor (radio) Transmisor/ receptor: transceptor (capa físca) Funciones cada vez más inteligentes modem vs packet radio pines para interrupción Interfaz: comunicación con uc digital serie mapeado en memoria (si está integrado) Tecnologías IEEE , Bluetooth, WiFi, Lora, etc. 14

15 Nodos: alimentación baterías recolección de energía solar, térmica, vibraciones, radiofrecuencia, química híbridos Convertidores DC-DC step-down step-up 15

16 RSI redes de sensores inalámbricos RSI: Networked Embedded Systems Redes de comunicaciones entre sistemas embebidos Sistemas embebidos en red RSI: sistemas embebidos c/ sensores + comunicaciones Redes de datos/comunicaciones PC nodo sensor (salvando distancias, d ) 16

17 Clasificaciones de redes de com. LAN (Local) WLAN (Wireless Local) CAN (Campus) MAN (Metropolitana) WAN (Wide) PAN (Personal Area Network) WPAN (Wireless PAN) RSI LPWAN (Low Power WAN) RSI (?) 17

18 Arquitectura de redes Modelo de capas (niveles): cada capa tiene función específica provee servicios a la capa superior (usa de la inferior) 18

19 Arquitectura: capas, protocolos, interfaces Fuente: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks 5th Edition (slides, pag. 18) 19

20 Fuente: Transparencias de asignatura Redes de datos (001-intro-1.pdf, pag. 29, 2017) 20

21 Fuente: Transparencias de asignatura Redes de datos (001-intro-1.pdf, pag. 30, 2017) 21

22 Pila de protocolos Fuente: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks 5th Edition (slides, pag. 20) 22

23 Relación entre servicio y protocolo Fuente: Andrew S. Tanenbaum, Computer Networks 5th Edition (slides, pag. 24) 23

24 Modelo de capas Entidades: Protocolos horizontales: elementos activos que implementan los servicios com. entre entidades de maquinas diferentes Transferencia vertical de la información: flujo real de información por debajo de la capa 1 está el medio físico por arriba el usuario 24

25 Modelo de capas Arquitectura de red: un conjunto de capas y protocolos Pila de protocolos (stack de protocolos): el conjunto de protocolos utilizados en una arquitectura de red 25

26 Aspectos de diseño Direccionamiento (identificar nodos/máquinas) Control de errores: detección, corrección, secuenciamiento de los mensajes Control de flujo: transmisor rápido hacia receptor lento Control del tamaño de los mensajes 27

27 Clasificación de los servicios Conexión orientado a conexión no orientados a conexión Confiabilidad confiable no confiable 28

28 Primitivas de servicio primitivas: operaciones para usuario servicio especificado por conjunto de primitivas parámetros que lo caracterizan 29

29 Primitivas de servicio Request: pedir que se inicie un servicio Confirm: comunicar el resultado de un Request previo Indication: indicar al usuario un evento interno Response: completar procedimiento iniciado por "Indication" Fuente: IEEE Std (pag. 56) 30

30 Modelo TCP/IP (híbrido) Fuente: Transparencias de asignatura Redes de datos (002-intro-2.pdf, pag. 20, 2017) 31

31 RSI: arquitectura de referencia Comparación Modelo TCP/IP con 6loWPAN Fuente: 32

32 Estandarización: IEEE define PHY & MAC versiones primera: 2011 última: 2015 Bandas ISM Globales: 2.4 Ghz Regionales: infinidad Comunicación superframes estructura de multi-superestructura para extensión multi-canal determinística y síncrona (DSME) slotframes (TSCH PAN) 33

33 Estandarización: IETF Working Groups 6lowpan (IETF 6LoWPAN Working Group) roll (IETF Routing Over Low-power and Lossy network (ROLL) ruteo en redes con características similares relajando restricción de enlaces IEEE surge el término más genérico Low-power and Lossy Network (LLN). 6lo (IPv6 over Networks of Resource-constrained Nodes) generalización de 6lowpan 6tisch (IPv6 over the TSCH mode of IEEE e) extensiones IPv6 para LoWPAN, donde los nodes comunicados por enlaces IEEE extensiones sobre enmienda para Time-Slotted Channel Hopping CoRE (Constrained RESTful Environment) definió protocolo como alternativa a HTTP para la transferencia de información 34

34 Modelo de capas completo 35

35 Planificación clases 1. Introducción RSI / Modelos de capas IoT 2. IPv6 3. Plataforma de hardware 4. Plataforma de software: Contiki OS I 5. Plataforma de software: Contiki OS II 6. Capa Fisica I 7. Capa Fisica II 8. MAC 9. Antenas direccionales 10. Capa adaptación: 6lowpan 11. Capa de red: RPL 12. Capa de aplicación: CoAP 36

36 gracias... más preguntas? 37