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Mobilité dans les réseaux de capteurs sans fil

Julien [email protected]

Séminaire RSF Reims - 10 mai 2012

Julien Montavont - Séminaire RSF Reims - 10 mai 2012

Introduction• Réseaux de capteurs sans fil

– capteurs sans fil• équipement embarqué, autonome et très contraint (CPU, mémoire,

énergie)• peut récupérer des informations (température, son, etc.) sur son

environnement au moyen de capteurs physiques• dispose d’une interface de communication sans fil à faible portée pour

transmettre les informations relevées à une station de collecte

– liens de communication à débit faible, faible coût et connectivité instable

2

station de collecte

réseau de capteurs

Julien Montavont - Séminaire RSF Reims - 10 mai 2012 3

MOBILITÉ DE NIVEAU 2

31


Organisation des communications• Le médium radio est une ressource partagée

– domaine de diffusion• tous les capteurs à portée de l’émetteur reçoivent l’information

– domaine de collision• un seul émetteur à la fois dans un même voisinage

4

➡ Idle listening

➡ Overhearing

➡ Collisions

[1] G. Terrasson. Contribution à la conception d’émetteur-récepteur pour microcapteurs autonomes. Thèse, Université de Bordeaux I, Novembre 2008.

Radio50%

MCU 34%

Capteur16%

• La radio est le principal consommateur d’énergie [1]

a b c

a b c

a b c

radio on


L’accès au médium• L’accès au médium doit être coordonné de manière

localisée en considérant la consommation énergétique :– Protocole de contrôle de l’accès au médium (MAC)

• deux familles : synchronisés et à préambules

– idée principale : mettre la radio en veille le plus souvent possible

• Assurer la connectivité entre les capteurs, l’équité en terme de délai d’accès, et l’extensibilité à un grand nombre de capteurs

5

Z

• Temps divisé en intervalles discrets– alternance synchronisée de périodes de veille et d’activité

– intervalles dédiés (TRAMA [2]) ou compétition (S-MAC [3])

– synchronisation temporelle, peu extensible


Protocole MAC synchronisés

6

Z

Z

A

C

Temps

A

C

B

[2] V. Rajendran, K. Obraczka, and J. Garcia-Luna-Aceves. Energy-efficient, collision-free medium access control for wireless sensor networks. In SenSys ’03, pages 181–192. ACM, November 2003.[3] W. Ye, J. Heidemann, and D. Estrin. Medium access control with coordinated adaptive sleeping for wireless sensor networks. IEEE/ACM Transactions on Networking, 12(3):493–506, June 2004.

• Low Power Listening (LPL) : synchronisation locale, valide pour la transmission courante (B-MAC [4])– échantillonnage périodique du médium

– utilisation d’un préambule avant les données pour synchroniser les récepteurs

– favorise l’overhearing et réduit le temps utile d’utilisation du médium


Protocole MAC à préambules

7

[4] J. Polastre, J. Hill, and D. Culler. Versatile low power media access for wireless sensor networks. In SenSys ’04, pages 95–107. ACM, November 2004.

DATA

préambule DATA

DATA

ACK

A

B

veille

échantillonnage du médium

temps

temps

C temps

overhearing

[8] R. Kuntz, A. Gallais, and T. Noël. Medium access control facing the reality of WSN deployments. ACM SIGCOMM Computer Communication Review, 39(3):22–27, April 2009.

• Déploiements actuels sur mesure, peu de contraintes [8] :– peu de considérations pour les capteurs mobiles

• Protocoles synchronisés (TRAMA, S-MAC)– validité du prochain saut– intégration du capteur mobile dans l’échéancier

• Protocoles à préambules (B-MAC)– validité du prochain saut– délai d’accès au médium


Mobilité de niveau 2

8


X-MACHIAVEL (1/6)• X-MACHIAVEL [9]

– Basé sur X-MAC [10] qui utilise un préambule composé d’une suite de micro-trames

• Buts– réduire le délai d’accès au médium des capteurs mobiles

• subtiliser la ressource à ceux qui la possèdent

– Simplifier le choix du prochain saut pour les capteurs mobiles

• détermination lors de l’émission effective

– support de nombreux capteurs mobiles

9

[9] R. Kuntz, J. Montavont, and T. Noël. Improving the medium access in highly mobile wireless sensor networks. To appear in Springer Telecom Systems, SI on Recent Advance in Mobile Sensor Networks, 2011[10] M. Buettner, G. V. Yee, E. Anderson, and R. Han. X-MAC: a short preamble MAC protocol for duty-cycled wireless sensor networks. In SenSys ’06, pages 307–320. ACM, October 2006.


X-MACHIAVEL (2/6)

10

• Opérations sur un canal libre

DATA

DATA

ACKpériode de veille

échantillonnage

P0 P0

ACK

P2 P2 P2 DATA

DATA

ACK ACK

temps

temps

temps

médiumréservé

médium réservé

MAJdestination

B

période de veille

période de veille

période de veillepériode de veille

mobile

fixe

fixe

P0

C

P1

P2

préambule envoyé par les capteurs mobiles

préambule envoyé par les capteurs fixes indiquant que le médium est subtilisable

préambule envoyé par les capteurs fixes indiquant que le médium n’est pas subtilisable

A


X-MACHIAVEL (3/6)

11

• Opérations sur un canal occupééchantillonnage

P2 P2 P2

C

DATA

DATA

ACK ACK

temps

temps

temps

BP1 P1 P1

DATA

DATA

P2

MAJdestination

P2

période de veille

période de veille

transmission de la donnéedu capteur mobile

période de veille

médium réservé

médium subtilisable

mobile

fixe

fixe

P0

P1

P2

préambule envoyé par les capteurs mobiles

préambule envoyé par les capteurs fixes indiquant que le médium est subtilisable

préambule envoyé par les capteurs fixes indiquant que le médium n’est pas subtilisable

A


X-MACHIAVEL (4/6)

12

0 5

10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65

Perte

s au

niv

eau

MAC

(%)

Protocole MAC (64 capteurs mobiles)X−MAC X−Machiavel

MAC pas prêteRadio éteinte

Paquet non capturéPaquet erroné

Paquet en file d’attentePas de voisins

-40%

voisinage assuré

réduction des collisions

• Pertes au niveau MAC


X-MACHIAVEL (5/6)

13

0 20 40 60 80

100 120 140 160 180 200 220 240

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

Dél

ai m

oyen

d’a

ccès

au

méd

ium

(ms)

Protocole MAC (64 capteurs mobiles)

X−MAC X−Machiavel

Tous les capteurs (avec int. conf. 95%)Capteurs fixes (avec int. conf. 95%)

Capteurs mobiles (avec int. conf. 95%)

-60%

-30%

• Délai d’accès au médium


X-MACHIAVEL (6/6)

14

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900

1000 1100 1200 1300

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300

Ener

gie

tota

le c

onso

mm

ée (J

oule

s)

Protocole MAC (64 capteurs mobiles)X−MAC X−Machiavel

Capteurs fixes (avec int. conf. 95%)Capteurs mobiles (avec int. conf. 95%)

-37%

-28%

-33%

• Consommation énergétique


Conclusions• Les protocoles MAC actuels n’offrent pas de support pour

les capteurs mobiles– délai d’accès au médium, insertion dans un échéancier, etc.

• Contribution: X-MACHIAVEL– réduit le délai d’accès au médium des capteurs mobiles

• canal libre : données prises en charge par un capteur fixe

• canal occupé : médium subtilisé par le capteur mobile

– facilite le calcul du prochain saut sur les capteurs mobiles

– permet de réduire les pertes et les congestions

– performances sans compromis sur la consommation énergétique

– nécessite une infrastructure composé d’un nombre suffisant de capteurs fixes

15


MOBILITÉ DE NIVEAU 3

31


6LoWPAN (1/5)• IPv6 dans les RSF (6LoWPAN)

– infrastructure existante– technologie existante, maîtrisée et éprouvée– spécifications sont ouvertes et disponibles

gratuitement (IETF)– outi ls existant pour le diagnostic et le

management– Equipements IP peuvent être directement

connectés à tout réseau IP

17


6LoWPAN (2/5)

18

• Défis– taille de paquet limitée

• un paquet 802.15.4 est limité à 127 octets• en-tête IPv6 a une taille fixe de 40 octets (~31% de la

taille totale du paquet)

– En-têtes IPv6 et des couches supérieures doivent être compressés

23 octets 40 octets 54 octets8 octetsen-tête

802.15.4 en-tête IPv6 DonnéesUDP

Format d’un paquet 802.15.4 (127 octets)


Routage dans 6LoWPAN• Routage mesh-under

– routage de niveau 2– en-tête mesh addressing header (RFC 4944)

• définit la source initiale et la destination finale du message en plus des sources et destinations saut-par-saut

– routes sont calculées à l’aide de protocoles de routage ad hoc ou mesh (non définit dans le RFC 4944)

• Routage route-over– routage de niveau 3– chaque capteur endosse le rôle d’un routeur IP

• chaque lien est un saut IP• solution IETF : RIPL

19


Neighbor Discovery (1/3)

20

A

C

B

• Neighbor discovery (RFC 4861) n’est pas adapté à des liens non transitifs

• Adaptation de Neighbor Discovery pour les RSF [11]

Au niveau 2, A peut communiquer avec B et C mais• A, B et C ne sont pas (forcément) sur le même lien IP• B (ou C) n’est pas (forcément) en mesure de

communiquer avec A

[11] Z. Shelby (Ed.), Neighbor Discovery Optimization for Low Power and Lossy Networks (6LoWPAN), Internet Engineering Task Force, Work in Progress, draft-ietf-6lowpan-nd-18, October 2011


Neighbor Discovery (2/3)• Extensions (routage mesh-under)

– capteurs peuvent initier la transmission de nouveaux Router Advertisements

• supprime les Router Advertisements périodiques et non sollicités

– pas de détection d’adresse dupliquée (DAD)

• adresses IPv6 basées sur l’EUI-64

– nouveau mécanisme d’enregistrement d’adresse entre capteurs et routeurs

• supporte des capteurs en veille

• évite la transmission en multicast de messages Neighbor Discovery pour la résolution d’adresse

– nouvelle option pour les Router Advertisements : Context information (utilisée dans la compression d’en-tête 6LoWPAN)

– tous les destinations IPv6 sont supposées hors lien (sauf pour les adresses multicast et lien local)

21


Neighbor Discovery (3/3)

22

• Routage mesh-under

lien sans fil

Unicast NSAddr Registration Option

Source Link Layer Addr Option

connexion- création @ lien local- adhésion au groupe all-nodes multicast- pas d’adhésion au groupe solicited-node multicast

Router SolicitationIPv6 all routers multicast addrSource Link Layer Addr Option

- création @ globale- enregistrement du contexte (context ID, prefix, compression bit and valid lifetime)

Unicast RAAuthoritative Border Router Opt.Source Link Layer Addr Option

Routeur6LoWPAN

Internet

nouveau capteur 6LoWPAN

capteurs6LoWPAN

Unicast NAAddr Registration Option

- vérificat. unicité @- enregistrement @


Mobilité IPv6 (1/2)

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routeur IPv6

Internetrouteur IPv6

@1:A

préfixe - 1

préfixe - 2

@1:A

correspondant

@3:C@3:Csrc dst

@1:A@3:Csrc dst

@1:A

???

@1:Asrc dst

@3:C

Ingress Filtering!

@2:A


Mobilité IPv6 (2/2)

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• Orientée terminal– Mobile IPv6 (RFC 6275)

• extensions (HMIPv6, FMIPv6, etc.)

• Orientée réseau– Proxy Mobile IPv6 (RFC 5213)

• Combinée– Network Mobility Basic Support (RFC 3963)


• Peu de travaux sur le sujet [12,13]– énergivore

• gestion de messages supplémentaires (BU/BACK)– surcouche importante

• 6 octets pour l’en-tête de mobilité + 20 octets pour l’option de destination (avec l’option adresse mère)

– augmente le RTT et réduit le débit– trop complexe pour des capteurs

• Adaptation pour 6LoWPAN [14]– en-tête de mobilité réduite à 1 octet– pas de compression pour les autres options

25

Mobilité IPv6 et 6LoWPAN (1/2)

[14] R. Silva (Ed.), An Adaptation Model for Mobile IPv6 support in LoWPAN, Internet Engineering Task Force, Work in Progress, draft-silva-6lowpan-mipv6-00, May 2009

[12] T. Camilo and al., Mobility Management in IP-based Wireless Sensor Networks, in proceedings of the 9th IEEE International Symposium on a World of Wireless Mobile and Multimedia Networks, Newport Beach, USA, June 2008[13] A. Jara and al., Mobile IPv6 over Wireless Sensor Networks (6LoWPAN): Issues and feasibility, as poster in proceedings of the 7th European Conference on Wireless Sensor Networks, Coimbra, Portugal, February 2010

• Implémentation de 6LoWPAN disponible pour Contiki OS

• Travaux actuels– implémentation de Neighbor Discovery pour 6LoWPAN

– implémentation de Mobile IPv6 pour 6LoWPAN

– expérimentation sur SensLAB


Mobilité IPv6 et 6LoWPAN (2/2)

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/ Future Internet of Things


QUESTIONS ?

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