IoT: LR-WPAN e 6LowPAN

Introduzione

Prima dell’avvento delle tecnologie LPWAN, l’unico standard di riferimen to per le WSN (Wireless Sernsor Network) `estato LR-PWAN, ratificato dall’IEEE attraverso il protocollo 802.15.4 che definisce i livelli PHY e MAC.

Al  fine di favorire l’interoperabilit`a, lo stesso ente di standardizzazione, ha sviluppato il protocollo 6LowPan che implementa il livello network compliant  allo standard 802.15.4.

Standard IEEE 802.15.4

LR-WPAN (Low Rate – Wireless Personal Area Network) `e una tecnolgia pensata per trasmettere piccole informazionisu brevi distanze con basso data rate. A differenza delle WLAN (reti locali senza fili), i collegamenti effettuati tramite WPAN coinvolgono poco o nessuna infrastruttura. Questa caratteristica permette soluzioni piccole, economiche ed energeticamente efficienti da attuare per una vasta gamma di dispositivi. Lo scopo dello standard IEEE 802.15.4 `equello di  definire il livello fisico ed il livello MAC per la connettivit`a wireless a bassa velocit`a di trasmissione dati.

Le WPAN permettono di integrare dispositivi fissi e mobili, che possono essere alimen tati con o senza batteria. Qualorafossero alimentati a batteria, il consumo `e molto limitato grazie ai requisiti molto bassi di computazione. Tipicamente il raggio  operativo  dei  dispositivi  `e  di 10 metri  e viene identificato come POS (Personal Operating Space).

E’ possibile prevedere, in base ai requisiti  dell’applicazione, unraggio di copertura piu`  ampio a discapito di un datarate inferiore come accettabile compromesso.

Lo standard definisce due tipi di dispositivi, i Full Function Device (FFD) con funzionalit`a complete e Reduced Function Device (RFD) con funzioni limitate:

• I Full Function Device (FFD) implementano all’interno del loro firmware tutto lo stack e possono assumere i ruoli sia di coordinatore della rete che di router per l’instradamento dei pacchetti tra segmenti di rete differenti. Ogni rete deve includere almeno un FFD che agisce comecoordinatoredellaWPAN chepu`oinoltreoperarecomenormale
• I Reduced Function Device (RFD) svolgono invece operazioni molto semplici, non devono elaborare o spediregrandi quantit`a di dati e possono rimanere inattivi quando non hanno necessit`a di com Un FFD pu`ocomunicare sia con altri FFD che con gli RFD, mentre questi ultimi possono comunicare solo con altri RFD. Inquesto modo `e possibile costruire una WPAN quando almeno 2 dispositivi comunicano all’interno dello stesso POS, utilizzando lo stesso canale fisico.

Topologie LR-WPAN

Lo standard 802.15.4 supporta la creazione di tre topologie di reti: a stella, ad albero e mesh.

In una topologia a stella la rete `e controllata da un singolo dispositivo chiamato coordinatore. Solo i dispositivi FFD possono assumere il ruolo di coordinatore, in quanto implementano a bordo del proprio firmware tutto lo stack. Ilcoordinatore `e responsabile di inizializzare la rete stessa e di coordinare la comunicazione tra i dispositivi nella rete. Tutti gli altri nodi, conosciuti come end devices, comunicano solo con il coordinatore.

Nella topologia ad albero e mesh il coordinatore inizializza la rete e definisce i parametri necessari alla comunicazione, ma l’instradamento per poter comunicare con altre reti avviene solo tramite i routers.

Nella topologia ad albero, i routers muovono dati e controllano la rete attraverso una strategia di routing gerarchico. Ogni router pu`o essere rappresentativo di un cluster di nodi, pertanto nella topologia ad albero `e possibile supportare fino a 255 cluster composti da 254 nodi ciascuno per un totale di oltre 64 mila nodi. Caratteristica interessante della topologia ad albero `e che un nodo potrebbe decidere di passare da un segmento di rete ad un altro semplicemente operando uno switch del canale radio su cui trasmette. Questa caratteristica `e permessa in quanto vale il meccanismodi accesso al canale condiviso sul principio del “chi parla quando”. La topologia ad albero potrebbe implementare una comunicazione beacons oriented come definito nello standard 802.15.4.

La rete mesh permette una comunica- zione P2P. I routers nella mesh network non emettono beacons regolari comedefinito nello standards 802.15.4, in quanto questa specifica descrive solo re ti intra PAN, cio`e le reti in cui comincianole comunicazioni e terminano nella rete stessa. Le reti mesh permettono una grande scalabilit`a e disponibilit`a di servizio,in quanto permettono di estendere la rete aggiungendo nuovi nodi router i quali possono instradare le comunicazioni sfruttando path multipli. Nelle reti mesh viene impiegato il protocollo AODV per la gestione del routing. Il protocolloAODV (Ad-hoc On-demand Distance Vector) `e un protocollo dinamico di tipo reattivo che fa uso di tabelle di routing locali ai nodi per poter instradare i pacchetti verso altri nodi. All’interno delle reti mesh i nodi sono statici e per questo si differenziano dalle reti Ad-hoc. Il protocollo AODV funziona bene nelle reti di sensori in quanto le tabelle diinstradamento non vengono aggiornate molto frequentemente, salvo quando un nodo fallisce.

Figura 1 – Topologie reti LR-WPAN.

6LowPAN

La specifica dello standard IEEE 802.15.4 definisce solo i livelli PHY e MAC dello stack e non fornisce alcuna indicazione sui layers superiori.

Le tecnologie compliant a questo standard, come ZigBee o WirelessHart, implementano i layers superiori sulla basedelle proprie specifiche per ottenere lo stack completo. Il limite di questo tipo di approccio `e che due device sono conformi alle specifiche dello standard, ma afferiscono a tecnologie differen ti, non sono in grado di comunicare tra loro in quanto i layers superiori a quello fisico e mac sono completamente diversi. Nell’ambito dell’IoT, ciò  potrebbe rappresentare un grosso limite pertanto, per favorire l’interoperabilit`a tra tecnologie eterogenee `e stato sviluppato unostandard per il livello rete che favorisca lo scambio di dati.

Nelle reti LAN tradizionali il livello rete `e gestito dal protocollo IP.  Nel protocollo IP la lunghezza degli indirizzi che sipossono assegnare ad una interfaccia di rete `e di 32 bit. Il proliferare di numero di hosts connessi alla rete ha messo in crisi lo spazio di indirizzamento possibile del protocollo IP. Per sopperire a questa problematica, a fine anni 90, vennedefinito tramite RFC 2460, il protocollo IPv6. La nuova versione del protocollo IP prevede l’utilizzo di indirizzi lunghi 128bit, consentendo uno spazio di indirizzamento molto piu` ampio.

Con l’esplosione dell’IoT il numero di dispositivi che necessitano di connettivit`a crescer`a in modo esponenziale.Considerato che gli indirizzi IPv4 sono in via di esaurimento, sarebbe impossibile coniugare l’esigenza di connettivit`a dei dispositivi con la scarsa disponibilit`a di risorse. Il protocollo IPv6 offre un ampio spazio di indirizzamento e sarebbe sufficiente a garantire il deploy su  larga scala di un elevato numero di nodi.

Considerati questi aspetti, IETF ha proposto uno standard basato su protocollo IPv6 che potesse adattarsi al contesto delle reti LR-WPAN. Nel 2007 venne definito tramite RFC 4944 lo standard 6LowPAN (IPv6 over Low-rate WPAN) [19].L’obiettivo primario  di questo standard `e quello di definire un network layer comune per tutte le tecnologie che si basano sullo standard IEEE 802.15.4.

Lo standard 6Lo-wPAN va anche incontro al problema di interoperabilit`a delle  reti LPWAN. Tuttavia, in ambito LPWAN, il protocollo 6LowPAN ha un’accezione  diversa a causa di alcuni aspetti. Innanzitutto, bisogna considerare che essendoci una grande quantità di tecnologie differenti, ognuna di esse utilizza un proprio standard per l’implementazione del livelloPHY e MAC. Le reti LR-WPAN sono invece definite dallo standard IEEE 802.15.4 pertanto è piu` naturale costruire uno standard per l’implementazione del livello rete. In secondo luogo bisogna considerare che la maggior parte delle reti LPWAN ha una topologia a stella in cui la base station comunica con gli end device tramite una specifica tecnologiawireless. La base station `e connessa ai sistemi di back-end tramite protocollo IPv4. In questo scenario ha meno senso dotare gli end device di uno stack completo che comprenda il livello rete in quanto aumenterebbe la complessit`a deidispositivi e farebbe aumentare i costi di produzione.

6LowPAN : Caratteristiche tecniche

Lo standard 6LowPAN consente l’utilizzo del protocollo IPv6 su sistemi embedded. Sebbene questo aspetto permetta il deploy su larga scala di una  grande quantit`a di dispositivi, non `e esente da criticit`a.

Il primo fattore critico da considerare `e che originariamente il protcollo IPv6 non venne concepito per poter essere implementato su tecnologie con scarse risorse computazionali, di conseguenza deve essere ridimensionato e alleggerito per potersi adattare ad hardware dalle capacità limitate.

In secondo luogo, bisogna considerare che il livello MAC dello standard 802.15.4 `e diverso dal livello MAC degli standard delle reti LAN. La dimensione del payload supportato dal layer MAC in IPv6 `e molto piu` grande di quellodefinito dallo standard IEEE 802.15.4. Per integrare il protocollo IPv6 sul livello MAC, il working group 6LowPAN ha progettato lo stack interponendo tra il livello MAC ed il livello rete un livello chiamato adaptation layer che ha lo scopo di  gestire la compressione dell’header, la frammentazione, il riassemblamento  e la gestione del routing nella topologia mesh.

L’utilizzo di uno standard che definisce il layer di rete favorisce non solo l’interoperabilit`a con altre tecnologie, ma anchel’interazione con i layer superiori. Questo aspetto d`a origine a diversi vantaggi.

Il protocollo IPv6 per quanto possa essere considerato una tecnologia robusta, ancora oggi non `e ampiamente utilizzato. Le applicazioni che si basano su protocollo IP sono lo standard de facto dei servizi in circolazione. L’implementazionedel protocollo IPv6 sui sistemi embedded potrebbe favorire la sua sua diffusione. Il problema della scarsa disponibilit`a diindirizzi IPv4 `e una tematica che viene discussa da diversi anni. Il protocollo IPv6 risolve questo problema offrendo uno spazio di indirizzamento molto ampio che si coniuga con le esigenze di deploy su larga scala dei devices. Tra i punti diforza di IPv6 c’`e la peculiarit`a che un host `e in grado di auto assegnare un indirizzo di rete ad una interfaccia fisica che sia globalmente riconosciuta. In questo modo si semplificano le architetture di rete in quanto non `e necessaria lapresenza dei NAT (Network Address Translation) e quindi si evita di dover ricorrere all’uso di indirizzi IP privati.

Figura 2 – 6LowPan stack.

Lo standard IEEE 802.15.4 supporta tre topologie di rete, ma in nessuna di queste `e previsto un accesso diretto allarete internet da parte dei dispositivi. Senza il layer di rete, sarebbe impossibile per un device presente  in una rete LR-WPAN interagire con un device collocato su un’altra rete. Tramite 6LowPan `e invece possibile far scambiare i dati anodi collocati su reti diverse.

Un frame a livello MAC dello standard IEEE 802.15.4 pu`o avere dimensione massima di 127 byte, di cui 25 bytevengono destinati all’header ed  i restanti 102 byte sono riservati al payload. Un pacchetto IPv6 pu`o assumeredimensioni massime di 1280 byte, pertanto non `e possibile incapsulare un pacchetto IPv6 in un frame 802.15.4. L’incapsulamento avviene tramite frammentazione, ovvero i pacchetti del layer IPv6 vengono spezzati in piu` pacchetti didimensioni piu` piccole che possono essere contenuti in un frame.

Al contrario, quando un frame deve essere trasportato dal livello MAC verso il livello rete deve essere riassemblato per ricostruire il pacchetto originale. Le operazioni di frammentazione e riassemblamento vengono svolte dall’ adaptationlayer.

Tra le features piu` interessanti di 6LowPAN c’`e la possibilit`a di utilizzare l’assegnamento dinamico degli indirizzi brevi a16 bit. Usando questi indirizzi `e possibile implementare il routing gerarchico. Le reti LR-WPAN, essendo composte da dispositivi che dispongono di scarse risorse computazionali, non possono ottenere degli stessi servizi di una rete LANtradizionale. IPv6 va nella direzione della semplificazione dell’infrastruttura di rete grazie alla feature chiamata stateless address auto configuration che  permette di auto assegnare un indirizzo ad un host senza ricorrere ad servizio di DHCP. Inuno scenario applicativo in cui viene fatto il deploy di migliaia  di nodi, la possibilit`a che ogni dispositivo sia in gradodi auto assegnarsi un indirizzo semplifica notevolmente la gestione riducendo i costi di messa in produzione.

Il vantaggio piu` grande che offre l’adozione di 6LowPAN `e che i protocolli del livello applicazione possono essere utilizzati senza dover essere adattati alle LR-WPAN. Anche le socket possono essere usate senza subire nessuna modifica. La messa in produzione di un’infrastruttura di rete implica che gli hosts vengano monitorati al fine di garantire un buon livello di servizio. Quando un nodo della rete, un apparato o una singola componente subisce un guasto `enecessario che gli operatori che amministrano il servizio intervengano per gestire il guasto. Il protocollo SNMP (Simple Network Management Protocol)  `e  stato  sviluppato per poter raccogliere in tempo reale dati sullo stato di salute degli hosts. Nell’ambito IoT in cui le reti possono essere composte da migliaia di nodi `e fondamentale avere un servizio che permetta il monitoraggio di tutte le componenti, soprattutto in contesti in cui si opera in aree remote in cui non `e facileintervenire tempestivamente.

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