Einleitung Grundlagen Protokollumsetzung Implementierung in ns-2 Zusammenfassung. Diplomverteidigung
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- Viktor Feld
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1 Diplomverteidigung Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard 11. Dezember 2007 Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 1
2 Gliederung Einleitung Grundlagen Protokollumsetzung Implementierung in ns-2 Zusammenfassung Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 2
3 Motivation der Arbeit existierende Arbeiten zur Verwendung des Cluster-Tree-Protokolls: keine Beachtung der ZigBee-Kompatibilität keine Benutzung der Cluster-Tree-Funktionen aus IEEE damit redundante Funktionalität keine Beachtung des Energieverbrauches Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 3
4 Zielsetzung der Arbeit Überführung des Cluster-Tree Routing Algorithmus nach ZigBee keine Veränderung des zugrunde liegenden IEEE Standards Beachtung des Energieverbrauches Implementierung und Evaluation im Netzwerksimulator ns-2 Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 4
5 Gliederung Einleitung Grundlagen Cluster-Tree Protokoll IEEE /ZigBee Protokollumsetzung Implementierung in ns-2 Zusammenfassung Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 5
6 Cluster-Tree Protokoll Struktur, Adressierung und Routing PAN Koordinator Baumparameter: max. Baumtiefe: 3 max. Kindknoten: 2 Koordinatoren Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 6
7 Cluster-Tree Protokoll Struktur, Adressierung und Routing PAN Koordinator 0 Baumparameter: max. Baumtiefe: 3 max. Kindknoten: 2 Koordinatoren Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 6
8 Cluster-Tree Protokoll Struktur, Adressierung und Routing PAN Koordinator 0 Baumparameter: max. Baumtiefe: 3 max. Kindknoten: 2 Koordinatoren 1 8 Routing: Knoten 9 11 => 9 Knoten => 12 restliche Knoten => Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 6
9 IEEE /ZigBee IEEE Standard Standard für low rate wireless personal area networks (LR-WPANs): spezifiziert PHY- und MAC-Schicht geringe Datenraten (max. 250Kb/s in 2,4GHz) begrenzte Reichweite (ca. 10m) Unterscheidung zwischen Full Functional Devices (FFD) und Reduced Functional Devices (RFD) Assoziierungsfunktion (slotted) CSMA/CA Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 7
10 IEEE /ZigBee ZigBee-Spezifikation Protokollstapel basierend auf dem IEEE Standard Herausgegeben von der ZigBee-Allianz Einsatz zur Vernetzung für Anwendungsfälle mit: geringem Datenaufkommen geringem Energieverbrauch Sicherheitsfunktionen Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 8
11 Gliederung Einleitung Grundlagen Protokollumsetzung Cluster-Parameter Beacon-Scheduling-Problem Implementierung in ns-2 Zusammenfassung Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 9
12 Cluster-Parameter Betriebsmodus IEEE Schicht Beacon Interval (BI) Superframe Duration (SD) Wachzyklus Schlafzyklus Zeit Band BI, SD 2,4 GHz 15,3 ms - 4,2 min 902 MHz 24 ms - 6,6 min 868 MHz 48 ms - 13,1 min Beacon Rahmen Anteil der Wachzeit ist Verhältnis SD zu BI Einfluss auf: Netzaufbau, Latenz, Durchsatz Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 10
13 Cluster-Parameter Betriebsmodus IEEE Schicht Beacon Interval (BI) Superframe Duration (SD) Wachzyklus Schlafzyklus Zeit Band BI, SD 2,4 GHz 15,3 ms - 4,2 min 902 MHz 24 ms - 6,6 min 868 MHz 48 ms - 13,1 min Beacon Rahmen Anteil der Wachzeit ist Verhältnis SD zu BI Einfluss auf: Netzaufbau, Latenz, Durchsatz Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 10
14 Cluster-Parameter Betriebsmodus IEEE Schicht Beacon Interval (BI) Superframe Duration (SD) Wachzyklus Schlafzyklus Zeit Band BI, SD 2,4 GHz 15,3 ms - 4,2 min 902 MHz 24 ms - 6,6 min 868 MHz 48 ms - 13,1 min Beacon Rahmen Anteil der Wachzeit ist Verhältnis SD zu BI Einfluss auf: Netzaufbau, Latenz, Durchsatz Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 10
15 Beacon-Scheduling-Problem Beschreibung Problem: Knoten synchronisieren sich auf Koordinatoren Beacons überlagern sich räumlich und zeitlich Folgen: Verdeckung von Koordinatoren Verbindungsverlust durch Beacon-Kollision Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 11
16 Beacon-Scheduling-Problem Lösungsansätze Zeitschlitz 0 Zeitschlitz 1 Zeitschlitz 2 Beacon Interval Superframe Duration Superframe Duration Superframe Duration Zeit Kollisionsvermeidung von Beacons durch: Gleichverteilung über Zeitschlitze Zeitmultiplex Raum- und Zeitmultiplex Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 12
17 Beacon-Scheduling-Problem Raum- und Zeitmultiplex Überführung in ein vertex coloring problem aus der Graphentheorie: Knoten werden als Knoten im Graph dargestellt Kanten im Graphen stellen Empfang von Beacons dar Knoten die keine Beacons senden (Blattknoten, RFD) werden eliminiert Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 13
18 Beacon-Scheduling-Problem Raum- und Zeitmultiplex Überführung in ein vertex coloring problem aus der Graphentheorie: Knoten werden als Knoten im Graph dargestellt Kanten im Graphen stellen Empfang von Beacons dar Knoten die keine Beacons senden (Blattknoten, RFD) werden eliminiert Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 13
19 Beacon-Scheduling-Problem Raum- und Zeitmultiplex Überführung in ein vertex coloring problem aus der Graphentheorie: Knoten werden als Knoten im Graph dargestellt Kanten im Graphen stellen Empfang von Beacons dar Knoten die keine Beacons senden (Blattknoten, RFD) werden eliminiert Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 13
20 Beacon-Scheduling-Problem Raum- und Zeitmultiplex Überführung in ein vertex coloring problem aus der Graphentheorie: Knoten werden als Knoten im Graph dargestellt Kanten im Graphen stellen Empfang von Beacons dar Knoten die keine Beacons senden (Blattknoten, RFD) werden eliminiert Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 13
21 Beacon-Scheduling-Problem Raum- und Zeitmultiplex Überführung in ein vertex coloring problem aus der Graphentheorie: Knoten werden als Knoten im Graph dargestellt Kanten im Graphen stellen Empfang von Beacons dar Knoten die keine Beacons senden (Blattknoten, RFD) werden eliminiert Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 13
22 Beacon-Scheduling-Problem Umsetzung Ablauf: Knoten senden Liste mit Koordinatoren an PAN-Koordinator PAN-Koordinator: berechnet Zeitschlitzverteilung für Beacons informiert Koordinatoren mit geänderten Zeitschlitz PAN-Koordinator muss über verlassende Knoten informiert werden Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 14
23 Beacon-Scheduling-Problem Bewertung Vorteile: bei stationären Knoten keine Kollisionen optimale Ausnutzung der Zeitschlitze Nachteile: zusätzliche Verwaltungsnachrichten hoher Berechnungsaufwand im PAN-Koordinator Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 15
24 Gliederung Einleitung Grundlagen Protokollumsetzung Implementierung in ns-2 Netzwerksimulator ns-2 Fehler in ns-2 Zusammenfassung Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 16
25 Netzwerksimulator ns-2 Übersicht Network Simulator (ns-2): Discrete Event Simulator Simulation von IP-basierenden Netzwerken Implementierung der NWK-Schicht für ZigBee-Netze Network Animator (nam): grafische Darstellung der Simulation Möglichkeit zur Diagnose von Paketen und Knotenzuständen erweitert Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 17
26 Fehler in ns-2 IEEE Implementierung vorhanden IEEE Implementierung im beacon enabled mode fehlerhaft mehrere Fehler konnten behoben werden konzeptioneller Fehler in ns-2 beim Senden von Rahmen an Vaterknoten Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 18
27 Gliederung Einleitung Grundlagen Protokollumsetzung Implementierung in ns-2 Zusammenfassung Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 19
28 Zusammenfassung der Arbeit Entwurf eines Cluster-Tree-Protokolls auf ZigBee-Basis optimiert für geringes Datenaufkommen und Energiebedarf Lösungsvorschläge für das Beacon-Scheduling-Problem Implementierung im Netzwerksimulator ns-2 Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 20
29 Ausblick Mögliche Themen für weiterführende Arbeiten: Korrektur der IEEE Schicht in ns-2 Konzepte für Inter-Cluster-Kommunikation Anpassung Rekonfiguration Untersuchung von Änderungen der MAC-Schicht Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 21
30 Knotenanzahl im Baum L: Baumtiefe C m : Anzahl Kindknoten n L = 1 C m L+1 1 C m Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 22
31 Cluster-Formierung Knoten (NWK) Knoten (MAC) MLME SCAN.request MLME SCAN.confirm MLME START.request MLME START.confirm Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 23
32 Cluster-Beitritt Knoten (NWK) Knoten (MAC) Koordinator (MAC) Koordinator (NWK) Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 24
33 Cluster-Beitritt Knoten (NWK) Knoten (MAC) Koordinator (MAC) Koordinator (NWK) MLME SCAN.request Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 24
34 Cluster-Beitritt Knoten (NWK) Knoten (MAC) Koordinator (MAC) Koordinator (NWK) MLME SCAN.request Beacon Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 24
35 Cluster-Beitritt Knoten (NWK) Knoten (MAC) Koordinator (MAC) Koordinator (NWK) MLME SCAN.request Beacon MLME SCAN.confirm Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 24
36 Cluster-Beitritt Knoten (NWK) Knoten (MAC) Koordinator (MAC) Koordinator (NWK) MLME SCAN.request Beacon MLME SCAN.confirm MLME ASSOCIATE.request Associate request MLME ASSOCIATE.indication Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 24
37 Cluster-Beitritt Knoten (NWK) Knoten (MAC) Koordinator (MAC) Koordinator (NWK) MLME SCAN.request Beacon MLME SCAN.confirm MLME ASSOCIATE.request MLME ASSOCIATE.confirm Associate request Associate response MLME ASSOCIATE.indication MLME ASSOCIATE.response Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 24
38 Cluster-Beitritt Knoten (NWK) Knoten (MAC) Koordinator (MAC) Koordinator (NWK) MLME SCAN.request Beacon MLME SCAN.confirm MLME ASSOCIATE.request MLME ASSOCIATE.confirm MLME SYNC.request Associate request Associate response MLME ASSOCIATE.indication MLME ASSOCIATE.response Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 24
39 Verbindungsverlust Knoten zu Koordinator Knoten (NWK) Knoten (MAC) MLME SYNC LOSS.indication MLME SCAN.request orphan scan MLME SCAN.confirm Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 25
40 Verbindungsverlust Koordinator zu Knoten Koordinator (MAC) Koordinator (NWK) Beacon pending Address Beacon pending Address Beacon pending Address Beacon MLME COMM STATUS.indication Status: TRANSACTION EXPIRED Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 26
41 Welsh-Powell Algorithmus Ablauf: 1. alle Knoten sind nicht gefärbt 2. Knoten absteigend nach Anzahl der Kanten sortieren 3. in der Reihenfolge durch die Liste jedem ungefärbten Knoten wenn möglich die Farbe 1 zuweißen 4. Schritt 4 mit Farbe 2, 3,... wiederholen bis alle Knoten gefärbt sind Adaption of Cluster-Tree Routing Protocol to IEEE /ZigBee Standard Folie 27
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