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0

IPv6 over WSN

Ajou UniversityS. W. Yoo

[email protected]

1

Table of Contents

WSN 기술 동향

ZigBee 기술 동향

IPv6 over WPAN

LoWPAN 라우팅 프로토콜

IPv6 적용방안 연구 검증

결론 및 향후 연구 방향

2

1 WSN 기술 동향

WSN 표준화 동향

구 분 목 적

P1451.0IEEE 1451 지능형 변환기 표준을 위한 공통된 기능, 명령, TEDS(Transducer Electronic Data Sheet)를 정의

P1451.1네트워크화된 지능형 변환기와 각 모델을 대표하는 클래스의 소프트웨어 인터페이스 특성을 위한 공통의 오브젝트 모델 정의

P1451.2TEDS와 TEDS의 데이터 형식, 10-wire 유선 디지털 인터페이스 및 변환기와 마이크로프로세서간의 통신 프로토콜 정의

P1451.3 디지털 통신 및 분산 멀티 시스템을 위한 TEDS 포맷을 지원

P1451.4아날로그(analog) 변환기를 위한 인터페이스 정의아날로그와 디지털(digital) 운용 모드를 지원하는 아날로그 변환기를 위한 혼합모드(mixed-mode) 인터페이스 정의

P1451.5IEEE 802.11(WiFi), IEEE 802.15.1(Bluetooth), IEEE 802.15.4(ZigBee) 프로토콜을 물리 계층으로 사용하는 무선 센서 인터페이스를 정의

P1451.6 고속 CANopen 기반의 변환기 네트워크 인터페이스를 위한 표준 정의

IEEE 1451 WG– 1993년 9월, NIST와 IEEE 기술 위원회

3


IEEE 802.15 WG

구 분 Task Group 업 무

WPAN(TG1)Bluetooth

10미터 정도 근거리에서의 무선 통신 기술에 대한 표준 제정, MAC & PHY Bluetooth 규격 채용

Coexistence(TG2) WPAN과 WLAN과의 전파 간섭 축소 방법 연구

High Rate(TG3)20Mbps 이상의 전송률 지원을 위한 MAC 및 PHY 연구2.4GHz ISM 대역.(11, 22, 33, 44, 55Mbps까지 전송)

High Rate(TG3a)Alt. PHY UWB

TG3에서 PHY를 100Mbps 이상 고속화하기 위한 alternative PHY(UWB) 연구

mmWave(SG3c)TG3a에서 밀리미터파(60GHz)를 활용한 초고속alternative PHY 연구

Low Rate(TG4)ZigBee

최대 전송 속도 20 ~ 250Kbps의 MAC 및 PHY 연구2.4GHz ISM 대역, 868/915MHz Dual PHY

Low Rate(TG4a)alt. PHY UWB

UWB PHY를 이용한 저속 위치인식 네트워킹 연구

Mesh Networking (TG5) WPAN에서 메시 네트워킹을 위한 MAC 및 PHY 연구

IEEE802.15

1 WSN 기술 동향

4


Wireless Networking

1 WSN 기술 동향

802.15.4802.15.4 (ZigBee)

5

DARPA 프로젝트(1997년)의 지원으로 UC Berkeley, UCLA 등 대학 중심 연구가 활발

UC Berkeley는 Tiny OS 및 계층화된 Mote (WeC, Mica, Imote 등) 개발 및 확산

Golden Gate 구조진단, 환경 감시, 생태계 연구, 군사 분야 등 다양한 응용 연구

NASA/JPL(Jet Propulsion Lab)은 Sensor Web을 여러 지역에 설치하여 환경 감시에 사용

Mote WeC mica2 iMote Telos

Released 1999 2003 2003 2003

Clock 4MHz 7MHz 12MHz 20MHz

CPU ATmel ATmel ARM Motorola

Flash(code, KB)

8 128 512 60

RAM(KB)

0.5 4 64 4

Radio(kBaud)

10 40 460 250

Radio Type RFM ChipConZeevo

BTZigBee

WSN 동향 (미국)

1 WSN 기술 동향

6

USN의 개념도USN의 개념도uID 센터는 T-engine 포럼을 구성하여 산업계 중심으로 다단계 임베디드 시스템

체계의 개발 및 확산

일본의 MIC는 u-Japan 전략의 일환으로 USN 기술개발 착수(2004~2007년)

- ubiquitous network 기술 , RFID 적용 기술 및 Ubiquitous sensor network 기술

Standard T-EngineμT-Engine

nT-EnginepT-Engine

WSN 동향 (일본)

1 WSN 기술 동향

7

IEEE 802.15

2 ZigBee 기술동향

8

ZigBee 스택 구조

(그림 2.2.5) ZigBee 스택 구조


9

Topology Model

ZigBee Network


10

네트워크 프레임 포맷

ZigBee Network


11

ZigBee 라우팅

ZigBee AODV (Ad-hoc On-demand Distance Vector)

– Light AODV

– Path cost metric: Link Cost

• LQI (Link Quality Indicator)

LQI Link Cost

> 75 1

50 -75 3

< 50 7


12

ZigBee 라우팅

ZigBee AODV

– Routing Table

필드명 크기 설 명

Destination address 2 bytes 목적지 노드의 16비트 네트워크 주소

Status 3 bits Route status

Next-hop address 2 bytes목적지 노드로 가는 경로상의

주위 노드의 16비트 네트워크 주소

값 Route status

0x0 ACTIVE

0x1 DISCOVERY_UNDERWAY

0x2 DISCOVERY_FAILED

0x3 INACTIVE

0x4 - 0x7 Reserved


13

ZigBee 라우팅

ZigBee AODV

– Route Discovery Table


Route request ID 1 byteRoute request 프레임을 위한 순차번호이다. 이것은 디바이스가 새로운 Route request 명령 프레임이 생성될 때 마다 1씩 증가한다.

Source address 2 bytes Route request을 한 소스 노드의 16비트 네트워크 주소이다.

Sender address 2 bytes가장 경로 비용이 낮고(링크 질이 높은) 엔트리의 Route request 아이디와 소스 주소가 일치하는 Route request 명령 프레임을 보낸 최근 노드의 16비트 네트워크 주소. 이 필드는 경로 응답 명령 프레임이 따라가면서 최적의 길을 결정하는데 사용된다.

Forward Cost 1 byte Route request을 한 소스 노드로 부터 현재 노드 까지의 누적된 path cost

Residual cost 1 byte 현재 노드로 부터 목적지 노드 까지의 누적된 path cost

Expiration time 2 bytesRoute request 시간이 만료될 때까지의 시간(ms)을 가리키는 카운트다운 타이머이다.


14

ZigBee 라우팅

Hierarchical 라우팅− Neighbor Table

필드명 유효 범위 설 명

PAN ID 0x0000-0x3fff 16비트 PAN 식별자

Extended addressAn extended 64-bit IEEE address

64비트 IEEE 주소

Network address 0x0000-0xffff 16비트 네트워크 주소

Device type 0x00-0x020x00 - ZigBee 코디네이터0x01 - ZigBee 라우터0x02 - ZigBee 단말장치

Relationship 0x00-0x02

0x00 - 부모 노드0x01 - 자식 노드0x02 - 형제 노드0x03 - 위에 사항에 해당하지 않는 경우


15

ZigBee 라우팅

Hierarchical 라우팅


16

ZeeBee 라우팅


17

Why IP– Most of the IP based technologies already exist

– The pervasive nature of IP networks allows use of existing infrastructure

– Intellectual property conditions for IP networking technology is either more favorable

Why IPv6– More suitable for higher density

– Statelessness mandated

– No NAT necessary

– Possibility of adding innovative techniques such as location aware addressing

– IEEE 64 bit address subsumed into IPv6 address

6LoWPAN

3 IPv6 over WPAN

18

6LoWPAN WG– 소개

• 2005년 3월 IETF 정식 Working Group• 의장 : Geoff Mulligan (Invensys)

– 목표• LoWPAN 상에서 IPv6 패킷 전송 방안을 정의• ZigBee 대신 IEEE 802.15.4 위에 직접 IP 적용• 검증된 기술의 재사용• ZigBee와 같은 비 IETF 기관들과의 정보 교환 및 협력

– 진행 사항• Working Draft 2건• 2005년 8월 새로 제출된 Internet Draft 6건 (국내 4건)• 국외 : Microsoft, Sun Microsystems, Intel, Invensys 등• 국내 : 삼성, 아주대학교, 한국전산원 등

국내외 동향

3 IPv6 over WPAN

19

작업 범위

ZigBee 작업범위 6LoWPAN 작업범위

3 IPv6 over WPAN

20

표준화 상태

제 목 저자 소속기관 만료일 상 태

Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4 Networks

Microsoft, Intel 2006. 08. 27 WG draft

6 LoWPAN: Overview, Assumptions, Problem Statement and Goals

Microsoft, Intel 2006. 08. 27 WG draft

6 LoWPAN Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing (LOAD)

삼성전자, 아주대학교, Microsoft

2006. 01. 18 인터넷 draft

Interoperability of 6LoWPAN삼성전자, 아주대학교,

한국전산원2006. 01. 10 인터넷 draft

Simple Service Location Protocol (SSLP) for 6LoWPAN

삼성전자, 아주대학교,한국전산원

2006. 01. 10 인터넷 draft

Hierarchical Routing over 6LoWPAN (HiLow)삼성전자, 아주대학교,

한국전산원2006. 01. 10 인터넷 draft

LowPan Neighbor Discovery Extensions 선 마이크로 시스템즈 2006. 01. 12 인터넷 draft

LowPan Mobility Requirements and Goals 선 마이크로 시스템즈 2006. 01. 07 인터넷 draft

Dynamic MANET On-demand for 6LoWPAN (DYMO-low) Routing

Microsoft, 삼성전자,아주대학교

2006. 08. 15 인터넷 draft

3 IPv6 over WPAN

21

6LoWPAN

“6LoWPAN: Overview, Assumptions, Problem Statement and Goals”(draft-ietf-6lowpan-problem-01)

– IP 연결성(Connectivity)

– 토폴로지(Topologies)

– 제한된 패킷의 크기

– 제한된 구성 및 관리

– 서비스 발견

– 보안

3 IPv6 over WPAN

22

“Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4 Networks”(draft-ietf-6lowpan-format-01)– Fragmentation/Reassembly

– Defines basic packet formats and sub-IP adaptation layer for transmission over 6lowpan

– Includes framing, adaptation, header compression, address generation, and packet delivery in mesh topology

Transmission

3 IPv6 over WPAN

23

“Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4 Networks”– Fragmentation/Reassembly

3 IPv6 over WPAN

Transmission

24

− Header Compression

3 IPv6 over WPAN

Transmission

25

Neighbor Discovery

“LoWPAN Neighbor Discovery Extensions”– Goal

• IPv6 이웃 발견 : 주기적 멀티캐스트 메시지 최소화

– Multicast in neighbor discovery

• 중복 주소 감지, 비 요청형 라우터 광고를 위한 멀티캐스트

• 라우터 요청 메시지를 위한 모든 요청형 라우터 멀티캐스트

– General Issues in LoWPAN network

• 스타 토폴로지 : 코디네이터 노드의 라우터 역할

• 라우터 광고 메시지 → 지역 링크 계층 브로드캐스트 주소 또는 PAN ID

• LoWPAN 노드들의 중복 주소 감지 적절성 여부

3 IPv6 over WPAN

26

“LoWPAN Neighbor Discovery Extensions”– Messages

Neighbor discovery 메시지 명

기 능

RouterSolicitation

호스트의 인터페이스가 활성화되었을 때 라우터의 위치를 알기

위해서 전송하는 메시지

RouterAdvertisement

라우터가 주기적 혹은 요청에 의해서 자신이 존재함을 알리기

위해 사용하는 메시지

NeighborSolicitation

한 노드가 자신의 이웃의 링크 단계 주소를 확인하거나 이웃이

도달가능한지 확인하기 위해서 전송하는 메시지. 이는 주소 중복을 확인하기 위해서도 사용된다.

NeighborAdvertisement

Neighbor Solicitation에 대한 응답으로 보내지는 메시지. 자

신의 링크 단계 주소가 변경되었을 때 이를 알리기 위해서도 사용된다.

3 IPv6 over WPAN

Neighbor Discovery

27

Mobility

“LoWPAN Mobility Requirement and Goals”– 고려사항

• 패킷 전송 노드의 이동

• 다른 PAN 으로 이동한 노드로의 접근 여부

• 다른 PAN 으로 이동하는 경우의 연결성 보장 여부

– 필요조건

• 외부 망과의 통신을 위해 IPv6 주소 필요

• 내부 망에서의 통신은 MAC 주소로 가능

• 이동할 경우 해당 PAN 코디네이터에게 보고

• 이동성 관리를 위해 코디네이터의 역할 중요

3 IPv6 over WPAN

28

“LoWPAN Mobility Requirement and Goals”– Mobility scenario in LoWPAN

LoWPANLoWPAN 안에서의안에서의 노드노드 경우경우

3 IPv6 over WPAN

Mobility

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LOAD 라우팅

“6LoWPAN Ad Hoc On-Demand Distance Vector Routing (LOAD)”

AODV LOAD 비고

Hello 메시지 사용 사용 안함 Broadcast 방지로 인한 트래픽, 배터리 절감

Precursor List 사용 사용 안함 저가형 노드를 위한 메모리 절약

RREQ 메시지 크기 48 바이트 20 바이트

RREP 메시지 크기 44 바이트 20 바이트

RERR 메시지 크기 44 바이트 20 바이트

ERROR Code 사용 안함 사용 오류 상황 분별 향상

Route Cost Hop Count LQI 값 전송 신뢰성 향상

Local Repair 사용 사용 안함 기대 효과가 낮아서 오버헤드 절감을 위해 삭제

저전력 환경을 위해

메시지 크기 축소

3 IPv6 over WPAN

30

LOAD 라우팅

– Routing Table

필드명 크 기 설 명

Destination address

8 bytes목적지 노드의 16비트 또는 EUI-64 링크계층 주소

Next hop address 8 bytes목적지 노드로 가는 경로상의주위 노드의 16비트 또는EUI-64 링크 계층 주소

Status 3 bits 경로의 상태

Life time 2 bytes경로가 삭제 또는 만료 전까지의유효시간(ms)

3 IPv6 over WPAN

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LOAD 라우팅

– Route Request Table


Route request ID 1 byteRoute request 프레임을 위한 순차번호이다. 다른RREQ와 구별되며 새로운 Route request 명령 프레임이 생성될 때 마다 1씩 증가.

Originator address 8 bytesRoute request을 한 소스 노드의 16비트 또는 EUI-64 링크 계층 주소.

Reverse route address

8 bytes소스 노드로 향하는 역경로의 다음 노드의 16비트 또는EUI-64 링크 계층 주소.

Forward route cost 1 byteRoute request를 한 소스 노드로 부터 현재 노드까지의누적된 link cost.

Reverse route cost 1 byte 현재 노드로부터 목적지 노드까지의 누적된 link cost.

Valid time 2 bytesRoute request 시간이 만료될 때까지의 시간(ms)을 가리키는 카운트다운 타이머.

3 IPv6 over WPAN

32

LOAD 라우팅

(그림 4.1.1) LOAD의 기본적인 동작원리

3 IPv6 over WPAN

33

LOAD 라우팅

메시지별 축소 항목

LOAD RREQ 메시지 포멧

AODV RREQ 메시지 포멧

3 IPv6 over WPAN

34

LOAD 컨트롤 메시지

– RREQ msg.

– RREP msg.

– RERR msg.

LOAD 라우팅

3 IPv6 over WPAN

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HiLow 라우팅

“Hierarchical Routing over 6LoWPAN (HiLow)”– 주소 부여 공식

• ACn : n번째 새로운 자식노드의 주소

• AP : 부모 노드의 주소

• MC : 부모 노드가 가질 수있는 최대 자식의 개수

– 부모 노드 계산

• AC : 현재 노드의 주소

• AP : AC의 부모 노드 주소

• MC : 부모 노드가 가질 수 있는 최대 자식의 개수

nAPMCACn +×=

⎣ ⎦MCAAP C /)1( −=

C

R E1

E2

depth 1

depth 2

depth 3

depth 4

MC = 4

AC = MC x Ap + 4 = 4

AC = 0

AC = 8

3 IPv6 over WPAN

36

− Routing 예시

HiLow 라우팅

0

1 2 3 4

5 ( S ) 6 7 8 1 9 2 0

6 9 7 0 7 1 7 2 ( D )

3 IPv6 over WPAN

37

− Neighbor Table

HiLow 라우팅

이 름 데이터형 값 설 명

PAN ID 16비트 PAN 식별자

16bit address 16비트 동적 할당된 16비트 짧은 주소

EUI-64 address 64비트 IEEE EUI 64비트 주소

Device type 2비트00: coordinator01: router10: end device

장치 종류

Relationship 2비트00: parent01: child

자신과의 관계

Depth 8비트 트리 상의 깊이

3 IPv6 over WPAN

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“Dynamic MANET On-demand for 6LoWPAN (DYMO-low) Routing”– Goal

• DYMO over IPv4 and DYMO over IPv6

– Data Structure

• Route Table

• DYMO-low Message

– Detailed Operation• Routing Table Operations

• Routing Element

• Route Discovery

• Route Maintenance

• General DYMO-low Processing

DYMO-low 라우팅

3 IPv6 over WPAN

39

“Dynamic MANET On-demand for 6LoWPAN (DYMO-low) Routing”– DYMOcast -> 브로드캐스트

– LQI 값으로 최적 경로 산출

– Hello msg. 사용안함

– 오직 하나의 라우팅 블락(RBlock)만 사용

– 한 패킷으로 다수의 컨트롤 메시지 전송 가능

– Sequence Number 사용

3 IPv6 over WPAN

DYMO-low 라우팅

40

DYMO-low 컨트롤 메시지

– RE msg.(RoutingElement)

– RERR msg.

3 IPv6 over WPAN

DYMO-low 라우팅

41

“Interoperability of 6LoWPAN”− Network Model

IPv6 Network

Gateway

FFDRFD

6lowpan

Interoperability

3 IPv6 over WPAN

42

“Interoperability of 6LoWPAN”– Traffic Types

• Internal to Internal

– Networking with short addresses of each device

• External to Internal

– Map IPv6 addr. to short addr. for a device in external networks

• Internal to External

– No compression

– Use IPv6 address for a device in external networks

Interoperability

3 IPv6 over WPAN

43

“Interoperability of 6LoWPAN”– Mapping tables

• Internal Device Address Mapping Table

– Consists of IPv6 addr. and short addr.

– Each device in 6LoWPAN registers own IPv6 addr. and short addr. to Sink node

• External Device Address Mapping Table

– Consists of IPv6 addr., short addr. and expiration time

– Managed like cache (replacement) dynamically

Interoperability

3 IPv6 over WPAN

44

Mapping Table

Interoperability

내부 노드 Addr Mapping Table

외부 노드 Addr Mapping Table

3 IPv6 over WPAN

45

Gateway− NAT

• 1 to 1 통신 불가능

− Mapping Table

• 1 to 1 통신 가능

Interoperability

3 IPv6 over WPAN

46

Interoperability

“Interoperability of 6LoWPAN”

내부 노드 주소 매핑 테이블

외부 노드 주소 매핑 테이블

Interface Identifier(64bits) Short Addr(16bits)

Interface Identifier (128bits) Short Addr(16bits) ET(8bits)

... ...

... ... ...

3 IPv6 over WPAN

47

SSLP

“Simple Service Location Protocol (SSLP) for 6LoWPAN”

– Two-Party

– Three-Party

SA : Service Agent

UA : User Agent

DA : Directory Agent

TA : Translation Agent

3 IPv6 over WPAN

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SSLP

– SSLP 메시지 종류

메시지 종류 약어 MSG-ID

Service Request SREQ 1

Service Reply SREP 2

Service Registration SREG 3

Service Deregistration SDER 4

Service Acknowledge SACK 5

DA Advertisement DADV 6

SA Advertisement SADV 7

3 IPv6 over WPAN

49

SSLP

– 메시지 포맷

• 헤더

• SREQ

• SREP

3 IPv6 over WPAN

50

4 LoWPAN 라우팅 프로토콜

On-Demand 라우팅

AODVZigBeeAODV

LOAD DYMO-low

전 력 높음

IP 기반

높음

RREQRREPRERR

Hello 메시지

낮음 낮음 낮음

상위 계층 ZigBee 기반 IP 기반 IP 기반

완성도 높음 보통 낮음

컨트롤 메시지RREQRREPRERR

RREQRREPRERR

RRRERR

51


On-Demand 라우팅

ZigBee AODV LOAD DYMO-low

RREQ ID Use Use No Use

Sequence number No Use No Use Use

RERR messages Use Use Use

Precursor lists No Use No Use No Use

Hop count Not Use Opt. Opt.

Hello messages No Use No Use No Use

Local repair Use No Use No Use

Mobility Mobile/Static Mobile/Static Mobile/Static

Control Packet Aggregation

No Use No Use Use

Error code No Use Use Use

52


계층 구조 라우팅

ZigBee 계층 구조 라우팅 HiLow 라우팅

Depth limited Unlimited( <　216)

Width Unlimited( <　216) limited

Formula Complex Simple

Parameter Cm, Rm, Lm MC

Recursive No Use Use

53

IPv6 망과의 연동방안

분석 환경 (www.6lowpan.org)

5 IPv6 적용방안 연구 검증

54

IPv6 망과의 연동방안

분석 환경 (www.6lowpan.org)

5 IPv6 적용방안 연구 검증

55

6 결론 및 향후 연구방향

향후 연구 방향

6LoWPAN WG 의 표준화 작업

응용 계층 까지 구현

응용 어플리케이션 실증 실험

활용 방안 도출

56

7 References

ZigBee Alliance Homepage, http://www.zigbee.org6lowpan WG Homepage, http://www3.ietf.org/proceedings/05mar/6lowpan.htmlIETF Homepage, http://www.ietf.orgN. Kushalnagar and G. Montenegro, “6LoWPAN: Overview, Assumptions, Problem Statement and Goals”, Internet-Draft, IETF, Feb. 14, 2005.G. Montenegro and N. Kushalnagar, “Transmission of IPv6 Packets over IEEE 802.15.4 Networks”, Internet-Draft, IETF, Feb. 21, 2005.

57

Thank you

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