1. Problem Statement (Problemstellung)
6LoWPANs werden von Geräten gebildet, die mit dem IEEE 802.15.4 Standard [IEEE802.15.4] kompatibel sind. Die meisten LoWPAN-Geräte zeichnen sich durch ihre geringe Bandbreite, kurze Reichweite, knappe Speicherkapazität, begrenzte Verarbeitungsfähigkeit und andere Eigenschaften kostengünstiger Hardware aus. Die Eigenschaften von Knoten, die an LoWPANs teilnehmen, werden als die in der 6LoWPAN-Problemstellung [RFC4919] und im IPv6 over IEEE 802.15.4 Dokument [RFC4944] beschriebenen angenommen, das festgelegt hat, wie IPv6-Pakete über IEEE 802.15.4 und ähnliche Netzwerke übertragen werden. Während IEEE 802.15.4 zwei Gerätetypen unterscheidet, die als Vollfunktionsgeräte (Full-Function Devices, FFD) und Geräte mit reduzierter Funktion (Reduced-Function Devices, RFD) bezeichnet werden, basiert diese Unterscheidung auf einigen Funktionen der Medienzugriffskontrollschicht (Medium Access Control, MAC), die nicht immer verwendet werden. Daher wird diese Unterscheidung in diesem Dokument nicht vorgenommen. Dennoch können sich einige 6LoWPAN-Knoten auf die Rolle von Hosts (host) beschränken, während andere 6LoWPAN-Knoten am Routing teilnehmen können. Diese Host/Router (router) Unterscheidung kann mit den Verarbeitungs- und Speicherfähigkeiten des Geräts und der verfügbaren Leistung korrelieren, ähnlich der Idee von RFDs und FFDs.
IEEE 802.15.4 Netzwerke unterstützen Stern- und Mesh-Topologien. Jedoch definiert weder der IEEE 802.15.4 Standard noch die 6LoWPAN-Formatspezifikation ([RFC4944]), wie Mesh-Topologien erhalten und gewartet werden könnten. Daher kann die Bildung von 6LoWPAN und Multi-Hop-Routing entweder unterhalb der IP-Schicht (der Adaptionsschicht (Adaptation Layer) oder der logischen Verbindungssteuerung (Logical Link Control, LLC)) oder auf der IP-Schicht unterstützt werden. (Beachten Sie, dass in der IETF der Begriff „routing" normalerweise, aber nicht immer [RFC5556], sich ausschließlich auf die Bildung von Pfaden und die Weiterleitung auf der IP-Schicht bezieht. In diesem Dokument unterscheiden wir die Schicht, auf der diese Dienste durchgeführt werden, durch die Begriffe „route-over" und „mesh-under". Siehe Abschnitte 2 und 3.) Eine Reihe von IP-Routing-Protokollen wurden in verschiedenen IETF-Arbeitsgruppen entwickelt. Diese bestehenden Routing-Protokolle erfüllen jedoch möglicherweise nicht die Anforderungen des Multi-Hop-Routings in 6LoWPANs, aus folgenden Gründen:
o 6LoWPAN-Knoten haben spezielle Typen und Rollen, wie z.B. Knoten, die ihre Energie aus Primärbatterien beziehen, energiereiche Knoten, netzbetriebene Hochleistungs-Gateways (gateway), Datenaggre gatoren (data aggregator) usw. 6LoWPAN-Routing-Protokolle sollten (should) mehrere Gerätetypen und Rollen unterstützen.
o Strengere Anforderungen gelten für LoWPANs im Gegensatz zu Hochleistungs- oder nicht batteriebetriebenen Netzwerken. 6LoWPAN-Knoten zeichnen sich durch kleine Speichergrößen und geringe Verarbeitungsleistung aus und laufen mit sehr begrenzter Leistung, die von primären nicht wiederaufladbaren Batterien bereitgestellt wird (einige KB RAM, einige Dutzend KB ROM/Flash-Speicher und einige MHz CPU sind typisch). Die Lebensdauer eines Knotens wird normalerweise durch die Lebensdauer seiner Batterie definiert.
o Die Handhabung von schlafenden Knoten (sleeping node) ist in LoWPANs sehr kritisch, mehr als in traditionellen Ad-hoc-Netzwerken (ad hoc network). LoWPAN-Knoten können die meiste Zeit im Schlafmodus bleiben. Die Nutzung geeigneter Zeiten für Übertragungen ist für eine effiziente Paketweit erleitung wichtig.
o Routing in 6LoWPANs könnte sich möglicherweise in ein einfacheres Problem als Routing in Hochleistungsnetzwerken übersetzen. LoWPANs können entweder Transitnetzwerke (transit network) oder Stub-Netzwerke (stub network) sein. Unter der Annahme, dass LoWPANs niemals Transitnetzwerke sind (wie von [RFC4944] angedeutet), können (may) Routing-Protokolle drastisch vereinfacht werden. Dieses Dokument wird sich auf die Anforderungen für Stub-Netzwerke konzentrieren. Zusätzliche Anforderungen können für Transitnetzwerke gelten.
o Routing in LoWPANs könnte sich möglicherweise in ein schwierigeres Problem als Routing in Hochleistungsnetzwerken übersetzen. Routing in LoWPANs erfordert Leistungsoptimierung, stabilen Betrieb in verlustbehafteten Umgebungen usw. Diese Anforderungen sind nicht alle gleichzeitig leicht erfüllbar [ROLL-PROTOCOLS].
Diese Eigenschaften schaffen neue Herausforderungen für das Design von Routing innerhalb von LoWPANs.
Die 6LoWPAN-Problemstellung [RFC4919] erwähnt kurz vier Anforderungen für Routing-Protokolle:
(a) geringer Overhead für Datenpakete (low overhead on data packets)
(b) geringer Routing-Overhead (low routing overhead)
(c) minimale Speicher- und Rechenanforderungen (minimal memory and computation requirements)
(d) Unterstützung für schlafende Knoten (Berücksichtigung der Batterieeinsparung) (support for sleeping nodes)
Diese vier Anforderungen auf hoher Ebene beschreiben die grundlegenden Anforderungen für 6LoWPAN-Routing. Basierend auf den grundlegenden Merkmalen von 6LoWPANs werden in diesem Dokument detailliertere Routing-Anforderungen präsentiert, die zu weiterer Analyse und Protokolldesign führen können.
Angesichts der oben genannten Probleme müssen (must) detaillierte 6LoWPAN-Routing-Anforderungen definiert werden. Anwendungsspezifische Merkmale beeinflussen das Design von 6LoWPAN-Routing-Anforderungen und entsprechenden Lösungen. Verschiedene Anwendungen können jedoch durch ähnliche technische Merkmale profiliert werden, obwohl die zugehörigen detaillierten Anforderungen unterschiedlich sein können (z.B. benötigen einige Dutzend Knoten in einem Heimbeleuchtungssystem eine angemessene Skalierbarkeit für die Anwendungen des Systems, während Millionen von Knoten für ein Autobahninfrastruktursystem ebenfalls eine angemessene Skalierbarkeit benötigen).
Dieses Dokument zu Routing-Anforderungen gibt die Routing-Anforderungen von 6LoWPAN-Anwendungen im Allgemeinen an und liefert Beispiele für verschiedene Routing-Fälle. Es bedeutet nicht, dass eine einzelne Routing-Lösung für alle 6LoWPAN-Anwendungen günstig sein wird, und es gibt keine Anforderung, dass verschiedene Routing-Protokolle gleichzeitig ausgeführt werden.