4. Scenario Considerations and Parameters for 6LoWPAN Routing (Szenarioüberlegungen und Parameter für 6LoWPAN-Routing)

Die IP-basierte LoWPAN-Technologie befindet sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium, aber die Bandbreite denkbarer Nutzungsszenarien ist enorm. Die zahlreichen möglichen Anwendungen von Sensornetzwerken machen deutlich, dass Mesh-Topologien in LoWPAN-Umgebungen vorherrschen werden und robustes Routing eine Notwendigkeit für schnelle Kommunikation sein wird. Forschungsbemühungen im Bereich der Sensornetzwerke haben eine große Vielfalt an Multi-Hop-Routing-Algorithmen hervorgebracht [Bulusu]. Die meisten verwandten Arbeiten konzentrieren sich auf die Optimierung des Routings für spezifische Anwendungsszenarien, die unter Verwendung mehrerer Kommunikationsmodi realisiert werden können (can), einschließlich der folgenden [Watteyne]:

o Flooding (in sehr kleinen Netzwerken)

o Hierarchisches Routing (Hierarchical routing)

o Geografisches Routing (Geographic routing)

o Selbstorganisierendes Koordinaten-Routing (Self-organizing coordinate routing)

Abhängig von der Topologie eines LoWPAN und der darauf laufenden Anwendung oder Anwendungen können (may) verschiedene Routing-Typen verwendet werden. Dieses Dokument abstrahiert jedoch von anwendungsspezifischer Kommunikation und beschreibt allgemeine Routing-Anforderungen, die für das gesamte Routing in LoWPANs gültig sind.

Die folgenden Parameter können verwendet werden, um spezifische Szenarien zu beschreiben, in denen die Kandidaten-Routing-Protokolle bewertet werden könnten.

a. Netzwerkeigenschaften (Network Properties):

• Anzahl der Geräte, Dichte und Netzwerkdurchmesser (Number of Devices, Density, and Network Diameter): Diese Parameter beeinflussen normalerweise den Routing-Zustand direkt (z.B. die Anzahl der Einträge in einer Routing-Tabelle oder Nachbarliste). Insbesondere in großen und dichten Netzwerken müssen (must) Richtlinien angewendet werden, um "minderwertige" und veraltete Routing-Einträge zu verwerfen, um einen Speicherüberlauf zu verhindern.

• Konnektivität (Connectivity): Aufgrund externer Faktoren oder programmierter Trennungen kann (can) sich ein LoWPAN in mehreren Konnektivitätszuständen befinden -- alles im Bereich von "immer verbunden" bis "selten verbunden". Dies stellt große Herausforderungen für die dynamische Entdeckung von Routen über ein LoWPAN dar.

• Dynamik (einschließlich Mobilität) (Dynamicity, including mobility): Standortänderungen können (can) durch unvorhersehbare externe Faktoren oder durch kontrollierte Bewegung verursacht werden, was wiederum Routenänderungen verursachen kann (may). Außerdem können (may) Knoten dynamisch in ein LoWPAN eingeführt und später daraus entfernt werden. Der Routing-Zustand und das Volumen der Steuernachrichten können (may) stark von der Anzahl der sich bewegenden Knoten in einem LoWPAN und ihrer Geschwindigkeit abhängen, sowie davon, wie schnell und häufig sich Umgebungsmerkmale ändern, die die Funkausbreitung beeinflussen.

• Bereitstellung (Deployment): In einem LoWPAN ist es möglich, dass Knoten zufällig verstreut oder auf organisierte Weise bereitgestellt werden. Die Bereitstellung kann (can) auf einmal oder als iterativer Prozess erfolgen, was auch den Routing-Zustand beeinflussen kann (may).

• Räumliche Verteilung von Knoten und Gateways (Spatial Distribution of Nodes and Gateways): Die Netzwerkkonnektivität hängt von der räumlichen Verteilung der Knoten und von anderen Faktoren ab, wie z.B. Geräteanzahl, Dichte und Übertragungsreichweite. Zum Beispiel können (can) Knoten auf einem Gitter platziert oder zufällig in einem Bereich angeordnet werden (wie durch eine zweidimensionale Poisson-Verteilung modelliert werden kann), usw. Bei Annahme einer zufälligen räumlichen Verteilung sind durchschnittlich 7 Nachbarn pro Knoten für etwa 95% Netzwerkkonnektivität erforderlich (10 Nachbarn pro Knoten sind für 99% Konnektivität erforderlich) [Kuhn]. Wenn das LoWPAN über Infrastrukturknoten, die als Gateways bezeichnet werden, mit anderen Netzwerken verbunden ist, beeinflussen außerdem die Anzahl und räumliche Verteilung dieser Gateways unter anderem die Netzwerküberlastung und die verfügbare Datenrate.

• Verkehrsmuster, Topologie und Anwendungen (Traffic Patterns, Topology, and Applications): Das Design eines LoWPAN und die Anforderungen seiner Anwendung haben einen großen Einfluss auf die Netzwerktopologie und den effizientesten zu verwendenden Routing-Typ. Für verschiedene Verkehrsmuster (Punkt-zu-Punkt, Mehrpunkt-zu-Punkt, Punkt-zu-Mehrpunkt) und Netzwerkarchitekturen wurden verschiedene Routing-Mechanismen entwickelt, wie datenzentriertes (data-centric), ereignisgesteuertes (event-driven), adresszentriertes (address-centric) und geografisches Routing (geographic routing).

• Dienstklassen (Classes of Service): Für das Mischen von Anwendungen unterschiedlicher Kritikalität auf einem LoWPAN kann (may) die Unterstützung mehrerer Dienstklassen in ressourcenbeschränkten LoWPANs erforderlich sein und kann (may) eine neue Routing-Protokoll-Funktionalität erfordern.

• Sicherheit (Security): LoWPANs können (may) sensible Informationen übertragen und ein hohes Maß an Sicherheitsunterstützung erfordern, bei der die Verfügbarkeit, Integrität und Vertraulichkeit von Daten von primärer Relevanz sind. Gesicherte Nachrichten verursachen Overhead und beeinflussen den Stromverbrauch von LoWPAN-Routing-Protokollen.

b. Knotenparameter (Node Parameters):

• Verarbeitungsgeschwindigkeit und Speichergröße (Processing Speed and Memory Size): Diese grundlegenden Parameter definieren die maximale Größe des Routing-Zustands und die maximale Komplexität seiner Verarbeitung. LoWPAN-Knoten können (may) unterschiedliche Leistungsmerkmale, Warteschlangenstrategien und Warteschlangenpuffergrößen aufweisen.

• Stromverbrauch und Stromquelle (Power Consumption and Power Source): Die Anzahl der batterie- und netzbetriebenen Knoten und ihre Positionen in der von ihnen in einem LoWPAN erstellten Topologie beeinflussen Routing-Protokolle bei ihrer Auswahl von Pfaden, die die Netzwerklebensdauer optimieren.

• Übertragungsreichweite (Transmission Range): Dieser Parameter beeinflusst das Routing. Zum Beispiel kann (may) eine hohe Übertragungsreichweite ein dichtes Netzwerk verursachen, was wiederum zu mehr direkten Nachbarn eines Knotens, höherer Konnektivität und einem größeren Routing-Zustand führt.

• Verkehrsmuster (Traffic Pattern): Dieser Parameter beeinflusst das Routing, da stark belastete Knoten (entweder weil sie die Quelle der zu übertragenden Pakete sind oder aufgrund der Weiterleitung) zu höheren Zustellverzögerungen beitragen können (may) und mehr Energie verbrauchen können (may) als leicht belastete Knoten. Dies gilt sowohl für Datenpakete als auch für Routing-Steuernachrichten.

c. Verbindungsparameter (Link Parameters): Dieser Abschnitt diskutiert Verbindungsparameter, die für den IEEE 802.15.4 Legacy-Modus gelten (d.h., ohne Verwendung verbesserter Modulationsschemata).

• Durchsatz (Throughput): Der maximale Benutzerdatendurchsatz einer Massendatenübertragung zwischen einem einzelnen Sender und einem einzelnen Empfänger über einen nicht-slotted IEEE 802.15.4 2.4 GHz Kanal unter idealen Bedingungen ist wie folgt [Latre]:

  • 16-Bit-MAC-Adressen, unzuverlässiger Modus: 151.6 kbit/s
  • 16-Bit-MAC-Adressen, zuverlässiger Modus: 139.0 kbit/s
  • 64-Bit-MAC-Adressen, unzuverlässiger Modus: 135.6 kbit/s
  • 64-Bit-MAC-Adressen, zuverlässiger Modus: 124.4 kbit/s

  Der Durchsatz für das 915 MHz Band ist wie folgt:

  • 16-Bit-MAC-Adressen, unzuverlässiger Modus: 31.1 kbit/s
  • 16-Bit-MAC-Adressen, zuverlässiger Modus: 28.6 kbit/s
  • 64-Bit-MAC-Adressen, unzuverlässiger Modus: 27.8 kbit/s
  • 64-Bit-MAC-Adressen, zuverlässiger Modus: 25.6 kbit/s

  Der Durchsatz für das 868 MHz Band ist wie folgt:

  • 16-Bit-MAC-Adressen, unzuverlässiger Modus: 15.5 kbit/s
  • 16-Bit-MAC-Adressen, zuverlässiger Modus: 14.3 kbit/s
  • 64-Bit-MAC-Adressen, unzuverlässiger Modus: 13.9 kbit/s
  • 64-Bit-MAC-Adressen, zuverlässiger Modus: 12.8 kbit/s

• Latenz (Latency): Latenzbereiche -- abhängig von der Nutzlastgröße -- einer Frame-Übertragung zwischen einem einzelnen Sender und einem einzelnen Empfänger über einen nicht-slotted IEEE 802.15.4 2.4 GHz Kanal unter idealen Bedingungen sind wie unten gezeigt [Latre]. Für den unzuverlässigen Modus wird die tatsächliche Latenz angegeben. Für den zuverlässigen Modus wird die Roundtrip-Zeit, einschließlich der Übertragung einer Layer-2-Bestätigung, angegeben:

  • 16-Bit-MAC-Adressen, unzuverlässiger Modus: [1.92 ms, 6.02 ms]
  • 16-Bit-MAC-Adressen, zuverlässiger Modus: [2.46 ms, 6.56 ms]
  • 64-Bit-MAC-Adressen, unzuverlässiger Modus: [2.75 ms, 6.02 ms]
  • 64-Bit-MAC-Adressen, zuverlässiger Modus: [3.30 ms, 6.56 ms]

  Latenzbereiche für das 915 MHz Band sind wie folgt:

  • 16-Bit-MAC-Adressen, unzuverlässiger Modus: [5.85 ms, 29.35 ms]
  • 16-Bit-MAC-Adressen, zuverlässiger Modus: [8.35 ms, 31.85 ms]
  • 64-Bit-MAC-Adressen, unzuverlässiger Modus: [8.95 ms, 29.35 ms]
  • 64-Bit-MAC-Adressen, zuverlässiger Modus: [11.45 ms, 31.82 ms]

  Latenzbereiche für das 868 MHz Band sind wie folgt:

  • 16-Bit-MAC-Adressen, unzuverlässiger Modus: [11.7 ms, 58.7 ms]
  • 16-Bit-MAC-Adressen, zuverlässiger Modus: [16.7 ms, 63.7 ms]
  • 64-Bit-MAC-Adressen, unzuverlässiger Modus: [17.9 ms, 58.7 ms]
  • 64-Bit-MAC-Adressen, zuverlässiger Modus: [22.9 ms, 63.7 ms]

Beachten Sie, dass einige der in diesem Abschnitt vorgestellten Parameter als Link- oder Knoten-Bewertungsmetriken verwendet werden können. Multi-Kriterien-Routing kann (may) jedoch für 6LoWPAN-Knoten zu teuer sein. Vielmehr sind verschiedene Einzel-Kriterien-Metriken verfügbar und können ausgewählt werden, um der Umgebung oder Anwendung zu entsprechen.

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