Wie funktioniert ein Sensornetzwerk?

Die Funktion eines Sensornetzwerkes unterscheidet sich im Grunde nicht groß von einem normalen Netzwerk. Es gibt mehrere Teilnehmer im Netzwerk, welche untereinander mit Hilfe diverser Protokolle eine Netzwerk aufbauen und untereinander kommunizieren. Dennoch gibt es ein paar Unterschiede zwischen einem Sensornetzwerk und einem normalem Netzwerk. In diesem Beitrag möchte euch diese aufzählen und euch erklären wie ein Sensornetzwerk funktioniert. Ich werde dabei versuchen die Funktionsweise verständlich zu erklären und nicht allzu tief in die trockene Theorie eingehen. Später beim praktischen Umsetzen wird die Funktion zudem noch verständlicher. 

Das OSI-Referenzmodell

Jedes Netzwerkübertragung baut auf das gleiche Modell auf. Das sogenannte OSI-Referenzmodell (Open Systems Interconnection Model). Es wurde entwickelt um über unterschiedlichen technischen Systeme eine Weiterentwicklung zu ermöglichen, welche diverse Normen einhält Das OSI-Modell definiert dazu sieben Schichten, welche jeweils definierte Schnittstellen haben. Die Aufgaben einer jeden Schicht ist definiert und genau begrenzt. So lassen sich Protokolle gleicher Schichten problemlos austauschen. 

Das Modell besteht aus 7 Schichten. Je nach Implementation und Anwendungsfall kann es jedoch sein, dass diverse Schichten ausgelassen oder zusammengefasst werden. Jede Übertragung über ein Netzwerk kann dann auf das OSI-Modell abgebildet werden. Nehmen wir mal zum Beispiel das Abrufen einer Homepage. Grob gesagt läuft das über HTTP, TCP / IP und als Data Link und Physical Layer das Ethernet. 

Ich möchte hier jetzt nicht allzu tief in das Thema OSI-Modell eingehen, dafür ist es auf Wikipedia schon ausführlich genug beschrieben. Wer also mehr zu diesem Thema wissen möchte, dem empfehle ich die entsprechenden Wikipedia-Seiten: OSI-Referenzmodell und Internetprotokollfamilie.

OSI-Modell eines Sensornetzwerkes

Wie schon gesagt, lässt sich jede Netzwerkübertragung auf das Modell abbilden. Dies schließt natürlich auch die Übertragung innerhalb eines Sensornetzwerkes ein.

Anders wie bei einer normalen Ethernet-Übertragung im eigenen WLAN / LAN werden bei einem Sensornetzwerk jedoch ein paar anderer Protokolle verwendet. 


IEEE 802.15.4

Was direkt ins Auge fällt ist der Eintrag "IEEE 802.15.4" auf Layer 1 und 2. IEEE 802.15.4 beschreibt ein Übertragungsprotokoll für Wireless Personal Area Networks. Also ein Protokoll, welches speziell für drahtlose Übertragungen spezialisiert ist. Der Fokus liegt dabei vor allem auf eine geringe Leistungsaufnahme für einen Betrieb mit einer Batterie. Des Weiteren wurde bei der Entwicklung Wert auf günstige Hardware und einer sicheren Übertragung gelegt. Zudem wurde darauf geachten, das die Übertragung in einem lizenzfreien ISM-Band statt findet.

Zusammengefasst wird beim Protokoll IEEE 802.15.4 auf eine energiesparende Übertragung gesetzt statt auf eine Übertragung mit einer hohen Übertragungsrate. Alle diese Eigenschaften sind perfekt für ein Wireless Sensornetzwerk. Aus diesem Grund hat sich das Protokoll IEEE 802.15.4 für die Wireless Sensornetzwerke als Übertragungsprotokoll etabliert.  

Das IEEE 802.15.4-Protkoll sieht drei Arten von Sensorknoten vor, mit jeweils unterschiedlichem Funktionsumfang. Zum Einen die "Reduced Funktion Devices" (RFD) und die "Full Funktion Devices" (FFD).

Ein einfacher Sensorknoten ist meist als RFD implementiert, da er nur sehr selten Daten sendet und keine Verwaltungsaufgaben übernimmt. In einem Sensornetzwerk muss jedoch mindestens ein FFD-Knoten vorhanden sein, da dieser die Verwaltung des Sensornetzwerkes übernimmt. Dieser spezielle FFD-Knoten wird als PAN-Knoten (Personal Area Network) bezeichnet, welcher die Konfiguration, Erstellung und Verwaltung des Sensornetzwerkes übernimmt. Des Weiteren übernimmt er die Kommunikation mit anderen Netzwerken und sorgt dafür, dass diese nicht wortwörtlich ins Sensornetzwerk reinfunken. In einem Netzwerk kann es mehrere RFD- und FFD-Knoten geben, doch nur ein FFD-Knoten übernimmt die PAN-Funktion. Mehr dazu unter Topologie.

Wer mehr zum Thema IEEE 802.15.4 erfahren möchte, dem empfehle ich den Wikipedia-Eintrag zum Thema.

6loWPAN

In der Netzwerk-Schicht wird auf IPv6 gesetzt. Um genauer zu sagen, auf 6loWPAN. Es steht für "IPv6 over Low power Wireless Personal Area Network". Es ist darauf ausgelegt IPv6-Pakete energiesparend über IEEE-802.15.4-basierende Netzwerke zu übermitteln. 

Die Hauptaufgaben des 6loWPAN-Protkolls sind die Header-Komprimierung, die Paket-Fragmentierung und -Defragmentierung, sowie das Routing in Mesh-Netzwerken.

Die Header-Komprimierung ist notwendig, da sonst nur 33 Bytes der maximale 127 Byte großen MTU-Einheit (Maximale Paketgröße für die Übertragung) für die Nutzdaten zur Verfügung stehen würden. Dank der Komprimierung können der IPv6- und der UDP-Header von 48 Bytes bis auf 7 Bytes komprimiert werden. Dies erlaubt das Senden von mehr Nutzdaten. 

Die Fragmentierung bzw. Defragmentierung ist notwendig, da IPv6 eine minimale MTU von 1280 Bytes verlangt. Das IEEE 802.15.4-Prorokoll erlaubt jedoch nur eine maximale MTU von 127 Bytes. Durch die Fragmentierung ist es möglich IPv6 virtuell eine größere Paketgröße zur Verfügung zu stellen.

Eine weitere Aufgabe von 6loWPAN ist das Routing. Erstrecht bei beweglichen Knoten stellt dies eine gewisse Herausforderung dar. Bekannte Routingprotokolle wie RIP oder ODPF sind deswegen nur bedingt einsetzbar. Es wurden deswegen spezielle Routingprotokolle entwickelt, welche meist auf ein Distanzvektoralgorithmus aufbauen. Im Betriebssystem Riot kommt zum Beispiel RPL (Routing Protocol for Low power and Lossy Networks) zum Einsatz. 

Wer mehr zum Thema 6loWPAN erfahren möchte, dem empfehle ich den Wikipedia-Eintrag zum Thema.

Topologie

Ein Sensornetzwerk kann unterschiedliche Netztopologien aufweisen. Im IEEE 802.15.4-Protokoll sind drei Topologie definiert. Innerhalb eines Netzwerkes sind dann entsprechend der Topologie die RFD-Knoten und FFD-Knoten angeordnet.  

Stern-Topologie

Bei der Stern-Topologie ist der Koordinator (PAN-Knoten) in der Mitte angeordnet und kommuniziert direkt mit den anderen Knoten, welche Sternförmig um ihn angeordnet sind.

Man erkennt hier den PAN-Knoten, welcher als Sternmittelpunkt fungiert. Dieser ist im Grunde ein FFD-Knoten und übernimmt das Routing im Sensornetzwerk Um ihn herum können weitere FFD-Knoten angeordnet werden oder die sparsamen RFD-Knoten.

Peer-to-Peer

Bei Peer-to-Peer gibt es ebenfalls einen Koordinator, welcher direkt mit den anderen Knoten kommunizieren kann. Der Unterschied zur Stern-Topologie lieht darin, dass die einzelnen Knoten auch direkt untereinander kommunizieren können, sofern sie sich in Reichweite befinden. 

Auch hier ist wieder der PAN-Knoten der Mittelpunkt. Jedoch können nun auch die Knoten untereinander direkt kommunizieren. Bei Kommunikation zwischen FFD-Knoten ist dies kein Problem. Kommunikation zwischen RFD-Knoten ist jedoch abhängig welches Routing-Protokoll verwendet wird, da die RFD-Knoten standardmäßig nur Grundfunktionen implementiert haben. 

Baumstruktur

Bei der Baumstruktur werden für die Blätter meist batteriebetriebene RFD-Knoten verwendet. Diese sind mit FFD-Knoten verbunden, welche für das entsprechende Teilnetzwerk Koordinatoren-Aufgaben übernehmen. Diese FFD-Knoten sind ebenfalls untereinander verbunden, während einer dieser FFD-Knoten als PAN-Koordinator fungiert. Natürlich können auch FFD-Knoten als "Blatt" verwendet werden.

Je nach Topologie ist natürlich ein entsprechendes Routing erforderlich. Wie schon erwähnt, wird dieses auf auf der Netzwerk-Schicht im IPv6-Protokoll realisiert. Aber dazu später im Praxiseinsatz mehr. 

Ich hoffe ich konnte euch grob die Funktion und den Aufbaue eines Sensornetzwerkes aufzeigen. Verständlicher wird es spätestens beim praktischen Umsetzen und Aufbau eines eigenen Sensornetzwerkes. 


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