Beispielbild Ad Hoc und Sensornetzwerke Seminar über Algorithmen Freie Universität Berlin Institut...

BeispielbildAd Hoc und SensornetzwerkeSeminar über Algorithmen

Freie Universität BerlinInstitut für Informatik, SS2006

Ivo Köhler [email protected]

mailto:[email protected]

2Seminar über Algorithmen, Ad Hoc & Sensor Netzwerke, 07. Juni 2006

Agenda

Einleitung Was sind Ad Hoc Netzwerke Was sind Sensornetzwerke Entwicklungstrends Typische Einsatzgebiete

Hauptteil Anforderungen an Sensornetzwerke Medienzugriffsschicht Routing Modelle für Sensornetzwerke

Zusammenfassung Heutiger Einsatz Einsatzmöglichkeiten der Zukunft


Was sind Ad Hoc Netzwerke Ad Hoc Netzwerk

Ein spontan entstehendes und drahtloses Netzwerk Zwischen zwei oder mehreren Endgeräten Kommen völlig ohne feste Infrastruktur aus

Kabel Feste Routing-Knoten (Basisstation)

Entwicklung wurde durch das Militär vorangetrieben 1972 PRNET – US Army Erst Anfang der 90‘er erste zivile Entwicklungen (MANET)


Was sind Sensornetzwerke

Sensor Netzwerk Spezielles Ad Hoc Netzwerk Endgeräte sind kleine Recheneinheiten bestehend aus:

Energiequelle, Prozessor, WNIC, Speicher, Sensoren Diese Endgeräte sammeln Informationen in einem bestimmten Bereich

Umgebungstemperatur Luftfeuchtigkeit Luftdruck Lichtstärke Einfallende Strahlung etc.


Unterscheidung von Sensornetzen Single-Hop-Netzwerk

Knoten können direkt mitdem Ziel kommunizieren

Schnelle und effiziente Kommunikation

Hohe Sendeleistung nötig Hoher Energieverbrauch


Unterscheidung von Sensornetzen Multi-Hop-Netzwerk

Nur nahe Knoten können direktmiteinander kommunizieren

Weitere Entfernungen werden durchRouting von Sensor zu Sensor überbrückt

Aufwand der Übertragung ist abhängig von: Der Art des Netzes Informationen über die Netztopologie

in den Knoten


Entwicklungstrends Kleinere und kompaktere Technologien eröffnen eine Reihe von neuen

Perspektiven in der Informationstechnik

Stärken von CPUs bisher: Riesige Speicher Sehr schnelle Prozessoren

Zukünftig: Selbstorganisation Omnipräsenz - Ubiquitous Computing

Dienste werden nicht länger von einem Rechner geleistet, sondern von einer Vielzahl von sehr kleinen Rechnern

Durch die Vielzahl und die größer dieser Recheneinheiten unterliegen sie einer Reihe von Restriktionen

Anforderungen an Sensornetzwerke


Ubiquitous Computing Idee: Umgebung ist ausgestattet mit unsichtbaren und helfenden Computern Sowohl mobile als auch stationäre Systeme

Komponenten, die man bei sich trägt Komponenten kommunizieren völlig selbständig und transparent für dessen

Benutzer Anwendungsübergreifend Umfasst alle Übertragungsmedien, drahtlose oder drahtgebunden Unsichtbare Infrastruktur

Hilft uns in jenem Kontext, in dem ich Hilfe benötige Wir brauchen uns nicht darum zu kümmern

Zeitlicher Verlauf

[Quelle: www.ubiq.com ]


Einsatzgebiete – Heute und Morgen Überall wo eine feste Infrastruktur nur schwer oder gar nicht eingesetzt

werden kann Umweltmonitoring

Temperaturen in Gewässern PH-Werte von Feldern Kontaminierungsgrad von ökologischen Systemen Bewegung in geologischen Systemen

Medizinisches Monitoring Überwachung verschiedener Gesundheitsparameter Intra- und extrakorporale Überwachung

Geräte- oder Maschinenüberwachung und –steuerung Stress- und Ermüdungsmessungen von technisches Systemen


Einsatzgebiete – Projekte Konkrete Forschungsprojekte

Überwachung von Zebras in Kenyahttp://www.princeton.edu/~mrm/zebranet.html

Lebensraumüberwachung von Vögelnhttp://www.greatduckisland.net/

Medizinüberwachung von Patientenhttp://www.eecs.harvard.edu/~mdw/proj/codeblue/

Personentracking am Beispiel eines Kindergartenshttp://nesl.ee.ucla.edu/projects/smartkg/

http://www.princeton.edu/~mrm/zebranet.html

http://www.greatduckisland.net/



http://www.eecs.harvard.edu/~mdw/proj/codeblue/

http://nesl.ee.ucla.edu/projects/smartkg/








Anforderungen an Sensornetzwerke

Anwendungsspezifische Anforderungen, abhängig vom jeweiligen Kontext der Überwachung

Dynamische Systemanforderungen an das Netz Selbstorganisierend

Viele Knoten müssen in „Eigenregie“ eine funktionierende Netzwerkstruktur aufbauen (Kommunikation mit Nachbarknoten)

Administrative manuelle Organisation ist hierbei ausgeschlossen Knoten müssen Aufrechterhaltung des Netzes sichern

Herkömmliche Kommunikationsprinzipien sind meist ungeeignet Client-Server also Request-Reply ist schlecht Besser sind Ereignisbasierte Lösungen (Überschreitung eines Grenzwertes)

Kooperative Algorithmen Minimierung des Netzwerkverkehrs durch Datenvorverarbeitung und –

aggregation z.B. Positionsbestimmung eines Knotens durch Triangulation


Anforderungen an Sensornetzwerke (Fortsetzung) Dynamische Systemanforderungen an das Netz

Adaptive Sicherheitsmechanismen abgestimmt auf die Aufgabe und die Umgebung Verfügbarkeit, Vertraulichkeit, Integrität, Authentifizierung, Beweisbarkeit Zusätzlich: Aktualität von Daten, Selbsterkennung von Angriffen Diese Sicherheitsfeatures werden oft in der Middleware implementiert Sicherheitsrichtlinien (Policies) sollen deren Zusammenwirken beschreiben

Energieeffizienz Durch die Anzahl und Größe der Knoten ist ein „Aufladen“ unmöglich Batterielaufzeit ist also eines der Hauptkriterien Verschiedene Arten von Stromsparfunktionen

Gezieltes Abschalten von nicht benötigter Hardware (Dynamic Power M.) Taktreduzierung von Knoten Energiesparende MAC Protokolle


Medienzugriffsschicht MAC-Schicht ist besonders bei Netzwerken mit Luftschnittstelle sehr wichtig Ermöglicht den gemeinsamen Zugriff der Knoten auf das geteilte Medium Luft Designüberlegungen:

Besondere Hardwareanforderungen und typisches Verkehrsmuster Übliche MAC-Protokolle sind daher oft ungeeignet

Limitierte Energieressourcen Durch kurze Übertragungswege verbrauchen Sende und Empfangsvorgänge

ähnlich viel Energie Viele Kollisionen welche ein Neusenden der Pakete notwendig machen „Overhearing“ - Problem Möglichst wenig Kontrollpakete sollten nötig sein „Idle listening“ für das Carrier sensing verbraucht viel Energie

Skalierbarkeit und Anpassungsfähigkeit Knoten fallen aus, neue Knoten kommen hinzu, schnelle Positionswechsel Sich ständig veränderte Netzwerktopologie Potentiell sehr große Anzahl von Knoten (>1000)


Medienzugriffsschicht Verkehrscharakteristik

Unterscheidet sich stark von anderen drahtlos Netzwerken Lange Ruhephasen mit wenig Verkehr gefolgt von kurzen intensiven Phasen mit

hoher Netzlast (gleichzeitiges detektieren eines Ereignisses) Vergleich mit herkömmlichen Protokollen

802.11 Sehr ineffizient, Knoten wären immer im Idle Mode durch das verwendete

CSMA Verfahren mit Kollisionsvermeidung PAMAS

Power Aware Multi-Access Protocol with Signaling Module werden ausgeschaltet wenn nichts zu Senden ist Allerdings trotzdem Idle Listening – Problem

TDMA Time division multiple access Schlechte Skalierbarkeit Aufgrund der Slot-Belegung Sehr komplexe Kommunikationsmechanismen notwendig

QoS (Latenz, Durchsatz, Fairness) Tritt in den Hintergrund, da alle Knoten einer Anwendung dienen


Medienzugriffsschicht Mac-Protokolle für Sensornetzwerke

Lösungsansätze: S-Mac, Berkley-MAC, CSMA-PS, DE-MAC Bauen auf unterschiedliche Voraussetzungen und sind daher schon sehr

anwendungsspezifisch

S-Mac (Sensor Mac) University of California / Militär Je nach Netzkondition 2-6 fach geringerer Energieverbrauch Gute Skalierbarkeit und gute Kollisionsvermeidung Energieverbrauch der Knoten steigt je weiter am Rand des Clusters er liegt Bisher noch im Forschungsstadium

Berkley-MAC University of California Basiert auf CSMA Optimiert den Energieverbrauch für kurzzeitige Verkehrsspitzen mit Paketen

von ca. 30 Byte Basisstation empfängt alle Pakete Hierarchische Baum Struktur (jeder Knoten kennt seinen Vaterknoten) Idle Listening – Problem besteht weiterhin


Medienzugriffsschicht CSMA-PS (Carrier Sense Medium Access – Preamble Sampling)

Unter der Voraussetzung das der Nachrichtenverkehr meist sehr gering ist, soll es das Idle Listening minimieren

Periodischer Wach-Schlaf-Zyklus aller Knoten (Tp) Vor dem Senden schickt man ein Preamble der Länge Tp Ein „erwachender“ Knoten hört ob das Medium frei ist Schlafpase Ist das Medium besetzt bleibt er wach bis er die Daten bekommen hat (ACK)


Medienzugriffsschicht

DE-MAC (Distributed Energy-Aware MAC) Louisiana State University Basiert auf einem TDMA Ansatz

Weniger Kollisionen Weniger Overhead durch Kontrollpakete

Periodischer Wach-Schlaf-Zyklus (kein Idle Listening, Overhearing) Schwache, kritische Knoten bekommen hierbei Vorrecht und werden unterstützt

Diese bekommen mehr Zeitschlitze Dadurch kommt es zu einer weiteren Optimierung des Idle Listenings

Allerdings schlechte Skalierbarkeit Höherer Synchronisationsaufwand nötig (Timeslots)


Medienzugriffsschicht - Zusammenfassung Entwicklung neuartiger MAC-Protokolle schreitet zügig voran

Neue Innovative Ideen und Strukturen

Bisher aber fast nur Forschungsprojekte unter Laborbedingungen

Es existieren wenig vergleichende Messungen Oft werden speziell angepasste und auf den Context zugeschnittene Protokolle

verwendet Abhängig von den stark unterschiedlichen Vorraussetzungen an das Netz

Stark unterschiedliche Ziele der Applikationen Daher wird es wohl nie einheitliche MAC-Protokolle für Sensor Netzwerke geben

Forschung, Wissenschaft, Militär, und Privatunternehmen werden deshalb ein Vielzahl verschiedener Systeme mit unterschiedlichen Eigenschaften benutzen


Routing Analog zu den MAC-Protokollen sind die meisten existierenden Routing-

Protokolle nur sehr schlecht für Sensor Netzwerke geeignet

Es gilt hier andere Probleme zu lösen Geringe Energiereserven Ausfallende Sensorknoten Hohes Maß an Selbstorganisation Sekundär: Durchsatz, Latenz,…

Selbstorganisation Alle Knoten sind gleich aufgebaut Nicht immer eindeutige Rollenverteilung in Bezug auf das Routing wählbar Energiekapazität und temporäre Position eines Knotens müssen verarbeitet werden Da nicht immer Jeder alle Informationen zur Verfügung hat

Einsatz von heuristischen Lösungen Algorithmen mit Zufallselementen (probalistisch)


Routing

Geringe Energieressourcen

Herkömmliche Protokolle minimieren Latenzzeiten oder Bandbreitendurchsatz

Routingprotokolle für Sensor Netzwerke müssen den Energieverbrauch minimieren

Energieverlust durch: Eigentliche Sendeenergie Bei Mulit-Hop-Netzwerken Addition der Sendeenergie der Teilrouten Betrieb der Sendeelektronik/ Länge der Übertragung Initialisieren des Senders / Empfängers (Wach-Schlaf-Zyklus)


Routing Flooding

Einfacher naiver Ansatz Nachricht wird im gesamten Netzwerk verbreitet Wird meist beim initialisieren eines Netzwerks verwendet

Es stehen noch keine Informationen für komplexere Protokolle zur Vergügung Kann auch als Fall-Back Lösung von Protokollen verwendet werden

Kann eine Nachricht nicht zugestellt werden, wird sie einfach an alle Knoten in Sendereichweite verschickt

Verschiedene Varianten des Floodings: Anfragen können in das Netz „hineingeflutet“ werden

z.B Suche nach einen bestimmten Knoten Nachrichten über Ereignisse können „hinausgeflutet“ werden

z.B. Alarmsignale über kritische Ereignisse mit hoher Priorität Nachteil:

Hoher Energieaufwand Hohe Anforderungen an andere Übertragungsschichten (viele Duplikate)

Verbesserungen: Gerichtetes Fluten Minimale geographische Informationen nötig


Routing Shortest-Hop-First

Einfaches und uneffizientes Protokoll Minimale geografische Informationen werden vorausgesetzt Pseudo-Code:

FÜR ALLE Knoten {WENN Knoten.distanz(ziel) < selbst.distanz(ziel)

DANN Kandidaten.aufnehmen(Knoten) }

entfernung = unendlichzwischenziel = NULL

FÜR ALLE Kandidaten {WENN entfernung > Kandidat.distanz(ziel)

DANN entfernung = Kandidat.distanz(ziel)zwischenziel = Kandidat }


Routing Shortest-Hop-First

Vorteile: Einfach, leicht zu implementieren Wenig Overhead

Nachteile: Ungleichmäßige Belastung der Energiereserven Sackgassen können nicht identifiziert werden

Lösung: Backtracking, welches die gewählte Route vorher testet


Routing Selbstorganisiertes Baumverfahren

Knoten organisieren kleine Gruppen Diese bestehen aus Blattknoten und Astknoten (Zwischenspeicher) Streng hierarchische Struktur basierend auf geographischen und energierelevanten

Faktoren


Routing Selbstorganisiertes Baumverfahren

Baumartige Struktur kann sich durch eine Neuwahl von Ast- und Blattknoten zyklisch Neubilden (gleichmäßige Energieverteilung auf alle Knoten)

Vorher festzulegende Parameter (aus Simulationen oder Faustregeln): Anzahl der Hierarchieebenen Dauer für die Rollenverteilung einer Struktur Anteil der Astknoten

Nachteile: Jeder Knoten muss potentiell das Ziel erreichen können Erhöhter Kontrollverkehr beim Entstehen der Struktur

Vorteile: Verteilt die Energiebelastung sehr gleichmäßig Verlängert die Lebensdauer des Gesamtnetzwerkes


Routing Routing auf Basis von Ereignissen mit Gerüchten

Bisher waren grundlegende Subjekte der Protokolle Knoten, welche einzeln adressierbar waren (analog zu herkömmlichen Protokollen)

Hier wird das Netz als großes Messgerät verstanden Dieses Messgerät kann Anfragen beantworten Anfragen:

Beschreibung des gesuchten Ereignisses Lebensdauer in Schritten (Hops)

Gerüchte: Lebensdauer Enthalten alle Beschreibungen von Ereignissen denen das Gerücht auf dem Weg

durch das Netz begegnet ist und den dazugehörigen Routen Jeder Knoten der ein Gerücht empfängt lernt von diesem


Routing Routing auf Basis von Ereignissen mit Gerüchten

Vorteile: Dieses Verfahren kann auch in sehr großen Sensornetzwerken eingesetzt

werden Nachteile:

Verfahren ist probalistisch Keine Garantie für die Beantwortung einer Anfrage Es werden auch Gerüchte ohne Anfrage erzeugt (unnötige Netz und Energielast)

Zusammenfassung – Routing Protokolle für Sensor Netzwerke Kein Protokoll kann alle Wünsche erfüllen Unterschiedliche Applikationen haben unterschiedliche Anforderungen Charakteristiken des Netzwerkverkehrs bestimmten Art des Protokolls


Modelle für Sensornetzwerke Topologie eines Sensor Netzwerkes kann als Graph interpretiert werden Daher kann man auch Algorithmen basierend auf der Graphen-Theorie finden,

die in die Entwicklung von Routing Protokollen eingehen

Beeinflussende Faktoren: Sendereichweite Verbindung zwischen den Knoten (Connectivity)

Interferenz Übertragungsstörungen durch

Überlagerungen


Quellen Wikipedia – Die freie Enzyklopädie

http://de.wikipedia.org/wiki/Mobiles_Ad-hoc-Netzhttp://de.wikipedia.org/wiki/Sensornetz

Benjamin Fulford, "Sensors gone wild", The Forbes Magazine,http://www.forbes.com/global/2002/1028/076.html, 28.10.2002

CENS (Center for embedded networked sensing) – „Casting the Wireless Sensor Net “http://www.cens.ucla.edu/News/TechReview.pdf

A. Cerpa and D. Estrin ASCENT: Adaptive Self-Configuring sEnsor Networks Topologies. 2001

Kapitel "Hardware Energie" aus: http://www.teco.uni-karlsruhe.de/lehre/ubiqws0506/03devicesbv.pdf


Ende

Danke für die Aufmerksamkeit!

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