In verteilten Sensornetzwerken entstehen größere Mengen an Meßdaten. Diese müssen zwecks Verarbeitung und Archivierung zu leistungsfähigen Backend-Systemen transportiert werden, da die Verarbeitung und Speicherung der gewonnenen Daten auf den Sensorknoten aufgrund der sehr eingeschränkten Prozessorleistung und Speicherkapazität nur sehr eingeschränkt möglich ist.
Ein direkter Transport der Daten von den Sensorknoten bis hin zu den Backend-Systemen ist hierbei aufgrund der verschiedenen Netzwerksysteme auf dem Weg vom Sensorknoten zum Backendrechner nicht praktikabel. Die Daten müssen daher in der unmittelbaren Umgebung der ausgebreiteten Sensorknoten gesammelt und mit leistungsfähigeren Systemen zu den Backend-Systemen transportiert werden.
Im Rahmen dieser Studienarbeit soll ein neues System entwickelt werden, mit dem das Einsammeln und Transportieren der durch die Sensorknoten gewonnenen Daten auch ohne bestehende Netzwerkinstallation möglich ist, falls vorhanden soll diese aber auch genutzt werden können. Das Hauptaugenmerk soll hierbei auf den verbreiteten Technologien LAN für die kabelgebundene Weiterleitung und WLAN / Wifi für die kabellose Weiterleitung liegen.
Um die Nutzung von WLAN und LAN zu ermöglichen und um die Daten über diese Systeme zu den Backendrechnern transportieren zu können, muss das neue System nicht nur eine physikalische Umsetzung der Daten aus dem proprietären Sensorknoten-Transportprotokoll auf LAN und WLAN ermöglichen, sondern auch die Datenpakete auf standardkonforme IP-basierte UDP- oder TCP-Pakete übersetzen können.
Ziel der Studienarbeit ist es, durch eine Kombination von verteilten Sensorknoten, die mit sehr kleiner Funkstärke kommunizieren, und einer Wide-Area Kommunikationstechnik einen weiträumigeren Transport der Sensordaten ohne Kabelbindung zu ermöglichen. Das Vorgehen wird dabei sein, zuerst die in Frage kommenden Wide-Area Übertragungstechniken zu sondieren und ein geeignetes System auszuwählen. Vor der eigentlichen Implementierung des Systems werden dann die gewünschten Einsatzszenarien diskutiert, welche Voraussetzungen während der Implementierung geschaffen werden müssen, um den Betrieb im jeweiligen Szenario zu ermöglichen. Nach einer anschließenden Evaluierung der Übertragungsleistung des Systems wird das neue Gateway abschließend in einigen Anwendungsfällen auch praktisch getestet.
Inhaltsverzeichnis
1) Einführung
2) Entwurf des Gateway Systems
2.1) Mögliche Wide-Area Übertragungstechniken
2.2) Umsetzung der Datenformate
3) Analyse der Einsatzszenarien
3.1) Standalone Einsatz mit WLAN-Zugriff
3.2) Standalone Einsatz mit Zugriff per LAN
3.3) Standalone Einsatz im Netzwerk, Datensenke im gleichen Netz
3.4) Standalone Einsatz im Netzwerk, Datensenke in fremdem Netz
3.5) Standalone Einsatz in unbekanntem Netzwerk
3.6) Datenquelle in einem Mesh Netzwerk, Zugriff per WLAN
3.7) Datenquelle in einem Mesh Netzwerk, Zugriff aus fremdem Netzwerk
3.8) Zusammenfassung
4) Implementierung
4.1) Auswahl der Hardware
4.2) Betriebssystem
4.3) USBBridge
4.4) Tunnel
4.5) Routing
4.6) Tools
5) Evaluierung des IP-basierten Transportes
5.1) Aufbau des Tests
5.2) Erzeugung des Traffics
5.3) Zugriff per LAN
5.4) Direkter WLAN-Zugriff
5.5) Zugriff über Mesh-Netzwerk
6) Anwendungen
6.1) XBridge
6.2) Büroüberwachung über Mesh-Netzwerk
6.3) Heimüberwachung
7) Zusammenfassung und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das primäre Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines Gateway-Systems, welches den weiträumigen, IP-basierten Transport von Daten aus Sensornetzwerken ohne direkte Kabelbindung ermöglicht, indem proprietäre Particle-Protokolle in Standard-UDP/TCP-Pakete übersetzt werden.
- Entwurf eines flexiblen Gateway-Systems auf WLAN-Basis
- Implementierung von Tunnel-Technologien zur netzübergreifenden Datenübertragung
- Einsatz von Routing-Protokollen (OLSR) für Mesh-Netzwerk-Strukturen
- Evaluierung der Übertragungszuverlässigkeit unter verschiedenen Lastszenarien
- Praktische Erprobung in Anwendungen wie Heim- und Büroüberwachung
Auszug aus dem Buch
4.5) Routing
Für die beiden Szenarien 6 und 7, in denen ein Mesh-Netzwerk gebildet werden soll, ist es notwendig, dass die Daten innerhalb dieses Mesh-Netzes weitergeleitet werden können. Diese Aufgabe übernimmt ein Routing-Protokoll. Hierfür existieren mehrere verschiedene Routing-Protokolle, die sich in zwei Klassen einteilen lassen: Die reaktiven Routingprotokolle sowie die pro-aktiven Routingprotokolle. Aus beiden Klassen soll hier je ein Vertreter kurz vorgestellt werden:
Reaktives Routing: Dynamic Source Routing (DSR)
DSR zählt zu den reaktiven Routingverfahren, bei denen Routen erst dann gesucht werden, wenn diese auch wirklich für den Transport eines Paketes benötigt werden [07]. Stattdessen wird eine Route erst dann, wenn sie benötigt wird, über einen“ Route Request“ angefordert. Dazu wird vom anfordernden Gerät ein Broadcast-Paket ausgesendet, das bis zum Gerät, für das eine Route angefordert wurde, weitergeleitet wird. Dabei wird im Header des weitergeleiteten Paketes jeder Hop, über den das Paket weitergeleitet wird, gespeichert. Sobald das Paket beim Zielsystem angekommen ist, wird ein Paket auf dem entgegengesetzten Pfad an das anfragende System zurückgesendet. [07]
Ein großer Vorteil von DSR liegt darin, dass in Ruheperioden des Systems kein Overhead erzeugt wird, der durch kontinuierliche Pakete zur Routenüberwachung, wie dies bei aktiven Protokollen nötig ist, entsteht. Weiterhin müssen die weiterleitenden Systeme kein eigenes Wissen über die benötigten Routen gespeichert haben, da sämtliche Routeninformationen im Paketheader gespeichert sind. Dies führt jedoch andererseits dazu, dass die Pakete durch die darin gespeicherten Routeninformationen deutlich anwachsen. Bei geringen Systemlasten ist außerdem mit erhöhten Routenverzögerungen zu rechnen. Ein weiteres Problem, an dem aktuell noch geforscht wird, ist die Tatsache, dass nicht mehr aktuelle Routeninformationen schlecht bis gar nicht erkannt werden können. Aus diesem Grund sind derzeitige DSR-Implementierungen meist so programmiert, dass Routen nach einer gewissen Zeit automatisch verworfen werden. [07]
Zusammenfassung der Kapitel
1) Einführung: Darstellung der Notwendigkeit eines Gateways für die Datenübertragung aus Sensornetzwerken aufgrund deren limitierter Prozessor- und Speicherleistung.
2) Entwurf des Gateway Systems: Analyse geeigneter Funktechnologien, bei der sich WLAN als optimale Basis herausstellt, sowie Definition der Anforderungen an die Protokollumsetzung.
3) Analyse der Einsatzszenarien: Definition und Erläuterung von sieben verschiedenen Szenarien, die von Standalone-Lösungen bis hin zu komplexen Mesh-Netzwerken reichen.
4) Implementierung: Detaillierte Beschreibung der Hardwarewahl, des Linux-basierten Betriebssystems sowie der Entwicklung von Tunnellösungen und Routing-Protokollen.
5) Evaluierung des IP-basierten Transportes: Umfassende Testreihen zur Messung der Fehlerrate unter verschiedenen Traffic-Generatoren und Netzwerkkonfigurationen.
6) Anwendungen: Vorstellung praktischer Einsatzszenarien wie dem Ersatz von XBridge-Systemen und der Implementierung von Fernüberwachungsanwendungen.
7) Zusammenfassung und Ausblick: Resümee der erreichten Ziele sowie ein Ausblick auf zukünftige Optimierungspotenziale wie Richtantennen und P2P-Protokolle.
Schlüsselwörter
Sensornetzwerke, Gateway, WLAN, IP-basiert, UDP, TCP, Routing, OLSR, Mesh-Netzwerk, Particle, Tunnel, Datenübertragung, Fehlerrate, Embedded Systems, Protokollumsetzung.
Häufig gestellte Fragen
Worum geht es in dieser Arbeit grundsätzlich?
Es geht um die Konzeption und Realisierung eines Gateways, das Daten aus proprietären Sensornetzwerken in Standard-IP-Pakete umwandelt, um diese über kabelgebundene oder kabellose Netzwerke an Backend-Systeme weiterzuleiten.
Welche zentralen Themenfelder werden behandelt?
Zentral sind die Themen Protokollübersetzung zwischen WSN und IP-Netzen, die Auswahl geeigneter Hardware, die Implementierung von Tunnel-Programmen und die Anwendung von Mesh-Routing-Protokollen.
Was ist das primäre Ziel der Untersuchung?
Das Hauptziel besteht darin, einen zuverlässigen und weiträumigen Datentransport für verteilte Sensorknoten zu ermöglichen, die selbst über keine ausreichende Prozessorleistung verfügen, um komplexe Netzwerkprotokolle direkt zu verarbeiten.
Welche wissenschaftlichen Methoden kommen zur Anwendung?
Die Arbeit basiert auf einer technischen Anforderungsanalyse, der Auswahl geeigneter Hardware-Komponenten (Router), der Implementierung spezifischer Software-Module und einer umfangreichen quantitativen Evaluierung mittels verschiedener Traffic-Generatoren und Simulationsdaten.
Was wird im Hauptteil der Arbeit behandelt?
Der Hauptteil gliedert sich in den Entwurf des Systems, die detaillierte Analyse der verschiedenen Einsatzszenarien, die technische Implementierung der Tunnel- und Routing-Funktionen sowie die messtechnische Auswertung der Systemzuverlässigkeit.
Welche Begriffe charakterisieren die Arbeit am stärksten?
Die Arbeit wird maßgeblich durch Begriffe wie Sensornetzwerke, OLSR-Routing, Gateway-Architektur, UDP/TCP-Tunneling und WLAN-Infrastruktur charakterisiert.
Warum wurde für die Implementierung gerade der Asus WL-500g Router gewählt?
Die Wahl fiel auf dieses Gerät, da es über notwendige USB-Anschlüsse verfügt, mit einem Mipsel-Prozessor ausgestattet ist und die Installation freier Linux-Distributionen wie OpenWRT erlaubt.
Welche Erkenntnis lieferte der Vergleich zwischen den Routing-Protokollen?
Die Arbeit zeigt, dass pro-aktive Protokolle wie OLSR für die Anforderungen der Mesh-Netzwerke vorteilhafter sind, da sie die Netztopologie kennen und eine automatische Qualitätssicherung der Verbindungswege ermöglichen.
- Citation du texte
- Thomas Morper (Auteur), 2006, IP-basierter Transport von Daten aus Sensornetzwerken, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/59210
