STUDIO E SIMULAZIONE DI RETI
DETERMINISTICHE SU TECNOLOGIA IEEE 802.15.4e
RELATORE: Professore Stefano Giordano
CORRELATORE: Professore Gregorio Procissi
LAUREANDO: Francesco Cannarsa A.A. 2016-2017
UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PISA
DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA DELL’INFORMAZIONE TESI DI LAUREA MAGISTRALE
STUDIO E SIMULAZIONE DI RETI
DETERMINISTICHE SU
TECNOLOGIA IEEE 802.15.4e
RELATORE: Professore Stefano Giordano
CORRELATORE: Professore Gregorio Procissi
LAUREANDO: Francesco Cannarsa
Indice
Abstract 1
1 Introduzione 3
2 Stato dell’ Arte 5
2.1 Internet of Things . . . 5
2.1.1 Introduzione . . . 5
2.1.2 Caratteristiche dell’ IoT . . . 7
2.1.3 Modello di riferimento . . . 10
2.2 Wireless Sensors Network . . . 13
2.2.1 Introduzione . . . 13
2.2.2 Progettazione di una WSN . . . 15
2.3 La fusione tra i mondo dell’ IT e dell’ OT . . . 23
2.3.1 Information technology . . . 23
2.3.2 Operational Technology . . . 24
2.3.3 IT/OT merging . . . 25
2.4 Reti Deterministiche . . . 28
2.4.1 Architettura delle reti deterministichhe . . . 28
2.4.2 Detnet QoS . . . 29
2.5 Lo Standard IEEE 802.15.4 . . . 36
2.5.1 Introduzione . . . 36
2.5.2 Modulazioni . . . 39
2.5.3 Architettura . . . 42
2.5.4 Composizione della WPAN . . . 46
2.6 Lo Standard IEEE 802.15.4e . . . 47
2.6.1 Introduzione . . . 47 2.6.2 Funzionamento del TSCH: Slotframe e Time Synchronization 49
INDICE
2.6.3 TSCH schedule . . . 52
2.6.4 DETERMINISTIC NETWORKS AND SDN . . . 59
3 Contributo 74 3.1 Introduzione . . . 74
3.2 IL SIMULATORE . . . 75
3.3 MODELLO DEL CONSUMO ENERGETICO . . . 76
3.4 RISULTATI . . . 78
4 Conclusioni 83
Bibliografia 83
Abstract
Nello scenario attuale diventa ogni giorno piu’ importante raccogliere informa-zioni e gestirle in maniera semplice e completa. L’ idea alla base dell’ Internet of things vuole che le informazioni, raccolte da milioni di sensori sparsi per il mondo, possano essere convogliate sulla rete in modo da rendere disponibili agli utenti servizi sempre piu’ complessi. In tutto ciò guadagnano sempre maggior impor-tanza le reti di sensori wireless a basso consumo: i nodi di tali reti infatti possono essere dispiegati sul campo in maniera facile e veloce mentre il basso consumo energetico concede alle batterie cicli vitali dell’ordine di anni. Alcune applicazioni sono però poco adatte agli attuali standard in commercio. Gli standard attuali infatti non riescono ad evitare vari fenomeni, nocivi a molte applicazioni, tra tutti l’ aleatorietà dei tempi di ricezione dovuta ai meccanismi di accesso al mezzo. La presente tesi ha voluto analizzare il lavoro di diversi Working Group (WGs) che tutt’ ora stanno lavorando a possibili soluzioni a tali problematiche. In partico-lare la tesi riassume i concetti di IoT, WSN e IT/OT merging per addentrarsi sui lavori effettuati da vari WGs dell’ IEEE e dell’ IETF e delle soluzioni proposte per la realizzazione di uno standard che possa sfruttare uno stack protocollare IPv6 su di una rete LLN. Il comportamento di tale rete si definirà deterministico: il sistema sarà in grado di gestire i flussi informativi con una precisione tale da ridurre quasi a zero l’ aleatorietà dei tempi di trasmissione e ricezione dei dati, eliminando quasi del tutto comportamenti differenti della rete rispetto ciò che è stato schedulato in partenza.
Capitolo 1
Introduzione
In ambito industriale, militare o civile moltissime applicazioni necessitano di reti di sensori che possano monitorare l’ambiente, raccoglire dati, supportare siste-mi complessi. Molte applicazioni inoltre necessitano di reti ad alta affidabilità e ritardo contenuto per poter funzionare e soddisfare le richieste degli utenti. In questi ambiti acquistano importanza le reti deterministiche: reti in cui le informa-zioni viaggiano rispettando una programmazione prestabilita e precisa. Queste applicazioni riescono a ridurre l’aleatorietà nei ritardi di trasmissione. Spesso le reti deterministiche in ambito industriale sfruttano tecnologie "ad Hoc" e non si interfacciano ad altri dispositivi presenti in commercio. L’elaborato tratterà della possibilità di realizzare reti WSN deterministiche lavorando con gli standard di enti quali l’IEEE e l’IETF in modo da sfruttare stack protocollari noti. Verranno presi in esame i lavori di importanti Working Groups e i risultati presentati nei loro lavori. Inoltre si parlerà delle tecniche e dei protocolli impiegati al fine di aumentare l’affidabilità della rete e raggiungere la condizione di ’rete determi-nistica’. In particolare verranno trattare le tecniche di ’Packet Replication’ e, utilizzando Matlab, verranno presentati risultati inerenti all’ uso di tale tecnica su una rete deterministica.
L’elaborato tratterà nel Capitolo 2 lo stato dell’arte: • Definizione di Internet of Things
• Wireless sensor network • Deterministic Networking
1. INTRODUZIONE
• Standard 802.15.4 • Standard 802.15.4e
Nel Capitolo 3 verranno mostrati risultati inerenti alla tecnica di ’Packet Replication’, tecnica usata per migliorare l’affidabilità della rete.
Nel Capitolo 4 si trarrano le conclusioni dell’ elaborato
