INSTITUTO FEDERAL DE SANTA CATARINA CÂMPUS SÃO JOSÉ GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE TELECOMUNICAÇÕES FELIPE DOS PASSOS CARDOSO

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1 INSTITUTO FEDERAL DE SANTA CATARINA CÂMPUS SÃO JOSÉ GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE TELECOMUNICAÇÕES FELIPE DOS PASSOS CARDOSO INTERNET DAS COISAS E 6LoWPAN SÃO JOSÉ 2018

2 FELIPE DOS PASSOS CARDOSO INTERNET DAS COISAS E 6LoWPAN Relatório do seminário apresentado à disciplina de Redes de Computadores I na 4ª fase do curso de Engenharia de Telecomunicações do Instituto Federal de Santa Catarina Câmpus São José. Orientador: Prof. Odilson Tadeu Valle SÃO JOSÉ 2018

3 SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO PROTOCOLO DE REDE IPv O PADRÃO IEEE A INTERNET DAS COISAS ARQUITETURA DOS OBJETOS INTELIGENTES TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO O PROTOCOLO 6LoWPAN APLICAÇÕES ARQUITETURA CABEÇALHO 6LoWPAN CONCLUSÃO...13 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS...14

4 1. INTRODUÇÃO Com o avanço das tecnologias a proliferação de objetos inteligentes com capacidade de sensoriamento, processamento e comunicação tem aumentado muito nos últimos anos. [1]. Com isso, surge a Internet das Coisas (do inglês Internet of Things(IoT)) que é uma ampliação da internet para que objetos com capacidade computacional e de comunicação possam se conectar. [1] Isso viabiliza o controle dos objetos remotamente e permite também que sejam acessados como provedores de serviço. Com a Internet das Coisas, o conceito de redes de computadores vem sendo alterado ao longo do tempo e fica um tanto obsoleto dizer que Rede de Computadores é um conjunto de computadores autônomos interconectados por uma única tecnologia. [2]. Uma abordagem mais atual para Redes de Computadores é que são formuladas não mais para equipamentos de fim específico e sim para dispositivos de propósito geral. [1] A comunicação entre objetos inteligentes e também com a internet pode ser feita através de diversos sistemas.o mais usual nesses casos, são os sistemas de comunicação sem fio, respeitando os padrões específicos para cada caso. O Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) especifica uma série de padrões para as redes sem fio, referidos como x para redes Local Area Network (LAN) e Wide Area Network (WAN) e o padrão IEEE x para redes Wireless Personal Area Network (WPAN). [3]. Os protocolos da série IEEE x regulamentam redes sem fio que atuam com baixo consumo energético, baixa taxa de transmissão e baixo processamento [3]. Dentro dessa série, o IEEE define as redes LoWPAN (Low power WPAN), redes com baixo consumo de energia, também conhecidas como Redes de Sensores Sem Fio (RSSF). [3] Devido ao esgotamento dos endereços IPv4 o IPv6 foi implementado para suprir essa necessidade e desde 2007 o grupo de trabalho da Internet Engineering Task Force (IETF) denominado 6LoWPAN (IPv6 over LoWPAN Work Group) une esforços para que as redes IEEE se comuniquem via IPv6 [4]. Com isso criou-se o protocolo de mesmo nome (6LoWPAN), que será o objeto de estudo do presente texto. 4

5 2. PROTOCOLO DE REDE IPv6 Com a rápida evolução das tecnologias e sua expansão acelerada observouse que o protocolo IPv4 não daria mais conta do enorme número de usuários conectados a internet, além de suprir em conjunto a necessidade de conexão dos chamados objetos inteligentes, explicado na seção 3 desse texto. Devido a essa preocupação o protocolo de rede IPv6 foi desenvolvido e vem sendo feito a sua transição gradativamente nos dias atuais. [5] Além de resolver o problema da quantidade de usuários ou objetos conectados, o IPv6 também evoluiu para oferecer novos serviços e benefícios que não existiam ou não eram utilizados de forma otimizada no IPv4. Dentre eles estão: formato de cabeçalho simplificado para entrega de otimização de pacotes; arquitetura hierárquica de rede para um roteamento eficiente; suporte aos atuais protocolos de roteamento; serviços de autoconfiguração; implementações para qualidade de serviço (Quality of Service QoS). [6] 3. O PADRÃO IEEE Esse padrão foi desenvolvido para dispositivos que possuem pouco alcance, baixa taxa de transmissão, baixo consumo de energia e baixa complexidade. O padrão IEEE também possibilita a criação de redes com baixo custo devido aos seus dispositivos não precisarem estar ativo ao mesmo tempo, pois utilizam comunicação half-duplex. [3] Dispositivos FFD (Full Function Device) e RFD (Reduced Function Device) são previsto nesse padrão. Os RFD s são de menor custo e com funções simples, já o dispositivo FFD fica responsável por ser o coordenador ou roteador da rede. [3] Dispositivo coordenador é o responsável peloa criação da rede e só existe um por rede. Dispositivo roteador é responsável pela união dos dispositivos da rede e pode haver mais de um numa rede. Já dispositivos finais são responsáveis pelo monitoramente e controle dos equipamentos acoplados. [3] A Figura 1 representa os tipos de topologias oferecidos pelo padrão IEE

6 Figura 1 Topologias estrela, malha e árvore Fonte: [3] 4. A INTERNET DAS COISAS Figura 2 Representação de Internet das Coisas Fonte: Como ilustrado na Figura 2 e o próprio nome diz, Internet das Coisas (Internet of Things - IoT) é agregar, linkar, fazer comunicar entre si todos os objetos, coisas, na internet, na rede. [5]. Pode-se enteder que essas coisas e objetos são smartphones, sensores pessoais, logística, transporte, etc. Uma outra definição que pode ser abordada é descrita pela Cisco como sendo Internet de todas as coisas (Internet of Everything IoE) a união de processos, dados, pessoas e tudo que tornam de grande importância as conexões de rede. [5] 6

7 Na Internet das Coisas a unidade de hardware apresentará ao menos uma das seguintes características: i) unidade(s) de processamento; ii) unidade(s) de memória; iii) unidade(s) de comunicação e; iv) unidade(s) de sensor(es) ou atuador(es). Aos dispositivos com essas qualidades é dado o nome de objetos inteligentes (Smart Objects). [1] ARQUITETURA DOS OBJETOS INTELIGENTES A Figura 3 apresenta uma visão geral da arquitetura utilizada nos dispositivos IoT que a seguir são descritos Unidade(s) de processamento/memória: Essa unidade é composta por memória interna para dados e programa, conversor analógico-digital para os sinais dos sensores e um microcontrolador. Esses Dispositios são chamados de CPU e geralmente não apresentam alto poder computacional. Duas características essenciais para essa unidade são baixo consumo de energia e menores tamanhos possível. [1] Figura 3 Visão geral da Arquitetura dos dispositivos IoT Fonte: Unidade(s) de comunicação: Composta pelo(s) canal(is) de comunicação(ões) com ou sem fio, sendo mais comum a utilização de um canal sem fio, como radio de baixo custo e baixa potência. [1] Fonte de energia: 7

8 Geralmente composta por uma bateria (reccarregável ou não) e tem a responsabilidade de alimentar os componentes. Mas também pode ser composta por outros meios de alimentação, como energia elétrica, solar, etc. [1] Unidade(s) de sensor(es)/atuador(es): Realiza captura de valores de grandezas físicas como temperatura, pressão, umidade, etc., além de produzir algum tipo de ação (no caso do(s) atuador(es)) por consequência de comandos manuais, elétricos ou mecânicos. [1] 4.2. TECNOLOGIAS DE COMUNICAÇÃO Sistemas de comunicações utilizados em IoT e principais características são descritos nessa seção Ethernet Comunicação feita por meio transmissão guiados respeitando o padrão IEEE Dois cabos são os mais utilizados nessa tecnologia, par trançado e fibra óptica. O par trançado podem atingir uma taxa de transmissão de até 1 Gbps (Gigabit por segundo) e a fibra pode chegar aos 10 Gbps. Não é muito utilizado para comunicação de objetos inteligente. [1] Wi-Fi Uma solução de comunicação sem fio definido pelo padrão IEEE que engloba as regras de transmissão e codificação. A versão mais atual, IEEE ac prevê taxas de 600 Mbps ou 1300 Mbps (Megabits por segundo). Foi desenvolvido como principal alternativa para o padrão Ethernet. Devido ao seu alto consumo de energia não é utilizado pela maioria dos dispositivos IoT. [1] ZigBee Segue a especificação do protocolo IEEE para camada de Enlace. Tendo como características marcantes baixa vazão, baixo consumo de energia (utilizando o mecanismo conhecido como modo sleep, que economiza a bateria e aumenta a vida útil do dispositivo) e baixo custo, o padrão ZigBee pode alcançar uma taxa de 250 Kbps. Pode operar com frequências de 868 MHz e 915MHz, mas utiliza a frequência de 2.4 GHz (ISM Industrial, Scientific and Medical) na maioria dos dispositivos. Muito utilizado pelos dispositivos IoT, porém necessitam de um gateway complexo para permitir comunicação entre protocolos. [1] 8

9 Essa tecnologia é mantida pela ZigBee Alliance, conjunto de empresas que trabalham para criação de tecnologia para Internet das Coisas (IoT), e possui uma certa complexidade para transmissão de dados pois trabalha com a camada de aplicação para o envio. A Figura 4 mostra a pilha de protocolos utilizadas no padrão ZigBee. O que significa isso? Figura 4 Pilhas de protocolos ZigBee e IPv6 Fonte: Porém, a ZigBee Alliance está lançando o ZigBee IP. Com isso surge indícios de que o padrão proprietário da ZigBee possa ser substituído para o 6LoWPAN. [5] G/4G São padrões utilizados pela telefonia celular, mas que também podem ser implementados nos dispositivos IoT. O consumo energético dessa tecnologia é muito alto, mas esse gasto pode ser compensado se o projeto necessita de alcance a grandes distâncias. As taxas do padrão 3G podem alcançar 1 Mbps e o 4G chegam a 10 Mbps. [1] LoRaWAN Desenvolvida para criar redes de longo alcance, baixo custo e com consumo de energia considerado pequeno, a especificação LoRaWAN (Long Range Wide Area network) vem sendo muito utilizada em dispositivos IoT. Taxas de transmissão que podem atingir entre 300 bps e 50 Kbps e um alcance de 2 km a 5 km em meio urbano e 45 km no meio rural, além de oferecer suporte ao IPv6 com a utilização do protocolo de adaptação 6LoWPAN, reforçam os benefícios dessa tecnologia. [1] Existem outras tecnologias de comunicação para IoT como Bluetooth Low Energy e SigFox. A Figura 5 apresenta um resumo dessa tecnologias para efeito de comparação. 9

10 Número diferente Figura 5 Comparação entre tecnologias do apresentado acima. Fonte: 5. O PROTOCOLO 6LoWPAN O protocolo 6LoWPAN (IPv6 over Wireless Personal Area Network) [RFC 4919 e RFC 4944] define a utilização com eficiência do protocolo IPv6 sobre dispositivos que executam em baixa potência e baixa taxa de dados sem fio implementando uma camada de adaptação entre as camadas de Enlace e de Rede do Modelo TCP/IP. [3] Esse padrão permite que pacotes IPv6 possam ser transmitidos dentro de pequenos quadros na camada de Enlace usados pelo IEEE e também simplifica o modelo de conexão eliminando gateways complexos (como os usados no padrão ZigBee). [5] A Figura 6 representa a pilha de protocolos do 6LoWPAN. IPv6 inteiro? Figura 6 Pilhas de protocolos 6LoWPAN e IPv6 Fonte: APLICAÇÕES O mercado, escala e requisitos para o uso de redes sem fio podem variar de muitas formas. Suas aplicações podem ser desde o uso em sensores pessoais até 10

11 monitoramento de ambientes. [3] Os seguintes cenários se dão como uso ideal para 6LoWPAN [7] : Dispositivos embarcados que se comunicam com serviços da internet; Dispositivos de baixo consumo; Rede aberta, podendo ser reutilizada e também evoluir para novos serviços; Grandes infra-estruturas que precisam de redes com escalabilidade. E as áreas de utilização para o 6LoWPAN são [7] : Automação residencial e construção; Automação de saúde e logística; Área hospitalar; Melhoria da eficiência energética; Automação industrial; Medição inteligente e infra-estrutura de redes inteligentes; Monitoramento ambiental em tempo real e previsão e outros. [7] 5.2. ARQUITETURA O padrão 6LoWPAN é composta por três redes: LoWPAN Simples, LoWPAN Extendida e Ad Hoc LoWPAN. [3] i) Ad Hoc LoWPAN não é conectada com a internet e não possui necessidade de uma infra-estrutura para operar; [3] ii) LoWPAN Simples é o tipo de rede conectada com a internet por um roteador de borda efetuando a transição de uma rede 6LoWPAN para uma rede IPv6; [3] Iii) LoWPAN Extendida engloba vários roteadores de borda do tipo 6LoWPAN a um backbone. [3] A Figura 7 ilustra as redes que podem fazer parte de um arquitetura 6LoWPAN. É de responsabilidade do roteador de borda manipular a fragmentação e remontagem dos endereços, a descoberta vizinhos e rotear os dados que entram e saem da rede 6LoWPAN. Esse roteador também consegue manipular endereços do tipo IPv4. [3] Os roteadores de borda e da rede 6LoWPAN distribuem os prefixos de IPv6 para as interfaces de rede dos dispositivos. Através do mecanismo IPv6 chamado Neighbor Discovery (ND) todos os dispositivos se registram nos roteadores de borda. [3] 11

12 Figura 7 Arquitetura 6LoWPAN Fonte: [7] Um dispositivo pode participar de mais de uma rede ao mesmo tempo. A comunicação entre dispositivos LoWPAN e dispositvos IP de outras redes acontecem fim-a-fim, assim como se fosse outro dispositivo de uma rede IP. [3] 5.3. CABEÇALHO 6LoWPAN Como já mencionado o protocolo 6LoWPAN é uma camada de adaptação do IPv6 para o padrão IEEE , mas para que os dados sejam transmitidos na rede é necessário a compressão do cabeçalho IPv6 devido ao ser MTU requerido ser de 1280 bytes e o padrão IEEE ser de 127 bytes. [8] O cabeçalho IPv6 quando comprimido recebe o nome de HC (Header Compression), podendo ser HC1 (IPv6 Header), HC2 (UDP header), NHC (Next Header) ou IPHC (IP Header Compression). [5] A Figura 8 mostra uma comparação entre um cabeçalho IPv6 e um cabeçalho 6LoWPAN. 12

13 Figura 8 Cabeçalho IPv6 e Cabeçalho HC1 Fonte: [5] 6. CONCLUSÃO Devido ao avanço na área dos chamados Objetos Inteligentes (Smart Objects) e a necessidade de comunicação dos mesmo com a internet usando IP, o protocolo 6LoWPAN mostrou-se bastante promissor despertando interesse pela comunidade técnica e cietífica. Verificou-se também que o padrão 6LoWPAN tem grande vantagem sobre o padrão proprietário da ZigBee Alliance, devido o mesmo necessitar de roteadores de transição mais complexos e lidar com o envio de dados na camada de aplicação. Além disso, o padrão 6LoWPAN utiliza o IPv6, assim como todas as vantagens do mesmo. Com isso a própria ZigBee Alliance, conforme discutido anteriormente, fornece fortes indícios de que utilizará o padrão 6LoWPAN atrvés do ZigBee IP. Por fim, pode-se dizer que o futuro da tecnologia utilizada na comunicação e ampliação da Internet segue o caminho do desenvolvimento de protocolos que vizam facilitar a conexão de todas as coisas e todos com a grande rede. 13

14 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS [1] SANTOS et al. Internet das Coisas: da Teoria à Prática. Belo Horizonte. Disponível em: Acesso em: 03/06/2018. [2] TANEMBAUM, Andrew S. Redes de computadores. 4. ed. Rio de Janeiro: Campus, p. [3] PEREIRA, Leonardo. Implementação e análise de um roteador de borda de rede 6LoWPAN. São José: [s. n.], f. [4] 6LoWPAN. Disponível em: Acesso em: 07/06/2018. [5] SANTOS, Rogério Luís Dos. Internet das Coisas e 6LoWPAN F. Monografia UTFP, Curitiba. [6] VERNEY, Thiago. Conheça o que é IPv6 e os seus principais benefícios. Disponível em: Acesso em: 03/06/2018. ZigBee usa agora 6LoWPAN. Disponível em: 6lowpan-sua-proxima-lampada-tera-ipv6/. Acesso em: 08/06/2018. [7] SHELBY, Z.;BORMANN, C. 6LoWPAN: The wireless Embedded Internet. [S.I.]: Wiley Publishing, [8] DEVADIGA, Ketan. IEEE and the Internet of things. Disponível em: Acesso em: 08/06/