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1 Transporte de dados multimédia em Redes de Sensores Sem Fios. JOÃO CASTRO DE ALMEIDA Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em ENGENHARIA ELECTROTÉCNICA E DE COMPUTADORES Júri Presidente: Prof. Mário Serafim dos Santos Nunes Orientador: Prof. António Manuel Raminhos Cordeiro Grilo Co-Orientador: Prof. Paulo Rogério Barreiros d'almeida Pereira Vogal: Prof. Renato Jorge Caleira Nunes Setembro 2008

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3 Agradecimentos Em primeiro lugar, gostaria de agradecer o enorme e incansável apoio que recebi dos meus orientadores, os professores António Grilo e Paulo Pereira. Gostava de agradecer também à minha família e amigos, que não só compreenderam a minha ausência nos seis meses que estive dedicado à elaboração deste projecto, como também me apoiaram e me motivaram ainda mais para que o terminasse em tempo útil e com sucesso. Por isso, e porque merecem todo o reconhecimento, quero agradecer em especial às seguintes pessoas: Marta Almeida, Rute Machado, Hernâni Fernandes, José Gonçalves, Sidónio Resendes e Yoann Lage. Muito Obrigado! iii

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5 Resumo Neste trabalho efectuou-se o estudo e implementação de soluções que permitam o transporte de tráfego multimédia em Redes de Sensores Sem Fios, formalmente conhecidas por Redes de Sensores Sem Fios Multimédia (Wireless Multimédia Sensor Networks WMSNs). O projecto foi inteiramente baseado no DTSN (Distributed Transport for Sensor Networks 1 ). O trabalho consistiu em dotar o DTSN de uma estrutura e mecanismos adicionais que lhe permitissem garantir um Serviço de Fiabilidade Diferenciada ao tráfego que atravessa a rede. Este serviço permite dividir uma trama de dados a ser enviada, em vários blocos, cada um com uma fiabilidade e tamanho definidos pela aplicação. Sendo assim, não é pedida a repetição de pacotes que sejam perdidos na rede e que pertençam a blocos de dados cuja fiabilidade mínima já foi atingida. Alem de diminuir as retransmissões na rede e aumentar o desempenho do sistema, este serviço vai consequentemente aumentar o tempo de vida dos nós do mesmo. Alem do Serviço de Fiabilidade Diferenciada, foi elaborado um módulo de recuperação de pacotes. Funcionando numa camada acima do DTSN, este módulo é completamente transparente ao transporte, e permite recuperar um pacote perdido por cada bloco de pacotes, com um auxílio de um pacote de paridade. Foi efectuada uma simulação utilizando o TOSSIM simulador de redes para TinyOS - para que pudesse ser testado o desempenho no protocolo e o comportamento do mesmo. Verificou-se que as novas extensões do protocolo DTSN se comportam como previsto e a sua utilização pode contribuir para o aumento do desempenho da nova geração de redes de sensores. Palavras Chave: Redes de Sensores Sem Fios Protocolo de Transporte Multimédia Fiabilidade Diferenciada 1 O DTSN é um protocolo de transporte para redes de sensores que foi desenvolvido no INOV no âmbito do projecto IST FP6 UbiSec&Sens. v

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7 Abstract This project consisted on the study and implementation of a transport protocol for Wireless Multimedia Sensor Networks. The work was based on an existing transport protocol for sensor networks called DTSN (Distributed Transport for Sensor Networks 2 ) For accomplishing that goal, some structural changes were made to DTSN and mechanisms were added, in order to provide a Differentiated Reliability Service for packets flowing on the sensor network. This service allows a multimedia data stream to be divided on several multimedia blocks with different reliability, whose size and reliability grade are configured by the application. With this extension implemented, lost packets from multimedia blocks with the minimum reliability already assured, will not be claimed lost by the receiver, and hence will not be retransmitted. That will cause less retransmissions on the network, throughput improvements and a significant raise of network nodes lifetime with no significant degradation of the transmitted stream, as low reliability packets are thought to be less important. A packet recovery module has also been implemented, which allows the recovery of one lost packet per multimedia block, based on an additional packet (parity packet) that must be sent (by the stream sender) for each block. This module works on top of transport layer and is completely transparent to it. Tests were carried out in TOSSIM a network simulator for TinyOS. Performance and functional tests were made to the protocol, which have demonstrated the correct operation of the developed protocol and the advantages of the proposed solution. Keywords: Wireless Sensor Networks Transport Protocol Multimedia Differentiated Reliability 2 This transport protocol for Wireless Sensor Networks was developed at INOV in the context of project IST FP6 UbiSec&Sens. vii

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9 Conteúdo 1. Introdução Enquadramento Objectivos Estrutura da dissertação Estado da Arte das Redes de Sensores Sem Fios Características das Redes de Sensores Sem Fios Hardware Sistemas Operativos SensorWare Eyes Energy Efficient Sensor Networks TinyOS Simuladores TOSSIM Avrora Tecnologia de transmissão para Redes de Sensores Sem Fios Encaminhamento em Redes de Sensores Sem Fios SPIN Directed Diffusion DSDV optimizado Protocolos de transporte para Redes de Sensores Sem Fios Características dos protocolos de transporte para Redes de Sensores Sem Fios Protocolos existentes para Redes de Sensores Sem Fios Redes de Sensores Sem Fios Multimédia Hardware específico para Redes de Sensores Sem Fios Multimédia Factores que influenciam o projecto de Redes de Sensores Sem Fios Multimédia Redes de Sensores Sem Fios Multimédia já desenvolvidas Serviço de Fiabilidade Diferenciada do DTSN Serviço de Fiabilidade Diferenciada com configuração estática Organização e configuração do protocolo para blocos de pacotes com fiabilidade diferenciada Funcionamento do serviço Serviço de Fiabilidade Diferenciada com configuração dinâmica ix

10 3.2.1 Estrutura dos pacotes e funcionamento da camada de aplicação Funcionamento do serviço Camada responsável pela recuperação de pacotes perdidos Construção e envio do pacote FEC Emissor Recuperação de pacotes perdidos usando FEC Receptor Interacção entre camadas FEC e DTSN para aproveitamento de recursos Implementação do sistema em ambiente TinyOS Serviço de Fiabilidade Diferenciada Camada de Recuperação de Pacotes Avaliação ao desempenho do Sistema Implementado Testes ao débito do sistema Tempo de transmissão Fiabilidade mínima e real Teste ao desempenho da camada de recuperação de pacotes Ocupação de memória Conclusões e trabalho futuro Referências x

11 Lista de Figuras Figura 1.1: Ilustração de uma rede de sensores sem fios... 1 Figura 2.1: Mote MICAz da Crossbow... 6 Figura 2.2: Mote TelosB da Crossbow... 6 Figura 2.3 MIB520CA da Crossbow... 7 Figura 2.4: Representação das topologias em estrela e peer-to-peer Figura 2.5 Protocolos de transporte existentes para WSNs Figura 2.6: Fluxograma do funcionamento do DTSN emissor Figura 2.7: Fluxograma do funcionamento do DTSN - nós intermédios Figura2.8: Fluxograma do funcionamento do DTSN Receptor Figura 2.9: Diagrama temporal do funcionamento do DTSN Figura 2.10: Módulo Cyclops ligado a um mote MICAz Figura 2.11: Imote2 da Crossbow Figura 2.12: Sensor usado na rede Panoptes Figura 2.13: Representação de uma rede de sensores multimédia multicamada Senseye Figura 2.14: Utilização de um nó de uma rede Deep Vision para monitorização de um ninho.. 29 Figura 3.1: Estrutura de armazenamento de informação sobre blocos Figura 3.2: Array que define a fiabilidade mínima para cada bloco Figura 3.3: Fluxograma do funcionamento do serviço de fiabilidade diferenciada (conf. estática) do DTSN - emissor Figura 3.4: Fluxograma da gestão da informação dos diversos blocos Figura 3.5: Fluxograma do processo de decisão sobre resposta a mensagens de controlo EAR do emissor Figura 3.6: Estrutura do pacote da camada de aplicação Figura 3.7: Estrutura do payload do pacote da camada de aplicação Figura 3.8: Fluxograma do funcionamento da camada de aplicação Figura 3.9: Estrutura do Pacote que chega à camada de transporte Figura 3.10: Fluxograma do funcionamento do serviço de fiabilidade diferenciada (configuração dinâmica) do DTSN (emissor) Figura 3.11 Representação do comportamento do receptor quando recebe uma mensagem de configuração xi

12 Figura 3.12: Diagrama temporal do funcionamento do serviço de fiabilidade diferenciada do DTSN Figura 3.13: Fluxograma do funcionamento da camada de recuperação de pacotes Recepção e processamento da mensagem de configuração Figura 3.14: Fluxograma do funcionamento da camada de recuperação de pacotes Recepção e processamento de uma mensagem de dados Figura 3.15: Fluxograma do funcionamento da camada de recuperação de pacotes Receptor Figura 3.16: Diagrama temporal do funcionamento da camada FEC Figura 3.17: Utilização da interface Multiblock Figura 3.18: Utilização das interfaces Multiblock e FecCalc Figura 4.1: Ilustração de uma rede com 4 hops Figura 4.2: Gráfico representativo da variação do débito com a fiabilidade dos blocos multimédia Figura 4.3: Gráfico representativo da variação do débito do sistema com a fiabilidade dos blocos multimédia para 8 hops Figura 4.4: Gráfico representativo da variação do débito com o número de hops (Fiabilidade total e diferenciada) Figura 4.5: Gráfico representativo da variação do tempo de transmissão com o número de hops (Fiabilidade total e diferenciada) Figura 4.6: Gráfico ilustrativo da influência do uso da camada FEC no ritmo de transmissão do sistema xii

13 Lista de Tabelas Tabela 4.1: Comparação entre fiabilidades teóricas e reais xiii

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15 Lista de Siglas ACK Acknowledgment ARQ Automatic Repeat Request CCF Control and Fairness CN Congestion Notification CODA Congestion Detection and Avoidance CSMA Carrier Sense Multiple Access DSDV - Destination-Sequenced Distance Vector routing DTSN Distributed Transport for Sensor Netwoks EAR Explicit Acknowledgment Request EEPROM Electrically Erasable Programmable Read Only Memory ESRT Energy Saving Token Ring Protocol FFD Full Function Devices FEC Forward Error Correction FIFO First In First Out IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers IP Internet Protocol MANET Mobile Ad-Hoc Network NACK Negative Acknowledgment PC Personal Computer PCCP Priority Based Congestion Protocol PEROS - Preemptive Eyes Real time Operating System PSFQ Pump Slowly Fetch Quickly QoS Quality of Service RAM Random Acess Memory RBC Reliable Bursty Convergecast RF Radio Frequency RFD Reduced Function Devices RMST - Reliable Multi-Segment Transport xv

16 ROM Read Only Memory RSSF Redes de Sensores Sem Fios RTT Round Trip Time SPIN Sensor Protocol for Information via Negotiation STCP Sensor Transmission Control Protocol TCP Transmission Control Protocol UDP User Datagram Protocol USB Universal Serial Bus WLAN Wireless Local Area Network WMSN Wireless Multimedia Sensor Network WSN Wireless Sensor Network xvi

17 1. Introdução 1.1 Enquadramento Nos últimos anos, os avanços na miniaturização dos componentes electrónicos (nomeadamente sensores), o aumento do poder de processamento dos microcontroladores e os avanços nas tecnologias de comunicação RF de baixa potência (e.g., Bluetooth e ZigBee) permitiram o despontar das Redes de Sensores Sem Fios [1] (Wireless Sensor Networks WSNs). Estas redes descentralizadas não carecem de infra-estrutura previamente instalada, sendo formadas por pequenos dispositivos, energeticamente autónomos, com sensores e/ou actuadores acoplados, e equipados com interfaces de rede sem fios de baixo consumo (usualmente RF), com capacidade para se auto-organizar e estabelecer ligações entre si, formando rotas de encaminhamento para a transmissão dos dados. Uma ou mais estações de base (nós geralmente mais potentes que recolhem e processam a informação da rede de sensores sem fios) formam os pontos de contacto com sistemas externos que monitorizam e processam a informação recolhida. A flexibilidade deste tipo de redes permite a recolha e comunicação dos dados mesmo em ambientes hostis e zonas de difícil acesso. A integração Figura 1.1: Ilustração de uma Rede de Sensores Sem Fios dessas redes com as tecnologias de redes móveis (ex: WLANs, 3G, etc.) e eventualmente com a Internet, faz com que, em qualquer parte do mundo se possa monitorizar a informação recolhida nessas redes. A limitada potência de transmissão e sensibilidade de recepção dos nós da rede, faz com que a informação se propague dos sensores até às estações de base em 1

18 múltiplos saltos, desempenhando cada nó da rede o papel de encaminhador (routers) do tráfego de outros nós. A evolução na área da electrónica e a diminuição do preço dos chips levou ao aparecimento de sensores equipados com câmaras capazes da captação de imagem, contribuindo assim para aumentar as funcionalidades e a procura deste tipo de redes. Esta nova geração de redes de sensores é denominada Redes de Sensores Sem Fios Multimédia [2]. Os protocolos de comunicação para Redes de Sensores Sem Fios têm de ser concebidos com especial atenção às limitações deste tipo de redes, entre elas a escassez de memória e energia e a fraca capacidade de processamento. Os protocolos para Redes de Sensores Sem Fios Multimédia além de serem sensíveis às limitações das Redes de Sensores Sem Fios tradicionais têm de lidar com uma quantidade consideravelmente mais elevada de tráfego. Com este trabalho pretende-se estudar e desenvolver soluções que permitam o transporte de tráfego multimédia em redes de sensores, minimizando o atraso de transmissão e maximizando o seu débito e o tempo de vida da rede (poupando a energia das pilhas que alimentam os dispositivos). 1.2 Objectivos O objectivo deste trabalho é o desenvolvimento de mecanismos que suportem o transporte de multimédia em redes sem fios de sensores. Este objectivo geral pode decompor-se nos seguintes objectivos particulares: Desenvolvimento de um Serviço de Fiabilidade Diferenciada para o DTSN [3] (Distributed Transport for Sensor Networks). Esse serviço vai ser responsável por atribuir a parcelas de uma stream de multimédia os blocos multimédia diferentes níveis de fiabilidade. Quanto maiores esses níveis, maiores as garantias de entrega dos pacotes dos respectivos blocos ao destinatário. Com este mecanismo, pretende-se libertar a rede de retransmissões de tráfego não crítico, ou seja, pacotes que não são fundamentais para a percepção do elemento multimédia transmitido, não serão retransmitidos em caso de perda. Incremento do Serviço de Fiabilidade Diferenciada do DTSN através do complemento com recuperação de pacotes baseada em códigos correctores de erros. Dessa forma será possível reconstruir pacotes perdidos na rede sem necessidade de os retransmitir. Assim será possível oferecer ao tráfego crítico níveis de fiabilidade de transporte inferiores, sendo que as perdas podem ser compensadas pelo mecanismo de recuperação de pacotes. 2

19 1.3 Estrutura da dissertação O remanescente desta dissertação encontra-se estruturado da forma descrita em seguida: No segundo capítulo é feita uma descrição do estado de arte, focando as tecnologias envolvidas neste projecto, protocolos existentes para redes de sensores, equipamentos, sistema operativo e uma introdução ao DTSN. O capítulo 3 faz a descrição do trabalho efectuado no desenvolvimento do Serviço de Fiabilidade Diferenciada do DTSN. Além da descrição pormenorizada do protocolo é explicado de que forma o serviço foi projectado e estruturado. No quarto capítulo serão apresentados os resultados dos vários testes efectuados ao sistema. Finalmente, no capítulo 5 irão ser feitos comentários ao trabalho com incidência nos resultados obtidos. Serão ainda sugeridas ideias para projectos futuros. 3

20 2. Estado da Arte das Redes de Sensores Sem Fios As Redes de Sensores Sem Fios são sistemas que se auto-organizam constituídos por pequenos dispositivos (motes) de baixo custo, equipados com diferentes tipos de sensores consoante as exigências da aplicação. Através da sua capacidade sensorial, computacional e de comunicação sem fios, estes dispositivos podem ser espalhados por diversos locais estratégicos (e.g., locais de difícil acesso), adquirindo informação do meio. A informação captada pelos sensores é posteriormente enviada para uma, ou várias estações base (nós com maior capacidade de processamento e memória), onde a informação é processada e guardada. As estações base são muitas vezes elos de ligação entre várias redes de sensores. Essas ligações são possíveis devido à integração dessas redes com as tecnologias de redes móveis (ex: WLANs, 3G, etc.), ou mesmo com a rede IP. Esta última faz com que seja possível o controlo e monitorização da rede em qualquer parte do mundo. A limitada potência de transmissão de grande parte dos nós, faz com que a transmissão da informação recolhida nos sensores para as estações bases, tenha de percorrer diversos saltos (multihop). As limitações de energia fizeram com que fossem desenvolvidos mecanismos de poupança energética, que mantêm os nós activos só o tempo indispensável, de forma a garantir tempos de vida aceitáveis para estes sistemas. Os protocolos para redes de sensores, também têm em conta as particularidades e limitações deste tipo de redes. 2.1 Características das Redes de Sensores Sem Fios As Redes de Sensores Sem Fios têm distintas características : Topologia: Os nós são geralmente organizados numa topologia em árvore multihop que tanto pode ser horizontal ou hierarquicamente organizada. A raiz da árvore (estação base) é a responsável pela gestão da informação e transmissão da mesma para redes vizinhas. Esta topologia pode ser dinâmica por motivos de variação do estado da ligação entre os nós. Padrão de tráfego: Nestas redes, a maior parte do tráfego gerado é no sentido da estação base (vindo dos sensores), este tráfego é do tipo muitos para um (muitos nós para uma estação base). Contudo existe tráfego no outro sentido, geralmente mensagens de controlo ou de solicitação de informação. A comunicação dos sensores para a estação base pode ser contínua, gerada por um evento, resposta a um pedido da estação, ou então, uma comunicação híbrida deste conjunto. 4

21 Tamanho reduzido das mensagens: As mensagens numa rede de sensores geralmente têm um tamanho reduzido comparado com o das outras redes. Escassez de recursos: Os nós de sensores têm recursos muito limitados. O reduzido ritmo de transmissão, a pouca capacidade de armazenamento, a dimensão reduzida de memória e uma bateria limitada, em grande parte das situações, não recarregável, são alguns dos exemplos das limitações deste tipo de redes. As limitações energéticas constituem uma das principais preocupações para os projectistas na área de redes de sensores, e, em particular, nas transmissões de tráfego multimédia. Algumas técnicas foram desenvolvidas para, aproveitando a energia exterior à rede, ser feito o carregamento das baterias dos diferentes nós. Alguns dos processos para produção de energia eléctrica são: A utilização de células foto voltaicas: ligadas a condensadores aproveitando a energia solar para o carregamento das baterias. Os campos magnéticos: produzidos por magnetos ou bobines aproveitando vibrações que surjam na envolvente da rede. Micro geradores: compostos por condensadores com placas movíveis. Contudo, a energia produzida por estas técnicas de geração de energia eléctrica fica várias ordens de grandeza abaixo do que uma rede de sensores multimédia necessita, logo, só são realmente úteis para redes com pouco tráfego e processamento. Qualidade de Serviço: As Redes de Sensores Sem Fios são usadas em diversos cenários e possuem um número variado de aplicações. Essas aplicações podem logicamente requerer diferentes níveis de qualidade de serviço para a transmissão de dados. 5

22 2.2 Hardware Embora existam diversos fabricantes de dispositivos para redes de sensores, a Crossbow oferece especial destaque pela popularidade das suas soluções, muito devida ao facto de que os seus dispositivos serem compatíveis com o sistema operativo TinyOS [4] desenvolvido na UC Berkeley. Um dos dispositivos fornecidos por este fabricante é o mote MICAz [5] (fig. 4). Figura 2.1: Mote MICAz da Crossbow Este dispositivo contém um módulo RF compatível com a norma IEEE , e opera numa gama de frequências entre os 2.4 e os GHz. O ritmo de transmissão é de 250kbps. Possui um processador integrado (ATmega 128), 128 KB de memória para código, 4KB de memória RAM e 512 KB de memória Flash ROM para armazenamento de dados. Possui uma interface de 51 pinos compatível com uma variedade de sensores fabricados pela Crossbow. Outra solução em motes para redes de sensores, é o mote TelosB [6], também da Crossbow. Este mote também é compatível com a norma IEEE , suportando um ritmo de transmissão até 250kbps. Possui um processador TI MSP430, 10kB de RAM e opcionalmente pode vir equipado com sensores de temperatura, pressão e humidade. Figura 2.2: Mote TelosB da Crossbow 6

23 Para fazer a ligação entre os motes e o computador, é usada uma placa com interface USB, MIB520CA [7], a qual vai permitir que seja monitorizada, recebida ou enviada informação para a rede a partir de um PC. Figura 2.3 MIB520CA da Crossbow 2.3 Sistemas Operativos As características e limitações das Redes de Sensores Sem Fios exigem que sejam concebidos sistemas operativos específicos, capazes de garantir de forma eficiente a rentabilização dos poucos recursos disponíveis. A gestão de memória e energia passa não só pela elaboração de programas eficientes, cuja dimensão e capacidade de processamento não sejam muito exigentes, como também, aproveitando o facto destes sistemas serem geralmente constituídos por uma quantidade elevada de nós, pela implementação de mecanismos de processamento distribuídos. Existem algumas soluções para sistemas operativos em Redes de Sensores Sem Fios entre as quais destacamos o SensorWare [8], o Eyes [9], e o TinyOS [4] SensorWare O sistema operativo Sensorware é baseado em Linux e foi desenvolvido na Universidade da Califórnia, Los Angeles. Uma das principais características deste sistema operativo é o uso de scripts que são executados parcialmente num nó específico da rede e enviados para outro onde continuam a sua execução. Outra característica é a execução de algoritmos distribuídos pelos diversos nós da rede através da disseminação de scripts. Cada nó pode conter diversos scripts que comunicam entre eles através de interfaces, cooperando para a realização das várias tarefas. 7

24 2.3.2 Eyes Energy Efficient Sensor Networks O projecto Eyes foi desenvolvido na Universidade de Twent na Holanda. Este sistema tem o objectivo de poupar a limitada energia da rede, ao mesmo tempo que propõe mecanismos para computação distribuída. A primeira tentativa de implementação deste S.O. foi o projecto PEROS[10] (Preemptive Eyes Real Time Operating System). As suas principais características são: O escalonamento preemptivo de tarefas. Um sistema de mensagens que permite a comunicação entre os componentes do sistema operativo e entre os nós de sensores. Um gerente de módulos que permite o armazenamento de módulos não utilizados numa EEPROM, carregando-os em RAM assim que forem necessários. Uma linha de comandos que serve de interface entre um nó sensor (ligado através da porta série ao computador) e o utilizador TinyOS O sistema operativo TinyOS é um sistema open source concebido para Redes de Sensores Sem Fios, desenvolvido na Universidade de Berkeley, Califórnia. Este sistema foi desenvolvido na linguagem nesc, uma extensão da conhecida linguagem C, e tem uma arquitectura modular, em que diferentes módulos são ligados através das interfaces que fornecem ou usam de outros módulos. Esta arquitectura faz com que os códigos sejam relativamente curtos e eficientes. Devido à inexistência de threads neste sistema operativo, as operações de Input- Output são geridas através de eventos. Quando existe uma chamada exterior ou mesmo uma resposta a um pedido efectuado anteriormente, é disparado um evento, sendo este atendido por um handler pré-programado. Algoritmos que exijam elevado processamento são englobados em tasks. O processamento das tasks é agendado pelo sistema operativo de forma a não sobrecarregar o processador. A alocação dinâmica de memória é desaconselhada (devido à limitação de memória dos motes) pelo que, a memória é reservada à priori através da constituição de pools. As pools são espaços em memória para um número máximo definido de um determinado tipo de dados nesc. Consoante a memória para o tipo de dados é necessária, vai sendo tirada da pool. Quando deixa de ser necessária, volta a ser posta na pool para que possa ser reutilizada. 2.4 Simuladores O projecto de software (e.g., protocolos) para redes de sensores não seria possível sem o auxílio de ferramentas de simulação específicas. Em ambiente de simulação é possível criarem-se redes com um número de nós variável e simular com precisão o desempenho dos sistemas. 8

25 De seguida são apresentados dois simuladores para Redes de Sensores Sem Fios, o Tossim [11] e o Avrora [12] TOSSIM Um dos simuladores de redes de sensores mais utilizados é o TOSSIM. Das várias características que possui, algumas tornam o TOSSIM uma ferramenta prática e fundamental no teste e simulação do projecto: De simples utilização, este simulador é controlado por um script elaborado pelo utilizador, na linguagem Python. Permite simular várias topologias de rede. Permite a configuração de um padrão de ruído, que aproxima as condições de simulação às reais. Podem ser introduzidas no código dos módulos a simular, mensagens de debug para controlo do funcionamento de cada módulo. A sua funcionalidade, packet injection permite enviar pacotes para qualquer nó da rede, sendo que este os recebe pela interface de rádio, como se tivessem sido enviados por um nó vizinho. As variáveis dos programas que correm nos nós que estão a ser simulados podem ser monitorizadas, o que é bastante útil para o controlo do estado da simulação. Estas especificações fizeram do TOSSIM o simulador escolhido para o teste das extensões ao DTSN apresentadas no capítulo Avrora Outro conhecido simulador para redes de sensores é o Avrora. Feito em Java, este simulador tem como principal vantagem em relação aos outros a forma eficiente como mantém a sincronização dos nós. Uma grande vantagem em relação ao TOSSIM é que este simulador corre linguagem máquina, podendo simular qualquer programa para redes de sensores. Já o TOSSIM só pode simular programas para TinyOS. O Avrora divide os nós da simulação por threads diferentes e utiliza mecanismos de sincronização para gestão de informação de sensores e troca de mensagens entre nós eficientes, rentabilizando a utilização do processador, o que faz deste simulador uma solução de alto rendimento e escalabilidade. O funcionamento do simulador baseia-se numa fila de eventos, sendo que cada nó pode estar num modo de execução ou num modo suspenso. A cada evento da fila corresponde um temporizador de execução. Caso o nó esteja em modo de execução, o tempo que demorou a ultima instrução a ser executada vai ser subtraído ao temporizador de execução do primeiro evento da fila. Caso o nó esteja em modo suspenso (sleep mode), a cada ciclo de relógio é 9

26 decrementado o temporizador de execução do primeiro evento da fila até este disparar e acordar o nó. Após o evento ser tratado, o primeiro elemento da fila é actualizado. 2.5 Tecnologia de transmissão para Redes de Sensores Sem Fios A maioria das Redes de Sensores Sem Fios segue a norma do IEEE, [13]. Esta norma oferece soluções para camadas físicas e de acesso ao meio a sistemas que têm pouca potência de transmissão e ritmos de transmissão relativamente baixos. A norma garante um ritmo máximo de transmissão de 250kbps entre estações distanciadas de 10 metros. A camada física garante o controlo do rádio, fazendo a selecção de canais e da potência de transmissão. Na Europa, as bandas de frequências suportadas são MHz e GHz. È ainda prevista uma organização de rede específica. As redes são constituídas por dois tipos de nós - os FFD (Full Function devices) e os RFD (Reduced Function Devices). Os FFD são nós com capacidade superior que podem funcionar como coordenadores de rede. Estes nós podem estar ligados a vários FFDs e RFDs. Os RFDs são mais limitados, só podendo estar ligadas a um FFD. Cada nó de rede tem o seu identificador próprio, de 64 bits. As duas topologias de rede possíveis são as peer-to-peer e as redes em estrela. As primeiras são formadas por vários FFDs ligados entre si podendo cada um deles estar ligado a um ou mais RFDs. A topologia em estrela é formada por um FFD central (e coordenador) ligado a vários nós. O acesso ao meio é efectuado através do protocolo CSMA / CA. Quando têm informação para enviar para a rede, os nós esperam um determinado tempo seguido de um tempo de backoff que pode crescer exponencialmente. O tempo pode estar ou não dividido em slots, sendo limitados por beacons enviados pelo nó coordenador. Existem normas bem definidas de comunicação entre o coordenador e os restantes nós da rede. Figura 2.4: Representação das topologias em estrela e peer-to-peer. 10

27 2.6 Encaminhamento em Redes de Sensores Sem Fios As Redes de Sensores Sem Fios possuem algumas particularidades que têm de ser levadas em conta nos protocolos de encaminhamento [14]: Alcance limitado - A reduzida potência de transmissão dos nós faz com que uma mensagem tenha muitas vezes de ser transmitida através de muitos hops, passando por muitos nós intermédios, até chegar ao destino final. Esse motivo, aliado a prováveis quebras de energia que façam algumas ligações desaparecer e modifiquem constantemente as rotas da rede, levam alguns protocolos a evitar fazer a disseminação de mensagens de actualização de informação de encaminhamento. Auto-organização - Cada nó tem de ser capaz de, quando se junta a uma rede, descobrir os seus vizinhos e encaminhar pacotes para estes. Limitações de energia - A fraca fonte de energia de que são dotados os nós da rede, levam os protocolos para Redes de Sensores Sem Fios a serem projectados com especial cuidado com o volume de mensagens trocadas. RSSF. Em seguida é feita a descrição de alguns protocolos de encaminhamento utilizados em SPIN A família de protocolos SPIN é especialmente desenvolvida para redes de sensores. A sua principal característica é a negociação de informação a transmitir na rede. Cada nó, ao receber informação nova, manda uma mensagem ADV (Advertise) aos nós vizinhos. Essa mensagem contém informação sobre os novos dados que chegaram ao nó provenientes dos seus sensores ou recebidos de outros nós da rede. Se aos nós vizinhos interessar essa informação, estes mandam uma mensagem de REQ (Request). O nó que conte os dados vai então mandálos numa mensagem de DATA. Este processo vai repetir-se por toda a rede. A grande vantagem deste protocolo é que, devido à troca de informação sobre os dados que cada sensor possui, só vai fluir na rede informação útil e necessária, não sendo a rede congestionada desnecessariamente. Cada nó possui também acesso ao estado em que se encontram os seus recursos (ex: energia). Dois dos protocolos mais conhecidos desta família são o SPIN-1 e o SPIN-2. O SPIN-1 comporta-se tal como foi comentado em cima. Já o SPIN-2 usa a informação relativa aos recursos para controlar o funcionamento de cada nó. Se um nó de sensores atingir um estado crítico de energia, só informa os outros de dados novos caso tenha a certeza que os consiga enviar com sucesso. 11

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