Implementação de IPv6 nos Sistemas Internet das Coisas
(IoT)
Habibu Abdullahi1 , Professor Marcos Fernando de Souza2 1Centro Politécnico – Pontifícia Universidade Católica do Paraná (PUCPR) Rua Imaculada Conceição, 1155 Bairro Prado Velho CEP:80215-910 – Curitiba – PR –
Brazil 2Orientador
Habibu.Abdullahi@pucpr.edu.br;habib.az@hotmail.com
Abstract. IPv6-enabled low-power wireless personal area networks of smart
objects (6LoWPANs) play an important role in the Internet of Things (IoT), especially on account of the Internet integration using IPv6, low energy consumption, and ubiquitous availability (wireless). This paper focuses on designing and implementing 6LoWPANs for developing IoT applications, particularly for home and building automation using Bluetooth Low Energy (BLE) network. The performance evaluation provides a comprehensive analysis on several communication aspects between 6LoWPANs and regular IPv6 networks such as energy consumption, network performance, and service communication.
Keywords: IPv6-enabled, low-power wireless personal area networks
(6LoWPANs), Bluetooth Low Energy (BLE), Internet of Things (IoT), wireless, Communication.
Resumo. As redes de área pessoal sem fio IPv6 de baixa potência de objetos
inteligentes (6LoWPANs) desempenham um papel importante na Internet das Coisas (IoT), especialmente devido à integração na Internet (IPv6), ao consumo de energia baixo. E disponibilidade onipresente (sem fio). Este artigo apresenta uma projeção e implementação de 6LoWPANs para o desenvolvimento de aplicações de IoT, particularmente para automação doméstica e edifícios. A avaliação de desempenho fornece uma análise abrangente sobre vários aspectos de comunicação entre 6LoWPANs e redes IPv6 regulares, como consumo de energia, desempenho da rede e comunicação de serviços.
Palavras-chave: IPv6-enables, Internet das Coisas (IoT), redes de área
pessoa sem fio (6LoWPANs),Bluetooth Low Energy (BLE), comunicação.
1. Introdução
Internet das Coisas (IoT) envolve a conexão de dispositivos incorporados, como sensores, eletrodomésticos, dispositivos de monitoramento da saúde e até luzes da rua para a Internet. Segundo RFID Journal (2016) cerca de 10 a 15 bilhões de microcontroladores sendo encomendados todos os anos, cada um deles potencialmente conectado à Internet, uma enorme variedade de dispositivos inteligentes e em rede estão se tornando disponíveis para beneficiar muitos domínios de aplicativos (por exemplo, automação de edifícios, serviços de saúde , Redes inteligentes, transporte, automação industrial e monitoramento ambiental).
baixa potência, rádio e rede. Essas tecnologias estão sendo projetadas por órgãos de padronização liderados pela Internet Engineering Task Force (IETF) para torná-los disponíveis para o mercado. O objetivo é que os dispositivos incorporados consumam energia muito baixa, se tornem IP habilitados e façam parte integrante dos serviços na Internet. Esses dispositivos conectados são chamados de objetos inteligentes caracterizados por sensoriamento, processamento e recursos de rede (J.P Vasseur e A. Dukels, 2010). As redes de área pessoal sem fio IPv6 de baixa potência de objetos inteligentes (6LoWPANs) são parte importante do IoT e este artigo visa na analise e implementação deste tipos de redes (6LoWPANs), no que diz respeito à disponibilidade onipresente, ao consumo de energia e à integração com a Internet. Há mais e mais dispositivos sem fio disponíveis no mercado de eletrônicos de consumo de hoje criando ambientes onipresentes em torno de nós que estão mudando gradualmente nosso estilo de vida.
O artigo está divido em Fundamentação teorica, Soluções disponíves, Análise comparativa, Conclusão e Referência respectivamente.
2. Fundamentação Téorica
Nessa seção será discuta e apresentada a tecnologias existentes e emargente relacionadas a Internet das coisas e aplicações que utilza tecnologia de automação atraves de sistemas 6LoWPANs, também uma breve historia e comparação de duas versões de internet protocolo quer dizer IPv4 e IPv6.
2.1. A Internet Protocolo
Internet Protocolo versão 4 e 6 (IPv4, IPv6) são duas versões de protocolos mais conhecidos e utilizados. A historia começou na criação de projeto de Agencia de Pesquisa e Defesa Avançada (DARPA) em setembro de 1981 foi criado e elaborado a pedido de comentário (Request for Comment RFC:791) para Internet Protocolo versão quatro (IPv4) [RFC: 791, fonte:IETF]. Duas decadas depois, a evalução e cresimento de accesso a internet passou o limite de capicadade de endereçamento de IPv4, para isso foi criado outra versão de protocolo com a tecnologia avançada para da acesso a intenet com endereçamento sufficient.
As duas seções a seguir apresntará brevemente os detalhes de duas versões de protocolos um apos a outro.
2.1.1. Protocolo IPv4.
De acordo com o site IPv6.br (2014), o protocolo de internet IPv4, comporta cerca de quatro bilhões, duzentos e noventa e quatro milhões, novecentos e sessenta e sete mil e duzentos e noventa e seis (4.294.967.296) de endereços IP. Para que se tivesse uma maior flexibilidade e melhor distribuição de endereços IPs, eles foram divididos em classes distintas. São elas: Classe A, Classe B, Classe C, Classe D e Classe E. Neste trabalho detalhar mais sobre as primeiras três classes por serem mais utilizada nas redes a seguir:
Os metodos utilzados no endereçamento de host e redes de protoclo quatro (IPv4), causa perda de recursos, segundo site (IPv6.br, 2014) o método não se mostrou muito eficiente, pois se ganhava de um lado e perdia-se de outro, causando desperdício de endereços IPs por example tem IPs expecificos que não são utlizados fica como reservas o marcadores de redes inicias entre internvalo de redes ou classes. Para que se prolongasse o uso do IPv4 também foi criado o CIDR (Classless Inter-Domain Routing) e o DHCP (Dynamic Host Configuration Protocol) (CISCO, 2014), métricas para atender a atual realidade do uso do protocolo IPv4, mas não por muito tempo por motivo de os dispotivos utlizados para accesso a internet passou de tamanho comportado pelo IPv4.
2.1.2. A Internet Protocol version 6 (IPv6)
Desde o ano de 1981, a internet usa o protocolo IPv4, com o rápido crescimento das tecnologias e sua expansão acelerada, observou-se entre os anos de 1993 e 1994 que a internet mantendo o IPv4, no futuro sofreria uma diminuição na taxa de crescimento da rede e que algumas novas aplicações que poderiam ser criadas, não comportariam e que as conexões internet ficariam mais caras. (IPv6.br, 2014). Outros fatores a serem considerados para a necessidade do IPv6 são o crescimento no acesso a internet da população; usuários móveis (aumento da dispositivos moveis); transporte (carros, aviões, navios, etc, interagindo com a internet); em resumo a evolução de internet das coisas.
Também, devem citados equipamentos eletrônicos tais monitoração remota, smart TV, (televisões inteligentes), smart grid, (redes elétricas inteligentes) e assim por diante. Para corrigir esse impacto e atender a demenda de conexão a internet, foi criado o
p r o t o c o l o I P v 6 .
O IPv6 é a nova internet. (IPv6.br, 2014). O protocolo IPv6 comporta: 340.282.366.920.938.463.463.374.607.431.768.211.456 de endereços, ou seja, aproximadamente 79 octilhões (7,9×1028) de vezes a quantidade de endereços IPv4 e representa, também, mais de 56 octilhões (5,6×1028) de endereços por ser humano na Terra, considerando-se a população estimada em 6 bilhões de habitantes. (IPv6.br, 2014).
Além da enorme quantidade de endereços disponíveis e poder de comportar a “internet das coisas” ou “internet de todas as coisas”, o protocolo IPv6 também possui outras características de melhorias importantes CISCO (2014). Essas são a grande diferença e avanço da tecnologia que não foram implementados no IPv4 como:
Figura 1. Comparativo entre cabeçalho de IPv4 e IPv6. Fonte CISCO NetCad (2014).
Conforme figura mostrado a cima, alguns campos de arquitetura ou encapsulamento de internet protocolo versão 4 (IPv4), foram mantidos enquato outros não foram utilzados na versão 6 (IPv6), como o IPv6 foi criado na base de Hexa decimal não numeros binarios para isso levou a vantagens de ficar com menos sobre cargas de encapsulamentos or hiraquias (Habibu, 2017).
2.1.3. A Internet das Coisas (IoT)
De acordo com a definição de CISCO IoE - Internet of Everything (Internet de todas as coisas), como uma união de pessoas, processos, dados e tudo que torna as conexões em rede mais relevantes e valiosas do que antes — transformando informações em ações que criam novos recursos, experiências mais ricas e oportunidades econômicas sem precedentes para empresas, indivíduos e países. Isso fará que essa rede torne-se ubíqua, onipresente ou pervasivo (que pode ser encontrado em todos os lugares). Ela estará tão integrada e natural em nossas vidas, que não precisaremos nos preocupar com o que estará acontecendo nos bastidores da internet, porém todo profissional de Tecnologia da Informação (TI), precisa ter essa noção. (CISCO, 2014).
Figura 2. Imagem simplicada de IoT. Fonte: DATAQUEST (2015).
Como o objetivo primario deste monografia é desmostrar a implmentação de IPv6 nos sistemas internet das coisas (IoT) as seções a seguir apresentará em detalhes a utilização de tecnologia 6LoWPANs.
3.1. Soluções Disponíveis
O objetivo desta seção é demostrar as soluções disponiveis e a aplicações da tecnologia IPv6 sobre redes de área pessoal sem fio de baixo potência (6LoWPAN), utilizando protocolo de aplicação restrita (CoAP, Constrained Application Protocol).
3.2. O que é 6LoWPANs?
Neste artigo, o termo 6LoWPAN se referir a uma rede de IPv6, de baixa potência e sem fio de objetos inteligentes usando vários padrões IETF nomiado de “dispositivos restritos” A figura 3, mostra a topologia 6LoWPANs.
Figura 3. A topologia de 6LoWPANs. Fonte: (C. Kim et al, 2016).
3.3. O Protocolo CoAP
Figura 4. Semelhença entre protocolo HTTP e CoAP. Fonte: ResearhGate (2016).
Como apresentado na figura 4, de pagina anterior o protocolo CoAP é modulado em duas modulos Modulo de Request/Response e Modulo de Messangens. O paragrafo seguinte elabora como funciona os modulos.
O módulo de mensagens fornece mensagens de fonte confiáveis e mensagens de fonte desconfiáveis. Mensagem confirmada (CON) é uma mensagem que fornece transferência de mensagem confiável quando dispositivos restritos são conectados por método de transferência desconfiável. Todas as mensagens CON devem ser respondidas com mensagem de confirmação (ACK). Ao menos que o cliente recebe mensagem ACK após enviar uma mensagem CON, ele decide que houve um problema durante a transmissão e retransmitir a solicitação ao servidor. Mensagem sem confirmação (NON) é uma mensagem de que cada mensagem NON deve ser respondida com mensagem NON. Ele é usado quando um valor de recurso não requer transmissão confiável.
O módulo de solicitação/resposta (Request/Response) fornece o seguinte método de transmissão; Resposta piggy-backed, resposta separada, e resposta sem confirmação.
Figura 6. Diagrama de separate response. Fonte: (C. Kim et al, 2016). A transmissão de resposta separada funciona quando o servidor receve requisisto CON e precisa de mais dados, daí vai responder com ACK vazio e depois de receber dados necessarios o servidor envia nova mensagem CON para o cliente contendo dados de fonte (resource value).
Resposta sem confirmação é uma comunicação quando o servidor recebi mensagem NON e responde com outra mensagem NON. Como demostrado a figura 7.
3.4. A implementação de sistema IoT
Para implemenar os sistema IoT o trabalho utilizou a especificação Bluetooth que suporta comunicação de Internet Protocol Support Profile (IPSP) que requer versão de Bluetooth 4.1. A implementação do IPSP é feita pelo kernel Linux 3.18. Ao ativar o 6LoWPAN e o módulo Bluetooth no Linux, podemos usar o Internet Protocol Version 6 (IPv6) em dispositivos Bluetooh Low Energy (BLE). Também, neste artigo, foi utilzado o framework Californium CoAP, que é implementado como linguagem de programação Java e gerenciado pela fundação Eclipse.
Figura 8. Ambiente de teste de sistema IoT. Fonte: (C. Kim et al, 2016). A rede A é a rede 6LoWPAN, que está conectada à Internet pública que usa o IPv4. Ele é composto de servidor CoAP e gateway 6LoWPAN. Implementado usando Raspberry pi e simulam dispositivos restritos. O servidor CoAP consiste de sensor de temperatura que fornece uma umidade e temperatura do ambiente. O gateway 6LoWPAN traduz o ambiente 6LoWPAN para Internet ou vice-versa.
A rede B é uma rede Ethernet tradicional que usa IPv4. É composto por um cliente CoAP. O cliente CoAP é um computador desktop tradicional que está conectado à Internet pública. Pois, como a Internet pública usa o IPv4 e ambas as redes estão conectadas a ele, elas precisam ser traduzidas para IPv6. Então, o método de tradução 6to4 que traduz IPv4 para IPv6 ou vice-versa foi utilizado. Quando o cliente CoAP quer saber a temperatura da sala, ele envia mensagem de solicitação CON ao servidor CoAP. Em seguida, a resposta do servidor com mensagem ACK com a temperatura da sala é enviado para cliente CoAP.
Atraves de uso de Wireshak foi capturado a transmissão de Request/Response conforme demostrado figura 9 e 10 respectivamente.
Figura 10. Mostrando os pacotes de response do servidor CoAP ao cliente. Fonte: (C. Kim et al, 2016).
Depois de teste de sistema, os resultados foram positivos no requsitos de responder ao cliente com temperatura atualizado e na proxima seção compara uma análise comparativa com outros sistemas IoT que na implementação visa especicamente utilizando o protocolo IPv6.
4. Análise Comparativa
Segundo Professor Dieval (2012), “a inovação tem duas fase criar algo melhor e depois manter o antigo o destruir-lo”. O lado bom de invenção do IPv6 é a interoperabidlidade entre protocolo antigo IPv4 e vice-versa, mas na maioria de casos os pesquisadores se implementa sistema que funciona direto com IPv6 esquecendo de importância de IPv4, para isso este trabalho leva vantagen de aproveitar a utilizar a tecnologia 6To4.
5. Conclusão e trabalho futuro
6. Referências
J.-P. Vasseur e A. Dunkels, (2015) “Interconnecting Smart Objects with IP: The next generation”, Morgan Kaufmann. 2010
Cheol-Min, K., Hyung-Woo, K. e Seok-Joo, K. (2016) “Implementation of CoAP/6LoWPAN over BLE Network for IoT Services” , Pukyong National University, IWAIT, June 6-8.2016 in Busan, Korea
N. Kushalnagar, G. Montenegro and C. Schumacher, (2015) “IPv6 over Low- Power Wireless Personal Area Networks (6LoWPANs): Overview, Assumptions, Problem Statement, And Goals”, Internet Engineering Task Force (IETF) Request for Comments: 4919
Z. Shelby, K. Hartke and C.Bormann, (2014) “The Constrained Application Protocol”, Internet Engineering Task Force (IETF) Request for Comments: 7252
Professor D. Guizelini, (2012) “Aula da metodologia ciêntifica”, Universidade Federal do Parana (UFPR)
IPV6.br. “O que é IPv6 em português claro”.
Disponível em: <http://ipv6.br/post/o-que-e-ipv6-em-portugues-claro-video/>. Acesso em: 10 de fevereiro de 2017
IPv6.br. “IPv6 nas redes de sensores. O 6LoWPAN e a Internet das coisas”. Disponível em: <http://www.ceptro.br/pub/CEPTRO/PalestrasPublicacoes/FISL10-6LoWPAN-v6.pdf>. Acesso em: 10 de fevereiro de 2017
CISCO. “A internet de todas as coisas: conectando o que está desconectado”.
Disponível em: <http://share.cisco.com/IoESocialWhitepaper/index-pt.php#/0/2>. Acesso em: 09 de outubro de 2014
CISCO Networking Academy. CCNA Exploration 4.0. Modulo 4. “Acessando a WAN. Capítulo 7, Serviços de endereçamento IP, 7.3 IPv6, 7.3.1 Motivos para usar o IPv6”. Disponível em: <https://www.netacad.com>. Acesso em: 20 de outubro de 2014 DATAQUEST. “CISCO and L&T Technology Services Launches Global IoT Solutions
