PD Stefan Bosse - DSN - Modul D - Kommunikationstechnologien und Protokolle im IoT -

Kommunikationstechnologien und Protokolle im IoT

Wie kann praktisch Kommunikation von Sensorknoten untereinander und mit Berechnungsknoten stattfinden?

Welche Protokolle können verwendet werden?

Es sollen das Internet der Dinge (IoT) betrachtet werden, d.h. Einbindung von Sensorknoten in das Internet

Welche physikalischen Übertragungstechnologien sind nutzbar?

PD Stefan Bosse - DSN - Modul D - Kommunikationstechnologien und Protokolle im IoT - Kommunikationtechnologien

Kommunikationtechnologien

Klassifizierung

Drahtlose Kommunikation

Drahtlose Kommunikation ist durch 1:N Kommunikation (Broadcasting) gekennzeichnet, d.h., i.A. findet keine direkte Kommunikation mit anderen Knoten (Peer-to-Peer) statt. Z.B. Radiowellen können in einem Umkreis von vielen Knoten empfangen werden.

Drahtgebundene Kommunikation

Hier findet immer gerichtete Kommunikation zwischen zwei Knoten statt. Aber: Auch Bussysteme sind 1:1 Kommunikationsnetze, wo auch Broadcasting stattfindet!

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Physikalischen Medien

Drahtlose Kommunikation

Radiowellen (Elektromagnetische Felder) in unterschiedlichen Frequenzbereichen, Lichtwellen, quantenmechanische Interaktion (Quantencomputer!), magnetische Felder,

Drahtgebundene Kommunikation

Elektrische Leitungen mit elektrischen Strom, aber auch optische Leitungen wie Lichtwellenleiter, oder auch mittels Laserdioden gerichtete Lichtwellenausstrahlung, geht auch mit Radiowellen und Antenntenarrays (MIMO) → 5G Netze!!

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Technologien

WLAN

Radiowellen im frequenzbereich 2.4GHz und 5GHz, Reichweite ca. 100m, über Zeit- und Kanalmultiplexing können 1:N Netzwerke aufgebaut werden;

Bluetooth

Radiowellen im frequenzbereich 2.4GHz, Reichweite ca. 1-10m, i.A. nur durch Kanalmultiplexing können 1:N Übertragungskanäle ermöglicht werden

RFID

Radiowellen im Frequenzbereich 1MHZ/14MHz, Reichweite ca. 10cm (durch gleichzeitige Energieübertragung limitiert) , nur 1:1 Kommunikation

UHF

Einfache Radiowellenübertragung im Frequenzbereich 400 MHz, Reichweite ca. 10m, nur 1:1 Übertragung (ansonsten Interferenz)

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LoRa

LoRa ist eine Funktechnologie, die das Senden kurzer Datenpakete über eine große Reichweite (in der Regel einige Kilometer) bei einer UHF Frequenz von 915 MHz ermöglicht. Long Range Wide Area Network (LoRaWAN) ist ein Low-Power-Wireless-Netzprotokoll auf der Ebene der Vermittlungsschicht. Endgeräte und Gateways im LoRaWAN nutzen ein proprietäres und patentiertes Übertragungsverfahren.

ZigBee

Zigbee ist ein Funkstandard der unterschiedliche Geräte auf kurzen Strecken miteinander verbindet – die Funkreichweite beträgt je nach Leistung und baulicher Umgebung zwischen 10 und 20 Metern, unter idealen Bedingungen auch bis zu 100 Meter. Im Gegensatz zu bekannteren Standards wie WLAN oder Bluetooth zeichnet sich Zigbee durch Energieeffizienz, Einfachheit in der Anwendung und hohe Flexibilität aus. Die Endgeräte verwalten das Netzwerk autark. Das bedeutet, die Geräte treten dem Netzwerk nach einer ersten Einbindung selbständig bei, werden gefunden und kommunizieren darüber. Bei ZigBee ist das 2,4-GHz-Frquenzband unterteilt in 16 Kanäle mit einem Kanalraster von 5 MHz.

PD Stefan Bosse - DSN - Modul D - Kommunikationstechnologien und Protokolle im IoT - Protokollschichten

Protokollschichten

https://de.wikipedia.org/wiki/ZigBee Verschiedene Protokollschichten in Sensornetzwerken (ähnlich ISO-OSI Schichtenmodell)

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Netzwerke und Protokolle

• Häufig werden Sensorknoten über vorhandene Netzwerke eingebunden

  • WLAN (Intra- und Internet)
  • 4G/5G Mobiles Internet

• Dann werden gängige Kommunikationsprotokolle verwendet, gegeben durch das ISO Schichtenmodell der Netzwerkkommunikation und der physikalischen Technologie:

  • User Datagram Protocol (UDP)
  • Transmission Control Protocol (TCP)
  • Hypertext Transfer Protocol (HTTP/HTTPS)
  • WebSockets
  • Web Real Time Communication (WebRTC)

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Man unterscheidet:

Klienten-Server Kommunikation

Es gibt ein oder mehrere Klientenknoten die mit einem Serverknoten kommunizieren (1:N Master-Slave Architektur). Die Klientenknoten können nicht untereinander kommunizieren. Die Kommunikation kann unidirektional, bidirektional, oder semibidirektional sein (d.h. nur der Klient kann einen Kommunikationskanal aufbauen).

Punkt-zu-Punkt Kommunikation

Ein Knoten A kann direkt mit einem Knoten B bidirektional kommunizieren.

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Hier fangen jetzt die Problem an:

PD Stefan Bosse - DSN - Modul D - Kommunikationstechnologien und Protokolle im IoT - IP Kommunikation

IP Kommunikation

• Internet Kommunikation mit dem Internet Protocol (IP)
  • Netzwerkknoten benötigen eindeutige IP Adresse

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IP Kommunikation

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• Netzwerkadressen werden in räumlichen Domains zusammengefasst (IP4)
• Geräte benötigen daher lokale IP Adressen (u.U. wechselnd), Auflösung über Namen und Domain Name Service (DNS)
• IP6 ordnet Geräten eindeutige Adressen zu (mobil)

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IP Kommunikation

Domainen im Internet und Netze aus Netzen

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IP Kommunikation

• Private Netzwerke und die immer größer werdende Anzahl von Geräten erfordern bei IP-v4 NAT (nicht bei IP-v6)
• NAT: Network Address Translation

Kommunikation zwischen privaten IP Netzwerken über NAT

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Network Address Translation

• Zwischen einem Rechner A und B befindet sich ein NAT Gerät

• Dieses NAT Gerät ist nach außen durch eine IP Adresse ipaddr_pub öffentlich sichtbar (wobei es auch hierarchische Netze mit mehreren NAT Ebenen geben kann)

• Rechner in dem NAT Netzwerk haben verschiedene private IP Adressen ipaddr_prv,i.

• Wenn nun Kommunikation unter Verwendung der öffentlichen IP Adresse stattfindet muss das NAT die Nachrichten verändern (Austausch privater Adresse mit öffentlicher, ipaddr_prv,i → ipaddr_pub)

• Von außen empfangene Nachrichten müssen ebenfalls wieder umgerechnet werden (ipaddr_pub → ipaddr_prv,i) und dem richtigen Rechner zugeführt werden!

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• Neben der Adressumrechnung sind weitere Umrechnungen über Zuordnungstabellen erforderlich, z.B. ein Kommunikationsport port
  • Port-preserving NATs rechnen nur die Adressen um, aber nicht die Portnummern
  • Not-Port-preserving NATs rechnen auch die Portnummer um (in mobilen Netzwerken immer der Fall, da dort auch verschiedene Geräte die gleiche IP Adresse besitzen können)
• Man unterscheidet:
  • Symmetrische NATs (Not-Port-preserving NATs); jeder ausgehende Verbindung ist unterscheidbar, d.h., es gibt nicht zwei gleichzeitige ausgehende Verbindungen (auch zu unterschiedlichen Servern) mit der gleichen Portnnumer
  • Asymmetrische NATs (Eventuell Port-preserving)

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PD Stefan Bosse - DSN - Modul D - Kommunikationstechnologien und Protokolle im IoT - IPv6 Kommunikation

IPv6 Kommunikation

https://www.scaleuptech.com/blog/ipv4-vs-ipv6

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IPv6 Kommunikation

https://ip.engineering/ipv6-subnetting-overview-and-case-study/ Neben Endroutern gibt es Aggregatoren (beide Sites), die eine hierarchische Graphenstruktur aufbauen. Die Abbildung zeigt die Adresskodierung der einzelnen Netzwerkknoten

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IPv6 Kommunikation

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IPv6 Kommunikation

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IPv6 Kommunikation

Nach Said Jawad Saidi (10 Jun 2022, APNIC) werden folgende Nachteile (Sicherheit und Privatsphäre) von IPv6-IoT untersucht und genannt:

https://blog.apnic.net/2022/06/10/iot-devices-endanger-ipv6-privacy/

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IP Kommunikation

Transportprotokolle

UDP

User Datagram Protocol. Es wird für die Übertragung einzelner unabhängiger Datenpakete von einem Senderknoten A das Tupel ⟨ipaddr_B,port_B⟩ des Empfängerknoten B benötigt. Es wird Routing benötigt. Der Sender muss aber nicht auffindbar sein! Der Port ist einem Verarbeitungsprozess zugeordnet.

TCP

Transmission Control Protocol. Es findet ein Verbindungsaufbau statt mit zwei unidrektionalen Kommunikationskanälen zwischen A und B. Sowohl das Tupel ⟨ipaddr_A,port_A⟩ als auch das Tupel ⟨ipaddr_B,port_B⟩ müssen bekannt sein

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Anwendungsprotokolle

HTTP

Hypertext Transfer Protocol. Benutzt TCP, nur 1:N Serverkommunikation, wobei auch jeder Sensorknoten mit einem ⟨ipaddr,port⟩ Tupel einen Service anbieten kann. Alle HTTP Anfragen sind bidirektional (GET/PUT)

WebSockets

Benutzt initial HTTP(S) und dann TCP. Reine bidirektionale Datenübertragung (Datenkanal)

WebRTC

Benutzt nur UDP. Echtzeitfähige Datenstromübertragung (Audio, Video, Daten)

PD Stefan Bosse - DSN - Modul D - Kommunikationstechnologien und Protokolle im IoT - HTTP

HTTP

GET

Es können nur Daten vom Server (B) zum Klienten (A) auf Anfrage gesendet werden. Eine Parametrisierung einer Anfrage ist durch URL Parameter eingeschränkt möglich.

PUT/POST

Es können Daten von A nach B und dann von B nach A gesendet werden,

hs=http:new()
hs:service('a:9099', 
  function (url,address,params,body)
    data = JSON.decode(body)
    return JSON.encode({3,2,1})
  end  
)

hs=http:new()
hs:put('a:9099',JSON.encode({1,2,3}),
       function (text,err) 
         data = JSON.decode(text)
       end)

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Zoltan Horvat/Israel Cidon (Links) HTTP POSt Anfrage (Rechts) TCP Kommunikation für eine HTTP GET Anfrage

PD Stefan Bosse - DSN - Modul D - Kommunikationstechnologien und Protokolle im IoT - WebSockets

WebSockets

PD Stefan Bosse - DSN - Modul D - Kommunikationstechnologien und Protokolle im IoT - WebSockets

PD Stefan Bosse - DSN - Modul D - Kommunikationstechnologien und Protokolle im IoT - WebSockets

Renuka B S,2020 Initierung von WebSocket Kanälen über eine HTTP Anfrage und schließlich direkte Kommunikation via TCP

PD Stefan Bosse - DSN - Modul D - Kommunikationstechnologien und Protokolle im IoT - WebRTC

WebRTC

• WebRTC stellt echtzeitfähige Datenstromkommunikation via UDP zur Verfügung
• Übertragung von Daten mit WebRTC/UDP ist daher nicht grundsätzlich zuverlässig (obliegt der eigenen Anwendungsschicht)

hpbn.co/webrtc Vergleich der Protokollarchitektur von WebSockets und WebRTC

PD Stefan Bosse - DSN - Modul D - Kommunikationstechnologien und Protokolle im IoT - WebRTC

• Daten: primär Audio und Videodatenströme, sekundär generische Datenkanäle
• Neben der strom- und kanalbasierten Kommunikation bietet die WebRTC Schicht auch den Aufbau und die Einbeziehung von externen Services durch den ICE Agenten

Es gibt zwei Fragestellung:

1. Wie können zwei Endgeräte (Prozesse) A und B protokollarisch und technologisch mit einander kommunizieren (Verbindung), d.h. wie finden sie sich physisch
2. Welche Knoten sollen Verbindungen aufbauen und Daten austauschen (Auktionsserver! Biete Sensor, Suche Sensor), d.h. wie finden sie sich logisch/funktional

PD Stefan Bosse - DSN - Modul D - Kommunikationstechnologien und Protokolle im IoT - WebRTC

hpbn.co/webrtc RTCPeerconnection Architektur

PD Stefan Bosse - DSN - Modul D - Kommunikationstechnologien und Protokolle im IoT - NAT und UDP Hole Punching

NAT und UDP Hole Punching

https://bford.info/pub/net/p2pnat

• Das Problem: Das öffentlich sichtbare Tupel ⟨ipaddr,ipport⟩ eines Peer Ports muss auch für eingehende Datenströme verwendet werden.

• Wenn ein Klient Daten über einen Port mit NAT sendet merkt sich der NAT das Mapping und eine Rücksendung an den Senderport wird an das richtige Gerät und den Prozess vermittelt.

• Aber wie soll Klient A mit Klient B Kontakt aufnehmen wenn zuvor Klient B keinen Kontakt mit A aufgenommen hat? Es muss versucht werden den NAT von B "durchzuschalten"

PD Stefan Bosse - DSN - Modul D - Kommunikationstechnologien und Protokolle im IoT - STUN, TURN

STUN, TURN

https://help.estos.com/help/de-DE/procall/7/erestunservice/dokumentation/htm/IDD_FUNCTIONALITY.htm

help.estos.com

Signaling Server

Signaling Server dienen zum indirekten Austausch von Daten zwischen zwei Klienten. Dies kann ein Dienst sein, der von beiden Klienten erreichbar ist oder auch mehrere Dienste die mittels Zusammenschluss miteinander verbunden sind

Klient A ist direkt erreichbar. Klient B kann Daten direkt an Klient A senden

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STUN, TURN

Erfolgloser Verbindungsaufbau über einen NAT-Router hinweg.

PD Stefan Bosse - DSN - Modul D - Kommunikationstechnologien und Protokolle im IoT - STUN, TURN

STUN - Session Traversal Utilities for NAT (RFC5389)

Dieses Protokoll ermöglicht es einem Klienten in einem lokalen Netzwerk (LAN), seine eigene, öffentliche IPv4-Adresse zu ermitteln. Der rufende Client im LAN kann auf diese Weise dem angerufenen Klienten außerhalb des LAN mitteilen, welche IPv4-Adresse (und Portnummer) verwendet werden kann um eine direkte Kommunikation mit ihm zu ermöglichen ("Peer-to-Peer" Verbindung).

Erfolgreiche Kommunikation unter Zuhilfenahme eines STUN-Servers.

PD Stefan Bosse - DSN - Modul D - Kommunikationstechnologien und Protokolle im IoT - STUN, TURN

STUN, TURN

TURN - Traversal Using Relays around NAT (RFC5766)

Ein Server im Internet, der das TURN-Protokoll implementiert, ermöglicht es zwei Klienten, Daten ohne eine direkte Verbindung auszutauschen ("Relais Server"). Dies wird notwendig, wenn es keine Möglichkeit gibt, eine direkte Klient-zu-Klient-Verbindung aufzubauen.

Erfolgloser Kommunikationsversuch über ein "Symmetric NAT".

PD Stefan Bosse - DSN - Modul D - Kommunikationstechnologien und Protokolle im IoT - STUN, TURN

Erfolgreicher Kommunikationsversuch über ein "Symmetric NAT" durch Nutzung eines TURN-Servers.

ICE - Interactive Connectivity Establishment (RFC5245)

Zwei Klienten können die mit Hilfe von STUN und TURN ermittelten Verbindungsinformationen (und andere Daten) mit Hilfe des ICE Protokolls austauschen. Die Übermittlung der Informationen muss dabei über einen eigenen Dienst erfolgen, einen sog. "Signaling Server". Dieser Dienst muss von beiden Klienten erreichbar sein.

PD Stefan Bosse - DSN - Modul D - Kommunikationstechnologien und Protokolle im IoT - Content Deliver Networks

Content Deliver Networks

CDN versa nicht CDN https://www.globaldots.com/resources/blog/content-delivery-network-explained/

PD Stefan Bosse - DSN - Modul D - Kommunikationstechnologien und Protokolle im IoT - WEB Browser

WEB Browser

• Im WEB Browser (als Sensor-, Aggregations-, oder Anwendundgsknoten) stehen zur Verfügung:

  • HTTP GET/PUT
  • WebSockets
  • WebRTC mit Peer Services

• Aber: Berechnung sollte in separate Threads (WEB Worker) ausgelagert werden. In einem WEB Worker stehen dann nur noch zur Verfügung:

  • HTTP GET/PUT
  • WebSockets

• Auch unsere Lua VM im WEB Browser wird in einem separaten Worker Threadprozess ausgeführt (unabhängig vom Hauptthread der nur für den Zugriff und Veränderung des DOM zuständig ist)

PD Stefan Bosse - DSN - Modul D - Kommunikationstechnologien und Protokolle im IoT - Vernetzung und Kommunikation in LuaOS

Vernetzung und Kommunikation in LuaOS

Verschiedene Arten der Kommunikation und Vernetzung von Sensorknoten mit Lua VM innerhalb und außerhalb von NAT Netzwerken

PD Stefan Bosse - DSN - Modul D - Kommunikationstechnologien und Protokolle im IoT - Vernetzung und Kommunikation in LuaOS

PD Stefan Bosse - DSN - Modul D - Kommunikationstechnologien und Protokolle im IoT - Vertiefung

Vertiefung

WebRTC

https://hpbn.co/webrtc

NAT/STUN

https://www.net.in.tum.de/fileadmin/TUM/teaching/masterkurs_rechnernetze/ws0910/mnet_04_Network_Layer_NAT.pdf