Energieeffizienzanalyse des RPL-Protokolls im Falle transienter Knotenausfälle

Einleitung

Ein Wireless Sensor Network (WSN) ist ein Verbund von mehreren Sensorknoten, welche ge meinsam in diesem Netzwerk Informationen sammeln, gegebenenfalls auswerten und zur weiteren Verwendung bereitstellen. Heute gibt es für WSNs unzählige Einsatzgebiete, die sich drastisch in Funktion, nötiger Zuverlässigkeit und Umweltbedingungen unterscheiden.

Eine Gemeinsamkeit teilen sich jedoch die meisten WSNs, und zwar sollen sie so lange wie möglich Wartungsfrei funktionieren. Ein bestimmender Faktor für eine lange Lebenszeit der Sensorknoten ist ihre Energieversorgung, denn im Regelfall werden die Sensorknoten mit Akkus oder Batterien betrieben, welche nur eine begrenzte Menge an Energie zur Verfügung stellen. Das Ziel einiger aktueller Arbeiten ist es ein WSN so energieeffizient wie möglich zu gestalten, um die Energieversorgung so lange wie möglich aufrecht zu erhalten. Eine Möglichkeit den Energiebedarf eines Sensorknotens und damit des gesamten WSNs zu reduzieren bietet das Undervolting. Dabei werden die Knoten mit einer geringeren Spannung betrieben als vom Hersteller minimal empfohlen. Jedoch erhöht sich damit auch gleichzeitig die Fehleranfälligkeit und die zu erwartende Ausfallwahrscheinlichkeit der Sensorknoten. Zudem können extreme Umweltbedingungen, wie andauernde, hohe Temperaturen die Zuverlässigkeit der Sensorknoten stark beeinträchtigen.

Aus Routing-technischer Sicht, ist es in den meisten WSNs kein großes Problem solche kurzzeitigen Ausfälle einzelner Knoten zu tolerieren. So bietet zum Beispiel das oft eingesetzte Routingprotokoll RPL Funktionen wie ’global repair’ und ’local repair’ an, welche die Netzwerktopologie mit möglichst geringem Aufwand wiederherstellen. Fällt ein Knoten jedoch nur für eine kurze Zeit aus, muss dieser anschließend erneut in die Topologie eingefügt werden, was wiederum Energie kostet. Dieser ’Energieoverhead’ bei transient ausfallenden Knoten wurde bisher nicht näher betrachtet und soll daher das Thema dieser Arbeit darstellen.

Aufgabenstellung

In dieser Arbeit soll das IPv6 Routing Protocol for Low-power Lossy Networks (RPL) ausführlich auf seine Energieeffizienz bei der Behandlung von transient ausfallenden Knoten untersucht werden. Zu diesem Zweck werden zahlreiche Testreihen mit unterschiedlichen Netzwerktopologien durchgeführt. Beispiele für solche Topologien wären eine Sterntopologie, ein vermaschtes Netz (wahlweise auch eine Vollvermaschung) oder eine Baumtopologie. Diese Liste kann während der Bearbeitung der Projektarbeit nach Bedarf angepasst und erweitert werden. Der Ausfall eines Knotens kann in der Simulation mittels eines Neustarts des Knotens erreicht werden. Jede der genannten Topologien soll, je nach Bedarf und Anwendbarkeit, auf folgende Aspekte hin untersucht werden:

• Variable Ausfallzeiten von Knoten Es soll untersucht werden, welchen Einfluss ein längerfristiger Ausfall eines Knotens im Gegensatz zu einem kurzfristigen Ausfall eines Knotens hat. Zum Beispiel kann die Zeit, bevor der Knoten nach einem Ausfall neustartet und sich wieder im Netz anmeldet von 0 bis X Sekunden variiert werden.
• Variable Anzahl ausfallender Knoten In einer Testreihe kann entweder immer nur ein Knoten oder mehrere Knoten pro Testdurchlauf neugestartet werden. Außerdem können die Knoten in jedem Testdurchlauf entweder jeweils nur einmal oder mehrmals neugestartet werden. Um eine Vergleichbarkeit zwischen zwei Testdurchläufen herzustellen, sollten in einer Testreihe immer die gleichen Knoten neugestartet werden.
• RPL-Parameter: Local- und global Repair Das RPL Protokoll stellt zwei Maßnahmen zur Reparatur der Netzwerktopologie bereit. Diese werden in konfigurierbaren Intervallen (global repair) bzw. mit unterschiedlicher Sensitivität (local repair) durchgeführt. Eine Variation dieser Parameter kann einen deutlichen Einfluss auf die Energieeffizienz bei der Behandlung transienter Knotenausfälle haben. Dieser Einfluss soll näher untersucht werden.
• Skalierung der Laufzeit und Netzgröße Ergänzend können die Testreihen mit einer verkürzten oder verlängerten Laufzeit durchgeführt werden. Außerdem sollte die Knotenanzahl innerhalb des Netzes variiert bzw. erhöht werden. Dadurch lässt sich feststellen, wie stark der Einfluss eines Knotenausfalls noch ist, wenn sich die Art der Topologie zwar nicht ändert, aber die Größe des Netzes sich erhöht.

Weiterhin können die Testergebnisse optional im PotatNet, dem realen WSN Testbed des IBR, validiert werden. Abschließend werden die Erkenntnisse aus den durchgeführten Testreihen zusammengeführt. Dadurch lassen sich gegebenenfalls generelle Aussagen über besonders Energieeffiziente bzw. ineffiziente Topologien oder kritische ’Regionen’ innerhalb bestimmter Topologien treffen.

Links

• PotatoNet
• INGA
• Undervolting in WSNs
• Cooja Simulator
• Hinweise zur Durchführung von studentischen Arbeiten am IBR