Analysis and Characterization of Devices and Protocol Stacks for the Internet of Things
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La tesi analizza e caratterizza dispositivi e stack protocollari per l'Internet of Things (IoT), esplorando definizioni, requisiti e standard di comunicazione. Viene fornita una panoramica teorica e pratica utile per sviluppare applicazioni IoT, con analisi comparativa di hardware e sistemi operativi. La conclusione evidenzia le prestazioni dei dispositivi, sottolineando le differenze tra mote di alta e bassa potenza e i loro protocolli di sicurezza.
Analysis and Characterization of Devices and Protocol Stacks for the Internet of Things
- 1. POLITECNICO DI BARI Facoltà di Ingegneria Corso di Laurea in Ingegneria Informatica e dell’Automazione Tesi di Laurea in RETI DI TELECOMUNICAZIONI Analisi e Caratterizzazione di Dispositivi e Stack Protocollari per l’Internet Of Things Relatore Chiar.mo Prof. Ing. Gennaro Boggia Correlatori Ing. Giuseppe Piro Ing. Elvis Vogli Laureando Mauro LOSCIALE ANNO ACCADEMICO 2013 - 2014
- 2. Obiettivi e Contenuti della Tesi Internet Of Things Definizioni e concetti fondamentali Caratteristiche e requisiti dei dispositivi Standard di comunicazione I Sistemi Operativi per l’Internet Of Things Elementi fondamentali Stato dell’arte degli OS Analisi comparativa Classificazione dei dispositivi e relative applicazioni Analisi dei sistemi operativi e degli stack protocollari implementati Obiettivi Fornire una panoramica dal punto di vista teorico e pratico delle tecnologie per l’Internet Of Things, utile per lo sviluppo di applicazioni e per la ricerca
- 3. Internet Of Things • In italiano, «Internet delle Cose», rappresenta la prossima evoluzione di Internet • Gli oggetti di uso quotidiano acquistano intelligenza, e sono in grado di «pensare» e «parlare» attraverso la Rete • Entro il 2020 i dispositivi in grado di comunicare attraverso Internet saranno circa 24 miliardi • Tra le possibili applicazioni abbiamo : domotica, monitoraggio ambientale, Smart City, sorveglianza… e Wireless Sensor Network
- 4. Dispositivi • Bassa potenza di calcolo e di trasmissione dati • CPU, Memoria, Sensori e Moduli Radio in un unico chip • Risorse di memoria limitate • Alimentati con batterie o pile, energia scarsa • Hardware orientato al risparmio energetico (wakeup / sleep / active mode) Nel contesto dell’IoT prendono il nome di nodi sensore o Mote, e presentano le seguenti caratteristiche:
- 5. Standard Gli stack protocollari sono basati sul modello classico TCP/IP • IEEE 802.15.4 Specifiche di livello fisico e MAC per reti wireless a corto raggio • 6TOP Configurazione dello scheduling e meccanismi di sicurezza per IEEE 802.15.4 MAC • 6LowPAN Livello di adattamento di IPv6 in reti basate su IEEE 802.15.4 • RPL Ottimizzazione del routing IPv6 per reti wireless a corto raggio • CoAP Condivisione di risorse nel Web tra nodi sensore basata su HTTP e architettura RESTful
- 6. Sistemi Operativi per l’IoT • Dimensioni del kernel ridotte • Scheduling efficiente ed orientato al risparmio energetico • Programmazione user-friendly • Protocolli e standard implementati efficienti
- 7. Analisi Comparativa - Hardware Processore Bus Frequenza Tipologia RAM Memoria Esterna Flash PXA271 32 bit 400-624 MHz MCU 32 MB 32 MB ARM 920T 32 bit 180 MHz MCU 16 kB 128 kB ST2M32F103REY 32 bit 72 MHz SoC 64 kB 512 kB CC2538 (Cortex M3) 32 bit 32 MHz SoC 64 kB 4 kB 128 kB MSP430F1xx 16-bit 4-8MHz MCU 10 kB X 48 kB Atmel Atmega 128L 8 bit 8 MHz MCU 4 kB 512 kB 128 kB () supporto pieno; (X) non supportato
- 8. Analisi Comparativa - Sistemi Operativi Sistema operativo Protocolli PHY/MAC Rete Trasporto Applicativo Sicurezza Tiny OS (2.x) Active Message, 802.15.4 IPv6, 6LowPAN, TinyRPL, Drip, TYMO UDP CoAP TinySec, TinyECC Contiki 802.15.4, Rime, ContikiMAC uIPv6 TCP/IP stack CoAP ContikiSec OpenWSN 802.15.4e 6LowPAN, RPL TCP/UDP CoAP X RIOT OS Standard IETF, CCN Lite, Wiselib X MANTIS OS COMM Layer (TDMA, SMAC, BMAC, XMAC) Implementabili a livello utente Nano-RK RT-Link, B-MAC, PCF-TDMA, SLIPstream AODV, DSR, 6LowPAN, RPL UDP Implementazione tramite socket LiteOS Implementazione basata su file (Unix-like) FreeRTOS FreeRTOS + Nabto (UDP/IPv6), embTCP/IP, FreeRTOS + UDP CyaSSL VxWorks MACSec, Standard IETF, IPSec X.509 (X) non supportato
- 9. Conclusioni L’analisi effettuata ha messo in evidenza i seguenti aspetti: • Mote ad alte prestazioni: CPU a frequenze elevate, quantità consistenti di RAM e memoria Flash, ampio set di sensori Elaborazione di immagini, monitoraggio industriale (es. iMote2, SunSPOT, IoT_Lab M3) • Mote di prima di generazione: CPU a basse frequenze, quantità di memoria discrete, orientati al risparmio energetico Ricerca e sperimentazione (es. TelosB, MicaZ) • Sistemi che offrono un supporto completo agli standard per l’IoT, ma non implementano meccanismi di sicurezza (es. OpenWSN, RIOT OS) • Sistemi che implementano un ampio set di protocolli a livello MAC, adatti per la sperimentazione dei livelli più alti dello stack (es. Mantis OS, Nano-RK)