Internet inteligentnih uređaja Predavanje 9
Protokoli mrežnog internet sloja 2
IPv4 Četvrta verzija internet protokola (IP) definisana 1981. godine. Omogućuje povezivanje, prepoznavanje i slanje podataka između dva uređaja. Svakom uređaju se dodeljuje jedinstvena adresa koja je formata četiri bajta, tipično reprezentovana korišćenjem 4 decimalna broja sa vrednostima od 0 do 255, npr: 185.53.84.57 3
IPv4 Struktura IPv4 adresa jeste hijerarhijska, i sastoji se od: 1) mrežnog dela (Network ID) i 2) host dela (HOST ID). Delovi se određuju pomoću subnet maske, što je zapis sledećeg formata: 255.255.255.0 Ova subnet maska govori da se prve tri cifre IP adrese odnose na mrežni deo, a zadnja cifra na host deo. Sa porastom broja uređaja na internetu došlo je do nedostatka adresnog prostora, pa se često koriste privatne IP adrese i NAT preslikavanje. 4
IPv4 IPv4 adrese mogu se dodeljivati: 1. statički ili 2. dinamički. Pri radu sa statičkom adresom podrazumeva se da administrator podesi: 1. adresu uređaja, 2. subnet, i 3. adresu gejtveja preko kojeg se pristupa internetu. Alternativa je korišćenje DHCP protokola kako bi se adresa automatski dodelila pri povezivanju uređaja na mrežu. Time se izbegavaju greške i ubrzava povezivanje. Adresu tipično dodeljuje ruter/gejtvej preko kojeg se pristupa internetu. 5
IPv6 IPv4 dozvoljava adresiranje maksimalno 2^32, odnosno 4.294.967.296 adresa. Nedovoljan broj IP adresa i nedostaci NAT tehnologije su usporili razvoj IoT aplikacija; kao rešenje je razvijen IPv6 protokol. IPv6 koristi 128-bitne adrese, čime je omogućeno adresiranje 2^128, odnosno 340.282.366.920.938.463.463.374.607.431.768.211.456 uređaja. Kao i kod IPv4 adresne šeme, IPv6 adrese imaju hijerarhijsku organizaciju. 6
IPv6 IPv6 adrese se predstavljaju kao 8 kompleta od 16 bitova koji se predstavljaju heksadecimalno, kao brojevi od 0000 do FFFF. Npr.: 350c:0000:eb82:2d54:0000:0000:0000:bfd8 U cilju skraćivanja adresa, vodeće nule se ne pišu, a jedan ili više povezanih skupova nula mogu da se izostave u potpunosti i da se zamene znakovima ::. Adresa iz prethodnog primera bi onda bila zapisana kao: 350c:0:eb82:2d54::bfd8 7
IPv4 i IPv6 IPv4 i IPv6 verzije nisu kompatibilne, a postoje tri tehnike za migraciju: 1. Dual stack korišćenje uređaja koji razumeju oba standarda, te se prebace na IPv6 kada je moguće. 2. Tunneling IPv6 paketi se pakuju u IPv4 pakete dok se šalju po IPv4 mreži, a otpakuju se kad naiđu na IPv4 kompatibilne uređaje. 3. Translation Prevođenje adresa između IPv4 i IPv6 po principu koji se već koristi-nat. 8
IPv6 pogodnosti za IoT Skalabilnost Prestanak korišćenja NAT barijera Podrška različitim interesnim grupama Karakteristike IPv6 protokola Proširenje koncepta Internet of Things na Web of Things Mobilnost Standardizacija 9
6LoWPAN Predstavlja protokol koji treba da prilagodi IPv6 PAN mrežama sa malom potrošnjom energije. Ovaj protokol definiše enkapsulaciju i mehanizme kompresije zaglavlja, omogućujući tako IPv6 paketima da budu poslati i primljeni preko mreža zasnovanih na IEEE 802.15.4 standardu. Osnovna ideja jeste da internet protokol može biti primenjen i na najmanje uređaje i da uređaji s malom snagom i ograničenih procesorskih sposobnosti budu uključeni u IoT. Standard 6LoWPAN omogućuje povezivanje Bluetooth i Zigbee uređaja na internet bez potrebe za instalacijom namenskih gejtveja. 10
Protokoli transportnog sloja 11
TCP TCP (eng. Transmission Control Protocol) je protokol Internet Protocol Suite-a i omogućuje pouzdano, usmereno i uređeno dostavljanje strima okteta između aplikacija koje se izvršavaju na računarima povezanim na IP mrežu. Na TCP protokolu zasnivaju se servisi aplikativnog sloja: veb, imejl, fajl transfer i drugi servisi. 12
TCP U osnovi TCP protokola jeste ideja: da primalac poruke mora da odgovori potvrdom (acknowledgment) kada primi podatke. TCP: prihvata podatke iz strima, deli ih na delove i dodaje TCP zaglavlje kreirajući TCP segment. 13
TCP TCP se koristi za prenos podataka od aplikacije do mreže. TCP je odgovoran za podelu podatka na IP pakete pre slanja i ponovnog povezivanja IP paketa u celinu pri prijemu. Korekciju podatka pri prenosu na Internet/Intranet obavlja TCP protokol. 14
Primer TCP protokola - podela paketa Ako jedna aplikacija želi da komunicira sa drugom putem TCP-a ona šalje komunikacioni zahtev. Ovaj zahtev mora biti poslat na tačno određenu adresu. Posle uspostave veze između dve aplikacije /"HANDSHAKE"/ TCP će zauzeti komunikacionu liniju između dva računara sve dok je ne zatvori jedna od dve aplikacije. 15
Primer TCP protokola - podela paketa IP - Internet Protocol, IP brine o kumunikaciji sa drugim računarima. IP je odgovoran za slanje i prijem paketa podataka na Internetu. IP ne zauzima komunikacionu liniju između dva računara. IP smanjuje potrebu za mrežnim linijama. 16
Primer TCP protokola - podela paketa Svaka linija može biti korišćena između više različitih računara u isto vreme. Sa IP se izvodi deljenje poruka (ili drugih podataka) u male nezavisne pakete i šalju između računara putem Interneta. IP je odgovoran za "RUTIRANJE" /ROUTING/ svakog pojedinačnog paketa na tačno odredište. 17
Primer TCP protokola - podela paketa TCP/IP znači da TCP i IP rade zajedno. TCP brine o komunikaciji između aplikacionog softvera (tj. /BROWSER/ i mrežnog softvera. IP brine o komunikaciji sa drugim računarima. TCP je odgovoran za podelu podatka na IP pakete pre slanja i ponovno povezivanje IP paketa u celinu pri prijemu na odredišnom računaru. IP je odgovoran za slanje i prijem paketa podataka na ispravnu destinaciju. TCP/IP je komunikacioni protokol za Internet, prenos i prijem podataka na Internetu je baziran na TCP/IP protokolu. 18
Primer TCP protokola - podela paketa 19
UDP Kao i TCP, UDP (eng. User Datagram Protocol) se koristi u okviru internet protokola. Pomoću UDP-a šalju se poruke, u ovom slučaju datagrami, drugim hostovima na mreži bez prethodne komunikacije i otvaranja specijalnih kanala za prenos. On se najčešće koristi u aplikacijama gde je ključni zahtev brzina dostavljanja podataka, ali ne obezbeđuje garancije da će određena poruka biti dostavljena. Ključne karakteristike ovog protokola jesu: orijentisanost na transakcije i datagrame, jednostavnost, nepostojanje pamćenja stanja i komunikacija u svim pravcima. 20
UDP UDP (User Datagram Protocol) protokol je takođe connectionless protokol i spada u nesigurne protokole. Ovaj protokol ne zahteva uspostavljanje i održavanje komunikacione sesije već mu je samo bitna isporuka paketa destinaciji. Nije bitno da li je destinacija stvarno primila poslati paket i kojim redosledom. UDP deli pakete na manje delove kao i TCP protokol s tom razlikom što im ne dodeljuje Sequence ID brojeve jer kao što smo rekli nije bitno u kom će redosledu paketi doći do destinacije. Ono što je bitno UDP protokolu je da to što se pošalje što pre stigne do destinacije bez velikih gubitaka vremena i mrežnih resursa na podatke koji se šalju. 21
UDP Veliku primenu ima kod mrežnih servisa koji u svom radu koriste broadcast saobraćaj kao što je DNS servis na primer. Takođe veliku primenu ima kod IP telefonije i Video-meeting-a jer je brzina prenosa podataka vrlo važan činilac. Pojedinačan paket UDP protokola nosi naziv datagram. Sama struktura datagrama je daleko jednostavnija nego struktura frejma kod TCP protokola jer je izostavljena većina kontrolnih informacija. 22
UDP Logička struktura UDP datagrama je data na sledećoj slici: Opis segmenata strukture datagrama: Broj porta izvora port preko koga se vrši komunikacija na strani pošaljioca; Broj porta destinacije port preko koga se vrši komunikacija na strani primaoca; Bitska dužina podataka broj bitske dužine podataka koje datagram nosi; Kontrolna suma kontrolna suma zaglavlja i paketa. 23
UDP Iako UDP protokol ima dosta stvari koje se navode kao njegove mane, nema proveru na greške, višestruko slanje datagrama, gubitak podataka, dostavljanje podataka u izmenjenom redosledu, moguće je nadograditi ga na aplikativnom sloju kao što je na primer TFTP servis. Međutim, većina aplikacija i servisa koje koriste ovaj protokol od njega očekuju maksimalnu brzinu isporuke podataka, bez obzira na sve greške i propuste, jer bi uvođenje dodatnih opcija provere grešaka vrlo verovatno ugrozilo njihov rad, odnosno direktno usporilo isporuku podataka destinaciji. 24
UDP 25
Cross layer komunikacija za IoT Aplikacioni sloj (podržane tehnike agregacije i fuzije podataka) Transportni sloj Mrežni sloj Sloj veze Fizički sloj Cross layer optimizacija: - Upravljanje potrošnjom energije, - Bezbednošću, - Mobilnošću, - Lokalizacijom, - Sinhronizacijom, - Detekcijom susednih senzorskih čvorova. Višeslojna arhitektura bežične senzorske komunikacione mreže u kojoj se ostvaruje komunikacija njenih elemenata. 26
Cross layer komunikacija za IoT Osnovne funkcije fizičkog sloja, sloja linka podataka, mrežnog sloja i transportnog sloja odgovaraju njihovim standardnim funkcijama u OSI referentnom modelu. U aplikativnom sloju realizuje se softverska podrška za različite tipove primene bežičnih senzorskih mreža i tehnika kombinovanja podataka (agregacija i fuzija). Cross layer optimizacija mreže novi je element u arhitekturi. 27
Cross layer komunikacija za IoT U mrežnoj arhitekturi cross layer optimizacija se vrši u: upravljanju potrošnjom energije, bezbednošću, mobilnošću, procesima lokalizacije, sinhronizacije i detekcije susednih čvorova. Za cross layer optimizaciju važan je izbor optimizacionih parametara, koji se odvija kroz sledeće korake: apstrakcija parametara specifičnih za dati sloj, identifikacija parametara koji optimizuju zadatu funkciju, rekonfiguracija sloja. 28
Cross layer komunikacija za IoT Cross layer algoritmi koriste se za zajedničku optimizaciju: parametara fizičkog sloja: snaga predajnika, tip modulacije, bitska brzina, BER), MAC-DLC sloja: pristupna šema, veličina i popunjenost predajnog bafera) i aplikacionog sloja: izvorno kôdovanje i dozvoljeno kašnjenje. 29
Literatura Cirani, S., Ferrari, G., Picone, M., & Veltri, L. (2018). Internet of Things: Architectures, Protocols and Standards. John Wiley & Sons. Božidar Radenković, Marijana Despotović-Zrakić, Zorica Bogdanović, Dušan Barać, Aleksandra Labus, Živko Bojović, (2017). Internet inteligentnih uređaja, Fakultet organizacionih nauka. Univerzitet u Beogradu. Doc. dr Miloš Milutinović, (2017). Internet inteligentnih uređaja, Visoka škola akademskih studija Dositej, Beograd. https://www.sk.rs/ http://www.link-university.com/lekcija/udp-protokol/4655 https://www.znanje.org/abc/tutorials/internet_abc/01/160_tcp_ip.htm 30