Fakultas Ilmu Komputer
Universitas Brawijaya
3294
Implementasi Protokol Neighbor Discovery Pada Pembentukan
Komunikasi Antara Node Sensor dan IoT Middleware Berbasis Jaringan
6LoWPAN
Heru Dias Pambudhi1, Eko Sakti Pramukantoro2, Fariz Andri Bakhtiar3 Program Studi Teknik Informatika, Fakultas Ilmu Komputer, Universitas Brawijaya
Email: 1heru.dias@student.ub.ac.id, 2ekosakti@ub.ac.id, 3fariz@ub.ac.id
Abstrak
6LoWPAN merupakan sebuah teknologi yang terbukti dapat diterapkan pada lingkungan IoT untuk menjembatani transmisi data dari node sensor kepada IoT middleware. Kelebihan yang dimiliki 6LoWPAN adalah cocok untuk perangkat-perangkat berdaya rendah dan memiliki skalabilitas yang tinggi karena berbasis IPv6. Akan tetapi, terdapat tantangan pada pembentukan awal komunikasi antara node sensor dan IoT middleware di 6LoWPAN yaitu node sensor tidak dapat mengetahui ketersediaan dan alamat middleware secara otomatis serta konfigurasi alamat IP pada node sensor dilakukan secara manual atau membutuhkan keterlibatan user. Masalah ini dapat diselesaikan dengan menerapkan protokol Neighbor Discovery (ND) yang dapat memberikan kemampuan kepada node sensor untuk mengetahui ketersediaan serta alamat middleware dan pengalamatan IP secara otomatis. Protokol ND diterapkan dengan melakukan instalasi dan konfigurasi program radvd pada sisi middleware dan program ndisc6 pada sisi node sensor. Hasil yang didapat dari penelitian ini adalah node sensor dapat mengetahui keberadaan serta alamat middleware, pengalamatan IP otomatis pada node sensor, discovery delay yang dihasilkan sekitar 1ms, jumlah pertukaran pesan kontrol pada masing-masing node adalah enam, packet delivery ratio pada pengiriman paket CoAP di atas 93% dan paket MQTT sebesar 100%, dan jangkauan maksimal discovery adalah 105m.
Kata kunci: neighbor discovery, 6LoWPAN, IoT middleware, CoAP, MQTT, internet of things. Abstract
6LoWPAN is a network technology that is proven for IoT environment to facilitate the transmission of data from sensor node to IoT middleware. The advantages of 6LoWPAN are it is suitable for low-power device and has high scalability because it is based on IPv6. But, there is a challenge in forming communication between node sensor and the IoT middleware in 6LoWPAN, i.e. node sensor can’t find out the existence and the middleware address. Beside that, node sensor also can’t self-configured it’s IP address using the prefix that is provided by the middleware. These problems can be resolved with Neighbor Discovery Protocol (NDP), which can give node sensor the ability to automatically find out the middleware existence and address also can self-configured it’s IP address. NDP can be applied with radvd program on the middleware side and ndisc6 program on the node sensor side. The result of this research are node sensor can find out the existence and the middleware address, automatic IP addressing in node sensor, discovery delay around 1ms , the number of exchanged NDP control message of each node is six, packet delivery ratio of CoAP and MQTT are 93% and 100%, and the maximum reachability range is 105m.
Keywords: neighbor discovery, 6LoWPAN, IoT middleware, CoAP, MQTT, internet of things.
1. PENDAHULUAN
Pada penelitian sebelumnya, telah dikembangkan IoT middleware untuk mengatasi masalah network interoperability. Beberapa protokol yang tersedia adalah WiFi, BLE, dan
6LoWPAN. Akan tetapi, perangkat-perangkat yang digunakan dalam IoT umumnya memiliki daya yang sangat terbatas karena menggunakan baterai sebagai sumber energinya (Kritsis, et al., 2018). Oleh karena itu, diperlukan protokol yang cocok pada lingkungan IoT dengan daya yang terbatas seperti BLE dan 6LoWPAN. Jika
dibandingkan dengan BLE, 6LoWPAN memiliki beberapa kelebihan antara lain, berbasis IPv6 sehingga skalabilitas lebih tinggi dan memiliki jangkauan koneksi yang lebih jauh (Tabish, et al., 2013). Pramukantoro telah melakukan penerapan 6LoWPAN pada IoT middleware yang telah dikembangkan untuk dapat menerima paket publish-subscribe dari protokol CoAP dan MQTT (Pramukantoro, et al., 2018). Namun, pada penelitian tersebut node sensor yang berperan sebagai publisher perlu mendefinisikan alamat middleware secara manual atau membutuhkan keterlibatan user pada mekanisme pengiriman paket menggunakan protokol CoAP dan MQTT serta node sensor tidak dapat mengetahui ketersediaan dari middleware disekitarnya. Hal tersebut akan menjadi kendala jika user atau yang mengendalikan node sensor tidak mengetahui alamat middleware, sehingga pengiriman paket tidak dapat dilakukan. Selain itu, tidak terdapat mekanisme pengalamatan IP secara otomatis pada node sensor yang akan cukup menyulitkan bagi user jika jumlah node sensor bertambah banyak.
Untuk mengatasi masalah-masalah tersebut, dapat diterapkan protokol Neighbor Discovery (ND) karena protokol ND memiliki fungsi yang memberikan kemampuan node untuk mengetahui keberadaan node lain disekitarnya dengan memanfaatkan pesan router solicitation (RS) dan router advertisement (RA) (Fathima, et al., 2017). Protokol ND juga berfungsi untuk menyediakan mekanisme pengalamatan IP otomatis pada node sensor, serta memelihara status reachability dari node dalam jaringan dengan memanfaatkan paket ICMPv6 (Neagoe & Pateas, 2016).
Permasalahan yang terdapat pada penelitian sebelumnya antara lain, pertama, node sensor tidak dapat mengetahui ketersediaan middleware disekitarnya. Kedua, node sensor memerlukan peranan user untuk mendefinisikan alamat middleware tujuan pada pengiriman paket CoAP dan MQTT. Ketiga, tidak terdapat mekanisme pengalamatan IP secara otomatis pada node sensor. Sehingga, pada penelitian ini dilakukan penerapan protokol ND pada pembentukan komunikasi antara node sensor dan IoT middleware. Protokol ND yang diterapkan mengacu kepada beberapa requirement draft IETF RFC 6775 seperti inisasi komunikasi oleh host, dan pengurangan penggunaan pesan multicast. Dalam menerapkan protokol ND, konfigurasi pada IoT middleware akan
dilakukan agar dapat berperan sebagai router dan node sensor sebagai host. IoT middleware yang berperan sebagai router akan memberikan informasi kepada node sensor seperti prefix. Kemudian, node sensor akan mendapatkan alamat IP secara otomatis menggunakan prefix tersebut. Selain itu, middleware juga memelihara daftar node sensor yang dapat dijangkau.
Untuk memastikan bahwa implementasi yang dilakukan berhasil dan mengetahui kinerja dari protokol ND, maka digunakan parameter discovery delay, reachability, packet delivery ratio, dan penghitungan jumlah pesan pada rentang waktu tertentu dengan jumlah node yang berbeda. Hasil yang diharapkan dari penelitian ini adalah terwujudnya node sensor yang dapat mengetahui alamat serta ketersediaan middleware secara otomatis dan node sensor mendapatkan alamat IP secara otomatis menggunakan prefix yang disediakan oleh middleware.
2. LANDASAN KEPUSTAKAAN
Seliem, et al. melakukan simulasi dan evaluasi protokol ND draft RFC 6775 pada 6LoWPAN (Seliem, et al., 2017). Hasil dari penelitian yang dilakukan adalah protokol ND pada draft RFC 6775 lebih optimal karena penggunaan pesan kontrol dan pesan multicast protokol ND dapat diminimalisir.
Pramukantoro, et al. (Pramukantoro, et al., 2018) melakukan pengembangan IoT middleware untuk mewujudkan IoT interoperability. IoT middleware diterapkan
pada jaringan 6LoWPAN serta menerapkan protokol CoAP dan MQTT pada pengiriman paket dari node sensor ke middleware.
Neagoe & Pateas (Neagoe & Pateas, 2016) melakukan pengembangan protokol ND dengan melakukan implementasi header ARO pada pesan NS dan N. Penerapan protokol ND pada
middleware menggunakan program radvd.
Pengujian dilakukan pada lingkungan simulasi dengan OMNET++.
Shan & Roh melakukan pengujian kinerja protokol ND pada jaringan BLE (Shan & Roh, 2017). Parameter pengujian yang digunakan adalah discovery delay dan pengujian dilakukan pada lingkungan simulasi.
3. PERANCANGAN
Gambar 1 adalah gambaran umum dari sistem yang telah dibangun sebelumnya (Pramukantoro, et al., 2018). Pada penelitian ini
akan diterapkan protokol ND pada sisi middleware dan node sensor. Protokol ND akan berperan dalam pembentukan awal komunikasi yang terjadi antara node sensor dan middleware yang ditandai dengan panah berwarna merah. Pengambilan data menggunakan sensor DHT11 tidak dilakukan, sehingga data yang dikirim oleh
node sensor merupakan data dummy.
Gambar 1. Deskripsi Umum Penelitian.
3.1 Perancangan Komunikasi Dengan Protokol ND
Protokol ND memiliki lima jenis pesan kontrol yaitu, router solicitation (RS), router
advertisement (RA), neighbor solicitation (NS), neighbor advertisement (NA), dan redirect.
Akan tetapi, pesan redirect tidak digunakan dalam penelitian ini karena pesan tersebut digunakan jika terdapat dua middleware yang berperan sebagai router dalam satu jaringan yang sama dan melibatkan algoritma routing (Narten, et al., 2007). Komunikasi yang terjadi pertama kali antara middleware dan node sensor adalah pertukaran pesan RS dan RA. Kemudian, dilanjutkan dengan pertukaran pesan NS dan NA. Alur komunikasi tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2. Alur Komunikasi Protokol ND.
3.2 Perancangan Protokol ND Pada Pengiriman Paket Publish Topik
Berbeda dengan penelitian sebelumnya (Pramukantoro, et al., 2018) yang mendefinisikan alamat middleware secara manual pada pengiriman paket protokol CoAP dan MQTT. Pada penelitian ini, node sensor akan mendefinisikan alamat middleware secara otomatis. Hal tersebut dapat dicapai dengan menerapkan protokol ND pada pembentukan komunikasi antara node sensor dan middleware. Sebelum mengirimkan paket, node sensor akan melakukan discovery pada jaringan 6LoWPAN dengan mengirimkan pesan RS. Jika terdapat middleware yang tersedia, maka
middleware tersebut akan membalasnya dengan
pesan RA. Dari informasi yang terdapat pada pesan RA, node sensor melakukan penyimpanan alamat middleware pada sebuah variabel. Dengan menggunakan informasi dari variabel tersebut, node sensor akan mengirimkan paket kepada middleware. Akan tetapi, jika tidak terdapat middleware yang tersedia maka node sensor memberikan output yang menyatakan bahwa tidak ada middleware yang tersedia dan pengiriman paket tidak dilakukan.
Gambar 3. Alur Pengiriman Paket
Pada Gambar 3 ditampilkan flowchart dari pengiriman paket yang dilakukan node sensor. Berdasarkan gambar tersebut, jika node sensor berhasil mengirimkan paket, maka akan menghasilkan output “Middleware found! Sending Packet to X”. X dalam output tersebut merujuk kepada alamat middleware dalam
pengiriman paket. Akan tetapi, jika node sensor tidak mendeteksi middleware yang tersedia, maka output yang dihasilkan adalah “Middleware not found!”. Alur pengiriman paket pada CoAP maupun MQTT memiliki alur yang sama seperti pada Gambar 3.
3.3 Perancangan Topologi
Topologi jaringan yang digunakan untuk mewujudkan pengiriman paket dengan protokol CoAP dan MQTT terdiri dari tiga node.
Node-node tersebut memiliki perannya masing-masing
yaitu satu node sebagai middleware, satu node sebagai node sensor yang menggunakan protokol CoAP, dan satu node lain yang menggunakan protokol MQTT. Pada Gambar 4 ditampilkan topologi yang digunakan dalam penelitian beserta alamat link-layer yang dimulai dengan nilai fe80:: dari masing-masing node. Pada middleware telah dilakukan pendefinisian alamat IP global dengan prefix fda1:b2:c3:d4, sedangkan pada sisi node sensor pengalamatan IP global akan dilakukan melalui mekanisme
stateless address autoconfiguration (SLAAC)
dengan protokol ND.
Gambar 4. Topologi Jaringan
4. IMPLEMENTASI 4.1 Perangkat Keras
Perangkat yang digunakan penulis dalam penelitian ini terdiri dari empat buah node. Perangkat-perangkat tersebut memiliki peran sebagai middleware dan node sensor.
Middleware akan dikonfigurasi agar dapat
berperan sebagai router dan node sensor berperan sebagai host. Terdapat satu node yang memiliki peran sebagai middleware dan tiga
node yang berperan sebagai node sensor. Pada
Gambar 5 ditampilkan perangkat raspberry pi yang telah terintegrasi dengan modul 6LoWPAN.
Gambar 5. Perangkat Raspberry Pi dan Modul 6LoWPAN
4.2 Implementasi Protokol ND Sisi Middleware
Pada middleware, akan dilakukan instalasi
daemon radvd. Radvd merupakan sebuah
program yang dapat menjadikan sebuah node berperan sebagai router yang dapat mengirimkan pesan router advertisement (RA) serta menangkap pesan router solicitation (RS) dari alamat multicast. Penggunaan daemon radvd untuk menerapkan protokol ND dilakukan berdasarkan penelitian oleh Neagoe (Neagoe & Pateas, 2016). Pada Gambar 6 ditampilkan saat radvd berjalan dalam mode debug.
Gambar 6. Program Radvd Berjalan
4.3 Implementasi Protokol ND Sisi Node Sensor
Untuk mengimplementasikan protokol
node sensor hanya perlu dilakukan instalasi
program ndisc6. Dengan ndisc6 node sensor dapat mengirimkan pesan router solicitation kepada middleware secara multicast. Perintah yang digunakan untuk mengirimkan pesan tersebut adalah rdisc6 lowpan0.
4.4 Implementasi Protokol ND Pada Pengiriman Paket Publish Topik CoAP
Pada Gambar 7 ditampilkan pseudocode dari script untuk menjalankan pengiriman paket protokol CoAP. Berdasarkan pseudocode
tersebut, pemanggilan perintah untuk menjalankan discovery dilakukan. Jika node sensor mendapat balasan dari middleware, maka
node sensor akan menyimpan informasi alamat middleware pada variabel c. Setelah itu, node
sensor akan menjalankan fungsi untuk mengirim paket CoAP dan mendefinisikan tujuan pengiriman paket CoAP dengan informasi alamat middleware yang terdapat pada variabel c.
Gambar 7. Pseudocode Pengiriman Paket CoAP
4.5 Implementasi Protokol ND Pada Pengiriman Paket Publish Topik MQTT
Dalam menerapkan protokol ND pada mekanisme pengiriman paket MQTT, modifikasi pada script kirim paket MQTT dilakukan. Modifikasi tersebut memiliki pola yang sama dengan pengiriman CoAP yaitu menjalankan perintah discovery terlebih dahulu pada node sensor. Pada Gambar 8 ditampilkan
pseudocode dari script kirim paket MQTT pada node sensor.
Gambar 8. Pseudocode Pengiriman Paket MQTT
5. PENGUJIAN
1. Pengujian keberhasilan pertukaran pesan RS, RA, NS dan NA dinyatakan valid. Hasil pengujian ditampilkan pada Gambar 9.
Gambar 9. Perekaman Traffic Jaringan 2. Pengalamatan otomatis pada node sensor memberikan hasil yang valid dengan berhasilnya node sensor mendapat alamat IP sesuai dengan prefix pada pesan RA. Hasil pengujian ditampilkan pada Gambar 10.
Gambar 10. Pengalamatan Otomatis Node Sensor 3. Pengujian node sensor untuk dapat terhubung ke middleware di atas jaringan 6LoWPAN terdapat pada Gambar 11.
4. Middleware dapat menampilkan status
reachability dari node sensor berhasil
dilakukan dan ditampilkan pada Gambar 12.
Gambar 12. Status Reachability Node Sensor 5. Node sensor dapat melakukan pengiriman paket menggunakan protokol CoAP dan MQTT tanpa mendefinisikan alamat secara manual. Berhasilnya pengiriman tersebut ditampilkan pada Gambar 13 dan Gambar 14.
Gambar 13. Paket CoAP Diterima Middleware
Gambar 14. Paket MQTT Diterima Middleware 6. Node sensor dapat mendeteksi ketersediaan middleware yang ditampilkan pada Gambar 15 dan Gambar 16.
Gambar 15. Middleware Terdeteksi Node Sensor
Gambar 16. Middleware Tidak Terdeteksi
6. KESIMPULAN
Penerapan protokol ND pada pembentukan komunikasi antara node sensor dan IoT
middleware berhasil dilakukan. Dengan adanya
ND, node sensor dapat mengetahui ketersediaan
middleware dalam jaringan serta alamat dari
middleware tersebut. Akan tetapi, protokol ND
tidak mempengaruhi secara signifikan kinerja pengiriman paket CoAP dan MQTT berdasarkan parameter packet delivery ratio karena protokol ND hanya terlibat pada pembentukan awal komunikasi. Selain itu, pada penelitian ini node sensor belum dapat mendeteksi ketika
middleware secara tiba-tiba tidak tersedia/mati
pada saat proses pengiriman paket sedang berjalan. Sehingga, perlu dilakukan pengembangan lebih lanjut terkait hal tersebut.
DAFTAR REFERENSI
Bormann, C., Castellani, A. P. & Shelby, Z., 2012. CoAP : An Application Protocol for Billions of Tiny Internet Nodes. IEEE Computer
Society, pp. 62-67.
Chen, X., 2014. Constrained Application Protocol for Internet of Things. pp. 1-12. Farooq, M. et al., 2015. A Review on Internet of Things (IOT). International Journal of Computer Applications , 113(1).
Halder, M., Sheikh, M. N. A., Rahman, M. S. & Rahman, M. A., 2018. Performance Analysis of CoAP, 6LoWPAN and RPL Routing Protocols of IoT Using COOJA Simulator. International
Journal of Scientific and Engineering Research,
9(6), pp. 1670-1677.
Hui, J., Culler, D. & Chakrabarti, S., 2009. 6LoWPAN : Incorporating IEEE 802.15.4 into the IP architecture. Internet Protocol for Smart
Objects (IPSO) Alliance, Volume 3, pp. 1-17.
Hui, J. & Thubert, P., 2011. Internet Engineering
Task Force. [Online]
Available at: https://tools.ietf.org/html/rfc6282 [Accessed 30 Agustus 2018].
Kim, K. et al., 2011. PND: a p-persistent neighbor discovery protocol in wireless networks. WIRELESS COMMUNICATIONS
AND MOBILE COMPUTING.
Montenegro, G., 2007. Internet Engineering
Task Force. [Online]
Available at: https://tools.ietf.org/html/rfc4944 [Accessed 27 Agustus 2018].
Narten, T., 2007. Internet Engineering Task
Force. [Online]
Available at: https://tools.ietf.org/html/rfc4861 [Accessed 27 Agustus 2018].
Neagoe, D. & Pateas, A., 2016. Efficient IPv6 Neighbor Discovery in Wireless Environment.
Master Thesis.
Olsson, J., 2014. 6LoWPAN demystified. Texas
Instruments.
Pramukantoro, E. S., Data, M. & Aji, B., 2018. Penerapan Komunikasi Berbasis 6LoWPAN (802.15.4) Antara Node Sensor dengan IoT Middleware. Jurnal Pengembangan Teknologi
Informasi dan Ilmu Komputer.
Pramukantoro, E. S., Husnul, A. & Ichsan, M. H. H., 2017. Pengembangan IoT Middleware berbasis Event-Based dengan Protokol Komunikasi CoAP,MQTT dan Websocket.
Jurnal Pengembangan Teknologi Informasi dan Ilmu Komputer.
Prasad, S. R., Vivek, R., Mungara, J. & Sebastian, E. J., 2016. NS3 Simulation Studies
For Optimized Neighbour Discovery in 6LoWPAN Networks. Offenburg, IEEE.
Ray, P., 2018. A Survey on Internet of Things Architectures. Journal of King Saud University -
Computer and Information Sciences, pp.
291-319.
Seliem, M. A., Elsayed, K. M. & Khattab, A., 2017. Optimized Neighbor Discovery for 6LoWPANs: Implementation and Performance Evaluation. Elsevier, pp. 73-92.
Shah, H., Parikh, V. & Shrimali, R., 2016.
Header Compression and Neighbor Discovery in 6LoWPAN based IoT - A Survey. s.l., IEEE.
Shan, G. & Roh, B.-h., 2017. Performance Comparisons of Basic and Advanced Neighbor Discovery Processes in BLE 4.2 and 5.0 Specifications. International Journal of Applied
Engineering Research, pp. 13281-13285.
Shelby, Z., Chakrabarti, S., E., N. & Bormann, C., 2012. Internet Engineering Task Force. [Online]
Available at: https://tools.ietf.org/html/rfc6775 [Accessed 27 Agustus 2018].
Shelby, Z., Frank, B. & Sturek, D., 2010. Draft
IETF Core CoAP. [Online] Available at: https://tools.ietf.org/id/draft-ietf-core-coap-03.html#transactions
[Accessed 14 Desember 2018].
Statista, 2018. Statista. [Online]
Available at:
https://www.statista.com/statistics/471264/iot-number-of-connected-devices-worldwide/ [Accessed 25 Agustus 2018].
