ZKubiak_ ZigBee_MatDyd05\374

VII OGÓLNOPOLSKA KONFERENCJA NAUKOWO-TECHNICZNA
„KOMPUTER W OCHRONIE ŚRODOWISKA”
GNIEZNO, 14-17 WRZEŚNIA 2005
Zygmunt KUBIAK
Instytut Informatyki
Politechnika Poznańska
ul. Piotrowo 3A
60-965 Poznań
ZIGBEE – PROTOKÓŁ TRANSMISJI
BEZPRZEWODOWEJ DLA SYSTEMÓW
PRZEMYSŁOWYCH
Streszczenie. Przedmiotem referatu jest niedawno opracowany i standaryzowany protokół ZigBee, określający zasady komunikacji w małych sieciach bezprzewodowych,
przewidziany między innymi dla zastosowań przemysłowych w tym równieŜ dla systemów
pracujących w ochronie środowiska. ZigBee oparty jest na standardzie IEEE 802.15.4.
1. Wprowadzenie
Sieci bezprzewodowe coraz częściej są stosowane w systemach przemysłowych.
Dzieje się tak za sprawą nowych rozwiązań w dziedzinie łączności radiowej. Współczesne technologie pozwalają na zdecydowane obniŜenie kosztów węzła nadawczoodbiorczego. Aktualnie dostępnych jest wiele rozwiązań przeznaczonych do transmisji
dźwięku, wideo, realizacji sieci PC (jak GPRS, WiFi, Bluetooth), jednak do niedawna
nie było standardów sieci bezprzewodowych dedykowanych układom i urządzeniom
najniŜszego poziomu sterowania (styk systemu sterującego z obiektem sterowanym),
tzn. sensorom i układom wykonawczym. W tej dziedzinie dotychczas dominują sieci
przewodowe, tzw. sieci miejscowe (Fieldbus). Malejące ceny układów elektronicznych
wielkiej skali integracji a z drugiej strony poszukiwanie nowych rozwiązań w transmisji
danych prowadzi do narastającego zainteresowania radiowymi sieciami bezprzewodowymi o małym zapotrzebowaniu na energię. Sieci takie zaliczane są do kategorii bezprzewodowych sieci sensorów (WSN – Wireless Sensor Networks), takŜe określanych
inną rozszerzoną nazwą bezprzewodowych sieci sensorów i aktywatorów (WSAN –
Wireless Sensor and Actuator (Actor) Networks, WNSA – Wireless Networks of Sensors and Actuators). Ocenia się, Ŝe sieci klasy WSN będą stopniowo wypierać okablowanie wejść/wyjść w systemach sterowania. Oczywiście zasięg stosowalności rozwiązań
WSN nie ogranicza się tylko do technologii przemysłowych ale dotyczy właściwie
wszystkich obszarów działalności człowieka, w tym zastosowań medycznych, wojskowych, inteligentnych budynków, gospodarstw domowych itp.
Prace nad standaryzacją bezprzewodowych sieci sensorów rozpoczęła grupa Zigbee
Aliance [7] w roku 1998. ZigBee Alliance jest stowarzyszeniem firm działających dla
opracowania i rozwijania otwartego standardu dotyczącego transmisji bezprzewodowej
niskiej mocy , efektywnej pod względem kosztów.
Kubiak Z.: ZigBee – protokół transmisji bezprzewodowej dla systemów przemysłowych. Rozdz. 10 w
pracy zbiorowej „Efektywność wdraŜania technologii informatycznych”. FUTURA i PZITS, Poznań
2005, s. 113 – 124.
2
Z. KUBIAK
2. Standard ZigBee/IEEE 802.15.4
ZigBee [2] jest stosem protokołów opartych na standardzie IEEE 802.15.4 [1], opisującym warstwę fizyczną (PHY – Physical Layer) oraz warstwę dostępu do medium
(MAC – Medium Access Control Layer) – rys. 1. Zatwierdzony w roku 2003 standard
IEEE 802.15.4, definiuje prosty lecz silny protokół pakietowy o następujących właściwościach:
• wysoka niezawodność poprzez potwierdzanie odbioru,
• mechanizmy zapewniające integralność i poufność transmisji,
• transmisja z rozpraszaniem widma metodą sekwencji bezpośredniej,
• łączność oparta na priorytetach,
• zdolność zmiany częstotliwości dla uniknięcia interferencji
UŜytkownik
APLIKACJA/PROFILE
Stos
SZKIELET APLIKACJI
ZigBee
WARSTWY
SIECIOWA I BEZPIECZEŃSTWA
Platforma
ZigBee
Alliance
WARSTWA
DOSTĘPU DO MEDIUM (MAC)
Krzem
IEEE
802.15.4
WARSTWA FIZYCZNA (PHY)
Rys. 1. Model warstwowy IEEE 802.15.4/ZigBee
ZigBee rozszerza moŜliwości protokołu IEEE 802.15.4 o zagadnienia realizacji róŜnych struktur sieciowych, bezpieczeństwa transmisji oraz organizuje interfejs
z warstwą aplikacyjną. Norma IEEE 802.15.4 pozwala stosować 16-bitowy adres skrócony węzła lub 64-bitowy adres rozszerzony. ZigBee uwaŜany jest za standard, który ma
szanse stać się globalnym rozwiązaniem dla wielu zastosowań (rys. 2).
•
•
•
Monitorowanie
Sensoryka
Diagnostyka
Osobista
ochrona
zdrowia
•
•
•
•
•
Monitorowanie
Sensoryka
Systemy AMR
Automatyzacja
Sterowanie
•
•
•
•
Bezpieczeństwo
Systemy HVAC Automatyzacja
budynków
Systemy AMR
Oświetlenie
Przemysł
Rolnictwo
Ochr.środow.
Sprzęt
RTV
Urządzenie radiowe
o małej prędkości
transmisji danych
IEEE 802.15.4/ZigBee
•
•
•
•
TV
VCR
CD/DVD
Zdalne sterowanie
Urządzenia
peryferyjne PC
Gry
i zabawki
•
•
•
•
•
•
•
Mysz
Klawiatura
Palmtop
Tablet
Edukacyjne
Konsole do gier
Zabawki
mechaniczne
Rys. 2. Obszary zastosowań rozwiazań IEEE 802.15.4/ZigBee; oznaczenia: AMR
(ang. Automatic Meter Reading) – automatyczny odczyt liczników, HVAC (ang. Heating,
Ventilation and Air Conditioning) - klimatyzacja
ZIGBEE – PROTOKÓŁ TRANSMISJI BEZPRZEWODOWEJ ...
3
To co wyróŜnia rozwiązania ZigBee wśród innych sieci bezprzewodowych to następujące parametry:
• bardzo niski pobór mocy (baterie starczają od 6 miesięcy do kilku lat);
• urządzenie ZigBee ma tylko dwa tryby pracy: albo jest active (nadawanie/odbieranie) albo sleep; w przypadku Bluetooth występuje wiele róŜnych
trybów co zdecydowanie utrudnia optymalizację poboru mocy;
• niski koszt urządzeń, instalacji i eksploatacji;
• moŜliwa duŜa gęstość węzłów sieci;
• prosty protokół i łatwa implementacja; stos kodu protokołu jest szacowany na
około ¼ w stosunku np. do Bluetooth;
• niezawodny transfer danych;
• wysoki poziom bezpieczeństwa transmisji.
W celu moŜliwości optymalizacji kosztów węzła standard IEEE definiuje dwa typy
rozwiązań:
• urządzenia w pełni funkcjonalne (FFD –full-function device)
• moŜe funkcjonować w dowolnej topologii,
• moŜe działać jako koordynator sieci,
• moŜe działać jako ruter,
• moŜe łączyć się z dowolnym węzłem,
• urządzenia o zredukowanych funkcjach (RFD – reduced function device)
• topologia ograniczona do gwiazdy,
• węzeł nie moŜe być koordynatorem sieci,
• połączenia tylko z koordynatorem sieci,
• bardzo proste wykonanie.
W warstwie fizycznej standardu IEEE zdefiniowano trzy pasma częstotliwości:
2,4GHz, 915MHz (USA) i 868MHz (Europa) – tabela 1.
Tabela 1. Pasma częstotliwości i prędkości transmisji danych
PHY
(MHz)
Pasmo
(MHz).
Prędkość
Prędkość Prędkość
w bitach w symbolach w chips’ach Modulacja
(kb/s)
(ksymbol/s)
(kchip/s)
Symbole
868.0 - 868.6
20
20
300
BPSK
binarne
902.0 - 928.0
40
40
600
BPSK
binarne
2400 – 2483,5
250
62.5
2000
O-QPSK
16-tkowe
ortogonalne
868/915
2450
W pasmach tych wydzielono łącznie 27 kanałów, ponumerowanych od 0 do 26.
Szesnaście kanałów dostępnych jest w paśmie 2,4GHz, 10 w 915MHz i 1 w 868MHz
(pasma ISM – Industrial Scientifig Medic). Pasma te nie wymagają licencji. W Europie
dostępne są dwa pasma – 868 MHz (tylko jeden kanał) i 2,4GHz. Centra częstotliwości
poszczególnych kanałów zdefiniowane są następująco:
4
Z. KUBIAK
Numer kanału
Częstotliwość środkowa FC (MHz)
k=0
868,3
k = 1, 2, ..., 10
906 + 2(k -1)
k = 11, 12, ..., 26
2405 + 5(k -11)
PHY:
868/915 MHz
Kanał 0
Kanały 1 - 10
2 MHz
f (MHz)
868,0 868,6
PHY: 2,4 GHz
928,0
902,0
Kanały 11 - 26
5 MHz
f (MHz)
2400,0
2483,5
Rys. 3. Ilustracja rozmieszczenia kanałów radiowych IEEE 802.15.4
Dla celów przemysłowych, zdecydowanie lepszym pasmem jest 2,4GHz – duŜa
liczba kanałów, większa szybkość transmisji oraz skuteczniejsza modulację (w sensie
wymaganej energii na 1 bit). Stosowana jest złoŜona modulacja fazowa z rozpraszaniem
widma metodą sekwencji bezpośredniej DSSS (ang. direct sequence spread spectrum)
[5]. W przypadku modulacji O-QPSK (ang. offset quadrature phase-shift keying) cztery
kolejne bity informacyjne, tworzące tzw. symbol zastępowane są odpowiednio dobraną
(1 z 16) sekwencją 32 bitów (ang. chips). Daje to moŜliwość pracy przy słabym
współczynniku S/N (ang. signal to ratio, stosunek sygnału do szumu), wynikającym albo
z powodu zakłóceń albo niskiej mocy nadajnika.
Strumień
bitów
Bity na
Symbol
Bity na
Symbol
Modulator
O-QPSK
Sygnał
zmodulowany
Rys. 4. Modulacja i funkcje rozpraszania
Proces modulacji, dla pasma 2,4 GHz) blokowo przedstawiono na rys. 4. Dla wielobajtowych pól danych najpierw transmitowany jest bajt najmłodszy. KaŜdy bajt dzielony
jest na czterobitowe symbole. Młodszy symbol transmitowany jest jako pierwszy.
Następnie symbolowi przyporządkowywana jest 32-elementowa reprezentacja (tabela 2).
Jako pierwszy transmitowany jest najmłodszy chip c0. W modulacji O-QPSK, kaŜdy
komponent (chip) reprezentowany jest w postaci połówki sinusoidy. Dokładniej, zamiast
jednego ciągu komponentów stosowane są dwa przesunięte względem siebie o 90 stopni.
Komponenty o numerach parzystych nazywane są fazowymi (ang. in-phase (I)), natomiast nieparzyste - kwadraturowymi (ang. quadrature (Q)).
Często pogrupowanie chip’ów na fazowe i kwadraturowe przedstawiane jest na kartezjańskim układzie współrzędnych, z komponentem fazowym na osi x, a kom-ponentem
kwadraturowym na osi y, co daje tzw. konstelację. Taki obraz nazywany jest teŜ płasz-
5
ZIGBEE – PROTOKÓŁ TRANSMISJI BEZPRZEWODOWEJ ...
czyzną zespoloną z komponentami rzeczywistymi (fazowymi) na osi x oraz urojonymi
(kwadraturowymi) na osi y.
Tabela 2. Przyporządkowanie symbolom 32- elementowych reprezentantów
Wartości chip
Symbol danych Symbol danych
(dziesiętnie)
(c0 c1 ... c30 c31)
(binarnie)
(b0 b1 b2 b3)
0
0000
11011001110000110101001000101110
...
...
...
14
0111
10010110000001110111101110001100
15
1111
11001001011000000111011110111000
2TC
c0
Faza I
c2
c4
c1
c3
TC
Faza Q
c6
c30
c5
c31
Rys. 5. Fazy I/Q (O-QPSK) przy transmisji sekwencji komponentów dla symbolu „0”
Standard IEEE definiuje następujące 4 rodzaje ramek:
• ramka danych (ang. Data Frame),
• ramka potwierdzająca poprawny odbiór (ang. Acknowledgement Frame),
• ramka sygnału nawigacyjnego (ang. Beacon Frame),
• ramka rozkazowa (ang. MAC Command Frame).
Bajty:
Warstwa
MAC
2
1
4 do 20
n
2
FC
DSN
AI
DP
FCS
MSDU
MFR
MHR
Bajty:
Warstwa
PHY
4
1
PS
SFD
SHR
1
5 + (4 do 20) + n
FL
MPDU
PHR
PSDU
11 + (4 do 20) + n
PPDU
Rys. 6. Ramka danych; FC - Frame Control, DSN – Data Sequence Number, AI – Address
Information, DP – Data Payload, FCS – Frame Check Sequence, MHR – MAC Header,
MSDU – MAC Service Data Unit, MFR – MAC Footer, PS – Preamble Sequence, SFD –Start
of Frame Delimiter, FL – Frame Length, MPDU - MAC Protocol Data Unit, SHR –
Synchronization Header, PHR – PHY Header, PSDU – PHY Servis Data Unit, PPDU – PHY
Protocol Data Unit
6
Z. KUBIAK
Warstwa
MAC
Bajty:
2
1
2
FC
DSN
FCS
MFR
MHR
Warstwa
PHY
Bajty:
4
1
PS
SFD
SHR
1
5
FL
MPDU
PHR
PSDU
PPDU
Rys. 7. Ramka potwierdzająca poprawny odbiór
Warstwa
MAC
Bajty:
2
1
4 lub 10
1
k
m
FC
BSN
SAI
SS
GTSF
PAF
MSDU
MHR
Warstwa
PHY
Bajty:
4
1
PS
SFD
SHR
n
BP
2
FCS
MFR
7 + (4 lub 10) + k + m + n
1
FL
MPDU
PHR
PSDU
13 + (4 do 20) + k + m +n
PPDU
Rys. 8. Ramka sygnału nawigacyjnego; BSN – Beacon Squence Number, SAI – Scr. Address
Information, SS – Superframe Specification, GTSF – GTS (Guaranteed Time Slot) Fields,
PAF – Pending Address Fields, BP – Beacon Payload
Warstwa
MAC
Bajty:
2
1
FC
DSN
4 do 20
1
AI
CT
MHR
Warstwa
PHY
Bajty:
4
1
PS
SFD
SHR
1
6 + (4 do 20) + n
FL
MPDU
PHR
n
2
CP
FCS
MSDU
MFR
PSDU
12 + (4 do 20) + n
PPDU
Rys. 9. Ramka rozkazowa MAC; CT – Command Type, CP – Command Payload
Ramki MAC (MPDU) rozpoczynają się od pola sterującego ramki FC, które określa
między innymi typ ramki, tryb adresowania źródła i celu (16-bitowy lub 64-bitowy)
a takŜe czy wymagane jest potwierdzenie. Kolejnym polem jest numer sekwencyjny SN
(DSN, BSN). Specyfikuje on unikatowy identyfikator ramki, co zapewnia kontrolę ruchu
ramek. W kaŜdej ramce MAC występuje równieŜ pole kontrolne FCS zawierające
16-bitowe słowo CRC (ang. cyclic redundancy check), pozwalające na weryfikację
integralności zawartości ramki. Kontrola obejmuje pola MHR i MSDU. Do wyznaczania
słowa kontrolnego wykorzystywany jest wielomian generujący 16-tego stopnia:
G 16 ( x ) = x 16 + x 12 + x 5 + 1
(1)
Wartość FCS jest resztą z dzielenia wielomianu reprezentującego zawartość pół MHR
i MSDU przez wielomian generujący G16 ( x ) .
Pozostałe pola występują opcjonalnie w zaleŜności od typu ramki. Pole adresowe AI
zawiera identyfikator docelowej sieci PAN, adres celu, identyfikator sieci źródłowej
i adres źródła. Całkowita długość ramki MSDU nie moŜe przekroczyć 127 bajtów.
Z tego wynika ograniczenie pola danych DP. Jednostka MSDU moŜe osiągnąć maksymalnie rozmiar 118 bajtów.
ZIGBEE – PROTOKÓŁ TRANSMISJI BEZPRZEWODOWEJ ...
7
W ramce rozkazowej dodatkowo występuje pole typu rozkazu CT. Aktualnie zdefiniowano 9 typów rozkazów.
W ramce nawigacyjnej dodatkowo występują pola: specyfikacji super-ramki SS,
gwarantowanych szczelin czasowych GTS, pole oczekiwanych adresów PAF.
W warstwie fizycznej, ramka warstwy MAC (MPDU) jest uzupełniana o nagłówek
synchronizacyjny SHR oraz o nagłówek warstwy fizycznej PHR, tworząc ramkę PPDU.
SHR zawiera preambułę PS słuŜącą do synchronizacji odbiorców i bajt SFD, który jest
znacznikiem początku ramki. PHR zawiera tylko pole FL, określające długość ramki
MAC.
Sieć LR-WPAN [1] moŜe funkcjonować w trybie tzw. super-ramki (rys. 10). W trybie tym koordynator sieci, zwany koordynatorem PAN transmituje sygnalizatory superramki w z góry określonych przedziałach czasowych. Przedziały te mogą być zmieniane
w szerokich granicach od 15ms do 252s. Miedzy dwoma sygnalizatorami wyodrębniony
zostaje obszar aktywny, podzielony jest na 16 równych czasowo szczelin, niezaleŜnie od
czasu trwania całej ramki. Dostęp do medium w szczelinach czasowych jest oparty na
rywalizacji, jednakŜe koordynator PAN moŜe wyznaczyć szczeliny czasowe konkretnemu urządzeniu, które wymaga dedykowanej szerokości pasma lub transmisji o małych
opóźnieniach. Tak przygotowane szczeliny czasowe nazywane są GTS i określają okres
czasu dostępu dla danego urządzenia bez rywalizacji. Rozmiar tego okresu moŜe ulegać
zmianie, zaleŜnie od zgłaszania potrzeb przez urządzenia w sieci. Kiedy GTS jest uruchomiony, wszystkie urządzenia muszą zakończyć oparte na rywalizacji transakcje przed
początkiem okresu GTS. Początek oraz trwanie tegoŜ okresu jest komunikowane
wszystkim urządzeniom w sieci poprzez koordynatora PAN.
Sygnalizator
Sygnalizator
CAP
CFP
GTS
GTS
Brak aktywności
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15
BI = aBaseSuperframeDuration ∗ 2BO symboli,
aktywność
dla 0 ≤ BO ≤ 14
SD = aBaseSuperframeDuration ∗ 2SO symboli, dla 0 ≤ SO ≤ BO ≤ 14
Rys. 10. Przykład struktury super-ramk; BI – Beacon Interval, BO – macBeaconOrder, SO –
macSuperframeOrder, SD – Superframe Duration, GTS – Guaranteed Time Slot
Parametry BO i SO (rys. 10) określane są w ramce sygnału nawigacyjnego, a wyraŜenie aBaseSuperframeDuration jest stałą warstwy MAC. JeŜeli super-ramka nie ma być
uŜywana, wtedy BO oraz SO naleŜy ustawić na wartość 15.
Warstwa MAC zapewnia duŜą elastyczność przy obsłudze róŜnych typów komunikacji w sieci, takich jak przesyłanie danych okresowych (okres wynikający, np. z procesu
technologicznego), danych o charakterze stochastycznym (np. przekroczenie poziomu,
temperatury czy zmiana stanu włącznika) oraz danych dla których wymagany jest krótki
czas obsługi.
LR-WPAN uŜywa dwóch typów mechanizmów dostępu do medium, zaleŜnych od
konfiguracji sieci. W sieciach bez włączonej sygnalizacji stosowany jest bezszczelinowy
mechanizm wielodostępu z badaniem stanu nośnika z unikaniem kolizji CSMA-CA
(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance). Za kaŜdym razem gdy węzeł
zamierza transmitować ramki danych lub rozkazów MAC, musi odczekać pewien
8
Z. KUBIAK
losowy okres. Jeśli kanał nie jest zajęty, węzeł badając stan medium, rozpoczyna transmisję. Jeśli kanał jest zajęty, węzeł wykrywa kolizję, czeka pewien losowy okres i
ponawia próbę dostępu do kanału. Ramki potwierdzenia wysyłane są natychmiast, bez
uŜycia mechanizmu CSMA-CA. W sieciach z włączoną sygnalizacją super-ramek
uŜywany jest szczelinowy mechanizm CSMA-CA dostępu do kanału, gdzie zorganizowane są kolejne szczeliny czasowe, rozpoczynając od sygnalizatora. Za kaŜdym razem
gdy węzeł zamierza transmitować ramki danych w obszarze rywalizacji CAP, losowo
wybiera szczelinę. Jeśli kanał jest zajęty, węzeł pomija losowo wybraną liczbę szczelin i
ponawia próbę dostępu. Jeśli kanał jest wolny, węzeł moŜe rozpocząć nadawanie od
najbliŜszej szczeliny. Ramki potwierdzenia i nawigacyjne wysyłane są bez mechanizmu
CSMA-CA.
Zalecenia ZigBee do specyfikacji IEEE 802.15.4 dodają sieci logiczne w tym problematykę trasowania (sieci multi-hop), bezpieczeństwo transmisji oraz oprogramowanie
szkieletowe stanowiące interfejs dla warstwy aplikacyjnej. LR-WPAN moŜe działać w
dwóch podstawowych topologiach: gwiazda (ang. star) i „kaŜdy z kaŜdym” (ang. peer to
peer). Są to sieci tzw. pojedynczego skoku (ang. one-hop), gdzie węzły źródła i celu
informacji mają bezpośredni kontakt. KaŜda sieć zawiera jeden szczególny węzeł, tzw.
Koordynator PAN (ZigBee), który musi być urządzeniem typu FFD. W sieci o konfiguracji gwiazdy, węzły mogą komunikować się tylko z Koordynatorem PAN, natomiast w
sieci peer-to-peer, kaŜdy węzeł moŜe połączyć się z dowolnym innym, który znajduje się
w jego zasięgu radiowym.
Koordynator ZigBee (FFD)
Ruter ZigBee (FFD)
Węzeł końcowy ZigBee (FFD lub
RFD)
Połączenia typu gwiazda (ang. Star Link)
Połączenia typu siatka (ang. Mesh Link)
Rys. 11. Przykładowa sieć ZigBee
Dalsze struktury mogą stanowić rozwinięcie topologii peer-to-peer. Przykładem moŜe być topologia siatki (ang. mesh) lub drzewo klasterów (ang. cluster-tree). W takich
sieciach większość węzłów stanowią urządzenia typu FDD. Węzły typu RFD mogą
występować jako urządzenia końcowe. Drzewo klasterów jest połączeniem grup węzłów
(klasterów), z których kaŜdy oznaczony jest identyfikatorem CID (ang. cluster identifier)
oraz zawiera główny węzeł CLH (ang. cluster head). Tylko jeden klaster zawiera Koordynator PAN.
ZigBee umoŜliwia tworzenie złoŜonych sieci logicznych z komunikacją wielokrotnych przeskoków (ang. multi-hop), co oznacza, Ŝe nie wszystkie stacje znajdują się
we wzajemnym zasięgu, a zatem moŜe się zdarzyć, Ŝe transmisja będzie wymagała
wykorzystania węzłów pośredniczących, przekazujących ruch od nadawcy w kierunku
odbiorcy. Wymaga to realizacji algorytmów trasowania. Jednym z rozwiązań jest algo-
9
ZIGBEE – PROTOKÓŁ TRANSMISJI BEZPRZEWODOWEJ ...
rytm rutowania obsługi drzewa klasterów; drugi to wersja algorytmu AODV (ang. Ad
hoc On Demand Distance Vector).
Bajty: 2
2
2
1
1
Zmienne pole
Adres
Adres
Promień
Numer
Sterowanie
Ładunek ramki
docelowy źródłowy
pola
sekwencyjny
ramki
Pola rutowania
Nagłówek NWK (warstwy sieciowej)
Ładunek NWK
Rys. 12. Ramka ZigBee na poziomie warstwy sieciowej NWK (ang. Network Layer)
Ramka warstwy sieciowej NWK (rys. 12) stanowi ładunek ramki warstwy MAC.
Zawiera niezbędne pola dla realizacji operacji trasowania. Pola adresowe w tej ramce
zostały ograniczone do zakresu 16-bitowego.
SYNC
PHY
HDR
MAC
HDR
NWK
HDR
Nagłówek
pomocniczy
Zaszyfrowany
Ładunek NWK
MIC
Rys. 13. Ramka ZigBee zabezpieczonej na poziomie NWK
Zabezpieczenie ramki ZigBee moŜe być realizowane na róŜnych poziomach modelu
warstwowego, tzn. na poziomie warstwy MAC, na poziomie NWK (rys. 13) lub na
poziomie podwarstwy wsparcia aplikacji APS (ang. Application Support sublayer).
Na rys. 13 przedstawiono ramkę ZigBee zabezpieczoną na poziomie NWK. Ładunek
ramki MAC stanowią nagłówek NWK, nagłówek pomocniczy, zaszyfrowany ładunek
NWK oraz pole MIC (ang. Message Integrity Code). Dane szyfrowane są przy pomocy
algorytmu AES-128, uwaŜanego za skuteczną technikę zapewniającą poufność informacji. Pole MIC jest zaszyfrowanym polem kontroli integralności danych, obejmującym
nagłówek NWK, nagłówek pomocniczy oraz zaszyfrowany ładunek ramki NWK. Ta
metoda zabezpiecza przed podrabianiem i odtwarzaniem ramki.
3. Uwagi końcowe
Sieci oparte na standardzie ZigBee/IEEE 802.15.4 zaliczone zostały przez autorów
normy [1] do klasy tzw. niskiej prędkości, osobistych sieci bezprzewodowych
LR-WPANs (ang. Low-Rate Wireless Personal Area Networks) co znalazło odzwierciedlenie w jej tytule. Przedstawiony opis standardu został ograniczony tylko do wybranych
zagadnień bardzo obszernego opisu standardu. Porównanie ZigBee z innymi standardami sieci bezprzewodowych przedstawiono w tabeli 1.
Rosnące w szybkim tempie zainteresowanie tą klasą sieci wkrótce znajdzie odzwierciedlenie w aplikacjach między innymi dla przemysłu i ochrony środowiska. Zadecydują
o tym takie zalety węzłów sieci pracujących w standardzie ZigBee jak moŜliwość pracy
przy niskiej mocy nadawania w warunkach duŜych zakłóceń radiowych (dzięki modulacji O-QPSK), niewielkie zapotrzebowanie na energię, co oznacza moŜliwość działania
przy zasilaniu bateryjnym nawet kilka lat, a ponadto wysoki poziom bezpieczeństwa
dzięki zastosowaniu rozwiązań zapewniających integralność (CRC, MIC) oraz poufność
(AES-128) przesyłanych danych. WaŜnym atutem jest równieŜ niski koszt instalacji,
eksploatacji i serwisowania węzłów.
10
Z. KUBIAK
Tabela 3. Porównanie standardów sieci bezprzewodowych
Nazwa
Standard
TM
TM
GPRS/GSM
1xRTT/CDMA
WiFi
802.11b/ag
Pasmo (GHz)
0,9 / 1,8
2,4 / 5
2,4
Zasoby systemu
>16MB
>1MB
1 -7
0,5 - 5
1
Zasilanie bateryjne (dni)
Rozmiar sieci
Topologia
Szybkość transmisji (kb/s)
Bluetooth
802.15.1
TM
TM
ZigBee
802.15.4
UWB
802.15.3
0,868 (Europa)
0,915 (Ameryka)
2,4
3,1 – 10,6
>250kB
4kB – 32kB
<30kB
1-7
100 – 1000+
<3
32
7
255 / 65 000
~ nielimitowany
236
Punkt- punkt
Punktwielopunkt
Ad hoc
piko sieci
Ad hoc, gwiazda,
peer-to-peer, siatka
Peer-to-peer
100k – 500k
64 – 128+
11k / 54k
720
20 - 250
Zasięg (m)
>1000
1 - 100
1 – 10+
1 – 100+
<10m
Główne zalety
Zasięg,
jakość
Szybkość,
elastyczność
Koszt,
wygoda
Niezawodność,
moc, koszt
Szybkość,
koszt
Podstawowe
zastosowania
Przekazywanie
głosu i danych
Web, email,
wideo
PC
Zamiast kabli
Monitorowanie
I sterowanie
Domowy sprzęt
RTV, PC, USB
Bibliografia
[1] IEEE Std 802.15.4™, Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and
Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs). Nowy Jork, IEEE, 2003
[2] ZigBee™ Alliance, ZigBee Specification, document 053474r06, Version 1.0.
ZigBee Standards Organization, 2005
[3] Sinem, C. E. ZigBee/IEEE 802.15.4 Summary. Berkeley, 2004
[4] SmartRF® CC2420 Preliminary Datasheet (rev 1.2). 2,4 GHz IEEE 802.15.4 /
ZigBee-ready RF Transceiver. Chipcon, 2004
[5] Roshan, P., Leary, J. Bezprzewodowe sieci LAN 802.11. Podstawy. Warszawa,
Mikom, 2004
[6] Kubiak, Z., Olszak, A., Szloser A. Materiały wewnętrzne. Poznań, Instytut Informatyki PP, 2004
[7] www.zigbee.org
ZIG BEE - W IRELESS T RANSM ISSIO N PRO T O CO L FO R
INDUST RIAL SY ST EM S
Summary. A subject of the paper is recently elaborated and standarized protocol ZigBee.
It determines the principles of communication in so-called Wireless Personal Area Networks. Among other things it is provided for industrial applications, including also systems
working in environment protection. ZigBee is based on IEEE 802.15.4 standard.