Анализ технологий сенсорных сетей

Такой прикладной профиль беспроводной связи обеспечивает взаимодействие между различными поставщиками интеллектуальных электросчетчиков, «умных» садовых устройств и коммуникационными устройствами при создании инфраструктуры сертифицируемых профилей связи интернет-совместимых NAN-сетей.

Появление прикладных профилей ZigBee является отражением общей тенденции развития беспроводных сенсорных сетей - сегментации и специализации по прикладным областям и решаемым задачам.

В связи с рассмотренным примером следует упомянуть опубликованный в сентябре 2007 г. стандарт 6LoWPAN (от англ. IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) - стандарт взаимодействия по протоколу IPv6 поверх маломощных беспроводных персональных сетей стандарта IEEE 802.15.4, а также одноименную рабочую группу IETF, разработавшую этот стандарт. Базовая спецификация этого стандарта содержится в документе RFC 4944 [19].

Основной целью разработчиков стандарта 6LoWPAN было обеспечить взаимодействие беспроводных персональных сетей IEEE 802.15 с широко распространёнными сетями IP. 6LoWPAN ориентируется на приложения, которые требуют беспроводного подключения к интернету с низкой скоростью передачи данных для устройств с ограниченными возможностями производительности и мощности. Например, автоматизация дома, офиса и производства. Хотя такие сети могут работать автономно, обеспечение подключения к Интернету может позволить разработчикам предоставить новые возможности при управлении такой сетью.

Как и все сетевые уровни, отображаемые IP, 6LoWPAN поддерживает множество функций. Из-за различий между IPv6 и IEEE 802.15.4 при разработке стандарта потребовалась разработка адаптационного уровня, а также множество других решений.



2. Обзор и анализ существующих технологий сенсорных сетей

2.1 Сетевая модель взаимосвязи открытых систем

Как уже отмечалось в основе создания WSN сетей лежит семиуровневая модель OSI. Коротко рассмотрим основное содержание этой основополагающей модели.

Сетевая модель OSI (Open Systems Interconnection Basic Reference Model) - базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем или сетевая модель стека протоколов OSI/ISO, регламентированная отечественным ГОСТ Р ИСО/МЭК 7498-1-99.

На рисунке 2.1 показано схематическое изображение рассматриваемой модели.

Рисунок 2.1 - Семь уровней эталонной модели и протоколы равноправных логических объектов [17]

Обычно описание уровней модели OSI начинают с верхнего, 7-го уровня, называемого прикладным, на котором пользовательские приложения обращаются к сети. Самый нижний уровень - первый, называется физическим, на нем определены стандарты, регламентирующие требования к средам передачи данных.

Любой протокол модели OSI должен взаимодействовать либо с протоколами своего уровня, либо с протоколами на единицу выше и/или ниже своего уровня. Взаимодействия с протоколами своего уровня называются горизонтальными, а с уровнями на единицу выше или ниже - вертикальными. Любой протокол модели OSI может выполнять только функции своего уровня и не может выполнять функций другого уровня, что не выполняется в протоколах альтернативных моделей.

Каждому уровню модели с некоторой долей условности можно поставить в соответствие свое сообщение - логически неделимый элемент данных, операнд, которым на данном уровне можно оперировать в рамках модели и используемых протоколов. Так, на физическом уровне такой единицей является бит, который на канальном уровне объединяется с другими битами в кадры, на сетевом уровне кадры объединяются в пакеты (датаграммы), на транспортном - пакеты составляют сегменты. Именно сообщения в общем виде являются операндами сеансового, представительского и прикладного уровней. К базовым сетевым технологиям относятся физический и канальный уровни.

Прикладной уровень (Application Layer) - верхний уровень модели, обеспечивающий взаимодействие пользовательских приложений с сетью:

позволяет приложениям использовать сетевые службы:

предоставляет удаленный доступ к файлам и базам данных,

пересылает электронную почту;

отвечает за передачу служебной информации;

предоставляет приложениям информацию об ошибках;

формирует запросы к уровню представления.

Уровень представления (Presentation Layer) обеспечивает преобразование протоколов и шифрование/дешифрование данных. Запросы приложений, полученные с прикладного уровня, на уровне представления преобразуются в формат для передачи по сети, а полученные из сети данные преобразуются в формат приложений. На этом уровне может осуществляться сжатие/распаковка или кодирование/декодирование данных, а также перенаправление запросов другому сетевому ресурсу, если они не могут быть обработаны локально.

Уровень представлений обычно представляет собой промежуточный протокол для преобразования информации из соседних уровней. Это позволяет осуществлять прозрачный обмен между приложениями, выполняемыми в разнородных системах. Уровень представлений обеспечивает форматирование и преобразование кода. Форматирование кода используется для того, чтобы гарантировать приложению поступление имеющих для него смысл данных. При необходимости этот уровень может выполнять перевод из одного формата данных в другой.

Уровень представлений имеет дело не только с форматами и представлением данных, он также занимается структурами данных, которые используются программами. Таким образом, уровень представления обеспечивает организацию данных при их пересылке.

Сеансовый уровень (Session Layer) обеспечивает поддержание сеанса связи, позволяя приложениям взаимодействовать между собой длительное время. Уровень управляет созданием/завершением сеанса, обменом информацией, синхронизацией задач, определением права на передачу данных и поддержанием сеанса в периоды неактивности приложений.

Транспортный уровень (Transport Layer) предназначен для обеспечения надежной передачи данных от отправителя к получателю. При этом показатель надежности может варьироваться в широких пределах. Существует множество классов протоколов транспортного уровня, начиная от протоколов, предоставляющих только основные транспортные функции (например, функции передачи данных без подтверждения приема), и заканчивая протоколами, которые гарантируют доставку в пункт назначения нескольких пакетов данных в надлежащей последовательности, мультиплексируют несколько потоков данных, обеспечивают механизм управления потоками данных и гарантируют достоверность принятых данных. Например, протокол TCP обеспечивает надежную непрерывную передачу данных, исключающую потерю данных или нарушение порядка их поступления. Он может перераспределять данные, разбивая большие порции данных на фрагменты и, наоборот, склеивая фрагменты в один пакет.

Сетевой уровень (Network Layer) предназначен для определения пути передачи данных. Он отвечает за трансляцию логических адресов и имен в физические адреса, производит определение кратчайших маршрутов, коммутацию и маршрутизацию, отслеживание неполадок и «заторов» в сети.

Протоколы сетевого уровня маршрутизируют данные от источника к получателю. Работающие на этом уровне устройства называют маршрутизаторами. Итнернет протоколы сетевого уровня: IP/IPv4/IPv6.

Канальный уровень (Data Link Layer) предназначен для обеспечения взаимодействия сетей на физическом уровне, управления этим взаимодействием и контроля за возникающими там ошибками. Полученные с физического уровня данные, представленные в битах, на канальном уровне упаковываются в кадры, проверяются на целостность и, если нужно, для исправления ошибок формируются повторные запросы поврежденного кадра. Затем данные отправляются на сетевой уровень.

Спецификации IEEE 802 разделяют этот уровень на два подуровня: MAC (Media Access Control), который регулирует доступ к разделяемой физической среде, LLC (Logical Link Control), который обеспечивает обслуживание сетевого уровня. На этом уровне работают коммутаторы, мосты и другие аналогичные устройства.

Физический уровень (Physical Layer) - нижний уровень модели, который определяет метод передачи данных, представленных в двоичном виде, от одного устройства к другому. На этом уровне электрические, оптические и другие сигналы передаются в среду передачи и, соответственно, затем осуществляется их прием и преобразование в биты данных в соответствии с методами кодирования цифровых сигналов.

Систематизированное описание уровней приведено в таблице 2.1.



Таблица 2.1 - Модель OSI

Тип данных	Уровень	Функции
Данные	7. Прикладной	Доступ к сетевым службам
Поток	6. Уровень представления	Представление и шифрование данных
Сеансы	5. Сеансовый	Управление сеансом связи
Сегменты	4. Транспортный	Прямая связь между конечными пунктами и надежность
Пакеты / Датаграммы	3. Сетевой	Определение маршрута и логическая адресация
Кадры	2. Канальный	Физическая адресация
Биты	1. Физический	Работа со средой передачи, сигналами и двоичными данными

В качестве иллюстрации к изложенному материалу на рисунке 2.2 приведена конфигурация стека протоколов ZigBee.

Рисунок 2.2 - Конфигурация стека протоколов ZigBee [1]

2.2 Общий анализ технологий БСС

Перед началом общего анализа существующих технологий построения беспроводных сенсорных сетей (БСС) сформулируем основные критерии, которым должны удовлетворять такие сети.

1. Сеть предназначена для сбора данных с различного рода датчиков (сенсоров), встроенных в радиомоты или просто моты, в центр сбора данных/управления БСС. При этом должна быть предусмотрена возможность передачи команд управления и другой исходящей информации на радиомоты.

Из этого критерия следует, что входящий и исходящий первичные трафики сети будут, как правило, несимметричными. Например, на моты, содержащие датчики температуры, влажности, освещенности команды дистанционного управления могут вообще не передаваться.

2. Сеть должна иметь возможность развертывания в произвольную пространственную конфигурацию с конечным, но не фиксированным количеством мотов. При этом после развертывания возможны перемещения одних мотов относительно других.

Структура системы сбора телеметрической информации на основе БСС приведена на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 - Система сбора телеметрической информации на основе БСС

3. Энергоэффективность мотов должна быть максимально высокой.

Поскольку сеть - беспроводная, то моты должны иметь автономные встроенные источники питания. Энергоемкость передачи/приема одного бита первичной информации должна быть минимальной. В идеальном случае при отсутствии первичного трафика энергопотребление мотов должно быть равно нулю. Это означает, что служебный и ретрансляционный трафики в сети должны быть минимально возможными. В свою очередь, срок службы источника питания должна быть максимально возможной.

4. Стоимость передачи/приема одного бита первичной информации должна быть минимальной.

С точки зрения системных требований этот критерий во многом перекликается с предыдущим. Дополнительное требование - простота устройства мотов и максимально возможный уровень их микроминиатюризации.

5. Надежность сети должна быть максимально высокой.

Этот критерий означает, что каждый мот должен передавать/принимать информацию в течение всего своего жизненного цикла. При этом выход из строя отдельных мотов не должен сказываться на работоспособности сети и оставшихся работоспособными мотов.

6. Сеть не должна быть частотно лицензируемой.

Для Российской Федерации это означает, что сеть должна работать в нелицензируемом частотном диапазоне 2,405ч2,485 ГГц. В данном диапазоне определены 16 каналов шириной 5 МГц с несущими частотами, вычисляемыми в соответствие с выражением (2.1):

Fc = 2405 + 5 (k - 1) МГц, k = 1,…,16. (2.1)

Перечисленный перечень критериев не является исчерпывающим, и, тем более, не имеющим внутренних противоречий. В него не включены требования по скорости и дальности передачи информации, поскольку эти требования для БСС имеют технический характер. При этом подъем выше минимально необходимого порога этих параметров, т.е. увеличение потенциальных возможностей БСС по производительности и дальности, вступает в прямое противоречие с критериями 3 и 4.

Тем не менее, традиционно протоколы связи сравниваются между собой в системе координат дальность передачи - скорость передачи, что иллюстрирует рисунок 2.4.

Из этого рисунка видно, что стандарт IEEE 802.15.4 занимает обособленную нишу радиоинтерфейсов, которую до 2003 г. заполняли либо технологии с более высокими техническими характеристиками и, соответственно, более дорогие, либо частные решения, не имеющие под собой стандартизированной базы и базирующиеся на электронных компонентах различных производителей.

Рисунок 2.4 - Место стандарта IEEE 802.15.4 среди радиоинтерфейсов [6]

Важное место при создании БСС играет топология сети. По числу главных узлов все сети разделяются на две группы (см. рисунок 2.5):

с одним главным узлом (single-hop). Используется, когда мощность передатчика узла достаточна для передачи сигнала к базовой станции.

с несколькими главными узлами (multi-hop). В данной топологии некоторые узлы не только собирают информацию о наблюдаемом процессе, но и ретранслируют / собирают информацию от других узлов.

Рисунок 2.5 - Классификация БСС по количеству главных узлов

Основные варианты топологии БСС показаны на рисунке 2.6 [12]

Рисунок 2.6 - Виды топологии БСС [12]

Из рисунка 2.6 видно, что для реализации концепции «Умная пыль» со случайным пространственным расположением мотов подходит практически только одна топология - «Сеть». Это значит, что такие БСС в подавляющем большинстве случаев должны являться Mesh- сетями. Поэтому такие сети могут строиться на базе низкоскоростной части стандарта IEEE 802.15.5-2009. Как уже отмечалось в подразделе 1.2, низкоскоростные Mesh-сети строятся на основе стандарта IEEE 802.15.4-2006 MAC.

Для реализации концепции «Интернет вещей» число возможных вариантов топологии больше. В настоящее время основными конкурирующими технологиями построения БСС можно считать: технологию Z-Wаve, представляющую пример проприетарного (частного запатентованного) решения, технологию Блютус с низким энергопотреблением, а также технологию ZigBee/IEEE 802.15.4.

Рассмотрим особенности этих технологий более подробно.

2.3 Технология Z-Wave

Z-Wave является запатентованным беспроводным протоколом связи, разработанным для домашней автоматизации, в частности для контроля и управления на жилых и коммерческих объектах.

Домашняя автоматизация позволяет объединить все инженерные системы, работающие от электричества, такие как освещение, отопление, приготовление еды, кондиционирование, безопасность и др. между собой и осуществляет автоматизацию этих функций. Это приводит к повышению уровня безопасности и комфорта в домах и офисах, к экономии электроэнергии и других коммунальных ресурсов.

Технология Z-Wave использует маломощные и миниатюрные радиочастотные модули, которые встраиваются в бытовую электронику и различные устройства, такие как освещение, отопление, контроль доступа, развлекательные системы и бытовую технику.

Z-Wave использует полосу ISM (Industrial-Scientific-Medical) в Европе, которая открыта для различных индустриальных и научных целей. Частота составляет 868,42 МГц и соответствует длине волны приблизительно 34 см. Для других регионов частотный диапазон: 869,0 МГц (Россия), 908,42 МГц (США), 919,82 МГц (Гонконг), 921,42 МГц (Австралия / Новая Зеландия).

Система работает с пиковой мощностью передачи не более 10 мВт в течении короткого времени. Это соответствует средней мощности излучения всего лишь в 1 мВт. На расстоянии 1 м степень воздействия на человеческий организм радиосигнала Z-Wave приблизительно в 4000 раз меньше излучения мобильного телефона.

Скорость передачи данных 9,6 кбит/с или 40 кбит/с, доработанная версия протокола, с полной совместимостью. Вид модуляции - частотная модуляция с гауссовой фильтрацией (GFSK - Gaussian Frequency Shift Keying). Радиус действия около 30 метров в условиях прямой видимости, в помещении уменьшается в зависимости от формы и материала стен.

Каждый узел беспроводной сети должен иметь уникальный идентификатор, чтобы отличать его от других узлов в сети. Протокол Z-Wave определяет два идентификатора для организации сети:

главный идентификатор (Home ID) - общий идентификатор длиной 32 бита для всех узлов, принадлежащих одной Z-Wave сети;

идентификатор узла (Node ID), являющийся адресом одного узла в сети. Идентификатор узла имеет длину 1 байт = 8 бит.

Узлы с разными главными идентификаторами не могут общаться друг с другом. В рамках одной сети, определяемой одним Home ID, нельзя иметь два узла с одинаковыми ID.

В сети Z-Wave существуют два основных типа устройств

контроллеры - устройства, которые могут управлять другими Z-Wave устройствами;

slave-узлы (испольнительные узлы) - устройства, которые находятся под контролем других Z-Wave устройств.

Slave-узлы подразделяются на стандартные и маршрутизируемые Slave-узлы. Маршрутизируемые Slave-узлы - узлы с расширенными функциями маршрутизации, которые обусловлены частичным знанием таблицы маршрутизации. У стандартных Slave-узлов такой информации нет.

Контроллеры имеют уникальный индивидуальный главный идентификатор (Home ID), созданный на заводе-изготовителе. Исполнительные узлы не имеют определенного Home ID. Поэтому контроллеры могут передавать свой Home ID другим Z-Wave устройствам и добавлять их в свою Z-Wave сеть.

Контроллеры могут отправлять сообщения всем требуемым узлам в сети, когда необходимо и связываться с кем необходимо. Стандартные slave-узлы не могут отправлять незапрашиваемые сообщения, а только отвечают на запросы (slave-узел должен говорить только то, что просят). Маршрутизируемые slave-узлы могут отвечать на запросы, и они имеют право рассылать сообщения заранее предопределенным контроллером узлам.

Каждый узел имеет возможность определить, какие узлы находятся в его прямой беспроводной видимости. Эти узлы называются соседями. При включении, а затем по запросу, узел может сообщить контроллеру о своем списке соседей. Используя эту информацию, контроллер строит таблицы маршрутизации, которые содержат информацию о всех возможных маршрутах связи в сети Z-Wave.

Таблица маршрутизации основного контроллера всегда показывает фактическое состояние сети после включения устройства. Контроллер знает всю топологию сети, и поэтому всегда может найти действительный путь соединения с требуемым узлом (предполагается, что таблица маршрутизации корректна и обновляется). Сначала контроллер будет стараться передать сообщения напрямую к узлу назначения. Если это невозможно, он будет использовать таблицу маршрутизации, чтобы найти другой наиболее оптимальный путь. Контроллер может выбрать до трех альтернативных маршрутов и попытаться отправить сообщение с помощью них. Только если все три маршрута не будут работать, и контроллер не получит подтверждение от узла-получателя, он выдаст ошибку.

Таким образом, в основе топологии Z-Wave лежит ячеистая mesh-сетевая технология, в которой каждый узел может принимать и передавать управляющие сигналы другим устройствам сети, используя цепочку смежных узлов. Например, при возникновении преграды или мертвой радиозоны между двумя соседними узлами сети, сигнал пойдет через смежные узлы, находящиеся в радиусе действия узла, потерявшего связь.

Устройства могут общаться друг с другом с помощью промежуточных узлов и обходить препятствия или мертвые радиозоны. Сообщение от узла A к узлу C может быть успешно доставлено, даже если два узла расположены не в радиусе действия связи, это осуществляется с помощью третьего узла B, который может взаимодействовать с узлами А и С. Если предпочтительный маршрут недоступен, контроллер будет пытаться связаться с требуемым узлом другими маршрутами. Таким образом, радиус действия сети Z-Wave может быть намного больше, чем дальность передачи одного узла.

Z-Wave может пересылать сообщения через четыре повторяющих узла. Это является компромиссом между размером сети и стабильностью, а также максимально допустимым временем доставки сообщения в сети.

Пример mesh-маршрутизации с использованием нескольких ретрансляторов показан на рисунке 2.7.

Рисунок 2.7 - Маршрутизация с использованием нескольких ретрансляторов

Для того, чтобы slave-узлы имели возможность ретранслировать не запрашиваемые ими данные, они должны быть постоянно активны. Поэтому узлы с питанием от батареек, находящиеся преимущественно в спящем режиме, не предназначены для работы в качестве устройств ретрансляции.

Одна сеть Z-Wave может содержать до 232 узлов с возможностью расширения сети с помощью мостов, если требуется включить еще несколько дополнительных узлов.

В последних версиях Z-Wave введен новый механизм исследования топологии сети. Так называемый «Проводник кадров» (explorer frames) может использоваться, чтобы восстанавливать нарушенные маршруты, вызванные перемещением или удалением устройств. Для передачи кадров исследования сети используется принцип дерева принятия решений с отсечением ветвей (pruning). Поэтому информация должна достичь целевого узла даже без истинного знания топологии сети контроллером. «Проводник кадров» используются в качестве последнего варианта маршрутизации, когда все другие попытки связаться с целевым узлом не удались.

Альянс Z-Wave - это открытый консорциум, объединяющий в настоящее время около 200 производителей, работающих на рынке домашней автоматизации и управления. К ним относятся также разработчики программного обеспечения и крупнейшие дистрибьютеры оборудования Z-Wave. Разработчик технологии Z-Wave - калифорнийская компания Zensys (США), которая в настоящее время принадлежит компании Sigma Designs.

Достоинствами Z-Wave являются гибкость, малое потребление энергии, низкая стоимость встраивания Z-Wave в различные бытовые устройства.

К недостаткам этой технологии относится низкая скорость передачи данных и ограничения на длительность передаваемых сообщений (порядка 1% рабочего времени), рассчитанные на передачу отдельных команд. Наряду с ограниченной масштабируемостью и отсутствием автономного электропитания это не позволяет строить на базе Z-Wave сети сбора данных.

2.4 Технология BLE

Главным достоинством технологии Блютус с низким энергопотреблением (BLE) является специальный алгоритм управления энергопотреблением. Устройства, использующие BLE, будут потреблять намного меньше энергии, чем другие Блютус-устройства предыдущих поколений. Во многих случаях одной миниатюрной батарейки типа «таблетка» будет достаточно для работы устройства более года. Таким образом, непрерывно работающие датчики (например, датчик температуры), смогут передавать информацию на другие устройства, такие как сотовый телефон или планшетный компьютер.

Технические параметры спецификации BLE приведены в таблице 2.2.

Таблица 2.2 - Техническая спецификация BLE

Наименовоание параметра	Классический Блютус	Блютус с низким энергопотреблением
Радиочастота	2,4 ГГц	2,4 ГГц
Дальность	100 м	50 м
Скорость передачи данных по воздуху	1-3 Мбит/с	1 Мбит/с
Пропускная способность	0,7-2,1 Mбит/с	0,26 Mбит/с
Ведомые устройства	7	Не предопределено
Безопасность	64/128-бит шифрование и определяемый пользователем прикладной уровень	128-бит шифрование AES Counter Mode CBC-MAC и определяемый пользователем прикладной уровень
Задержка включения	Обычно 100 мс	6 мс
Общее время передачи данных	100 мс	6 мс
Сертификация	Bluetooth SIG	Bluetooth SIG
Передача голоса	Да	Нет
Топология сети	Scatternet	Star-bus
Потребляемая мощность	1 Вт	От 0,01 Вт до 0,5 Вт (в зависимости от вариантов использования)
Максимальный потребляемый ток	< 30 мА	< 20 мА (макс. 15 мА для работы от батарейки)

Основными областями применения BLE являются устройства обеспечения безопасности, управления электроприборами и отображения показаний, датчики с батарейным питанием, домашние медицинские приборы, спортивные тренажеры.

К спецификации BLE проявляется большой интерес. В частности, рабочая группа 6LoWPAN рассматривает BLE как одну из значительных составляющих концепции «Интернет вещей» и приступила к разработке спецификации, позволяющей транслировать пакеты IPv6 посредством BLE, аналогично взаимодействию IPv6 со стандартом IEEE 802.15.4.

Как и классический стек протоколов Bluetooth, стек BLE состоит из двух основных частей: контроллера (Controller) и узла сети (Host). Контроллер включает в себя физический и канальный уровень и может быть реализован в виде системы-на-кристалле (СнК) с интегрированным беспроводным трансивером. Часть стека, именуемая узлом сети, реализуется программно на микроконтроллере приложений и включает в себя функциональность верхних уровней:

уровень логической связи (Logical Link Control - LLC);

протокол адаптации (Adaptation Protocol - L2CAP);

протокол атрибутов (Attribute Protocol - ATT);

протокол атрибутов профилей устройств (Generic Attribute Profile - GATT);

протокол обеспечения безопасности (Security Manager Protocol - SMP);

протокол обеспечения доступа к функциям профиля устройств (Generic Access Profile - GAP).

Взаимодействие между верхней и нижней частями стека осуществляется через интерфейс Host Controller Interface (HCI). Дополнительная функциональность прикладного уровня может быть реализована поверх уровня узла сети. Структура стека протоколов BLE представлена на рисунке 2.8.



Рисунок 2.8 - Стек протоколов Bluetooth Low Energy (BLE): [12]

а) структура стека; б) формат пакета данных BLE

Следует также отметить, что спецификация Блютус 4.0 предусматривает одно- и двухрежимную работу устройств. При этом однорежимные контроллеры Классического Блютус и BLE не совместимы. Для обеспечения совместимости контроллер должен быть двухрежимным. Что касается узлов сети, то они являются, как правило, однорежимными.

Устройства BLE работают в диапазоне 2,4 ГГц. В стандарте определено 40 частотных каналов с расстоянием в 2 МГц между каналами. На физическом уровне применена GFSK-модуляция (частотная модуляция с гауссовой фильтрацией) с индексом модуляции в пределах от 0,45 до 0,55, что позволяет уменьшить пиковое потребление энергии. Скорость передачи на физическом уровне 1 Мбит/с. В стандарте BLE чувствительность приемника определена как уровень сигнала на приемнике, при котором частота битовых ошибок (Bit Error Rate - BER) достигает уровня 10-3. Она должна составлять - 70 дБм или лучше.

На канальном уровне различают два типа каналов - каналы объявления и каналы данных. Каналы объявления используются для поиска устройств, установления соединения, широковещательных передач, тогда как каналы данных используются для двунаправленного обмена между устройствами.

Для каналов объявления выделено три частотных канала в центре полосы, что минимизирует перекрытие с каналами 1, 6 и 11 стандарта IEEE 802.11. Остальные 37 каналов используются для обмена данными. Для снижения влияния помех, многолучевого распространения, а также для снижения влияния соседних устройств при обмене данными предусмотрено скачкообразное переключение частоты.

В BLE для передачи широковещательных пакетов применяются каналы объявления. Любое устройство, передающее пакеты по этим каналам, называется объявителем. Передача пакетов по каналам объявлений происходит только в специально выделенных интервалах времени, которые называются событиями объявлений. Во время этих событий устройство-объявитель передает пакеты объявлений последовательно по каждому из трех частотных каналов. Устройства, единственной функцией которых является прием пакетов объявлений, называются сканерами.

Двунаправленный обмен между BLE-устройствами возможен только после установления соединения между ними. Создание нового соединения между двумя устройствами является асимметричной процедурой, в течение которой устройство-объявитель по каналам объявления сигнализирует о своей готовности к соединению. В это же время другое устройство (инициатор соединения) прослушивает данные каналы. Когда инициатор обнаруживает нужный объявитель, он может тому послать запрос на установление соединения (Connection Request). Объявитель по этому запросу устанавливает между ними соединение по каналу данных. С этого момента оба устройства могут осуществлять обмен данными. Пакеты, относящиеся к установленному соединению, будут отмечены сгенерированным случайным 32-битным кодом доступа.

Также как и в классическом варианте Блютус, в BLE для установленного соединения одно из устройств выступает в качестве ведущего (master), второе - ведомого (slave). В ходе процедуры установления соединения - это инициатор и объявитель, соответственно. Ведущее устройство может поддерживать несколько соединений с ведомыми, в то время как ведомое устройство может иметь только одно подключение к ведущему. Таким образом, BLE-устройство одновременно может принадлежать только одной пико-сети. В классическом Блютус ведомое устройство в свою очередь могло выступать в качестве ведущего устройства своей собственной пико-сети.

Для экономии энергии ведомое устройство по умолчанию находится в спящем состоянии, периодически просыпаясь для проверки наличия пакетов данных от ведущего. Ведущий определяет для своих ведомых устройств моменты времени, в которые ведомый просыпается для прослушивания канала, регулируя тем самым доступ устройств к среде передачи по схеме разделения времени (Time Division Multiple Access - TDMA).

После установления соединения физический канал передачи данных разделяется на неперекрывающиеся временные интервалы, называемые событиями соединения (connection events) или фреймами. В течение фрейма все пакеты передаются по одному частотному каналу. Каждый фрейм начинается с передачи пакета ведущим устройством. В том случае, если ведомое устройство получило пакет, оно должно послать пакет-подтверждение. В то же время подтверждения от ведущего устройства ведомому не требуется. Между двумя последовательными пакетами должен быть выдержан межкадровый интервал времени (Inter Frame Space - IFS) не менее 150 мкс.

До тех пор, пока между ведущим и ведомым продолжается обмен пакетами, событие соединения (или фрейм обмена) считается открытым. В пакетах данных, в случае необходимости дальнейшего обмена, установлен бит More Data (MD). Если ни одно из устройств не имеет данных для передачи, событие соединения будет закрыто, и ведомое устройство уже не должно прослушивать канал до начала следующего фрейма.

Для нового события соединения ведущий и ведомый используют новый частотный канал, заданный в карте переключения каналов. Время между началом двух последовательных событий соединения задается параметром connInterval, является кратным 1,25 мс и может лежать в пределах от 7,5 мс до 4 с. Вторым важным параметром для пико-сети BLE является параметр connSlaveLatency, который определяет количество последовательных фреймов, в течении которых ведомое устройство не прослушивает канал и может на это время отключить трансивер. Данный параметр является целым числом в пределах от 0 до 499 и не должен превышать контрольного интервала. Контрольный интервал - параметр connSupervisionTimeout может принимать значения в диапазоне от 100 мс до 32 с. Он нужен для обнаружения потери соединения с ведомым из-за ухудшения качества канала связи или перемещения ведомого за пределы досягаемости.

Протокол L2CAP в BLE является упрощенной и оптимизированной версией соответствующего протокола в Bluetooth 2.x/3.x. Он отвечает за установление логического соединения. В BLE основной задачей L2CAP является мультиплексирование данных трех протоколов (ATT, SMP, Link Layer) для соединения канального уровня. Сегментирования пакетов или сборки пакетов не производится, т.к. максимальная полезная нагрузка L2CAP в BLE составляет 23 байта.

Протокол ATT определяет коммуникационные сообщения между двумя устройствами, выступающими в контексте данного протокола в качестве клиента и сервера. Сервер поддерживает набор атрибутов, представляющих собой структуру данных, позволяющую получать доступ к информации, управляемой протоколом GATT. Роли клиента и сервера определяются протоколом GATT и не зависят от роли устройства в соединении (ведущий/ведомый).

Клиент посредством запросов может получить доступ к атрибутам сервера. Кроме того, сервер посылает клиенту два типа сообщений, содержащих атрибуты:

уведомления, не требующие подтверждения;

индикаторы, на которые клиент обязан ответить.

Клиент также может послать серверу команды на изменение значений атрибутов.

Протокол GATT определяет среду исполнения, используемую протоколом ATT для обнаружения сервисов и обмена характеристиками между устройствами. Характеристика в данном случае представляет собой набор данных, включающих в себя значения и свойства. Данные, относящиеся к сервисам и характеристикам, сохраняются в атрибутах. К примеру, сервер с работающим сервисом «температурный датчик» может быть связан с характеристикой «температура», которая используется для описания датчика, а другой атрибут может применяться для хранения результатов измерений.

BLE предлагает несколько сервисов безопасности для защиты данных, передаваемых между парой соединенных устройств. Большинство из поддерживаемых сервисов могут быть описаны в терминах двух режимов: LE Security Mode 1 и LE Security Mode 2. Эти режимы обеспечивают сервисы безопасности на канальном уровне и на уровне ATT, соответственно.

Канальный уровень BLE поддерживает шифрование и аутентификацию на основе алгоритма Cipher Block Chaining-Message Authentication Code (CCM) и блочного шифра AES-128. При использовании в соединении шифрования и аутентификации, к полезной нагрузке (PDU) добавляется четырехбайтное сообщение проверки целостности Message Integrity Check (MIC), после чего поля PDU и MIC шифруются.

Также возможна передача аутентификационных данных поверх нешифрованного соединения канального уровня. В данном случае на уровне ATT к полезной нагрузке добавляется 12-байтная сигнатура. Сигнатура вычисляется путем использования алгоритма AES-128 как блочного шифра. Одним входом алгоритма является счетчик, позволяющий предотвратить атаки типа повтора сообщений. Если приемнику удается верифицировать сообщение, считается, что оно пришло от достоверного источника.

В дополнение к этим сервисам безопасности BLE поддерживает механизм, называемый приватным (или частным) адресом, который позволяет устройству использовать множество часто меняемых адресов. Этот механизм снижает угрозу отслеживания BLE-устройства по его адресу. Приватные адреса генерируются на основе публичного адреса устройства путем его шифрования с использованием ключа, полученного от доверенного устройства.

Логическое соединение устройств (pairing) происходит в три этапа. На первом этапе соединенные на канальном уровне устройства объявляют свои доступные возможности ввода-вывода, и на основе их принимается решение о методе взаимодействия на втором этапе.

Целью второго этапа является генерация короткоживущего ключа (Short-Term Key - STK), который будет использован на третьем этапе для обеспечения безопасности передачи распространения ключевой информации. На втором этапе устройства первоначально договариваются о временном ключе (Temporary Key - TK) при помощи одного из следующих методов:

Out Of Band;

Passkey Entry;

Just Works.

Метод Out Of Band (передача вне полосы) предполагает передачу временного ключа по альтернативным каналам, например, используя NFC. В методе Passkey Entry ключ задает пользователь в виде последовательности из шести цифр. Когда применение обоих методов невозможно, используется метод Just Work, хотя он не поддерживает проверку аутентификаций, и не защищен от атаки типа «посредник» (Man In The Middle - MITM).

На базе ключа ТК и случайных чисел, генерируемых каждым из узлов, создается STK, что является завершением второго этапа.

На третьем этапе каждая из конечных точек соединения может передать другой конечной точке до трех 128-битных ключей, называемых Long-Term Key (LTK), Connection Signature Resolving Key (CSRK) и Identity Resolving Key (IRK).

LTK используется для генерации 128-битного ключа для шифрования и аутентификации на канальном уровне, CSRK - для подписи данных на уровне ATT, а IRK - для генерации частных адресов.

Протокол управления безопасностью Security Manager Protocol (SMP), работающий поверх фиксированного канала уровня L2CAP, отслеживает выполнение всех трех этапов.

Уязвимым местом BLE на текущий момент является незащищенность ни одного из реализованных в нем методов установления соединения от пассивного прослушивания. Однако, в следующих версиях BLE планируется использование эллиптической криптографической кривой и алгоритма обмена открытыми ключами (алгоритм Диффи-Хэлмана).

Протокол GAP определяет роли устройств, режимы и процедуры обнаружения устройств и сервисов, управление установлением соединения и безопасностью. В BLE GAP выделяет четыре роли для контроллера - широковещательный, наблюдатель, периферийный и центральный.

Широковещательный узел может только передавать пакеты по каналам объявления и не поддерживает соединение с другими устройствами. Наблюдатель способен только прослушивать каналы объявлений, в частности, способен принимать пакеты, передаваемые широковещательным узлом. Центральные узлы представляют собой устройства, способные поддерживать несколько соединений, в то время как периферийные узлы - это простые устройства, способные поддерживать одно соединение с центральным узлом. Роли центрального и периферийного узла предполагают, что устройство способно выполнять функции, соответственно, ведущего или ведомого. Устройство может поддерживать несколько ролей, но одновременно активной может быть только одна из них.

Поверх GAP могут быть построены дополнительные профили приложений, обеспечивающие необходимую пользователю функциональность. В BLE поддерживается иерархия профилей - профиль верхнего уровня может использовать функции профиля низкого уровня.

Одним из наиболее важных эксплуатационных показателей, определяющих возможность применения технологии беспроводной связи в той или иной задаче, является энергопотребление узлов сети, работающей по данной технологии. Этот показатель определяет время автономной работы устройств и схему их технического обслуживания.

Для устройств BLE потребление будет зависеть от роли устройства в соединении и параметрах соединения, в частности от connInterval, connSlaveLatency, connSupervisionTimeout, а также от качества связи.

Среднее энергопотребление узла в режиме ведомого в зависимости от величины connInterval представлено на рисунке 2.9.

Рисунок 2.9 - Средний ток потребления BLE-устройства в режиме ведомого (узел построен на базе СнК CC2450, connSlaveLatency=0) [20]

Теоретическое время автономной работы BLE-устройства в качестве ведомого в зависимости от интервала следования событий связи connInterval и уровня битовых ошибок (BER) показано на рисунке 2.10.

Рис. 2.10 - Теоретические оценки времени автономной работы BLE-устройства на основе CC2540 (от батареи емкостью 230 мАч в режиме ведомого устройства при различном уровне ошибок и различных значениях параметров connInterval и connSlaveLatency) [20]

Приведенные результаты, хотя и представляют теоретически максимальные оценки времени работы BLE-устройств, тем не менее показывают, что BLE вполне подходит для сенсорных устройств с автономным питанием, а среднее потребление BLE-устройств вполне сравнимо с потреблением устройств, «традиционных» для сенсорных сетей.

Основным недостатком BLE-сетей являются топологические ограничения. В отличие от технологий сенсорных сетей, таких как, ZigBee, 6LoWPAN или Z-Wave, ориентированных на разветвленные распределенные сети с многочисленными передачами данных между узлами сети, Bluetooth Low Energy рассчитан на топологии типа «точка-точка» и «звезда» [20].



2.5 Технология ZigBee / IEEE 802.15.4

Альянс ZigBee разрабатывает спецификации сетевых протоколов верхнего уровня (уровня приложений API и сетевого уровня NWK), использующих сервисы нижних уровней - уровня управления доступом к среде MAC и физического уровня PHY, регламентированных стандартом IEEE 802.15.4. В сочетании ZigBee и IEEE 802.15.4 описывают беспроводные персональные вычислительные сети (WPAN), ориентированные на приложения, требующие гарантированной безопасной передачи данных при относительно небольших скоростях и возможности длительной работы сетевых устройств от автономных источников питания (батарей).

Основной особенностью технологии ZigBee является то, что она при малом энергопотреблении поддерживает не только простые топологии сети («точка-точка», «дерево» и «звезда»), но и ячеистую топологию самоорганизующихся и самовосстанавливающихся mesh-сетей с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений. В такой сети, каждое устройство может связываться с любым другим устройством как напрямую, так и через промежуточные узлы сети. Ячеистая топология предлагает альтернативные варианты выбора маршрута между узлами. Сообщения поступают от узла к узлу, пока не достигнут конечного получателя. Возможны различные пути прохождения сообщений, что повышает доступность сети в случае выхода из строя того или иного звена.

Первый выпуск стека протоколов, известный как ZigBee 2004, в настоящее время уже практически вышел из употребления. Второй выпуск стека называется ZigBee 2006, и, в основном, заменяет структуру MSG/KVP, использующуюся в ZigBee 2004 вместе с «библиотекой кластеров».

Действующая в настоящее время версия стека протоколов ZigBee 2007 содержит два профиля стека: профиль стека № 1 (который называют просто ZigBee) для домашнего и мелкого коммерческого использования и профиль стека № 2 (который называют ZigBee Pro). ZigBee Pro предлагает больше функций, таких как широковещание, маршрутизацию вида «многие-к-одному» и высокую безопасность с использованием симметричного ключа (SKKE). Тогда как ZigBee (профиль стека № 1) занимает меньше места в оперативной и Flash-памяти. Оба профиля позволяют развернуть полномасштабную сеть с ячеистой топологией и работают со всеми профилями приложений ZigBee. ZigBee 2007 полностью совместим с устройствами ZigBee 2006.

Структура стека протоколов ZigBee 2007 показана на рисунке 2.11.

Рисунок 2.11 - Стек протоколов ZigBee 2007

В стеке протоколов ZigBee протоколы верхних уровней используют сервисы, предоставляемые протоколами нижележащих уровней.

В качестве двух нижних уровней (физического и уровня доступа к среде MAC) используется стандарт IEEE 802.15.4. MAC-уровень в сети ZigBee реализует механизм CSMA/CA (прослушивания несущей и устранения коллизий), сетевой уровень NWK отвечает за маршрутизацию сообщений, а уровень поддержки приложений APS обеспечивает интерфейс с уровнем приложения.

Сектор ZDO (ZigBee Device Object), связывающий три верхних уровня, отвечает за определение роли устройства в сети (будет ли являться оно координатором или конечным устройством), за инициализацию и реакцию на запросы соединения и обнаружения, а также за установление надежного и безопасного соединения между устройствами сети. Сектор SSP (Security Service Provider) осуществляет операции, связанные с обеспечением безопасности на сетевом уровне и на уровне поддержки приложения.

Протоколы маршрутизации ZigBee построены на недавно разработанном алгоритме AODV (протокол динамической маршрутизации для мобильных ad-hoc сетей типа MANET и других беспроводных сетей) и NeuRFon, которые предназначены для образования ad-hoc сетей (децентрализованная беспроводная сеть, образованная случайными абонентами) или узлов. В большинстве случаев сеть является скоплением скоплений узлов. Она также может принимать форму сети или одиночного скопления.

В сети ZigBee существует 4 типа узлов: координатор, роутер, спящее устройство и мобильное устройство.

Главное устройство в ZigBee-сети - это координатор, который выполняет функции по формированию сети, а также одновременно является доверительным центром (trust-центром). Доверительный центр устанавливает политику безопасности и задает настройки во время подключения устройства к сети. Координатор запускает сеть с самого начала и хранит информацию о сети, включая секретные пароли.

Спящие и мобильные устройства используют режимы пониженного энергопотребления. Как правило, это узлы с батарейным питанием. Обычно они играют роль датчиков или контроллеров каких-либо исполнительных устройств. Их количество диктуется потребностью конкретного приложения.

Роутеры осуществляют маршрутизацию пакетов по сети и должны быть готовы к передаче данных в любой момент времени. Поэтому эти узлы не используют режимов пониженного энергопотребления и имеют стационарное питание. Их количество в сети должно быть достаточным для обслуживания требуемого количества спящих и мобильных узлов. Максимальное количество спящих или мобильных узлов, обслуживаемых одним роутером - 32.

Сети ZigBee при относительно невысоких скоростях передачи данных обеспечивают гарантированную доставку пакетов и защиту передаваемой информации.

Стандарт ZigBee предусматривает работу с частотными каналами в диапазонах 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц. Наибольшие скорости передачи данных и наивысшая помехоустойчивость достигаются в принятом в РФ диапазоне 2,4 ГГц. Поэтому большинство производителей микросхем выпускают приемопередатчики именно для этого диапазона, в котором предусмотрено 16 частотных каналов с шагом 5 МГц.

Скорость передачи данных вместе со служебной информацией в радиоэфире составляет 250 кбит/c. При этом средняя пропускная способность узла для полезных данных в зависимости от загруженности сети и количества ретрансляций может лежать в пределах от 5 до 40 кбит/с.

Расстояния между узлами сети могут соcтавлять от 10 до 75 метров для ZigBee 2004 при работе внутри помещения и свыше 1500 метров для ZigBee PRO на открытом пространстве. Хотя эти расстояния сильно зависят от конкретных условий распространения радиосигналов. За счет ретрансляций зона покрытия сети может значительно превышать радиус действия отдельных узлов.

Одна из основных идей разработки стандарта ZigBee состояла в том, чтобы обеспечить возможность совместной работы в одной беспроводной сети устройств различных производителей. Очевидно, что для обеспечения совместимости на уровне приложения устройствам ZigBee требуется некий стандартный язык общения. Для реализации этой задачи была разработана библиотека ZCL (ZigBee Cluster Library) кластеров.

Кластер ZigBee похож на класс в объектно-ориентированном программировании и представляет собой совокупность:

описания стандартного устройства ZigBee (осветительное устройство, диммер, выключатель, счетчик);

описания стандартных атрибутов для этого устройства (вкл./выкл., яркость, показания счетчика);

описания стандартных команд для этого устройства (установить уровень яркости, считать показания, включить/выключить).

Кластеры имеют клиент-серверную природу. ZigBee-cервер - это устройство, которое хранит значение атрибута, в то время, как ZigBee-клиент дистанционно считывает или записывает значение этого атрибута. Например, пара стандартных устройств лампочка и выключатель могут вместе реализовать функционирование стандартного кластера «включить/выключить». При этом лампочка будет ответственна за серверную часть кластера. Она хранит значение атрибута «включено/выключено». Выключатель дистанционно устанавливает значение этого атрибута и реализует, таким образом, клиентскую часть кластера. Одно и то же устройство может содержать клиентские части одних кластеров и серверные части других. Например, выключатель в нашем примере может дополнительно содержать серверную часть кластера конфигурация, при помощи которого он будет получать информацию о режимах своей работы от конфигурирующего устройства.

Библиотека ZCL группирует кластеры по функциональному признаку: общего назначения, для работы с датчиками, для управления осветительными устройствами, вентиляцией и т.д. Использование стандартных кластеров для пересылки сообщений является обязательным требованием новой спецификации ZigBee PRO Feature Set.

Профилем ZigBee называется совокупность настроек программного обеспечения узлов сети, обеспечивающая их совместную работу. Спецификация профиля определяет такие параметры, как способы задания идентификационных параметров сети, режимы образования сети, способы защиты данных, используемый поднабор кластеров, который включает кластеры из разных функциональных групп библиотеки ZCL.

В настоящее время альянсом ZigBee опубликованы несколько профилей приложений (см. рисунок 1.2). Кратко охарактеризуем некоторые из них.

Профиль Home Automation дает возможность производителям беспроводных систем домашней автоматизации во всем мире разрабатывать совместимые устройства класса «умный дом». Он регламентирует работу таких устройств, как устройства управления осветительным оборудованием, системами кондиционирования, отопления, вентиляции и т.д.

Профиль Smart Energy позволяет обеспечить беспроводную связь между устройствами домашней автоматизации и устройствами измерительной инфраструктуры коммунальной службы, занимающейся учетом энергоресурсов. Таким образом, владельцы домов и коммунальные компании могут объединить усилия для достижения наиболее эффективного и экономного потребления электроэнергии. Появляется возможность регулировать режимы энергопотребления, разгружая сеть в пиковые часы нагрузки.

Профиль Light Link предназначен для реализации беспроводных систем управления осветительным оборудованием. Устройства на базе нового стандарта также просты в использование как обычные домашние регуляторы освещения. Энергосберегающие лампы, светодиодные светильники, датчики, таймеры и пульты управления, выполненные с использованием ZigBee Light Link, подключаются в единую сеть без применения каких-либо специальных координирующих устройств, что позволяет потребителям легко дополнять свои сети освещения новыми приборами.

Протокол Green Power позволяет создавать автономные беспроводные устройства, получающие энергию путем сбора ее из возобновляемых источников энергии (механических, тепловых, электромагнитных и т.п.), и, благодаря этому, не нуждающиеся в батареях питания и регулярном обслуживании. Сетевые устройства Green Power получают энергию от солнца, температуры окружающей среды или механического воздействия (кинетической энергии). Например, энергии от нажатия обычного выключателя вполне достаточно, чтобы сгенерировать и отправить простое сообщение по сети ZigBee. В список устройств, в которых можно использовать такую возможность, попадают световые диммеры, выключатели, датчики температуры и движения для жилого, коммерческого и промышленного применения.

Совместимость устройств Green Power с сетями ZigBee PRO в перспективе может обеспечить все достоинства стандарта ZigBee, включая работу в разрешенном во всех странах радиодиапазоне 2,4 ГГц, устойчивость в зашумленной среде, надежное сетевое взаимодействие и защиту информации.