Что такое сети ZigBee, и как они работают

Сейчас, как никогда ранее, активно используются так называемые беспроводные сенсорные сети. И значение их действительно велико. Суть в том, что эти сети по назначению, параметрам, спецификациям имеют существенные отличия от уже привычных сетей связи – Wi-Fi, GSM, LTE и т.п.

Среди прочих технологий, которые нашли применение в сенсорных сетях, можно выделить спецификацию ZigBee. Надо признать, что это самая инновационная надстройка к стандарту IEEE 802.15.4

Минуло уже более десяти лет после того, как был основан альянс ZigBee. Вот-вот исполнится пять лет с того момента, как была утверждена спецификации ZigBee Pro Feature Set 2006, которая действует сейчас.

Логичный вопрос: зачем она вообще нужна? Есть немало приложений, где необходимы такие беспроводные сети связи, у которых невысокая скорость передачи, однако при этом они надежные, живучие, то есть могут сами восстанавливаться.

А еще они должны быть достаточно простыми в создании и при эксплуатации. Оборудование таких сетей должно работать от автономных источников питания, быть недорогим и небольшим по размерам. Одним из таких приложений может являться, например, «умный дом».

Чем привлекает именно ZigBee?

Сети ZigBee по сравнению с аналогами в передаче данных в наибольшей степени соответствуют всем требованиям, которые мы перечислили выше. А именно:

1) за счет ячеистой (mesh) топологии и применения спецалгоритмов маршрутизации сеть ZigBee гарантирует самовосстановление и бесперебойную доставку пакетов данных даже тогда, когда связь между конкретными узлами оборвана, появились препятствия, перегружен или отказал какой-либо элемент;

2) спецификация этой сети предполагает криптографическую защиту данных, которые передаются по беспроводным каналам, а также привлекательную политику безопасности;

3) отличие устройств ZigBee в пониженном потреблении электроэнергии (прежде всего, конечных устройств, где имеется режим «сна»). Это предоставляет им возможность функционировать до трех лет при использовании только одной батарейки АА и даже ААА;

4) ZigBee – самоорганизующаяся сеть. Ее структура определяется характеристиками профиля стека конфигуратора и формируется в автоматическом режиме. Это происходит после того, как к сети присоединены (повторно присоединены) образующие ее девайсы. Это обеспечивает простоту развертывания. Отсюда и легкость масштабирования. Ведь нужно всего лишь просто присоединить дополнительные девайсы;

5) устройства ZigBee небольшие и недорогие.

Стандартом предусмотрена возможность применять каналы в различных частотных диапазонах. Самую большую скорость передачи и самую лучшую помехоустойчивость можно получить в диапазоне от 2,4 до 2,48 ГГц. В указанном промежутке 16 каналов по 5 МГц.

За то, что сведено к минимуму потребление энергии, за компактность и дешевизну, пришлось заплатить относительно сниженной оперативностью передачи данных. Общая скорость (с учетом служебной информации) – 250 кбит/c. А вот средняя скорость непосредственно передачи данных – от 5 до 40 кбит/с. Разброс связан с тем, как загружены сети и сколько ретрансляций.

Между рабочими станциями сети обычно десятки метров, даже если они в помещении. И сотни метров, если они под открытым небом. За счет ретрансляций зона, которая покрывается сетью, бывает достаточно большой. Это обычно несколько тысяч квадратных метров – в помещении и несколько гектаров – вне помещения.

Сеть ZigBee всегда можно расширить, если добавить новые элементы или разбить ее на несколько зон. Нужно только просто назначить определенное количество новых конфигураторов сети. Это иногда полезно для того, чтобы сократить нагрузку и увеличить скорость передачи данных.

История создания сети

Альянс ZigBee учредили в 2002 году. Теперь в нем свыше трехсот компаний. Альянс создавали с целью разработать эффективные протоколы беспроводной сети. Также стояла задача обеспечить совместимость девайсов различных производителей. Начальные стандарты были разработаны в 2003 году. Их потом постоянно совершенствовали и расширяли. Актуальную спецификацию ZigBee Pro Feature Set 2006 приняли осенью 2007 года.

В сети использовали стохастическую адресацию, механизмы маршрутизации Many-to-One и Source Routing, а также способность выявлять асимметричные связи. В результате для многих специфических приложений эффективность сетей ZigBee стала выше.

Стандартные профили приложений уже разработаны. Как разработана и библиотека стандартных кластеров. За счет этого стало проще разрабатывать приложения. Внедрение инновационных решений с применением аппаратуры разных производителей стало ускоренным и облегченным. Введены многие новые механизмы, которые повысили у сети уровень защищенности и надежности.

Из чего состоит сеть ZigBee

Сети ZigBee построены на базовых станциях трех основных вариантов. Это координаторы, маршрутизаторы и конечные устройства.

Координатор производит запуск сети. Он занимается управлением и формированием сети. Он также берет на себя задачи центра управления сетью и так называемого доверительного центра (trust-центра). Координатор определяет политику безопасности, формирует настройки в процессе присоединения девайсов к сети, контролирует ключи безопасности.

Маршрутизатор осуществляет трансляцию пакетов и динамическую маршрутизацию, а также восстанавливает маршруты, если сеть перегружена либо имеется отказ в работе каких-то устройств. Когда сеть формируется, определенный маршрутизатор связывается с координатором либо иным маршрутизатором. Они могут присоединять дочерние девайсы – маршрутизаторы и конечные устройства.

Маршрутизаторы действуют бесперебойно. У них стационарное питание, и потому они могут обслуживать «спящие»девайсы. Маршрутизатор способен обслужить до 32 спящих девайсов. Конечное устройство может принять и отправить пакет данных. Однако оно не станет пакеты транслировать и заниматься их маршрутизацией.

Конечные устройства способны сделать подключение к координатору или маршрутизатору. Однако у них не может быть дочерних девайсов.

Как формируется сеть

ZigBee – это самоорганизующаяся сеть. Первый этап работы сети – формирование. То устройство, которое во время проектирования определили в качестве координатора персональной сети (PAN координатор), должно определять канал, который свободен от помех. И оно ждет запросы на подключение.

Девайсы, которые делают попытку присоединения к сети, занимаются рассылкой широковещательного запроса. PAN координатор дает ответ на запрос и позволяет присоединиться к сети. Потом присоединение к сети будут предоставлять также маршрутизаторы, которые присоединились к сети.

Как идет вступление в сеть (присоединение)

Есть пара методов присоединения.

- МАС ассоциация, которая доступна любому девайсу ZigBee. Она осуществляется на МАС уровне. Механизм МАС ассоциации таков.

Устройство, которое предоставляет возможность сделать присоединение к нему, выставляет на МАС уровне разрешение присоединиться. Устройство, которое вступает в сеть, выставляет на МАС уровне запрос на присоединение, а потом осуществляет передачу широковещательного запроса маячка.

Присоединяемое устройство получает маячок от девайсов, которые готовы подключиться к нему, и определяет, в какую сеть и к какому устройству нужно присоединиться. Оно выставляет на МАС уровне требование о вступлении, у которого есть флажок «повторное присоединение» в значении FALSE.

ВАЖНО! Потом вступающее устройство направляет на девайс, выбранный для присоединения, запрос присоединения. В ответ получает сетевой адрес, который присвоили ему. При МАС ассоциации для передачи данных не используется шифр. Вот почему МАС ассоциация небезопасная.

- Повторное сетевое присоединение (NWK rejoin) возможно и при первичном присоединении. Выполняется на уровне сети. Если вступающему устройству известен текущий сетевой ключ, тогда обмен пакетами бывает безопасным. Ключ можно получить, в частности, во время настройки.

Структура сети меняется не только тогда, когда присоединяются новые устройства. Но и тогда, когда устройства уходят из сети и повторно присоединяются в других местах. В частности, когда устройство перезагружается.