ZigBee Arkkitehtuuri ja verkkotopologiat Juha Juuti.

Esitys aiheesta: "ZigBee Arkkitehtuuri ja verkkotopologiat Juha Juuti."— Esityksen transkriptio:

1 ZigBee Arkkitehtuuri ja verkkotopologiat Juha Juuti

2 Sisällysluettelo Historia Standardin kehitys ZigBee-tekniikka  Protokolla, superframe, tekniset tiedot, virransäästö ZigBee laitteet Verkkotopologiat Tietoturva Tulevaisuuden näkymät Lähteet

3 Historia ZigBee-tyylisiä verkkoja alettiin suunnitella jo vuonna 1998, kun useat insinöörit arvioivat sekä WiFin ja Bluetoothin olevan sopimattomia muutamiin tiettyihin käyttötarkoituksiin, muun muassa itse-järjestäytyviin digitaali-radio -verkkoihin. IEEE 802.15.4 standardi valmistui toukokuussa 2003. Zigbee tehtiin IEEE 802.15.4 standardin päälle ja perustettiin ZigBee-Allianssi. Kesäkuun 13. 2005: ZigBee spesifikaatio 1.0 vapaasti saatavilla (ei-kaupalliseen käyttöön). Syyskuussa 2006: ZigBee 2006.

4 Historia Termi Zigbee tulee alunperin mehiläisistä.  Tekniikoita, joita mehiläiset käyttävät informoidessaan uusista ruokapaikoista yhdyskunnan jäsenille, kutsutaan nimellä Zigbee. Kommunikointitekniikkana se on äänetön ja tehokas, jolla mehiläiset voivat viestiä tietoa keskenään ruokapaikan etäisyydestä, olinpaikasta ja suunnasta. ZigBee Allianssi http://www.zigbee.org/http://www.zigbee.org/  Yhteisö (perustettu 2004), joka vastaa ZigBee-standardin kehittämisestä.  Allianssiin kuuluu monia suuria yrityksiä kuten Intel, HP ja Philips, jäsenmäärä on yli 175.  Standardi on tällä hetkellä avoin vain jäsenille ja ei kaupallisiin tarkoituksiin.  Allianssin jäsenmaksu on 3500 $, joka oikeuttaa standardin käyttämiseen kaupallisiin tarkoituksiin.  Jokainen laitemalli joudutaan testauttamaan ZigBee- yhteensopivaksi, jotta saataisiin käyttää ZigBee-tunnusta laitteessa.

5 Standardin kehitys ZigBee on määritelty IEEE 802.15.4 standardin päälle. Tämä tarkoittaa sitä että IEEE 802.15.4 standardi määrittelee LR-WPAN- verkkojen (Low-Rate Wireless Personal Area Network) protokollapinon alimpia kerroksia. IEEE 802.15.4 standardi määrittelee OSI-mallin (Open Systems Interconnection) fyysisen kerroksen sekä linkkikerroksen MAC-osan (Media Access Control). IEEE 802.15.4 standardin määritellessä laitteiden välisen fyysisen kommunikoinnin ZigBee allianssi määrittelee protokollapinon ylemmät kerrokset, joissa määritellään verkkojen muodostukset, tietoturva ja elementtien välinen kommunikointi. Sovellusten kehittäjille jää ainoastaan ylimmän kerroksen toteuttaminen hyväksikäyttäen Application Support -tason tarjoamia palveluja.

6 Standardin kehitys

7 Protokolla

8 Määrittelee kerrokset APL (Application Layer) APS(Application Support Sub-Layer), ZDO (ZigbeeDevice Object), NWK (Network Layer) jatiedonsiirron turvallisuuteen ja salaukseen liittyvät asiat. Käyttäjän sovellus hyödyntää kerroksia APL ja APS tiedonsiirron toteuttamiseen. ZigBeen koko protokollapino vaatii täysillä toiminnoilla (Full Function Device) vain alle 32 Kb muistia ja vain osan toiminnoista hyödyntävässä päätelaitteessa (Reduced Function Device) muistia tarvitaan niinkin vähän kuin 4-6 Kb.

9 Superframe

10 Superframe-kehys on jaettu kuuteentoista (numeroitu 0-15) samankokoiseen aikaväliin eli slotiin ja kehysten alut ja loput erotetaan toisistaan nk. verkon beaconeilla. Beacon-kehys lähetetään superframen ensimmäisessä aikavälissä kuvan mukaisesti, ja sitä käytetään superframen rajaamisen lisäksi verkkoon liittyneiden koneiden synkronointiin, verkon (PAN) identifioimiseen ja superkehyksen sisällön kuvaamiseen. Ideana koko superframe-rakenteella on se, että superframe-kehyksessä voi olla aktiivinen ja inaktiivinen osio. Aktiivisen osion aikana toteutetaan kaikki laitteiden välinen kommunikointi, ja siitä voidaan myös varata aikavälejä kiireisille sovelluksille, jolloin jäljitellään piirikytkentäistä tekniikkaa ja parannetaan verkon reaaliaikaominaisuuksia. Inaktiivisen osion idea on säästää energiaa. Inaktiivisen osion aikana koordinaattori ei ole vuorovaikutuksessa PAN-verkkonsa kanssa ja saattaa itsekin mennä vähän virtaa kuluttavaan tilaan (a low-power mode). Aktiivinen osio voidaan jakaa kahteen jaksoon, kilpavaraus-pohjaiseen jaksoon (Contention Access Period, CAP) ja kilpailusta vapaaseen jaksoon (Contention Free Period, CFP). CAP:n aikana kaikki laitteet joutuvat tasapuolisesti kilpailemaan pääsystä yhteiselle siirtotielle käyttäen slotted CSMA/CA- mekanismia. Matalan latenssin sovelluksille tai sovelluksille, jotka muutoin tarvitsevat määriteltyä kaistaa PAN koordinaattori voi omistaa osuuksia superframen aktiivisesta osiosta. Näitä osuuksia kutsutaan guaranteed time sloteiksi (GTS), niitä voi olla maksimissaan seitsemän ja niistä muodostuu superframe-kehyksen CFP-osio

11 Tekniset tiedot Pienitehoinen, lyhyen kantaman radioliikenteen standardi Tarkoitus: pienten ja yksinkertaisten laitteiden verkottaminen langattomasti Verkot voivat sisältää jopa 65 536 laitetta Verkkoon liittyminen nopea, alle 30 ms, sleep-tilasta herääminen alle 15 ms ja lähetyksen aloittaminen alle 15 ms laitteiden välinen pisin mahdollinen kantomatka on jopa 500m Saantimenetelmä on CDMA/CA, kanavointimenetelmänä käytetään DSSS:ää. Taajuudet ja siirtonopeudet:  868 MHz, 1 kanava, 20 kb/s Euroopassa  915 MHz, 10 kanavaa 2 MHz välein, 40 kb/s Yhdysvalloissa  2,4 GHz, 16 kanavaa 5 MHz välein, 250 kb/s maailmanlaajuisesti

12 ZigBee vs. Bluetooth

13 Virransäästötekniikka Laitteet liikennöivät beacon- tai non-beacon-tilassa  Beacon-tilassa laite odottaa verkon koordinaattorilta herätepakettia, joka laukaisee datan lähetyksen. Herätepaketissa määritellään myös seuraavan paketin saapuminen ja laite voi mennä sleep-tilaan odotusajaksi.  Non-beacon -tilassa laite saa ulkopuolisen herätteen, esimerkiksi savu palohälyttimissä, joka laukaisee datan lähetyksen koordinaattorille. Tässä tilassa koordinaattori ei voi olla sleep- tilassa.

14 ZigBee laitteet Kolme erilaista laitetta:  ZigBee Coordinator(ZC), vastuussa verkon muodostamisesta sekä verkon tietojen säilyttämisestä yksi jokaista Zigbee -verkkoa kohden  ZigBee Router (ZR) huolehtii datan reitittämisestä muille laitteille  ZigBee End Device (ZED) karsittu ja laitteena hyvin yksinkertainen Säästää energiaa, voi olla pitkiä aikoja sleep-modessa Kommunikoi ZC ja ZR kanssa, ei toisen ZED-laitteen

15 ZigBee laitteet Pieniä, yksinkertaisia, halpoja

16 Verkkotopologiat

17 Tähti  Liikenne tapahtuu verkon koordinaattorin kautta  Yksinkertainen ja helppo hallita Mesh (Peer-to-Peer)  Laitteet voivat kommunikoida keskenään, mukana kuitenkin koordinaattori  Data voi siirtyä useita eri reittejä --->varmuus paranee Cluster-Puu  Reitittimien avulla kytkettyjä tähtiverkkoja  Jokaista tähtimäistä verkkoa varten on yksi reititin, joka on saanut koordinaattorilta luvan koordinoida tiettyä tähtimäistä verkkoa.  Vähentää Mesh-verkossa ollutta signalointimäärän ongelmaa.  Mahdollistaa erilaisten kokonaisuuksien yhdistämisen laajempaan verkkoon

18 Tietoturva Standardi määrittelee kolme eri tietoturvatasoa:  taso 1 ei minkäänlaista tietoturvaa,  taso 2 pääsylistat (ACL) ja  taso 3 käyttää symmetristä salausta siirrettävän tiedon salaamiseen (algoritmina AES).  Tietoturvaa voidaan myös parantaa sovellustasolla

19 Tulevaisuus ZigBeellä on potentiaalia kuuluisaksi maailmanlaajuiseksi tekniikaksi. Pohjautuvuus IEEE:n standardiin tuo sille uskottavuutta ja yhdessä Allianssin määrittämän spesifikaation kanssa se luo yrityksille yhtenäisen alustan. Sovelluksia:  Koti -ja rakennusautomaatio: anturit, murtohälyttimet, palohälyttimet, anturiverkot, kaukosäätimet...  Hyvinvointitekniikka: potilaiden valvonta, bioanturit  Liikenne: auton sensoriverkko, avaimet, liikenteen seuranta

20 ZigBee-kotona

21 Lähteet http://ae.tut.fi/research/AIN/Publications/ZigBee_BT1.2_Silvola.pdf http://standards.ieee.org/getieee802/ http://www.networkworld.com/details/6549.html http://focus.ti.com/analog/docs/gencontent.tsp?familyId=367&genContent Id=24190 http://standards.ieee.org/getieee802/802.15.html http://fi.wikipedia.org/wiki/ZigBee

22 Kysymyksiä?