Сетевая инфраструктура системы РТЛС

Основу систем позиционирования РТЛС составляет инфраструктура, состоящая из анкеров – базовых станций беспроводной связи. Анкеры устанавливаются на обслуживаемой территории так, чтобы из любой точки было видно не менее трех анкеров. Места анкеров фиксированные, а их координаты известны серверу. Это позволяет позиционировать метки (и, соответственно, людей и предметы) на плане, используя измеренные расстояния от меток до анкеров.

Особенность инфраструктуры систем РТЛС заключается в том, что каждый анкер выполняет, по меньшей мере, две функции:

  • обеспечивает измерение расстояний до меток и
  • выполняет функции узла беспроводной сети.
Соответственно, каждый анкер имеет два радио интерфейса:
  • CSS – для измерения расстояний и управления метками (подробнее об этом можно прочитать в (соответствующей статье) и
  • ZigBee, который служит для создания ячеистой беспроводной сети.

Настоящая статья посвящается сетям ZigBee и их применению в системе РТЛС.

Сети ZigBee используются в системе РТЛС в качестве беспроводных сетей передачи данных – альтернативы LAN для управления и конфигурирования базовых станций и меток, управления процессами позиционирования, а также для передачи результатов измерений от меток на сервер для дальнейшего использования.

Краткая справка

ZigBee® – это открытый стандарт беспроводной связи для различных систем автоматизации: «Умный дом», «Интеллектуальное здание», системы управления технологическими и бизнес процессами, системы безопасности и так далее.

Технология ZigBee  позволяет создавать самоорганизующиеся и самовосстанавливающиеся беспроводные сети с автоматической ретрансляцией сообщений. Сети ZigBee при относительно небольших скоростях передачи данных обеспечивают гарантированную доставку пакетов и защиту передаваемой информации.

Стандарт ZigBee предусматривает использование частотных каналов в диапазонах 868 МГц, 915 МГц и 2,4 ГГц. Наибольшие скорости передачи данных и наивысшая помехоустойчивость достигаются в 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 эфире 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  5 ... 40 кбит/с.

Расстояния между узлами сети составляют десятки метров при работе внутри помещений и сотни метров на открытом воздухе. За счет ретрансляций зона покрытия сети может значительно увеличиваться.

Немного истории

В самых разных отраслях имеется потребность в создании беспроводных сетей с большим числом датчиков и исполнительных механизмов, где не требуется высоких скоростей передачи данных, а на первый план выступают надежность, устойчивость (способность к самовосстановлению) и простота развертывания и эксплуатации.

Важнейшими требованиями к таким сетям являются также:

  • длительная работа источников питания датчиков,
  • низкая стоимость,
  • компактность,
  • возможность создания ячеистых сетей для связи между большим числом устройств.

Такое сочетание требований привело к созданию стандартов IEEE 802.15.4 и ZigBee, обеспечивающих простые, устойчивые, масштабируемые, многошаговые беспроводные сети с возможностью поддержки самых разных приложений.

Альянс ZigBee®, учрежденный в 2002 году, представляет собой сообщество компаний (более 300), объединившихся с целью разработки эффективных протоколов для беспроводной сети и обеспечения  совместимости устройств различных производителей.

Спецификация ZigBee® Pro Feature Set 2006 была принята альянсом в октябре 2007 года. Она обладает следующими преимуществами по сравнению с предшествующей версией спецификации:

Новая  спецификация позволяет создавать сети с количеством узлов до нескольких тысяч. Это достигается благодаря стохастической адресации, новым механизмам маршрутизации Many-to-One и Source Routing, а также возможности выявления асимметричных связей в сети.

Для обеспечения совместимости устройств различных производителей в спецификации ZigBee® PRO разработаны стандартные профили приложений и библиотека стандартных кластеров.

Введен целый ряд новых механизмов, позволяющих сделать сеть ZigBee более защищенной и надежной.

Значительно увеличен срок службы батарей конечных дочерних устройств за счет использования механизма, который позволяет родительским узлам представлять в сети дочерние устройства во время их сна.

Предусмотрено автоматическое изменение частотного канала сети в случае возникновения помех.

В сетях РТЛС используется последняя спецификация ZigBee® 2007 Specification. Приведенные далее описания относятся к этой версии стандарта.

Достоинства применяемых сетевых решений:

  • низкая цена;
  • безопасность;
  • надежность и самовосстановление;
  • гибкость;
  • практически не ограниченная возможность расширения;
  • низкое энергопотребление;
  • простота и дешевизна развертывания;
  • встроенный интеллект настройки сети и маршрутизации.

Сетевые протоколы

Стандарты IEEE 802.15.4 и ZigBee 2007 Specification определяют стандартизированные протоколы, которые обеспечивают сетевую инфраструктуру, необходимую для беспроводных сетевых приложений с большим числом датчиков и исполнительных механизмов.

IEEE 802.15.4 определяет физический и MAC уровни, а ZigBee определяет сетевой уровень и уровень приложений.


Рисунок 1. Стек протоколов ZigBee

Стек протоколов ZigBee

Спецификация ZigBee регламентирует стек протоколов взаимодействия узлов сети, в котором протоколы верхних уровней используют сервисы, предоставляемые протоколами ниже лежащих уровней.

Уровень приложений (APL) состоит из фермы приложений (Application Framework), объекта устройства ZigBee (ZD0) и подуровня поддержки приложений (APS).

Ферма приложений (Application Framework ) содержит описание порядка создания профилей в стеке ZigBee, гарантирующего их совместимость, а также определяет:

  • стандартные типы данных для профилей,
  • дескрипторы, помогающие в обнаружении служб,
  • форматы кадров для транспортировки данных и
  • значения пар ключей.

Это позволяет быстро разрабатывать простые профили на основе атрибутов.

Объекты приложений (Application Objects) – программные модули, управляющие устройствами ZigBee в конечных точках. Одна базовая станция ZigBee может поддерживать до 240 объектов приложений. Объекты приложений поддерживают конечные точки, пронумерованные от 1 до 240. Конечная точка 0 зарезервирована для объекта устройства ZigBee (ZD0).

Объект устройства ZigBee (ZigBee Device Object – ZD0):

  • определяет роль устройства ZigBee: координатор, маршрутизатор или конечное устройство;
  • инициирует запросы поиска и присоединения и/или отвечает на такие запросы;
  • устанавливает безопасную связь между устройствами ZigBee.

Он также предоставляет богатый набор команд управления, определяемых в профиле устройства ZigBee (используются при вводе в эксплуатацию).

План управления ZD0 (ZD0 Management Plane) поддерживает связь ZD0 с подуровнем поддержки приложений (APS) и сетевым уровнем (NWK). Позволяет ZD0 обрабатывать запросы приложений на доступ к сети и обеспечение безопасности, используя сообщения профиля устройства ZigBee (ZigBee Device Profile – ZDP).

Подуровень поддержки приложений (Application Support Sublayer – APS). Отвечает за предоставление данных приложениям и профилям устройства ZigBee. Подуровень также управляет присоединениями в сети ZigBee и хранит данные о таких присоединениях в своей таблице.

Поставщик услуг безопасности (Security Service Provider – SSP) обеспечивает механизмы безопасности для уровней, использующих шифрование – NWK и APS. Инициируется и конфигурируется объектом устройства ZD0.

Сетевой уровень (Network Layer – NWK) обрабатывает сетевые адреса и маршрутизацию по вызовам MAC уровня. В его задачи также входят:

  • запуск сети (если устройство является координатором);
  • присвоение сетевых адресов;
  • добавление и удаление сетевых устройств;
  • маршрутизация сообщений;
  • применение политики безопасности;
  • осуществление поиска маршрутов.

Уровни, определяемые стандартом IEEE 802.15.4

Уровень управления доступом к среде (Medium Access Control Layer – MAC) отвечает за надежную связь устройства с непосредственными соседями, помогает разрешать коллизии и повышать эффективность. МАС уровень отвечает также за ассемблирование и декомпозицию кадров и пакетов данных.

Физический уровень (Physical Layer – PHY) обеспечивает интерфейс к физической среде передачи – радио. Физический уровень состоит из двух уровней, работающих в разных диапазонах частот. Уровень, работающий при меньших частотах, покрывает диапазоны 868 МГц для Европы и 915 МГц для таких стран, как США и Австралия. Высокочастотный физический уровень работает на частоте 2,4 ГГц и применяется практически во всем мире.

Точки доступа

Связь между элементами стека протоколов ZigBee осуществляется через точки доступа к услугам (service access point – SAP):

APSDE-SAP – к данным подуровня поддержки приложений;
APSME-SAP – к управлению подуровнем поддержки приложений;
APSSE-SAP – к управлению безопасностью подуровня поддержки приложений;
NLDE-SAP – к данным сетевого уровня;
NLME-SAP – к управлению сетевым уровнем;
NLSE-SAP – к управлению безопасностью сетевого уровня;
MLDE-SAP – к данным подуровня МАС;
MLME-SAP – к управлению подуровнем МАС;
PD-SAP – к данным физического уровня PHY;
PLME-SAP – к управлению физическим уровнем PHY;
RF-SAP – к трансмиттеру.

Сеть ZigBee

Типы устройств

Сети ZigBee включают следующие типы устройств (базовых станций):

  • координаторы;
  • маршрутизаторы;
  • конечные устройства.

Координатор

Это устройство запускает сеть и управляет ею. Координатор формирует сеть, является центром управления сети и доверительным центром (trust-центром) – устанавливает политику безопасности и задает настройки во время подключения устройства к сети, отвечает за ключи безопасности.

Маршрутизатор

Маршрутизатор расширяет область покрытия сети, осуществляет динамическую маршрутизацию в обход препятствий, восстанавливает маршруты в случаях перегрузки сети или отказа какого-либо устройства. Маршрутизаторы могут присоединяться к координатору и другим маршрутизаторам, а также поддерживать дочерние устройства. Маршрутизаторы 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 узлов. Максимальное количество спящих узлов, обслуживаемых одним маршрутизатором – 32.

Конечное устройство

Может принимать и отправлять сообщения, но не может транслировать пакеты и осуществлять маршрутизацию. Конечные устройства подключаются к маршрутизатору или координатору и не могут поддерживать дочерних устройств.

Как особый тип устройств, в сетях ZigBee можно выделить так называемые «спящие устройства». По сути это конечные устройства, переведенные в спящий режим.

Спящие устройства используют режимы пониженного энергопотребления. Как правило, это узлы с батарейным питанием. Их количество определяется конкретным приложением. На время «сна» маршрутизаторы, к которым эти устройства подключены, «представляют» их в сети.

Профиль стека

Стандарт ZigBee описывает профиль стека, который определяет сеть, службы приложений и параметры безопасности для всей сети. Профиль стека для конкретной ZigBee сети выбирается сетевым администратором (проектировщиком), исходя из области применения (автоматизация здания, управление техпроцессом, позиционирование). Каждый такой профиль стека затем будет определять сетевые параметры, такие как:

  • общие размеры сети,
  • поддерживаемые алгоритмы маршрутизации,
  • размеры таблиц маршрутизации и привязки приложений,
  • характер службы безопасности для этой сети.

Особый интерес с точки зрения топологии сети представляет спецификация трех параметров: максимальная глубина сети (nwkMaxDepth), максимальное количество дочерних связей маршрутизатора (nwkMaxChildren), и максимальное количество связей с дочерними маршрутизаторами (nwkMaxRouters). Вместе они определяют общую структуру сети.

В соответствии со стандартом IEEE 802.15.4 каждое сетевое устройство имеет 64-разрядный (длинный) IEEE адрес, который уникально идентифицирует это устройство. Чтобы продлить жизнь аккумуляторных батарей, для сокращения размеров пакетов, и соответственно времени активного взаимодействия устройств используются более короткие адреса. Стандарт ZigBee требует, чтобы обмен сообщениями после присоединения к сети выполнялся с 16-битными (короткими) сетевыми адресами. 16-битный сетевой адрес присваивается вновь присоединяемым устройствам во время обмена сообщениями в процессе присоединения.

Координатор ZigBee всегда имеет адрес 0000. Координатор по установленному стандартом ZigBee алгоритму определяет, исходя из параметров профиля стека, диапазоны адресов, которые присваиваются присоединяемым устройствам в соответствии с их местоположением в сетевой иерархии. Хотя эти диапазоны адресов различаются, в зависимости от параметров профиля стека, диапазоны адресов всегда одинаковы для конкретного набора параметров профиля стека. Например, сетевые адреса, выделяемые в сети на рисунке 4, отражают значение параметров профиля стека nwkMaxDepth = 7, nwkMaxChildren = 5 и nwkMaxRouters = 3. Для этих же трех значений параметров первый маршрутизатор, присоединяемый координатором будет всегда получать сетевой адрес 0001, второй 071e и так далее.

Типы сетей

Одной из важных особенностей сетей ZigBee является возможность выбора топологии сети, в наибольшей мере отвечающей конкретному применению. Точная структура сети ZigBee в большинстве случаев не может быть заранее предопределена, так как зависит от взаимного расположения устройств и прохождения радиоволн во время формирования сети. Однако три упомянутых параметра профиля стека будут диктовать общую структуру (топологию) сети.

Например, если приложение имеет устройства, физически расположенные в линию (например, вдоль конвейера), установка параметров nwkMaxChildren=1 и nwkMaxRouters=1 создаст линейную структуру, как показано на рисунке 2.


Рисунок 2. Линейная топология сети

Параметры профиля стека для древовидной сети, изображенной на рис. 4, приведены выше. Топология «звезда» может быть достигнута путем установки nwkMaxDepth=1 и nwkMaxRouters=0.

Гибкость сетевых структур ZigBee, настраиваемых в соответствии с областью применения, наилучшим образом проявляется в ситуациях, когда большинство других сетей оказываются непригодны.

Топология ячеистой сети

Наиболее перспективной в сети ZigBee является ячеистая топология (mesh-топология). 

Ячеистая сеть – это сеть взаимосвязанных маршрутизаторов и конечных устройств, в которой каждый маршрутизатор имеет, по крайней мере, две связи и может транслировать сообщения своих соседей. Как показано на рис. 3, ячеистая сеть состоит из одного координатора и нескольких маршрутизаторов и конечных устройств.

В такой сети каждое устройство может связываться с любым другим устройством как напрямую, так и через промежуточные узлы сети. Ячеистая топология поддерживает «многошаговую» (multi-hop) связь, при которой данные проходят шагами от одного устройства к другому, используя наиболее надежные линии связи и наиболее эффективные маршруты, пока не достигнут цели.

Способность к многошаговой передаче помогает обеспечить живучесть сети (способность к самовосстановлению). Если одно из устройств отказывает или оказывается под воздействием помех, сеть способна перемаршрутизироваться, используя оставшиеся устройства.


Рисунок 3. Ячеистая сеть ZigBee

Принципиальное отличие сетей ZigBee от других беспроводных сетей, таких как IEEE 802.11/WiFi, в том, что вместо централизованной звездообразной структуры сети ZigBee допускают иерархию присоединения к сети. В результате может быть достигнуто несколько уровней присоединения. Такая иерархия устройств служит для создания истинно беспроводных сетей.

Для сравнения, IEEE 802.11/WiFi предлагает технологию точки беспроводного доступа: беспроводное подключение производится между, скажем, ноутбуком или телевизором и точкой доступа, которая не является беспроводным маршрутизатором. Поэтому далее поток данных направляется на провода (например, по проводной сети к другим проводным устройствам или к другой точке беспроводного доступа). Сеть ZigBee способна доставлять пакеты полностью по беспроводной сети через несколько промежуточных беспроводных устройств.

Преимущества

  • Ячеистая топология обладает высокой живучестью и надежностью. Если какой-либо маршрутизатор становится недоступным, могут быть найдены и использованы альтернативные маршруты.

  • Использование промежуточных устройств при передаче данных делает ячеистую сеть широко масштабируемой.

  • Слабые сигналы и мертвые зоны могут быть легко исключены простым добавлением дополнительных маршрутов.

Формирование сети ZigBee

Любая сеть ZigBee начинается с ее формирования. Устройство, способное быть координатором (оно назначается при проектировании сети), определяет свободный от помех канал и настраивает себя в качестве координатора. В ZigBee это устройство называется PAN координатором – координатором персональной (в отличие от локальной – LAN) сети.

Устройства, которые хотели бы присоединиться к сети (подключиться, войти в состав сети), рассылают широковещательный запрос. Первоначально на этот запрос отвечает только PAN координатор. В дальнейшем кроме PAN координатора предоставить присоединение к сети могут маршрутизаторы ZigBee, которые уже присоединились к PAN координатору непосредственно или через другие маршрутизаторы. После того, как устройство, желающее присоединится к сети, получает ответ на широковещательный запрос, следует обмен сообщениями, которые определяют, может ли устройство присоединиться к сети. Ключевым фактором определения возможности является способность маршрутизатора обслужить новые устройства в дополнение к ранее подключенным.

Вступление в сеть

Существует два пути вступления устройств в сеть ZigBee: МАС ассоциация и повторное сетевое присоединение (NWK rejoin).

МАС ассоциация

Как очевидно из названия, МАС ассоциация осуществляется на МАС уровне. Способностью к МАС ассоциации должно по умолчанию обладать каждое устройство ZigBee. Механизм МАС ассоциации следующий:

  • Координатор или маршрутизатор, который собирается позволить другим устройствам присоединиться к нему, должен выставить на свой МАС уровень разрешение на присоединение NLME-PERMIT-JOINING.request.
  • В свою очередь, устройство, желающее вступить в сеть, выставляет на свой МАС уровень запрос на присоединение NLME-NETWORK-DISCOVERY.request.
  • После этого вступающее в сеть устройство передает в эфир широковещательный запрос маячка и получает этот маячок от маршрутизатора(ов), готового(ых) подключить новое устройство.
  • Получив маячок (маячки), устройство определяет, в какую сеть оно желает вступить и к какому конкретно устройству присоединиться, после чего выставляет на свой МАС уровень требование NLME-JOIN.request с установленным в значение FALSE флажком «повторное присоединение» (rejoin).
  • Сделав это, вступающее устройство направляет на выбранный маршрутизатор запрос на присоединение и получает ответ, содержащий присвоенный ему сетевой адрес.

Отметим, что МАС ассоциация не является безопасной, так как все сообщения передаются в открытом (не зашифрованном) виде.

Повторное сетевое присоединение (NWK rejoin)

Повторное сетевое присоединение (NWK rejoin) вопреки названию может использоваться и при первом подключении устройства к сети. И, как ясно из названия, осуществляется на сетевом уровне. Это означает, во-первых, что стандартный механизм МАС ассоциации в этом случае может либо применяться (в этом случае ZigBee маршрутизатор выставит разрешение на присоединение NLME-PERMIT-JOINING.request), либо нет. Во-вторых, это означает, что обмен пакетами может быть безопасным, если вступающее устройство знает текущий сетевой ключ. Это возможно, если устройство действительно переподключается, либо если оно включается впервые, но получило сетевой ключ через какой-то сторонний механизм (например, при настройке).

При таком подключении устройство, желающее вступить в сеть, выставляет на свой сетевой уровень (NWK) запрос на присоединение NLME-JOIN.request и обменивается с подключающим его маршрутизатором пакетами «запрос подключения» – «ответ на запрос подключения».

Динамика сети

Помимо процесса подключения новых устройств к изменению структуры сети могут привести другие процессы. Устройства могут, например, покидатьсеть или повторно подключаться к сети в других местах (например, при перезагрузке устройства).

Рисунок 4 показывает пример переподключения. В этом примере устройство с коротким адресом «0E3B» переподключается к сети, как «097D» и впоследствии как «0260». На каждом этапе это устройство присоединяется к другому маршрутизатору, который выделяет адрес из имеющегося в его распоряжении диапазона адресов.

Одно из важных достоинств сети ZigBee – способность отслеживать устройства и топологию сети в режиме частых подключений, отключений и переподключений устройств.


Рисунок 4. Переподключение конечного устройства в древовидной сети

Маршрутизация в сетях ZigBee

Основной алгоритм маршрутизации в сетях ZigBee – «Ad hoc On Demand Distance Vector» (AODV) основан на понятии «вектор расстояния» маршрута, когда каждый маршрутизатор, участвующий в трансляции запроса маршрута от конкретного источника к конкретному пункту назначения создает свою запись в маршрутной таблице. Эта запись как минимум содержит «логическое расстояние» от источника запроса и адрес предыдущего маршрутизатора.

Алгоритм работает следующим образом:

  • когда устройству «источник» (И) необходимо отправить пакет на устройство «адресат» (А), источник инициирует процесс обнаружения маршрута путем рассылки широковещательного пакета «запрос маршрута», запрашивая маршрут к устройству А (см. рис.5);
  • каждое устройство, которое получило этот запрос маршрута, вносит свою запись в таблицу маршрутизации и может транслировать этот запрос, включив в него таблицу со своей записью (см. рис. 6);
  • следующие устройства, получившие ретранслированный запрос, транслируют его дальше, и с каждым шагом «логическое расстояние», пройденное запросом, увеличивается на величину, зависящую от качества связи на очередном участке;
  • процесс продолжается пока запрос не достигает устройства А, причем обычно устройства А достигает несколько ретранслированных запросов (от разных маршрутизаторов) и «логические расстояния» (ЛР) маршрутов этих пакетов различны;
  • устройство А отправляет ответ по маршруту, имеющему минимальное «логическое расстояние»;
  • ответ будет возвращаться в соответствие с таблицей маршрута по пути, пройденному первоначальным запросом, пока не прибудет на устройство И (рис. 7).

Эта серия передаваемых в обратном направлении ответов формирует прямой маршрут для будущей передачи пакетов от И до А (рис. 8). Механизм «логического расстояния» позволяет источнику и узлам, расположенным на пути запроса, выбрать минимальное «логическое расстояние» маршрута от источника до места назначения.


Рисунок 5. Поиск маршрута. Шаг 1


Рисунок 6. Поиск маршрута. Шаг 2 (ЛР – логическое расстояние)


Рисунок 7. Поиск маршрута. Шаг 3


Рисунок 8. Поиск маршрута. Шаг 4

Описанный базовый алгоритм эффективен и универсален, однако требует значительного объема памяти для хранения маршрутов, что усложняет и удорожает устройства.

Поэтому в сетях ZigBee реализован и другой алгоритм, которые позволяет снизить требования к объему памяти, а иногда и уменьшить сетевой трафик, необходимый для поиска маршрутов. Действие алгоритма основано на том, что адреса в ZigBee сети распределяются иерархически, начиная с координатора. Устройство, не имеющее возможностей маршрутизации или устройство, возможности маршрутизации которого исчерпаны, может воспользоваться иерархической маршрутизацией – менее эффективной, но, тем не менее, вполне практичной.

Иерархическая маршрутизация

В процессе формирования ZigBee сети алгоритм распределения адресов задает диапазоны адресов сетевым устройствам в иерархическом порядке, начиная с координатора. В результате любое устройство в сети, зная свой адрес и адрес получателя пакета, может определить, принадлежит ли конкретный сетевой адрес к «нисходящей» ветви (и к какой именно), или находится в другом месте в иерархии устройств. Исходя из этого, любое устройство может принять простое решение маршрутизации: передавать пакет «вверх» – в направлении координатора или «вниз» – к дочернему устройству.

Пример иерархической маршрутизации представлен на рисунке 8.

Как в случае на рис. 7, пакет, отправленный устройством И, предназначен для устройства А. Однако устройство 4 исчерпало свои возможности маршрутизации, поэтому оно не может транслировать пакет непосредственно на устройство А, а вместо этого, используя иерархическую маршрутизацию, направляет этот пакет «вверх» по иерархической лестнице – на устройство 2. Далее пакет транслируется на координатор К, который передает его на искомый адрес А.

Преимущества иерархической маршрутизации заключаются в ее простоте и меньшем использовании ресурсов, что позволяет создавать очень недорогие устройства без возможностей маршрутизации, которые, тем не менее, могут участвовать в любой ZigBee совместимой сети. Недостаток алгоритма в том, что пакеты будут двигаться вверх и вниз до координатора и обратно даже в том случае, когда между источником и приемником возможна прямая связь.


Рисунок 9. Иерархическая маршрутизация

Маршрутизация к агрегатору

Во многих, если не в большинстве приложений, использующих беспроводные сети, есть особое устройство, часто называемое агрегатором, к которому остальные сетевые устройства должны регулярно направлять данные. С целью экономии сетевого трафика в ZigBee PRO предусмотрен специальный случай поиска маршрутов, при котором единственный широковещательный запрос маршрута от агрегатора позволяет установить в роутинговых таблицах всех маршрутизаторов сети записи с агрегатором в качестве получателя.

Масштабирование сетей ZigBee в системах РТЛС

Типичная инфраструктура системы РТЛС состоит из нескольких зон ZigBee сетей, связанных с сервером через сегменты локальной IP сети. Каждая из зон является самостоятельной ZigBee сетью, состоящей, как правило, не менее чем из четырех анкеров, относительно которых позиционируются находящиеся в зоне ZigBee сети метки. Один из анкеров в каждой зоне всегда является еще и координатором сети. Два анкера в каждой ZigBee зоне системы РТЛС снабжены IP интерфейсами и выполняют функции шлюзов, связывающих зону с сервером через независимые IP каналы, что обеспечивает резервирование и соответственно надежность инфраструктуры в целом. Пример инфраструктуры РТЛС, обслуживающей многоэтажное здание и прилегающую территорию, показан на рис. 10.


Рисунок 10. Инфраструктура системы позиционирования в реальном времени РТЛС

Профили приложений, кластеры и конечные точки

Профиль приложения описывает набор устройств, используемых для определенного приложения, и косвенно схемы обмена сообщениями между этими устройствами. Например, есть профили приложений для «умного дома», автоматизации здания, системы безопасности и так далее. Для уникальной идентификации приложений каждому приложению выделяется идентификатор профиля.

Существует два типа профилей приложений:

  • Общие профили приложений – совместимое прикладное программное обеспечение, разработанное альянсом ZigBee, которое выполняет конкретную задачу.
  • Профили производителей оборудования – частные профили приложений, разработанные компаниями для работы устройств ZigBee.

Устройства в пределах профиля приложения общаются друг с другом посредством кластеров, которые могут быть входами или выходами устройства. Например, в профиле «умного дома» имеется кластер, предназначенный для подсистем контроля освещения. Идентификатор кластера уникально идентифицирует кластер в рамках конкретного профиля.

Конечная точка определяет объект связи внутри устройства, через который реализуется определенное приложение. Например, пульт дистанционного управления может выделить конечную точку 6 для контроля освещения в спальне, конечную точку 8 для управления системой обогрева и кондиционирования воздуха и конечную точку 12 для управления системой безопасности. Это позволяет пульту дистанционного управления независимо связываться с этими устройствами и определять, какие пакеты предназначены для каждого приложения и устройства.

В любом устройстве ZigBee можно использовать до 240 конечных точек (1 – 240). Конечная точка ноль выделена для объекта устройства ZigBee (ZD0), который обеспечивает команды контроля и управления самим устройством ZigBee.

Библиотека кластеров ZigBee (ZCL)

ZCL – это библиотека кластеров, которые могут использоваться любым приложением. Это позволяет использовать кластеры в различных сферах. В частности, кластеры освещения могут использоваться в любом приложении, которое требует управления освещением, например, в «умном доме» или в системе автоматизации коммерческого здания.

Каждый кластер имеет два «конца» – клиент и сервер.

Кластеры в библиотеке кластеров организованы в ряд функциональных доменов, включая:

  • освещение,
  • климат-контроль,
  • измерения,
  • охрана и безопасность,
  • протоколы,
  • общего назначения

и так далее.


Спецификация каждого кластера определяет:

  • обязательные и факультативные настраиваемые параметры;
  • специфические команды кластера;
  • описания функций.

Спецификация каждого устройства определяет:

  • обязательные и факультативные применения кластера;
  • величины настраиваемых параметров;
  • дополнительные описания функций.

Привязки

Привязки являются соединениями между двумя конечными точками, причем каждая привязка поддерживает конкретный профиль приложения, а каждый тип сообщения представлен кластером в этом профиле.

Привязки могут быть созданы между отдельными конечными точками или их группами, такими, как светильники и выключатели, которые имеют совпадающие кластеры ввода и вывода (то есть, один и тот же идентификатор кластера). Устройство ZigBee может иметь до 240 конечных точек, поэтому каждое устройство может поддерживать множество привязок.

Привязки могут храниться внутри исходного устройства. Например, в пульте дистанционного управления могут храниться адреса и идентификаторы конечных точек всех приложений, с которыми он взаимодействует. Это называется прямой привязкой или привязкой источника.

Либо сведения о привязке могут храниться в промежуточном устройстве, поддерживающем таблицу подстановки, которая соотносит все конечные точки источников и получателей. Это называется косвенной привязкой.

Безопасность ZigBee

Система безопасности ZigBee, которая основана на 128-битном AES алгоритме, дополняет модель безопасности, предоставляемую IEEE 802.15.4. Службы безопасности ZigBee включают методы создания ключей и транспорта, управления устройствами и защиты пакетов данных.

Спецификация ZigBee определяет безопасность для MAC, NWK и APS уровней. Безопасность приложений обычно обеспечивается через профили приложений.

Центр управления безопасностью

Центр управления безопасностью определяет, следует ли разрешить или запретить присоединение новых устройств к своей сети.

Центр управления безопасностью может периодически обновлять ключ сети и переходить на новый ключ. Сначала он транслирует новый ключ, зашифрованный с помощью старого ключа сети. Затем он сообщает всем устройствам о переходе на новый ключ.

Центром управления безопасностью обычно является координатор сети, но это может быть и выделенное устройство.

Центр управления играет следующие роли в обеспечении безопасности:

  • Доверенный менеджер по проверке подлинности устройств, желающих присоединиться к сети.
  • Менеджер сети, поддерживающий и распространяющий сетевые ключи.
  • Диспетчер конфигурации, обеспечивающий безопасность взаимодействия устройств.

Ключи контроля доступа

ZigBee использует три типа ключей для управления безопасностью: главный ключ, сетевой ключ и ключ канала связи.

Главные ключи

Эти дополнительные ключи не используются для шифрования пакетов. Они используются как первоначальный разделяемый двумя устройствами секретный код, когда устройства выполняют процедуру генерации ключа канала связи.

Главные ключи, которые создаются центром управления безопасностью, называются главными ключами центра безопасности, в то время как все другие ключи называются основными ключами уровня приложений.

Сетевые ключи

Эти ключи обеспечивают безопасность сетевого уровня в сети ZigBee. Сетевой ключ имеют все устройства в сети ZigBee.

Сетевые ключи высокой безопасности должны отправляться по беспроводным каналам только в зашифрованном виде, в то время как стандартные сетевые ключи безопасности могут отправляться как зашифрованными, так и не зашифрованными.

Ключи каналов связи

Эти дополнительные ключи обеспечивают безопасность одноадресной передачи сообщений между двумя устройствами на уровне приложений.

Режим стандартной безопасности

В режиме стандартной безопасности перечень устройств, главных ключей, ключей каналов связи и сетевых ключей можно хранить как в центре управления безопасностью, так и в самих устройствах. Центр управления безопасностью, тем не менее, отвечает за поддержание стандартного сетевого ключа и контролирует политику приема в сеть. В этом режиме требования к ресурсам памяти центра управления безопасностью гораздо ниже, чем для режима повышенной безопасности.

Режим повышенной безопасности

В режиме повышенной безопасности центр управления безопасностью ведет список устройств, главных ключей, ключей каналов связи и сетевых ключей, необходимых для контроля и применения политики обновления сетевых ключей и доступа в сеть. В этом режиме по мере роста количества устройств в сети быстро возрастает необходимый центру управления безопасностью объем памяти.

Дополнительные возможности безопасности, которые обеспечивает ZigBee PRO, чрезвычайно важны, так как сети ZigBee используются в ответственных приложениях.

Ввод в эксплуатацию

Под вводом в эксплуатацию понимается физическое развертывание конкретного решения и логическая привязка узлов для формирования функциональной сети. В широком смысле этого слова ввод в эксплуатацию охватывает широкий круг задач, включая:

  • промер радио и физической среды,
  • размещение устройств,
  • конфигурацию их параметров,
  • привязку приложений,
  • оптимизацию сети и параметров устройств,
  • тестирование и подтверждение правильности работы.

Кроме того, при вводе в эксплуатацию зачастую приходится решать смежные вопросы, такие как наличие знающего и опытного персонала, наличие необходимого оборудования, функциональная совместимость используемых устройств, а также их совместимость с другими беспроводными или проводными системами.

Инструменты ввода в эксплуатацию

В идеале устройства должны запускаться сами. Наладчик только подает на них напряжение, включает и стоит в сторонке, наблюдая, как устройства работают вне сети, к которой они должны присоединиться, как они безопасно включаются в эту сеть, к какому устройству (или устройствам) они присоединяются и с какими устройствами общаются.

Но чтобы достичь этого идеала наладчик сперва должен выполнить всю свою работу.

А если посмотреть на количество задач, связанных с вводом в эксплуатацию, и учесть, что многие наладчики, скорее всего, имеют ограниченное представление о применяемой технологии, легко понять ценность наладочных инструментов.

Инструменты наладчика обычно работают на ноутбуке или КПК и разработаны, чтобы упростить наладку и ввод в эксплуатацию. Эти инструменты имеют интуитивно понятный пользовательский интерфейс, скрывающий сложность базовой технологии. А главное, обеспечивают гибкую визуализацию сети и устройств, а также предоставляют средства для настройки, запуска и управления системой.

Наладочные инструменты, как правило, не предназначены для работы в составе сети при текущей эксплуатации, а просто, не являясь частью основного приложения, облегчают ввод в эксплуатацию и периодическое обслуживание или управление.

Пример ввода в эксплуатацию

На рисунке показан пример ввода ZigBee устройства в эксплуатацию.


(а) Новое распакованное устройство при включении готово к вступлению в любую сеть.

(б) Наладчик включает наладочный инструмент, который может образовывать с устройством настроечную сеть и с помощью которого устройство может быть сконфигурировано.

(в) Новое устройство вступает в настроечную сеть с наладочным инструментом.

(г) Наладчик, используя инструмент, настраивает устройство таким образом, чтобы оно вступило в работающую сеть ZigBee, используя правильные атрибуты безопасности и правильные привязки. Устройство присоединяется к работающей сети ZigBee.

(д) Проверив работу устройства в работающей сети, наладчик перенастраивает устройство для работы в реальной сети, куда это устройство и вступает.

(Пунктирными стрелками показаны присоединения устройства).