Zigbee — это основанная на IEEE 802.15.4 спецификация для набора высокоуровневых протоколов связи, используемых для создания персональных сетей с небольшими маломощными цифровыми радиоустройствами , например, для домашней автоматизации , сбора данных медицинских устройств и других маломощных и малопропускных нужд, разработанная для небольших проектов, которым требуется беспроводное соединение. Таким образом, Zigbee — это маломощная, низкоскоростная и близкая (т. е. персональная область) беспроводная ad hoc сеть .
Технология, определяемая спецификацией Zigbee, призвана быть проще и дешевле других беспроводных персональных сетей (WPAN), таких как Bluetooth или более общие беспроводные сети, такие как Wi-Fi (или Li-Fi ). Приложения включают беспроводные выключатели света, домашние мониторы энергопотребления , системы управления дорожным движением и другое потребительское и промышленное оборудование, требующее беспроводной передачи данных на короткие расстояния с низкой скоростью.
Его низкое энергопотребление ограничивает дальность передачи до 10–100 метров (от 30 до 300 футов) в пределах прямой видимости , в зависимости от выходной мощности и характеристик окружающей среды. [1] Устройства Zigbee могут передавать данные на большие расстояния, пропуская данные через ячеистую сеть промежуточных устройств для достижения более удаленных. Zigbee обычно используется в приложениях с низкой скоростью передачи данных, которым требуется длительное время работы батареи и защищенная сеть. (Сети Zigbee защищены 128-битными симметричными ключами шифрования.) Zigbee имеет определенную скорость до250 кбит/с , лучше всего подходит для прерывистой передачи данных от датчика или устройства ввода.
Zigbee был задуман в 1998 году, стандартизирован в 2003 году и пересмотрен в 2006 году. Название отсылает к виляющему танцу медоносных пчел после их возвращения в улей. [2]
Zigbee — это стандарт беспроводной ячеистой сети с низким энергопотреблением, предназначенный для устройств с батарейным питанием в беспроводных приложениях управления и мониторинга. Zigbee обеспечивает связь с малой задержкой. Чипы Zigbee обычно интегрируются с радио и микроконтроллерами .
Zigbee работает в промышленных, научных и медицинских ( ISM ) диапазонах радиочастот.Диапазон 2,4 ГГц в основном используется для устройств освещения и домашней автоматизации в большинстве юрисдикций по всему миру. В то время как устройства для коммерческого учета коммунальных услуг и сбора данных медицинских устройств часто используют частоты ниже ГГц (902–928 МГц в Северной Америке, Австралии и Израиле, 868–870 МГц в Европе, 779–787 МГц в Китае, даже эти регионы и страны все еще используют 2,4 ГГц для большинства продаваемых по всему миру устройств ZigBee, предназначенных для домашнего использования. Со скоростью передачи данных, варьирующейся от примерно 20 кбит/с для диапазонов ниже ГГц до примерно 250 кбит/с для каналов в диапазоне 2,4 ГГц).
Zigbee построен на физическом уровне и управлении доступом к среде, определенном в стандарте IEEE 802.15.4 для низкоскоростных беспроводных персональных сетей (WPAN). Спецификация включает четыре дополнительных ключевых компонента: сетевой уровень , прикладной уровень ,Объекты устройств Zigbee (ZDO) и объекты приложений, определенные производителем. ZDO отвечают за некоторые задачи, включая отслеживание ролей устройств, управление запросами на присоединение к сети, а также обнаружение устройств и безопасность.
Сетевой уровень Zigbee изначально поддерживает как звездообразные , так и древовидные сети, а также общие ячеистые сети . Каждая сеть должна иметь одно устройство-координатор. В звездообразных сетях координатор должен быть центральным узлом. Как деревья, так и сетки позволяют использовать маршрутизаторы Zigbee для расширения связи на сетевом уровне. Еще одной определяющей особенностью Zigbee являются средства для осуществления защищенной связи, защиты установления и передачи криптографических ключей, шифрования кадров и управления устройством. Он основан на базовой структуре безопасности, определенной в IEEE 802.15.4.
Самоорганизующиеся цифровые радиосети ad hoc в стиле ZigBee были задуманы в 1990-х годах. Спецификация IEEE 802.15.4-2003 ZigBee была ратифицирована 14 декабря 2004 года. [3] Альянс стандартов связи (ранее ZigBee Alliance) объявил о доступности спецификации 1.0 13 июня 2005 года, известной как спецификация ZigBee 2004 .
В сентябре 2006 года была анонсирована спецификация Zigbee 2006 , которая устарела в стеке 2004 года [4] Спецификация 2006 года заменяет структуру пар «ключ-значение» , используемую в стеке 2004 года, на библиотеку кластеров . Библиотека представляет собой набор стандартизированных команд, атрибутов и глобальных артефактов, организованных в группы, известные как кластеры, с такими названиями, как Smart Energy, Home Automation иZigBee Light Link .[5]
В январе 2017 года Альянс стандартов связи переименовал библиотеку в Dotdot и объявил о ней как о новом протоколе, который будет представлен эмотиконкой ( ||: ) . Они также объявили, что теперь она будет дополнительно работать поверх других типов сетей с использованием интернет-протокола [6] и будет взаимодействовать с другими стандартами, такими как Thread . [7] С момента своего открытия Dotdot функционировал как прикладной уровень по умолчанию почти для всех устройств Zigbee. [8]
Zigbee Pro, также известный как Zigbee 2007, был завершен в 2007 году. [9] Устройство Zigbee Pro может присоединяться и работать в устаревшей сети Zigbee и наоборот. Из-за различий в параметрах маршрутизации устройство Zigbee Pro должно стать немаршрутизирующим конечным устройством Zigbee (ZED) в устаревшей сети Zigbee, а устаревшее устройство Zigbee должно стать ZED в сети Zigbee Pro. [10] Он работает с использованием диапазона ISM 2,4 ГГц и добавляет диапазон ниже ГГц. [11]
Протоколы ZigBee предназначены для встроенных приложений, требующих низкого энергопотребления и допускающих низкие скорости передачи данных . Полученная сеть будет потреблять очень мало энергии — отдельные устройства должны иметь срок службы батареи не менее двух лет, чтобы пройти сертификацию. [12] [13] [ dubious – обсудить ]
Типичные области применения включают в себя:
Zigbee не подходит для ситуаций с высокой мобильностью между узлами. Следовательно, он не подходит для тактических сетей ad hoc радиосвязи на поле боя, где присутствуют и требуются высокая скорость передачи данных и высокая мобильность. [ необходима цитата ] [18]
Первый профиль приложения ZigBee, Home Automation, был анонсирован 2 ноября 2007 года. [ необходима ссылка ] С тех пор были опубликованы дополнительные профили приложений.
TheСпецификации Zigbee Smart Energy 2.0 определяютпротокол связина основеИнтернет-протоколадля мониторинга, управления, информирования и автоматизации доставки и использования энергии и воды. Это усовершенствование спецификаций Zigbee Smart Energy версии 1.[19]Он добавляет услуги дляподключаемых электромобилей, установки, настройки и загрузки прошивки, услуги предоплаты, пользовательскую информацию и сообщения, управление нагрузкой,реагирование на спроси общие интерфейсы информации и профилей приложений для проводных и беспроводных сетей. Он разрабатывается партнерами, включая:
Zigbee Smart Energy использует Zigbee IP, сетевой уровень, который маршрутизирует стандартный трафик IPv6 по IEEE 802.15.4 с использованием сжатия заголовков 6LoWPAN . [20] [21]
В 2009 году Консорциум радиочастот для потребительской электроники (RF4CE) и Альянс стандартов подключения (ранее Zigbee Alliance) договорились о совместной разработке стандарта для радиочастотных пультов дистанционного управления. Zigbee RF4CE разработан для широкого спектра потребительской электроники, такой как телевизоры и телевизионные приставки. Он обещал множество преимуществ по сравнению с существующими решениями для дистанционного управления, включая более развитую связь и повышенную надежность, улучшенные функции и гибкость, совместимость и отсутствие барьеров прямой видимости. [22] Спецификация Zigbee RF4CE использует подмножество функциональных возможностей Zigbee, позволяющих работать на меньших конфигурациях памяти в недорогих устройствах, таких как пульт дистанционного управления потребительской электроникой.
Радиодизайн, используемый Zigbee, имеет мало аналоговых каскадов и использует цифровые схемы везде, где это возможно. Доступны продукты, которые интегрируют радио и микроконтроллер в один модуль. [23]
Процесс квалификации Zigbee включает в себя полную проверку требований физического уровня. Все радиоустройства, полученные из одного и того же проверенного набора полупроводниковых масок, будут обладать одинаковыми радиочастотными характеристиками. Радиоустройства Zigbee имеют очень жесткие ограничения по мощности и полосе пропускания. Несертифицированный физический уровень, который работает со сбоями, может увеличить энергопотребление других устройств в сети Zigbee. Таким образом, радиоустройства тестируются в соответствии с указаниями, приведенными в пункте 6 стандарта 802.15.4-2006. [24]
Этот стандарт определяет работу в нелицензируемых диапазонах ISM от 2,4 до 2,4835 ГГц [25] (по всему миру), от 902 до 928 МГц (Америка и Австралия) и от 868 до 868,6 МГц (Европа) . В диапазоне 2,4 ГГц выделено шестнадцать каналов, разнесенных на 5 МГц, хотя каждый использует только 2 МГц полосы пропускания. Радиостанции используют кодирование с расширенным спектром прямой последовательности , которое управляется цифровым потоком в модуляторе. Двоичная фазовая манипуляция (BPSK) используется в диапазонах 868 и 915 МГц, а смещенная квадратурная фазовая манипуляция (OQPSK), которая передает два бита на символ, используется в диапазоне 2,4 ГГц.
Необработанная скорость передачи данных по воздуху составляет 250 кбит/с на канал в диапазоне 2,4 ГГц, 40 кбит/с на канал в диапазоне 915 МГц и 20 кбит/с в диапазоне 868 МГц. Фактическая пропускная способность данных будет меньше максимальной указанной скорости передачи из-за накладных расходов пакетов и задержек обработки. Для внутренних приложений на частоте 2,4 ГГц расстояние передачи составляет 10–20 м в зависимости от строительных материалов, количества стен, через которые необходимо проникнуть, и выходной мощности, разрешенной в данном географическом положении. [26] Выходная мощность радиостанций обычно составляет 0–20 дБм (1–100 мВт).
Существует три класса устройств ZigBee:
Текущие протоколы ZigBee поддерживают сети с поддержкой и без поддержки маяков.
В сетях без поддержки маяков используется механизм доступа к каналу CSMA/CA без слотов. В этом типе сети маршрутизаторы Zigbee обычно имеют постоянно активные приемники, требующие дополнительного питания. [29] Однако это допускает гетерогенные сети, в которых некоторые устройства принимают непрерывно, а другие передают при необходимости. Типичным примером гетерогенной сети является беспроводной выключатель света : узел Zigbee на лампе может постоянно получать, поскольку он надежно питается от сети питания лампы, в то время как выключатель света с питанием от батареи будет оставаться в спящем режиме до тех пор, пока не будет включен выключатель. В этом случае выключатель просыпается, отправляет команду лампе, получает подтверждение и возвращается в спящий режим. В такой сети узел лампы будет как минимум маршрутизатором Zigbee, если не координатором Zigbee; узел коммутатора обычно является конечным устройством Zigbee.
В сетях с поддержкой маяков маршрутизаторы Zigbee периодически передают маяки для подтверждения своего присутствия другим узлам сети. Узлы могут находиться в спящем режиме между маяками, тем самым продлевая срок службы батареи. Интервалы маяков зависят от скорости передачи данных; они могут составлять от 15,36 миллисекунд до 251,65824 секунд при 250 кбит/с, от 24 миллисекунд до 393,216 секунд при 40 кбит/с и от 48 миллисекунд до 786,432 секунд при 20 кбит/с. Длинные интервалы маяков требуют точного времени, что может быть дорогостоящим для реализации в недорогих продуктах.
В целом протоколы ZigBee минимизируют время работы радио, чтобы снизить потребление энергии. В сетях с маяками узлы должны быть активны только во время передачи маяка. В сетях без маяков потребление энергии явно асимметрично: некоторые устройства всегда активны, в то время как другие проводят большую часть времени в спящем режиме.
За исключением Smart Energy Profile 2.0, устройства Zigbee должны соответствовать стандарту IEEE 802.15.4-2003 Low-rate Wireless Personal Area Network (LR-WPAN). Стандарт определяет нижние уровни протокола — физический уровень (PHY) и часть управления доступом к среде канального уровня . Базовый режим доступа к каналу — множественный доступ с контролем несущей и предотвращением столкновений (CSMA/CA). То есть, узлы взаимодействуют способом, несколько аналогичным тому, как общаются люди: узел кратко проверяет, что другие узлы не разговаривают, прежде чем начать. CSMA/CA не используется в трех примечательных исключениях:
Основные функции сетевого уровня — обеспечение корректного использования подуровня MAC и предоставление подходящего интерфейса для использования следующим верхним уровнем, а именно прикладным уровнем. Сетевой уровень имеет дело с сетевыми функциями, такими как подключение, отключение и настройка сетей. Он может устанавливать сеть, выделять адреса, добавлять и удалять устройства. Этот уровень использует топологии «звезда», «сетка» и «дерево».
Сущность данных транспортного уровня создает и управляет единицами данных протокола в направлении прикладного уровня и выполняет маршрутизацию в соответствии с текущей топологией. Сущность управления обрабатывает конфигурацию новых устройств и устанавливает новые сети. Она может определять, принадлежит ли соседнее устройство к сети, и обнаруживает новых соседей и маршрутизаторы.
Протокол маршрутизации, используемый сетевым уровнем, — AODV . [30] Чтобы найти устройство назначения, AODV используется для трансляции запроса маршрута всем его соседям. Затем соседи транслируют запрос своим соседям и далее, пока не будет достигнут пункт назначения. Как только пункт назначения достигнут, ответ о маршруте отправляется через одноадресную передачу по пути с наименьшей стоимостью обратно к источнику. Как только источник получает ответ, он обновляет свою таблицу маршрутизации, добавляя адрес назначения следующего перехода на пути и соответствующую стоимость пути.
Уровень приложений — это уровень самого высокого уровня, определенный спецификацией, и эффективный интерфейс системы Zigbee для ее конечных пользователей. Он включает в себя большинство компонентов, добавленных спецификацией Zigbee: как ZDO (объект устройства Zigbee), так и его процедуры управления, вместе с объектами приложений, определенными производителем, считаются частью этого уровня. Этот уровень связывает таблицы, отправляет сообщения между связанными устройствами, управляет групповыми адресами, повторно собирает пакеты, а также транспортирует данные. Он отвечает за предоставление услуг профилям устройств Zigbee.
ZDO (объект устройства Zigbee), протокол в стеке протоколов Zigbee, отвечает за общее управление устройствами, ключи безопасности и политики. Он отвечает за определение роли устройства как координатора или конечного устройства , как упоминалось выше, а также за обнаружение новых устройств в сети и идентификацию предлагаемых ими услуг. Затем он может устанавливать безопасные соединения с внешними устройствами и отвечать на запросы привязки соответствующим образом.
Подуровень поддержки приложений (APS) является другим основным стандартным компонентом стека, и как таковой он предлагает четко определенный интерфейс и службы управления. Он работает как мост между сетевым уровнем и другими элементами прикладного уровня: он поддерживает актуальные таблицы привязки в форме базы данных, которая может использоваться для поиска соответствующих устройств в зависимости от необходимых служб и служб, предлагаемых различными устройствами. Как объединение между двумя указанными уровнями, он также маршрутизирует сообщения через уровни стека протоколов .
Приложение может состоять из сообщающихся объектов, которые взаимодействуют для выполнения желаемых задач. Задачи, как правило, в значительной степени локальны для каждого устройства, например, управление каждым бытовым прибором. Цель Zigbee — распределить работу между множеством различных устройств, которые находятся в отдельных узлах Zigbee, которые, в свою очередь, образуют сеть.
Объекты, образующие сеть, взаимодействуют с помощью средств, предоставляемых APS, контролируемых интерфейсами ZDO. В пределах одного устройства может существовать до 240 объектов приложений, пронумерованных в диапазоне 1–240. 0 зарезервирован для интерфейса данных ZDO, а 255 — для широковещательной передачи; диапазон 241–254 в настоящее время не используется, но может использоваться в будущем.
Для использования объектами приложений доступны две службы (в Zigbee 1.0):
Адресация также является частью прикладного уровня. Сетевой узел состоит из радиопередатчика, соответствующего стандарту IEEE 802.15.4, и одного или нескольких описаний устройств (наборов атрибутов, которые можно опрашивать или устанавливать, или которые можно отслеживать с помощью событий). Приемопередатчик является основой для адресации, а устройства в узле определяются идентификатором конечной точки в диапазоне от 1 до 240.
Для взаимодействия приложений поддерживающие их устройства должны использовать общий протокол приложений (типы сообщений, форматы и т. д.); эти наборы соглашений группируются в профили . Кроме того, привязка определяется путем сопоставления идентификаторов входного и выходного кластеров [ уточнить ] , уникальных в контексте данного профиля и связанных с входящим или исходящим потоком данных в устройстве. Таблицы привязки содержат пары источника и назначения.
В зависимости от доступной информации обнаружение устройств может осуществляться разными методами. Если известен сетевой адрес, адрес IEEE может быть запрошен с использованием одноадресной связи. Если нет, петиции передаются в широковещательном режиме . Конечные устройства просто ответят запрошенным адресом, в то время как сетевой координатор или маршрутизатор также отправят адреса всех устройств, связанных с ним.
Этот расширенный протокол обнаружения [ уточнить ] позволяет внешним устройствам узнавать об устройствах в сети и предлагаемых ими услугах, о которых конечные точки могут сообщать при запросе обнаруживающего устройства (которое ранее получило их адреса). Также могут использоваться службы сопоставления.
Использование идентификаторов кластера обеспечивает связывание дополнительных сущностей с помощью таблиц связывания, которые поддерживаются координаторами Zigbee, поскольку таблица всегда должна быть доступна в сети, а координаторы, скорее всего, будут иметь постоянный источник питания. Резервные копии, управляемые слоями более высокого уровня, могут быть необходимы некоторым приложениям. Для связывания требуется установленное соединение связи; после того, как оно существует, решается, следует ли добавлять новый узел в сеть, в соответствии с политикой приложения и безопасности.
Связь может происходить сразу после ассоциации. Прямая адресация использует как радиоадрес, так и идентификатор конечной точки, тогда как косвенная адресация использует каждое соответствующее поле (адрес, конечная точка, кластер и атрибут) и требует, чтобы они были отправлены сетевому координатору, который поддерживает ассоциации и транслирует запросы на связь. Косвенная адресация особенно полезна для того, чтобы сделать некоторые устройства очень простыми и минимизировать их потребность в хранилище. Помимо этих двух методов, доступна широковещательная рассылка на все конечные точки в устройстве, а групповая адресация используется для связи с группами конечных точек, принадлежащих указанному набору устройств.
В качестве одной из своих определяющих особенностей Zigbee предоставляет возможности для осуществления безопасной связи , защиты создания и передачи криптографических ключей и шифрования данных. Он строится на базовой структуре безопасности, определенной в IEEE 802.15.4.
Базовым механизмом обеспечения конфиденциальности является адекватная защита всего ключевого материала. Ключи являются краеугольным камнем архитектуры безопасности; как таковая их защита имеет первостепенное значение, и ключи никогда не должны передаваться по незащищенному каналу . Кратковременное исключение из этого правила происходит на начальном этапе добавления в сеть ранее ненастроенного устройства. Доверие должно предполагаться при первоначальной установке ключей, а также при обработке информации о безопасности. Сетевая модель ZigBee должна уделять особое внимание соображениям безопасности, поскольку сети ad hoc могут быть физически доступны для внешних устройств. Кроме того, невозможно предсказать состояние рабочей среды.
В стеке протоколов различные сетевые уровни не разделены криптографически, поэтому необходимы политики доступа и предполагается традиционная конструкция. Открытая модель доверия внутри устройства допускает совместное использование ключей, что значительно снижает потенциальную стоимость. Тем не менее, уровень, который создает кадр, отвечает за его безопасность. Поскольку могут существовать вредоносные устройства, каждая полезная нагрузка сетевого уровня должна быть зашифрована, поэтому несанкционированный трафик может быть немедленно отсечен. Исключением, опять же, является передача сетевого ключа, который предоставляет сетке единый уровень безопасности, новому подключающемуся устройству.
Архитектура безопасности Zigbee основана на CCM*, который добавляет функции шифрования и целостности только к режиму CCM . [31] Zigbee использует 128-битные ключи для реализации своих механизмов безопасности. Ключ может быть связан либо с сетью, будучи используемым слоями Zigbee и подслоем MAC, либо со ссылкой, полученной через предварительную установку, соглашение или транспорт. Установление ключей связи основано на главном ключе, который контролирует соответствие ключей связи. В конечном счете, по крайней мере, начальный главный ключ должен быть получен через защищенный носитель (транспорт или предварительную установку), так как от этого зависит безопасность всей сети. Ключи связи и главные ключи видны только на прикладном уровне. Различные службы используют различные односторонние вариации ключа связи, чтобы избежать утечек и рисков безопасности.
Распространение ключей является одной из важнейших функций безопасности сети. Защищенная сеть будет назначать одно специальное устройство, центр доверия , которому другие устройства доверяют распространение ключей безопасности. В идеале устройства будут иметь предварительно загруженный адрес центра доверия и начальный главный ключ; если допускается кратковременная уязвимость, она будет отправлена, как описано выше. Типичные приложения без особых потребностей в безопасности будут использовать сетевой ключ, предоставленный центром доверия (через изначально незащищенный канал) для связи.
Таким образом, центр доверия поддерживает как сетевой ключ, так и обеспечивает безопасность точка-точка. Устройства будут принимать только сообщения, исходящие от ключа, предоставленного центром доверия, за исключением первоначального главного ключа. Архитектура безопасности распределяется между сетевыми уровнями следующим образом:
По данным немецкого компьютерного электронного журнала Heise Online , Zigbee Home Automation 1.2 использует резервные ключи для согласования шифрования, которые известны и не могут быть изменены. Это делает шифрование крайне уязвимым. [32] [33] Стандарт Zigbee 3.0 отличается улучшенными функциями безопасности и смягчает вышеупомянутую слабость, предоставляя производителям устройств возможность использовать пользовательский ключ установки, который затем поставляется вместе с устройством, тем самым предотвращая использование резервного ключа в сетевом трафике. Это гарантирует, что весь сетевой трафик будет надежно зашифрован даже во время сопряжения устройства. Кроме того, все устройства Zigbee должны рандомизировать свой сетевой ключ, независимо от того, какой метод сопряжения они использовали, тем самым повышая безопасность для старых устройств. Координатор Zigbee в сети Zigbee может быть настроен на запрет доступа к устройствам, которые не используют эту рандомизацию ключа, что еще больше повышает безопасность. Кроме того, протокол ZigBee 3.0 предусматривает меры противодействия удалению уже сопряженных устройств из сети с целью прослушивания обмена ключами при повторном сопряжении.
Сетевые симуляторы, такие как ns-2 , OMNeT++ , OPNET и NetSim, могут использоваться для моделирования сетей IEEE 802.15.4 Zigbee. Эти симуляторы поставляются с библиотеками C или C++ с открытым исходным кодом , которые пользователи могут изменять. Таким образом, пользователи могут определить валидность новых алгоритмов до внедрения оборудования.
{{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )