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 расширяет область покрытия сети, осуществляет динамическую маршрутизацию в обход препятствий, восстанавливает маршруты в случаях перегрузки сети или отказа какого-либо 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.

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.

Создание сети и ее топологические особенности

В сетях ZB используется 2 типа маршрутизации:

1. Distance Vector.

2. Link state.

В первом случае каждый узел объявляет свою таблицу маршрутизации только для своих соседей.

Во втором случае узел распространяет свою таблицу маршрутизации на всю сеть. При совпадениях адресов в нескольких присланных таблицах узлы периодически обновляют свои таблицы.

Рассмотрим алгоритмы маршрутизации:

1) Алгоритм маршрутизации AODV (Ad hoc On Demand Distance Vector)

AODV является алгоритмом маршрутизации "по требованию": узлы, которые не лежат на "активном" пути не несут какую-либо информацию о маршрутизации и не участвуют в любых периодических обменах таблицами маршрутизации. Когда узел должен начать взаимодействие с другим узлом, для которого нет информации о маршрутизации в таблице, запускается процесс "Path Discovery". Каждый узел поддерживает два отдельных счетчика: номер последовательности и идентификатор трансляции. Источник узел инициирует "Path Discovery" вещанием маршрут-запроса (RREQ) для своих соседей, который включает в себя адрес отправителя, номер последовательности отправителя, идентификатор трансляции, адрес получателя, счетчик ретрансляций. (Номер исходной последовательности для сохранения актуальности информации об обратном маршруте).

Пара адрес источника и идентификатор трансляции однозначно определяет RREQ, где идентификатор трансляции увеличивается каждый раз, когда источник выпускает новый RREQ. Если промежуточный узел получает RREQ, при условии, что он уже получил RREQ с тем же идентификатором трансляции и адресом источника, то этот RREQ сбрасывается и не ретранслируется. В противном случае, ретранслирует его своим соседям после увеличения счетчика ретрансляций.

RREQ, следуя от источника к получателю, автоматически составляет обратный путь из всех узлов обратно к источнику. Чтобы составить обратный путь, узел сохраняет адрес соседа, от которого он получил первый экземпляр RREQ. Эти записи временные, но хранятся достаточно долго, чтобы информацию между двумя узлами передалась без искажений. Время сохранения записей об обратном маршруте может быть настроено.

После получения RREQ узлом-получателем происходит проверка счетчика ретрансляций, сверка адресов ретрансляторов. В случае совпадения отправляется необходимый ответ, в случае ошибки отправляется ответ RREP с кодами ошибок.

Рисунок 2.1 - Процесс Path Discovery [4]

2) Алгоритм Cluster-Tree

Дерево кластеров - это протокол логической связи сетевого уровня, который использует служебныепакеты "link-state" для формирования либо отдельного кластера, либо целого древа кластеров.

Сеть в основном самоорганизующаяся и имеет некоторую избыточность в количестве путей передачи пакетов для достижения определенной степень устойчивости и имеет возможность самовосстановления. Узлы выбирают корень кластера и сами организуют кластер.

Созданные кластеры соединяются друг с другом посредствам "назначенных устройств" (DD).

Процесс формирования кластеров начинается с выбора корня. После этого корень начинает обмен с другими узлами кластера.

Рисунок 2.2 - Процесс установления соединения корня и узла

Если все узлы расположены в пределах корня, топология становится звездой. Кластер может выйти на связь с многозвенными структурами, т.к. каждый узел поддерживает несколько соединений.

Рисунок 2.3 - Процесс установления соединения корня и узла с использованием "наследования"

Для формирования межкластерного взаимодействия требуется DD, который несет информацию о идентификаторе своего кластера и имеет таблицу маршрутизации. Когда DD подключается к сети, он отправляет запрос на подключение корню другого кластера. Если подключение одобрено, то происходит процесс синхронизации

Рисунок 2.4 - Процесс формирования межкластерного взаимодействия

Если узел получил приветственное сообщение с DD, он сообщает об этом корню кластера. Если подключение DD одобряется корнем кластера то обмен информацией с другим кластером будет осуществлен через тот узел, который сообщил о подключении DD.

Рисунок 2.5 - Процесс формирования межкластерного взаимодействия через граничный узел

Сеть передачи данных на основе стека протоколов ZigBee построена по базовой эталонной модели взаимодействия открытых систем (OSI), что включает в себя наличие функций 7 уровней взаимодействия. Стандарт IEEE 802.15.4 определяет канальный и физический уровни взаимодействия, спецификация стека протоколов ZigBee требует объединения сетевого и транспортного уровней под общим названием "Сетевой уровень". Сеансовый уровень назван уровнем поддержки приложений, что не изменяет его назначения. Функции уровня представления поделены на два уровня "транспортный шлюз ZB" и "Шлюз для приложений ZB". Верхний прикладной уровень идентичен уровню эталонной модели. Все устройства в сети ZB должны иметь уникальные 64-битные адреса. Для обмена информации только внутри своей сети возможно использование коротких 16 битных адресов. Поля адреса зависят от топологии сети: в случае топологии "Звезда" адрес состоит информации о сети и идентификатора устройства, в случае топологии "Дерево" или ячеистой топологии поля адреса состоят из идентификаторов отправителя и получателя. Примечательно то, что с помощью координаторов сети возможно подключение к сети ZB устройств, не поддерживающих стек протоколов ZB. Это осуществимо благодаря функциям анализа и пересобирания пакетов в координаторах сети. Наглядно на рисунке:

Рисунок 2.6 - Блок-схема трансляции IP пакетов

Когда координатор получает IP пакет, он анализирует его и в случае понятных ему инструкций внутри пакета переводит его в кадр ZB. В процессе перевода пакет должен быть переведен на прикладной уровень, где запущена программа непосредственно по переводу кадров.

Рисунок 2.7 - Модель взаимодействия систем

Поиск по сайту: