Библиотека кластеров ZigBee (ZCL)

Одна из основных идей разработки стандарта ZigBee состояла в том, чтобы обеспечить возможность совместной работы в одной беспроводной сети устройств различных производителей. Очевидно, что для обеспечения совместимости на уровне приложения устройствам ZigBee требуется некий стандартный язык общения. Для реализации этой задачи была разработана библиотека ZigBee-кластеров ZCL (ZigBee Cluster Library).

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

Кластер похож на класс в объектно-ориентированном программировании и представляет собой совокупность:

описания стандартного устройства ZigBee (осветительное устройство, диммер, выключатель, счетчик)

описания стандартных атрибутов для этого устройства (вкл./выкл., яркость, показания счетчика)

описания стандартных команд для этого устройства (установить уровень яркости, считать показания, включить/выключить)

ZigBee-cервер - это устройство, которое хранит значение атрибута, в то время, как ZigBee-клиент дистанционно считывает или записывает значение этого атрибута. Например, пара стандартных устройств лампочка и выключатель могут вместе реализовать функционирование стандартного кластера включить/выключить. При этом лампочка будет ответственна за серверную часть кластера. Она хранит значение атрибута включено/выключено. Выключатель дистанционно устанавливает значение этого атрибута и реализует, таким образом, клиентскую часть кластера.

2. Сеть ZigBee

.1 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. 1, ячеистая сеть состоит из одного координатора и нескольких маршрутизаторов и конечных устройств.

.

Рисунок 2.1 Ячеистая сеть ZigBee

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.

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.

.2 Динамика сети

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

Рисунок 2.2 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 2.2 Переподключение конечного устройства в древовидной сети

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.

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 - 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 3.

Рисунок 3. Иерархическая маршрутизация

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 [1].

3. Безопасность ZigBee

.1 Центр управления безопасностью

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

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.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.

Сетевые ключи - эти ключи обеспечивают безопасность сетевого уровня в сети ZigBee. Сетевой ключ имеют все устройства в сети ZigBee.

Ключи каналов связи - эти дополнительные ключи обеспечивают безопасность одноадресной передачи сообщений между двумя устройствами на уровне приложений.

Поиск по сайту: