Применение и реализация беспроводной технологии Zigbee в пожарных системах безопасности

дипломная работа

1.3 Архитектура протокола сети

Любой стандарт, будь то интерфейс проводного обмена данными или беспроводная связь, создается для решения своего круга задач. К примеру, WiFi позволяет связываться на средних расстояниях с относительно большими скоростями передачи данных; позволяя передавать видео и аудио, WiFi ориентирован на применение для доступа беспроводных устройств в корпоративные сети и Интернет. Также стандарт Bluetooth предназначен для передачи данных на малых расстояниях. Bluetooth существенно проигрывает в скорости WiFi; он идеален для передачи потокового аудио или видео, к примеру, между компонентами домашнего кинотеатра. Основная задача, решаемая при помощи ZigBee, - передача небольших объемов данных на средние расстояния. Специфичность предназначения ZigBee состоит в том, что приемо-передающие устройства этого стандарта должны иметь минимальное энергопотребление. С IEEE 802.15.4 и ZigBee нельзя передавать качественное потоковое аудио или видео высокой четкости, зато можно реализовать сложные схемы мониторинга и управления практически в любой сфере.

Документ IEEE 802.15.4 описывает частоты, аппаратные особенности и прочие параметры сети, в то время как документ ZigBee содержит в себе описание процесса сетевого управления, параметры безопасности, а также немаловажные понятия совместимости и профилей устройств. [3]

Особенностью сетей IEEE 802.15.4-2006 является возможность реализации практически любой топологии, включая сотовую.

Стек протоколов ZigBee построен по принципу иерархической семиуровневой модели протоколов передачи данных в открытых системах OSI (Open System Interconnection). Стек включает в себя уровни стандарта IEEE 802.15.4, отвечающие за реализацию канала связи, и программные сетевые уровни и уровни поддержки приложений, определенные спецификацией Альянса ZigBee.(см. рис 1.3)

Архитектура IEEE 802.15.4 определяет в свою очередь ряд уровней, призванных упростить стандарт. Каждый уровень ответственен за одну часть стандарта и предоставляет услуги вышерасположенному уровню.

Интерфейсы между уровнями определяют логические связи, описанные в данном стандарте.

Рисцнок 1.3- Архитектура стека ZigBee/802.15.4

Документ IEEE Std 802.15.4 определяет спецификации физического уровня (PHY) и подуровень доступа к сетевой среде MAC (Medium Access Control) для низкоскоростной беспроводной среды с портативными переносными устройствами и максимальным расстоянием доступности POS (Personal Operating Space) равным 10 метрам. При этом предполагается, что при более низких скоростях передачи возможна работа и на больших расстояниях (< 100 м).

Физический уровень стека

Физический уровень PHY предоставляет два вида услуг: информационный сервис PHY и сервис управления, обеспечивающий взаимодействие с сервисом PLME (Physical Layer Management Entity) точки доступа SAP (известный под названием PLME-SAP). Информационный сервис PHY делает возможным передачу и прием через радиоканал протокольных блоков данных PPDU (Protocol Data Unit).

Стандарт определяет следующие скорости передачи данных: 250 кбит/c, 100кбит/c, 40 кбит/c и 20 кбит/c. Прием и передача данных по радиоканалу осуществляется на физическом уровне PHY, определяющем рабочий частотный диапазон, тип модуляции, максимальную скорость, число каналов: O-QPSK -- квадратичная фазовая манипуляция со смещением для диапазона 2,4 ГГц (16 каналов, 250 Кбит/с), BPSK -- двоичная фазовая манипуляция для частот 915 МГц (10 каналов, 40 Кбит/с) и 868 МГц (1 канал, 20 Кбит/с). Уровень PHY осуществляет активацию/дезактивацию приемопередатчика, детектирование энергии принимаемого сигнала на рабочем канале, выбор физического частотного канала, индикацию качества связи при получении пакета данных и оценку свободного канала для реализации протокола CSMA-CA (протокол множественного доступа к среде с контролем несущей и предотвращением коллизий). Важно понимать, что стандарт 802.15.4 -- это физическое радио (микросхема радиоприемопередатчика), а ZigBee -- это логическаясеть и программный стек, обеспечивающие функции безопасности и маршрутизации.[2]

Радиооборудование работает на одном из нелицензируемых частотных диапазонах:

? 868-868.6 МГц (например, для Европы)

? 902-928 МГц (для Северной Америки)

? 2400-2483.5 МГц (для остального мира)

Рисунок 1.4- Выбор радиоканалов в IEEE 803.15.4 (PHY 2400 МГц) [4]

МАС уровень стека

Субуровень MAC предоставляет два сервиса: информационный MAC-сервис и сервис управления MAC-уровня - обеспечение интерфейса для субуровня управления MLME (MAC Level Management Entity) для точек доступа (известных как MLME-SAP). Информационный сервис MAC обеспечивает прием и передачу протокольных блоков данных MAC-уровня (MPDU) с помощью информационного сервиса физического уровня.

Характерными особенностями субуровня MAC являются использование управления маяками (beacon), реализация доступа, управление GTS (Guaranteed Time Slot), проверка корректности кадров, подтверждение доставки кадров и т.д. Кроме того, субуровень MAC обеспечивает поддержку механизмов безопасности на прикладном уровне.

Данный стандарт опционно разрешает использование структуры суперкадра. Формат суперкадра определяется координатором. Суперкадр ограничен сетевыми маяками (beacon), посланными координатором (см.рисунок 1.4) и содержит 16 равных по длительности временных доменов. Опционно суперкадр может содержать активную и пассивную секции. В неактивный период координатор может перейти в режим экономного расходования питания. Кадр-маяк передается в первом домене каждого суперкадра. Если координатор не хочет использовать структуру суперкадра, он отключит передачу маяков. Маяки нужны для синхронизации подключенных устройств, чтобы идентифицировать PAN, и описать структуру суперкадров. Любое устройство, желающее осуществлять обмен в период CAP (Contention Access Period) между двумя маяками, конкурирует за это право с другими устройствами, использующими доменный механизм CSMA-CA. Все обмены завершаются до момента следующего сетевого маяка. [4]

Характеристики MAC уровня:

? 64-битная IEEE адресация, 16-битная адресация внутри локальных сетей (теоретически максимальное количество устройств в сети 264, организация простых сетей при использовании 16-битной локальной адресации с болеечем 65 тыс. (216) устройств).

Способы адресации:

? идентификаторы: сетевой ID + ID устройства (топология «Звезда»);

? идентификатор Отправителя/ Получателя (передача между равноправными узлами);

? вхождение в сеть/выход из сети автоматическая/полуавтоматическая организация сети;

? формат пакетов сообщений сети ZigBee, максимальная полезная загрузка одного пакета данных составляет 104 байта данных, максимальная длина кадра равна 127 байт;

? уровни безопасности:

? свободный доступ к сети;

? список контроля доступа;

? таймеры определения задержек при передаче и актуальность пакетовданных;

? шифрование с использованием 128-битного симметричного ключа AES;

? механизм доступа в сеть, функции временного разделения и гарантированных временных интервалов, доступ к каналу посредством протокола CSMA-CA;

? поддержка сетевых топологий, включая соединения типа «точка - точка», «звезда», многоячейковой и кластерной топологий;

? оповещение о поступлении пакета данных, подтверждение приема (ACK), 16-битный контроль ошибок (CRC);

? пакетный/потоковый режимы передачи. [2]

Делись добром ;)