Zigbee

896 views
812 views

Published on

Description of 802.15.4 Zigbee MAC Layer

Published in: Technology, Travel
0 Comments
0 Likes
Statistics
Notes
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Views
Total views
896
On SlideShare
0
From Embeds
0
Number of Embeds
5
Actions
Shares
0
Downloads
79
Comments
0
Likes
0
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

Zigbee

  1. 1. ZIGBEE - Capa MAC IXT - UNITAT 9 Grup 1 - 20.05.2009
  2. 2. ÍNDEX <ul><li>Introducció </li></ul><ul><li>Capa MAC </li></ul><ul><li>3. Conclusions </li></ul><ul><li>4. Referències </li></ul>
  3. 3. 1. Introducció <ul><li>1.1. Què és ZigBee? </li></ul><ul><li>1.2. Característiques generals </li></ul><ul><li>1.3. Comparativa </li></ul><ul><li>1.4. Aplicacions </li></ul><ul><li>1.5. Elements d’una xarxa </li></ul><ul><li>1.6. Funcionalitat </li></ul>
  4. 4. 1.1. Què és ZigBee? <ul><li>Especificació per part de ZigBee Alliance. </li></ul><ul><li>Solució per a comunicacions inal·làmbriques de baix cost. </li></ul><ul><li>Només definides capes física i MAC (802.15.4). </li></ul><ul><li>Basada en la transmissió en radiofreqüència. </li></ul>
  5. 5. 1.1. Què és ZigBee? <ul><li>Tecnologia concebuda per a transmissions: </li></ul><ul><ul><li>De Baixa Potència. </li></ul></ul><ul><ul><li>WPAN (Wireless Personal Area Network). </li></ul></ul><ul><ul><li>Poc volum de dades. </li></ul></ul><ul><ul><li>Comunicacions segures. </li></ul></ul><ul><ul><li>Xarxes Autoorganitzatives. </li></ul></ul><ul><li>Cost més econòmic que altres tecnologies sense fils. </li></ul>
  6. 6. <ul><li>Utilitza bandes lliures ISM </li></ul><ul><ul><li>2400-2484 MHz </li></ul></ul><ul><ul><li>902-928 MHz </li></ul></ul><ul><ul><li>868-868.6 MHz </li></ul></ul><ul><li>Topologia mallada </li></ul><ul><ul><li>Xarxes Mesh (+ Robusta) </li></ul></ul><ul><ul><li>Arbre i Estrella </li></ul></ul><ul><li>Topologia Peer-to-Peer </li></ul>1.1. Què és ZigBee?
  7. 7. <ul><li>Topologies: </li></ul>1.1. Què és ZigBee?
  8. 8. 1.2. Car a cterístiques generals <ul><li>Escalabilitat </li></ul><ul><li>Fragmentació (Interacció amb altres protocols) </li></ul><ul><li>Agilitat de freqüència (en cas d’interferències) </li></ul><ul><li>Selecció de canal(16 canals de 5MHz a 2,4GHz) </li></ul><ul><li>Gestió automatitzada de direccions </li></ul><ul><li>Localització de grups </li></ul><ul><li>Recull centralitzat de dades </li></ul><ul><li>Dispositius manteniment i recuperació (xarxa) </li></ul>
  9. 9. 1.2. Car a cterístiques generals <ul><li>Grups Broadcast </li></ul><ul><li>Encriptació (AES128) i Autenticació </li></ul><ul><li>IEEE 802.11.4 Physical Radio </li></ul><ul><li>2.4 GHz (Món)/915 MHz USA/868 MHz UE </li></ul><ul><li>Fins a centenars de metres </li></ul><ul><li>Fins a 65536 nodes </li></ul><ul><li>Velocitats de fins a 250 Kbps </li></ul><ul><li>Poc consum de potència </li></ul><ul><li>Cost baix </li></ul>
  10. 10. 1.3. Comparativa
  11. 11. 1.4. Aplicacions <ul><li>Sensors i control </li></ul><ul><ul><li>Domòtica </li></ul></ul><ul><ul><li>Automatització Industrial </li></ul></ul><ul><ul><li>Telemetría </li></ul></ul><ul><ul><li>Xarxes en automoció </li></ul></ul><ul><ul><li>Seguiment d’objectes (RFID) </li></ul></ul><ul><ul><li>Medicina </li></ul></ul><ul><li>Necessitat de: </li></ul><ul><ul><li>Bateria duradora dels sensors </li></ul></ul><ul><ul><li>Velocitat no prioritària </li></ul></ul><ul><ul><li>Dades íntegres i encriptades </li></ul></ul>
  12. 12. 1.5. Elements d’una xarxa <ul><li>Coordinador (ZigBee Coordinator, ZC) </li></ul><ul><ul><li>Controla la xarxa i els camins </li></ul></ul><ul><ul><li>Un ZC per xarxa </li></ul></ul><ul><li>Router (ZigBee Router, ZR) </li></ul><ul><ul><li>Interconnexió de dispositius </li></ul></ul><ul><li>Dispositiu Final (ZigBee End Device, ZED) </li></ul><ul><ul><li>Comunicació només amb node ‘pare’ (ZC o ZR) </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Estalvi de bateria (major part del temps dormint) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Són dispositius de memòria mínima </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>No transmet info a altres dispositius directament </li></ul></ul></ul>
  13. 13. 1.6. Funcionalitat <ul><li>Dispositius Funcionalitat Completa </li></ul><ul><ul><li>Nodes actius </li></ul></ul><ul><ul><li>Coordinador i Router </li></ul></ul><ul><ul><li>Interface amb usuaris </li></ul></ul><ul><li>Dispositius Funcioanlitat Reduïda </li></ul><ul><ul><li>Nodes passius </li></ul></ul><ul><ul><li>Capacitat/Funcions limitades (estalvi) </li></ul></ul><ul><ul><li>Sensors i actuadors </li></ul></ul>
  14. 14. 2. Capa MAC <ul><li>2.1. Serveis de la capa MAC </li></ul><ul><li>2.2. Control d’accés al medi </li></ul><ul><li>2.3. Tipus i estructura de les trames </li></ul><ul><li>2.4. Model de transferència de dades </li></ul><ul><li>2.5. Adreçament </li></ul><ul><li>2.6. Seguretat </li></ul>
  15. 15. 2.1. Serveis de la capa MAC <ul><li>Dos tipus de serveis a les capes de nivell superior: </li></ul><ul><li>1. Servei de dades </li></ul><ul><ul><ul><li>Transferència de dades. MCPS-DATA </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Eliminar dades. MCPS-PURGE </li></ul></ul></ul><ul><li>2. Servei de gestió </li></ul><ul><ul><ul><li>Administració de les propietats de la comunicació de la PAN </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Control de Radio </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Control de l’associació i dissociació dels nodes </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Gestió dels GTS (“Guaranteed Time Slots”) </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Gestió dels dispositius orfes </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Control de sincronització </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Gestió de les trames de senyalització </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Estat de la comunicació </li></ul></ul></ul>
  16. 16. 2.2. Control accés al medi <ul><li>En la capa MAC 802.15.4/Zigbee s'implementen dos mecanismes d'accés al canal que operen en dos modes principals: </li></ul><ul><ul><ul><li>Mode d'operació per a una xarxa “Amb Beacon”. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Mode d'operació per a una xarxa “Sense Beacon”. </li></ul></ul></ul>
  17. 17. 2.2. Control accés al medi <ul><ul><ul><li>Mode d'operació per a una xarxa “Amb Beacon”. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>Es tracta d'un mode d'operació totalment coordinat. </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>El coordinador de xarxa “Desperta” periòdicament els dispositius de la seva xarxa i els envia un beacon. </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>El dispositiu ha de determinar si te algun missatge per a rebre. En cas que no vulgui rebre gens, el dispositiu torna a dormir, de la mateixa manera el coordinador de la xarxa una vegada el seu treball s'hagi completat. </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>En aquest mode utilitzem una estructura de “supertrama”. </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>Als dispositius se'ls assigna una de les 16 ranures de temps entre beacons cada certs intervals de 15 ms, fins a 245 s . </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>S'utilitza CSMA-CA per a accedir al medi. </li></ul></ul></ul></ul>
  18. 18. 2.2. Control accés al medi <ul><ul><ul><li>2. Mode d'operació per a una xarxa “Sense Beacon”. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>S'utilitza un estàndard CSMA-CA enviant reconeixements positius per a paquets rebuts correctament. </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>És menys coordinat que el mode anterior. </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>Qualsevol dispositiu pot comunicar-se amb el coordinador quan li apeteixi. Aquesta operació pot causar que alguns dispositius puguin interferir l'u amb l'altre. </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>El coordinador ha d'estar sempre despert per a escoltar els senyals, pel que es necessita més potència. </li></ul></ul></ul></ul>
  19. 19. 2.3. Tipus i estructura de les trames <ul><li>Les trames de la capa MAC consten de: </li></ul><ul><ul><li>Una capçalera, MAC Header (MHR) </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Conta de tres camps importants: </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>Frame Control: Camp de control de trama (2 bytes) </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>Sequence Number: Número de seqüència (1byte) </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>Addressing Fields: Camp d’adreces (0 – 20 bytes) </li></ul></ul></ul></ul><ul><ul><li>Un cos de dimensió variable, MAC Service Data Unit (MSDU) </li></ul></ul><ul><ul><li>Una cua, MAC Footer (MFR) </li></ul></ul>
  20. 20. <ul><li>L’estàndard IEEE 802.15.4 defineix 4 tipus de trames : </li></ul><ul><ul><li>Trama de dades. </li></ul></ul><ul><ul><li>Trama de reconeixement (ACK). </li></ul></ul><ul><ul><li>Trama de comandes de la capa MAC. </li></ul></ul><ul><ul><li>Trama pilot (beacon). </li></ul></ul>2.3. Tipus i estructura de les trames
  21. 21. <ul><li>Trama de dades: </li></ul><ul><ul><li>Genèric per transmetre qualsevol tipus de dades de les capes superiors. </li></ul></ul><ul><ul><li>Fins a 104 bytes de informació de dades. </li></ul></ul><ul><ul><li>Numero de seqüència per permetre el ressemblat i la retransmissió. </li></ul></ul><ul><ul><li>Estructura robusta per prevenir errors  FCS. </li></ul></ul>2.3. Tipus i estructura de les trames
  22. 22. <ul><li>Trama de reconeixement (ACK): </li></ul><ul><ul><li>Per confirmar la correcta recepció de les dades. </li></ul></ul><ul><ul><li>S’envia només si la trama rebuda ho sol·licita. </li></ul></ul><ul><ul><li>Al rebre’l es mira si s’esperava rebre una trama ACK i en cas afirmatiu si el número de seqüència de la trama és el correcte. </li></ul></ul><ul><ul><li>No te ni camp de direccions en la capçalera ni cos. </li></ul></ul><ul><ul><li>Paquet de 5 byte. </li></ul></ul><ul><ul><li>Aprofita el període de silenci especificat per la norma desprès de una transmissió . </li></ul></ul>2.3. Tipus i estructura de les trames
  23. 23. <ul><li>Trama de comandes de la capa MAC : </li></ul><ul><ul><li>Té com a objectiu transmetre tots els controls de la capa MAC d’un dispositiu a un altre. </li></ul></ul><ul><ul><li>Consta de dos camps: </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Un primer que indica l’identificador/tipus de comanda. </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>I un segon on es transporten les dades de la comanda. </li></ul></ul></ul>2.3. Tipus i estructura de les trames
  24. 24. <ul><ul><li>4. Trama pilot (beacon) : </li></ul></ul><ul><ul><li>S’utilitza específicament en el mode de transmissió on es poden reservar slots temporals per a usuaris determinats. </li></ul></ul><ul><ul><li>Adreça a varis dispositius per que enviïn informació. </li></ul></ul><ul><ul><li>Permet tenir als nodes sincronitzats sense tenir que estar escultant permanentment el canal. </li></ul></ul><ul><ul><li>Permet buscar xarxes. </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Recerca passiva </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Recerca activa </li></ul></ul></ul>2.3. Tipus i estructura de les trames
  25. 25. <ul><li>Supertrama: </li></ul><ul><ul><li>Estructura definida pel coordinador de la xarxa </li></ul></ul><ul><ul><li>Delimitada per trames beacon enviades pel coordinador </li></ul></ul><ul><ul><li>16 slots temporals idèntics </li></ul></ul><ul><ul><li>Accés al medi mitjançant CSMA-CA ranurat </li></ul></ul><ul><ul><li>Opcionalment: període actiu i inactiu </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Durant el període d’inactivitat el coordinador entre en mode low-energy </li></ul></ul></ul>2.3. Tipus i estructura de les trames
  26. 26. 2.3. Tipus i estructura de les trames
  27. 27. <ul><li>Si es requereix: </li></ul><ul><ul><li>Baixa latència </li></ul></ul><ul><ul><li>Ample de banda dedicat </li></ul></ul><ul><li>GTS (Guaranteed Time Slot) </li></ul><ul><ul><li>Es reserva d’un o més slots temporals dintre del CFP </li></ul></ul>2.3. Tipus i estructura de les trames
  28. 28. 2.4. Model de transferència de dades <ul><li>Tres tipus de transferències </li></ul><ul><ul><li>Coordinador a dispositiu </li></ul></ul><ul><ul><li>Dispositiu a coordinador </li></ul></ul><ul><ul><li>Peer to Peer </li></ul></ul>
  29. 29. 2.4. Model de transferència de dades <ul><li>Coordinador a dispositiu (Beacon enabled) </li></ul><ul><ul><li>Coordinador indica en un beacon que hi ha dades pendents </li></ul></ul><ul><ul><li>Dispositiu sol·licita dades utilitzant CSMA/CA ranurat </li></ul></ul><ul><ul><li>Coordinador reconeix la petici ó </li></ul></ul><ul><ul><li>S’envien les dades </li></ul></ul><ul><ul><li>Dispositiu reconeix les dades </li></ul></ul>
  30. 30. <ul><li>Coordinador a dispositiu (NonBeacon enabled) </li></ul><ul><ul><li>Coordinador emmagatzema les dades pendents i espera petici ó </li></ul></ul><ul><ul><li>Dispositiu sol·licita dades utilitzant CSMA/CA no ranurat </li></ul></ul><ul><ul><li>Coordinador reconeix la petici ó </li></ul></ul><ul><ul><li>S’envien les dades </li></ul></ul><ul><ul><li>Dispositiu reconeix les dades </li></ul></ul>2.4. Model de transferència de dades
  31. 31. <ul><li>Dispositiu a coordinador (Beacon enabled) </li></ul><ul><ul><li>Dispositiu escolta per trobar un beacon </li></ul></ul><ul><ul><li>Quan el troba, sincronitza amb la supertrama </li></ul></ul><ul><ul><li>En el moment adequat transmet la seva trama al coordinador mitjançant CSMA/CA ranurat </li></ul></ul><ul><ul><li>Espai per un ACK opcional al final de l’slot </li></ul></ul>2.4. Model de transferència de dades
  32. 32. <ul><li>Dispositiu a coordinador (NonBeacon enabled) </li></ul><ul><ul><li>Dispositiu envia les trames de dades utilitzant CSMA/CA no ranurat </li></ul></ul>2.4. Model de transferència de dades
  33. 33. 2.4. Model de transferència de dades <ul><li>Transferència Peer-To-Peer (Non-beacon enabled) </li></ul><ul><ul><li>Xarxa bidireccional: dispositius autònoms que poden iniciar una conversa quan vulguin </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Asincron, sempre actiu. CSMA/CA </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><li>Sincron, estalvi energia. CSMA/CA </li></ul></ul></ul><ul><ul><ul><ul><li>Desperten regularment per anunciar la seva presència a la xarxa </li></ul></ul></ul></ul>
  34. 34. 2.5. Adreçament <ul><li>Adreces dels dispositius de 64 bits (fins a 2 64 nodes) </li></ul><ul><ul><li>Opcionalment: adreçament curt de 16 bits, redueix sobrecàrrega de protocol, encara que “només” 65536 nodes. </li></ul></ul><ul><li>Adreçament amb informació d’origen i destí: </li></ul><ul><ul><li>Necessari per a les xarxes Punt-a-punt </li></ul></ul><ul><ul><li>Aquest doble adreçament s’utilitza per a prevenir fallides a la xarxa. </li></ul></ul>
  35. 35. 2.6. Seguretat <ul><li>La seguretat de les transmissions i les dades són fonamentals </li></ul><ul><li>L’arquitectura de seguretat de ZigBee: </li></ul><ul><ul><li>Subnivell MAC, nivell de xarxa i nivell d’aplicació. </li></ul></ul><ul><li>Ens centrarem en la part de la subcapa MAC IEEE 802.15.4, la qual especifica 4 serveis de seguretat </li></ul><ul><ul><li>Control d’accés: el dispositiu manté una llista dels dispositius “autentificats” per la xarxa </li></ul></ul><ul><ul><li>Encriptació: les dades s’encripten amb codis de 128 bits </li></ul></ul><ul><ul><li>Integració de les trames: evita que les dades siguin modificades per tercers </li></ul></ul><ul><ul><li>Seqüències de “refresc”: el coordinador comprova cada cert temps que les dades rebudes eren les esperades. </li></ul></ul>
  36. 36. 2.6. Seguretat: Funcionament <ul><li>Utilitza claus de 128 bits </li></ul><ul><li>Trust Center </li></ul><ul><ul><li>- Dispositiu centralitzat </li></ul></ul><ul><ul><li>- Controla la clau de l’enllaç i la seguretat punt a punt </li></ul></ul><ul><ul><li>- Distribueix les claus de forma unidireccional (one-way) </li></ul></ul><ul><li>Dos tipus de claus: </li></ul><ul><ul><li>- Canal segur: clau mestra inicial (preinstal·lació) </li></ul></ul><ul><ul><li>- Canal insegur: clau d’enllaç (per aplicacions que no requereixen molta seguretat) </li></ul></ul><ul><li>Només s’accepten connexions originades amb una clau enviada pel Trust Center o amb clau mestra inicial </li></ul>
  37. 37. <ul><li>Existència de molta documentació facilitant la configuració de 802.15.4. </li></ul><ul><li>Bateries molt duradores oferint una vida útil significativa. </li></ul><ul><li>Permet molts tipus de xarxes amb una implementació senzilla. </li></ul><ul><li>S’adapta perfectament a una topologia de xarxa dinàmica on s’introdueixen constantment nos nodes. </li></ul><ul><li>Bona solució respecte a les tecnologies sense fils de baix cost </li></ul>3.Conclusions
  38. 38. <ul><li>[1] Página de Wikipedia: ZigBee (especificación) </li></ul><ul><li>http://es.wikipedia.org/wiki/ZigBee_%28especificaci%C3%B3n%29 </li></ul><ul><li>[2] Homepage of ZigBee™ Alliance, </li></ul><ul><li>http://www.zigbee.org/ </li></ul><ul><li>[3] Jorge Carlos Valverde, El Estándar Inalámbrico ZigBee </li></ul><ul><li>http://www.seccperu.org/files/ZigBee.pdf </li></ul><ul><li>[4] Chalmers University, An paper on Zigbee </li></ul><ul><li>http://www.cs.chalmers.se/~tsigas/Courses/DCDSeminar/Files/di0voad%20ZigBee.pdf </li></ul>4.Referències

×