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ZigBee/IEEE802.15.4について調べてみた

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ZigBeeとIEEE802.15.4の仕様について調べた内容をまとめています。

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ZigBee/IEEE802.15.4について調べてみた

  1. 1. ZigBee/IEEE 802.15.4 仕様読解 2018/5/24 Ryosuke Uematsu
  2. 2. ZigBeeとは? n家電向けに策定された無線通信規格の名称である。Honeywell、Invensys、三菱電 機、Motorola、Philips Electronicsの5社が結成した「ZigBeeアライアンス」に よって策定された。 nZigBeeは、低速な反⾯、低コスト・低消費電⼒で、⾼い信頼性とセキュリティを持 つことを特徴とする。技術的使⽤はBluetoothと同様のものであるが、⾼速である が通信距離の短いBluetoothとZigBeeとでは特性がほとんど逆になっている。これ は、両者を相互補完させることを⽬的のひとつとして持っているからであるといえ る。ZigBeeは転送速度が遅くてもかまわない家電の遠隔制御などに⽤いられること が想定されている。 nZigBeeの物理層のインターフェースには世界標準規格であるIEEE 802.15.4が採⽤ され、利⽤周波数は2.4GHz帯となる。到達距離は10〜70メートルで、データ通信 速度は20〜250kbpsとなっている。 1(出典) http://www.sophia-it.com/content/ZigBee
  3. 3. ZigBee/IEEE802.15.4の特性 nZigBeeはBluetooth等と同じ近距離無線通信のカテゴリ。通信範囲はパーソナルエ リア、低消費電⼒、低通信速度が特徴である。 2©tansokun920 LPWA SIGFOX, LoRaWAN, NB-IoTなど 近距離無線通信 ZigBee BLEなど 無線LAN 3G/LTE カバレッジ 消費電⼒/ 通信速度 ⾼ 低 1m 100m 10km
  4. 4. ZigBeeのネットワーク構成 n ZigBeeではStar, Mesh, Treeの3つのネットワーク構成があるとされていますが、ZigBeeProでは Tree型が廃⽌され、StarとMeshの違いも曖昧になっている。 3 (出典)http://www.skyley.com/wiki/index.php?ZigBee%E5%85%A5%E9%96%80
  5. 5. ZigBeeのプロトコルスタック nPHY/MAC層はIEEE 802.15.4で規定されています。 nNetwork層以上はZigBee Allianceによって規定されています。 4 (参考)http://www.skyley.com/wiki/index.php?ZigBee%E5%85%A5%E9%96%80
  6. 6. PHY層(IEEE 802.15.4) n仕様上、800,900MHz帯も定義されているが、⽇ 本では2.4GHz帯のみを使⽤している。 nデバイスが利⽤するチャンネルは1つのみ。 n利⽤チャネルが⼲渉した場合はチャネルを変更す る機能もある。 5 周波数 (MHz) チャネル ⼀次変調 ⽅式 ビットレート (kbps) 周波数 拡散⽅式 利⽤地域 868-868.6 CH0 BPSK 20 DSSS 欧州 902-928 CH1-10 (2MHz毎) BPSK 40 DSSS 北⽶ 2400-2483.5 CH11-26 (5MHz毎) O-QPSK 250 DSSS ⽇本 (世界共通) (出典)https://www.researchgate.net/figure/Wi-Fi-ZigBee-Bluetooth-abd-BLE-spectrum_fig1_265602069 ZigBee 2.4GHz帯各⽅式のCH規定
  7. 7. MAC層(IEEE 802.15.4) n MAC層では、デバイスの検出、MAC層における接続などを⾏います。MACフレームは以下4タイプ に分類されます。 6 2 byte 1 0/2 0/2/8 0/2 0/2/8 可変 2 Frame Control Sequence Number Dest.PAN ID Dest. Address Src.PAN ID Src.Address Payload FCS MAC Header MAC Payload MAC Footer n Dataフレームフォーマット 2 byte 1 2 2/8 2 可変 可変 可変 2 Frame Control Sequence Number Src.PAN ID Src.Address Superframe specification GTS Pending Address Beacon Payload FCS MAC Header MAC Payload MAC Footer n Beaconフレームフォーマット 2 byte 1 2 Frame Control Sequence Number FCS MAC Header MAC Footer n Ackフレームフォーマット 2 byte 1 0/2 0/2/8 0/2 0/2/8 1 可変 2 Frame Control Sequence Number Dest.PAN ID Dest. Address Src.PAN ID Src.Address Command Frame ID Payload FCS MAC Header MAC Payload MAC Footer n MAC Commandフレームフォーマット
  8. 8. MAC層(IEEE 802.15.4) Frame Controlフィールド詳細 n MAC Commandフレームフォーマット 7 2 byte 1 0/2 0/2/8 0/2 0/2/8 1 可変 2 Frame Control Sequence Number Dest.PAN ID Dest. Address Src.PAN ID Src.Address Command Frame ID Payload FCS MAC Header MAC Payload MAC Footer 0-2 bit 3 4 5 6 7-9 10-11 12-13 14-15 Frame Type Security Enable Frame pending Ack Request Intra PAN Reserved Dest. Addressing mode Reserved Src. Addressing Mode 値 詳細 000 Beacon 001 Data 010 Ack 011 MAC Command 100-111 Reserved Field 詳細 Security Enable MAC層でセキュリティ機 能のOn/Off (ZigBeeでは 基本Offと思われる) Frame pending 送信するデータがまだ 残っている場合1を設定 Ack Request Ackを要求する場合は1を 設定 Intra PAN 1:Dst, Srcどちらもアド レスを含む場合はSrc PAN IDは含まない 0:Dst, Srcどちらもアド レスを含む場合, Dst, Src どちらもPAN IDを含む 値 詳細 00 PAN ID, アドレス無し 01 Reserved 10 16bit アドレス 11 64bit アドレス
  9. 9. MAC層(IEEE 802.15.4) MAC Commandフィールド詳細 n MAC Commandフレームフォーマット 8 2 byte 1 0/2 0/2/8 0/2 0/2/8 1 可変 2 Frame Control Sequence Number Dest.PAN ID Dest. Address Src.PAN ID Src.Address Command Frame ID Command Payload FCS MAC Header MAC Payload MAC Footer Command Frame ID 詳細 0x01 Association Request 0x02 Association Response 0x03 Disassociation Notification 0x04 Data Request 0x05 PAN ID conflict Notification 0x06 Orphan Notification 0x07 Beacon Request 0x08 Coordinator realignment 0x09 GTS Request 0x0a-0xff Reserved Type:Command, Beacon Request ZigBeeデバイスA ZigBeeデバイスB Type:Beacon, Beacon デバイスBのPAN ID, Addrを通知 Type:Command, Association Request Type:Ack Type:Command, Data Request Type:Ack Type:Command, Association Response デバイスAのShort Addrを通知 Type:Ack
  10. 10. ネットワーク(NWK)層(ZigBee Specification) n ネットワーク層では、MAC層との連携、アプリ層との連携を⾏うインターフェースになります。 n MAC層におけるFrame TypeがDataの場合のPaylodaにNWKフレームが含まれます。 9 2 byte 1 0/2 0/2/8 0/2 0/2/8 可変 2 Frame Control Sequence Number Dst. PAN ID Dst. Address Src. PAN ID Src. Address Payload FCS MAC Header MAC Payload MAC Footer n MAC Dataフレームフォーマット 2 byte 2 2 1 1 0/8 0/8 0/1 可変 可変 Frame Control Dst. Address Src. Address Radius Sequence Number Dst. IEEE Address Src. IEEE Address Multicast Control Source Route Subframe Payload NWK Header NWK Payload n NWKフレームフォーマット
  11. 11. ネットワーク(NWK)層(ZigBee Specification) Frame Control n NWKフレームフォーマット 10 2 byte 2 2 1 1 0/8 0/8 0/1 可変 可変 Frame Control Dst. Address Src. Address Radius Sequence Number Dst. IEEE Address Src. IEEE Address Multicast Control Source Route Subframe Payload NWK Header NWK Payload 0-1 bit 2-5 6-7 8 9 10 11 12 13-15 Frame Type Protocol Version Discover Route Multicast Flag Security Source Route Dst. IEEE Address Src. IEEE Address Reserved 値 詳細 00 Data 01 NWK Command 10-11 Reserved 値 詳細 0x01 ZigBee2004 0x02 ZigBee2006 ZigBee2007 値 詳細 00 Suppress route discovery 01 Enable route discovery 10-11 Reserved Field 詳細 Multicast Flag マルチキャストフレームか否か Security NWK層におけるセキュリティのOn/Off Source Route Source Routeヘッダを含むかどうか Dst. IEEE Address アドレスを含むかどうかのフラグ Src. IEEE Address アドレスを含むかどうかのフラグ
  12. 12. ネットワーク(NWK)層(ZigBee Specification) NWK Command n NWKフレームフォーマット 11 2 byte 2 2 1 1 0/8 0/8 0/1 可変 可変 Frame Control Dst. Address Src. Address Radius Sequence Number Dst. IEEE Address Src. IEEE Address Multicast Control Source Route Subframe Payload NWK Header NWK Payload 1 byte 可変 NWK Command Payload 値 詳細 0x01 Route request 0x02 Route reply 0x03 Network status 0x04 Leave 0x05 Route record 0x06 Rejoin request 0x07 Rejoin response 0x08 Link status 0x09 Network report 0x0a Network update 0x0b-0xff Reserved Frame Type : NWK Command
  13. 13. アプリケーションサポート(APS)層(ZigBee Specification) 12 2 byte 1 0/2 0/2/8 0/2 0/2/8 可変 2 Frame Control Sequence Number Dst. PAN ID Dst. Address Src. PAN ID Src. Address Payload FCS MAC Header MAC Payload MAC Footer n MAC Dataフレームフォーマット 2 byte 2 2 1 1 0/8 0/8 0/1 可変 可変 Frame Control Dst. Address Src. Address Radius Sequence Number Dst. IEEE Address Src. IEEE Address Multicast Control Source Route Subframe Payload NWK Header NWK Payload n NWKフレームフォーマット 1 byte 0/1 0/2 0/2 0/2 0/1 1 0/可変 可変 Frame Control Dst. Endpoint Group Address Cluster ID Profile ID Src. Endpoint APS Counter Extended Header Payload APS Header APS Payload n APSフレームフォーマット
  14. 14. アプリケーションサポート(APS)層(ZigBee Specification) Frame Control n APSフレームフォーマット 13 1 byte 0/1 0/2 0/2 0/2 0/1 1 0/可変 可変 Frame Control Dst. Endpoint Group Address Cluster ID Profile ID Src. Endpoint APS Counter Extended Header Payload APS Header APS Payload 0-1 bit 2-3 4 5 6 7 Frame Type Delivery Mode Ack Format Security Ack Request Extended Header Present 値 詳細 00 Data 01 APS Command 10 ACK 11 Reserved 値 詳細 00 Normal Unicast 01 Indirect 10 Broadcast 11 Group Address Field 詳細 Ack Format Ackフレームにおいて、Dst. Endpoint, Cluster ID, Profile ID, Src. Endpointフィールドを含めるか否か Security APS層におけるセキュリティのOn/Off Ack Request ACK応答要求 Extended Header Present Extended Headerを含めるか否か
  15. 15. ZigBeeのセキュリティ機能 n⾮常にシンプルな構成です。 n 暗号化(AES-128bit) n メッセージ認証 n 改竄検知 n フレームカウンタ値によるリプレイ攻撃対策 14 (参照)https://itsecx.fhstp.ac.at/wp-content/uploads/2015/11/20151103_ITSECX_ZigBee_GBU_v13_novids.pdf
  16. 16. ZigBeeのセキュリティ機能 nセキュリティ機能はNWK層またはAPS層のどちらかに付与されます。 15 (参照) ZigBee SPECIFICATION 4.2.2 NWK Layer Security (参照) ZigBee SPECIFICATION 4.2.3 APL Layer Security ネットワーク層以下がすべて 暗号化されます。 アプリ層以下がすべて暗号化 されます。
  17. 17. セキュリティ層(ZigBee Specification) nAuxiliary Header構成 16 1 byte 4 0/8 0/1 Security Control Frame Counter Src. Address Key Sequence Number 0-2 bit 3-4 5 6-7 Security Level Key ID Extended Nonce Reserved 値 データ暗号化 Integrity⻑ (byte) 000 OFF 0 001 OFF 32 010 OFF 64 011 OFF 128 100 ON 0 101 ON 32 110 ON 64 111 ON 128
  18. 18. 参考⽂献 nIEEE Standard 802.15.4™-2003 nZigBee-2007 Specification Document 053474r17 17
  19. 19. 著者 nRyosuke Uematsu n経歴 n学⽣時代 : 情報通信⼯学を専攻。OFDM⼲渉波除去技術を研究。 n2010〜2013年 : 通信機器メーカーでWiMAX、FWAシステムの開発。主にレイ ヤー1,2のFPGAロジック開発。検証⽤ソフトウェアの開発も⾏う。⾔語は Python。 n2013〜2017年 : 通信キャリアで、WCDMA、LTEのフェムトセルの開発・検証に 従事。主にレイヤー3プロトコル(RRC/S1/NAS)を担当。主にアジア系通信機器 ベンダと付き合う。UE、eNB、MMEの総合⾃動化検証ツールの開発プロジェク トを企画/マネジメント。 n2017年〜 : セキュリティ会社でIoT関連のセキュリティ業務に従事。 n得意分野 nモバイルシステム全般、無線通信全般 18

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