Description of 802.15.4 Zigbee MAC Layer

1. ZIGBEE - Capa MAC IXT - UNITAT 9 Grup 1 - 20.05.2009

2. ÍNDEX Introducció Capa MAC 3. Conclusions 4. Referències

3. 1. Introducció 1.1. Què és ZigBee? 1.2. Característiques generals 1.3. Comparativa 1.4. Aplicacions 1.5. Elements d’una xarxa 1.6. Funcionalitat

4. 1.1. Què és ZigBee? Especificació per part de ZigBee Alliance. Solució per a comunicacions inal·làmbriques de baix cost. Només definides capes física i MAC (802.15.4). Basada en la transmissió en radiofreqüència.

5. 1.1. Què és ZigBee? Tecnologia concebuda per a transmissions: De Baixa Potència. WPAN (Wireless Personal Area Network). Poc volum de dades. Comunicacions segures. Xarxes Autoorganitzatives. Cost més econòmic que altres tecnologies sense fils.

6. Utilitza bandes lliures ISM 2400-2484 MHz 902-928 MHz 868-868.6 MHz Topologia mallada Xarxes Mesh (+ Robusta) Arbre i Estrella Topologia Peer-to-Peer 1.1. Què és ZigBee?

7. Topologies: 1.1. Què és ZigBee?

8. 1.2. Car a cterístiques generals Escalabilitat Fragmentació (Interacció amb altres protocols) Agilitat de freqüència (en cas d’interferències) Selecció de canal(16 canals de 5MHz a 2,4GHz) Gestió automatitzada de direccions Localització de grups Recull centralitzat de dades Dispositius manteniment i recuperació (xarxa)

9. 1.2. Car a cterístiques generals Grups Broadcast Encriptació (AES128) i Autenticació IEEE 802.11.4 Physical Radio 2.4 GHz (Món)/915 MHz USA/868 MHz UE Fins a centenars de metres Fins a 65536 nodes Velocitats de fins a 250 Kbps Poc consum de potència Cost baix

10. 1.3. Comparativa

11. 1.4. Aplicacions Sensors i control Domòtica Automatització Industrial Telemetría Xarxes en automoció Seguiment d’objectes (RFID) Medicina Necessitat de: Bateria duradora dels sensors Velocitat no prioritària Dades íntegres i encriptades

12. 1.5. Elements d’una xarxa Coordinador (ZigBee Coordinator, ZC) Controla la xarxa i els camins Un ZC per xarxa Router (ZigBee Router, ZR) Interconnexió de dispositius Dispositiu Final (ZigBee End Device, ZED) Comunicació només amb node ‘pare’ (ZC o ZR) Estalvi de bateria (major part del temps dormint) Són dispositius de memòria mínima No transmet info a altres dispositius directament

13. 1.6. Funcionalitat Dispositius Funcionalitat Completa Nodes actius Coordinador i Router Interface amb usuaris Dispositius Funcioanlitat Reduïda Nodes passius Capacitat/Funcions limitades (estalvi) Sensors i actuadors

14. 2. Capa MAC 2.1. Serveis de la capa MAC 2.2. Control d’accés al medi 2.3. Tipus i estructura de les trames 2.4. Model de transferència de dades 2.5. Adreçament 2.6. Seguretat

15. 2.1. Serveis de la capa MAC Dos tipus de serveis a les capes de nivell superior: 1. Servei de dades Transferència de dades. MCPS-DATA Eliminar dades. MCPS-PURGE 2. Servei de gestió Administració de les propietats de la comunicació de la PAN Control de Radio Control de l’associació i dissociació dels nodes Gestió dels GTS (“Guaranteed Time Slots”) Gestió dels dispositius orfes Control de sincronització Gestió de les trames de senyalització Estat de la comunicació

16. 2.2. Control accés al medi En la capa MAC 802.15.4/Zigbee s'implementen dos mecanismes d'accés al canal que operen en dos modes principals: Mode d'operació per a una xarxa “Amb Beacon”. Mode d'operació per a una xarxa “Sense Beacon”.

17. 2.2. Control accés al medi Mode d'operació per a una xarxa “Amb Beacon”. Es tracta d'un mode d'operació totalment coordinat. El coordinador de xarxa “Desperta” periòdicament els dispositius de la seva xarxa i els envia un beacon. 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. En aquest mode utilitzem una estructura de “supertrama”. Als dispositius se'ls assigna una de les 16 ranures de temps entre beacons cada certs intervals de 15 ms, fins a 245 s . S'utilitza CSMA-CA per a accedir al medi.

18. 2.2. Control accés al medi 2. Mode d'operació per a una xarxa “Sense Beacon”. S'utilitza un estàndard CSMA-CA enviant reconeixements positius per a paquets rebuts correctament. És menys coordinat que el mode anterior. 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. El coordinador ha d'estar sempre despert per a escoltar els senyals, pel que es necessita més potència.

19. 2.3. Tipus i estructura de les trames Les trames de la capa MAC consten de: Una capçalera, MAC Header (MHR) Conta de tres camps importants: Frame Control: Camp de control de trama (2 bytes) Sequence Number: Número de seqüència (1byte) Addressing Fields: Camp d’adreces (0 – 20 bytes) Un cos de dimensió variable, MAC Service Data Unit (MSDU) Una cua, MAC Footer (MFR)

20. L’estàndard IEEE 802.15.4 defineix 4 tipus de trames : Trama de dades. Trama de reconeixement (ACK). Trama de comandes de la capa MAC. Trama pilot (beacon). 2.3. Tipus i estructura de les trames

21. Trama de dades: Genèric per transmetre qualsevol tipus de dades de les capes superiors. Fins a 104 bytes de informació de dades. Numero de seqüència per permetre el ressemblat i la retransmissió. Estructura robusta per prevenir errors  FCS. 2.3. Tipus i estructura de les trames

22. Trama de reconeixement (ACK): Per confirmar la correcta recepció de les dades. S’envia només si la trama rebuda ho sol·licita. 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. No te ni camp de direccions en la capçalera ni cos. Paquet de 5 byte. Aprofita el període de silenci especificat per la norma desprès de una transmissió . 2.3. Tipus i estructura de les trames

23. Trama de comandes de la capa MAC : Té com a objectiu transmetre tots els controls de la capa MAC d’un dispositiu a un altre. Consta de dos camps: Un primer que indica l’identificador/tipus de comanda. I un segon on es transporten les dades de la comanda. 2.3. Tipus i estructura de les trames

24. 4. Trama pilot (beacon) : S’utilitza específicament en el mode de transmissió on es poden reservar slots temporals per a usuaris determinats. Adreça a varis dispositius per que enviïn informació. Permet tenir als nodes sincronitzats sense tenir que estar escultant permanentment el canal. Permet buscar xarxes. Recerca passiva Recerca activa 2.3. Tipus i estructura de les trames

25. Supertrama: Estructura definida pel coordinador de la xarxa Delimitada per trames beacon enviades pel coordinador 16 slots temporals idèntics Accés al medi mitjançant CSMA-CA ranurat Opcionalment: període actiu i inactiu Durant el període d’inactivitat el coordinador entre en mode low-energy 2.3. Tipus i estructura de les trames

26. 2.3. Tipus i estructura de les trames

27. Si es requereix: Baixa latència Ample de banda dedicat GTS (Guaranteed Time Slot) Es reserva d’un o més slots temporals dintre del CFP 2.3. Tipus i estructura de les trames

28. 2.4. Model de transferència de dades Tres tipus de transferències Coordinador a dispositiu Dispositiu a coordinador Peer to Peer

29. 2.4. Model de transferència de dades Coordinador a dispositiu (Beacon enabled) Coordinador indica en un beacon que hi ha dades pendents Dispositiu sol·licita dades utilitzant CSMA/CA ranurat Coordinador reconeix la petici ó S’envien les dades Dispositiu reconeix les dades

30. Coordinador a dispositiu (NonBeacon enabled) Coordinador emmagatzema les dades pendents i espera petici ó Dispositiu sol·licita dades utilitzant CSMA/CA no ranurat Coordinador reconeix la petici ó S’envien les dades Dispositiu reconeix les dades 2.4. Model de transferència de dades

31. Dispositiu a coordinador (Beacon enabled) Dispositiu escolta per trobar un beacon Quan el troba, sincronitza amb la supertrama En el moment adequat transmet la seva trama al coordinador mitjançant CSMA/CA ranurat Espai per un ACK opcional al final de l’slot 2.4. Model de transferència de dades

32. Dispositiu a coordinador (NonBeacon enabled) Dispositiu envia les trames de dades utilitzant CSMA/CA no ranurat 2.4. Model de transferència de dades

33. 2.4. Model de transferència de dades Transferència Peer-To-Peer (Non-beacon enabled) Xarxa bidireccional: dispositius autònoms que poden iniciar una conversa quan vulguin Asincron, sempre actiu. CSMA/CA Sincron, estalvi energia. CSMA/CA Desperten regularment per anunciar la seva presència a la xarxa

34. 2.5. Adreçament Adreces dels dispositius de 64 bits (fins a 2 64 nodes) Opcionalment: adreçament curt de 16 bits, redueix sobrecàrrega de protocol, encara que “només” 65536 nodes. Adreçament amb informació d’origen i destí: Necessari per a les xarxes Punt-a-punt Aquest doble adreçament s’utilitza per a prevenir fallides a la xarxa.

35. 2.6. Seguretat La seguretat de les transmissions i les dades són fonamentals L’arquitectura de seguretat de ZigBee: Subnivell MAC, nivell de xarxa i nivell d’aplicació. Ens centrarem en la part de la subcapa MAC IEEE 802.15.4, la qual especifica 4 serveis de seguretat Control d’accés: el dispositiu manté una llista dels dispositius “autentificats” per la xarxa Encriptació: les dades s’encripten amb codis de 128 bits Integració de les trames: evita que les dades siguin modificades per tercers Seqüències de “refresc”: el coordinador comprova cada cert temps que les dades rebudes eren les esperades.

36. 2.6. Seguretat: Funcionament Utilitza claus de 128 bits Trust Center - Dispositiu centralitzat - Controla la clau de l’enllaç i la seguretat punt a punt - Distribueix les claus de forma unidireccional (one-way) Dos tipus de claus: - Canal segur: clau mestra inicial (preinstal·lació) - Canal insegur: clau d’enllaç (per aplicacions que no requereixen molta seguretat) Només s’accepten connexions originades amb una clau enviada pel Trust Center o amb clau mestra inicial

37. Existència de molta documentació facilitant la configuració de 802.15.4. Bateries molt duradores oferint una vida útil significativa. Permet molts tipus de xarxes amb una implementació senzilla. S’adapta perfectament a una topologia de xarxa dinàmica on s’introdueixen constantment nos nodes. Bona solució respecte a les tecnologies sense fils de baix cost 3.Conclusions

38. [1] Página de Wikipedia: ZigBee (especificación) http://es.wikipedia.org/wiki/ZigBee_%28especificaci%C3%B3n%29 [2] Homepage of ZigBee™ Alliance, http://www.zigbee.org/ [3] Jorge Carlos Valverde, El Estándar Inalámbrico ZigBee http://www.seccperu.org/files/ZigBee.pdf [4] Chalmers University, An paper on Zigbee http://www.cs.chalmers.se/~tsigas/Courses/DCDSeminar/Files/di0voad%20ZigBee.pdf 4.Referències