Создание надежных сетей Интернета вещей с помощью IEEE 802.15.4 и 6LoWPAN

Промышленный Интернет вещей основан на крупномасштабных распределенных сетях датчиков/управления, которые могут работать без присмотра в течение месяцев или лет с очень низким энергопотреблением. Характерное поведение сети этого типа влечет за собой очень короткие всплески трафика сообщений на короткие расстояния с использованием беспроводных технологий, часто описываемых как низкоскоростная беспроводная персональная сеть (LR-WPAN). Мы сохраняем короткие кадры данных, чтобы уменьшить вероятность радиопомех, вызывающих необходимость повторной передачи. Один из таких подходов LR-WPAN использует стандарт IEEE 802.15.4. Здесь описывается физический уровень и контроль доступа к среде передачи данных, которые часто используются в приложениях промышленного контроля и автоматизации, называемых диспетчерским управлением и сбором данных (SCADA).

Рисунок 1. Формат кадра IEEE 802.15.4.

В IoT локальные «периферийные» устройства, обычно датчики, собирают данные и отправляют их в центр обработки данных — «облако» — для обработки. Для передачи данных в облако требуется связь с использованием стандартного стека протоколов IP. Это можно сделать путем прямого подключения периферийных устройств через Интернет к центрам обработки данных — «облачная модель». Или мы можем обмениваться данными с периферийных устройств с точкой сбора, известной как пограничный шлюз, чтобы данные передавались оттуда в центр обработки данных — «модель тумана».

В этой статье будут описаны характеристики сетей IEEE 802.15.4, в частности реализация IPv6 Межсетевой инженерной группы (IETF) через маломощные беспроводные персональные сети (6LoWPAN). Эта реализация поддерживает модели облака и тумана.

Физический уровень IEEE 802.15.4

Семейство стандартов IEEE 802 разбито на несколько групп задач, включая 802.3 (Ethernet) и 802.11 (Wi-Fi), а также 802.15 (беспроводная сеть PAN). В частности, за IEEE 802.15.4 (для краткости 15.4) отвечает Целевая группа 4, которая отвечает за различные характеристики протокола, включая радиочастотный спектр и физические уровни. Стандарт 15.4 был расширен за счет включения PHY радиочастотной идентификации (RFID), сверхширокополосного (UWB) PHY, а также обсуждается как возможное решение для связи как между автомобилями, так и между автомобилями и бордюрами.

802.15.4 касается только физического (PHY) уровня и уровня управления доступом к среде передачи (MAC) — в модели сети OSI — первого и второго уровней. Он оставляет верхние уровни разработчику. На третьем уровне и выше имеется множество предложений, включая Zigbee, Z-Wave, Thread и 6LoWPAN. Каждый из них реализует остальную часть модели протокола OSI для предоставления таких услуг, как маршрутизация и обнаружение, а также API-интерфейсы для пользовательских приложений.

Рисунок 2. Варианты топологии

В целом версия 15.4 поддерживает скорости передачи данных 20 Кбит/с, 40 Кбит/с, 100 Кбит/с (скоро) и 250 Кбит/с. Базовая структура предполагает радиус действия 10 метров и скорость 250 Кбит/с. Для дальнейшего ограничения энергопотребления можно достичь еще более низких скоростей передачи данных. Несмотря на спецификацию диапазона 10 метров (32 фута), в диапазоне ISM 2,4 ГГц типичная достижимая дальность действия радиомодулей IEEE 802.15.4 составляет порядка 100 футов в помещении и 200–300 футов на открытом воздухе. На частотах ниже ГГц практическая реализация протокола была продемонстрирована на расстоянии более 6,5 км (4 мили) с соответствующими антеннами в диапазоне ISM 900 МГц.

На физическом уровне IEEE 802.15.4 управляет радиочастотным приемопередатчиком и выбором канала, а также средствами управления энергией и сигналами. В настоящее время определены шесть PHY, в зависимости от требуемого диапазона частот и производительности данных. Четыре из них используют методы скачкообразной перестройки частоты с прямым последовательностным расширением спектра (DSSS). Расширенный спектр частотной модуляции (CSS) используется в сверхширокополосном диапазоне (UWB) и диапазонах частот 2450 МГц. Расширение спектра с помощью параллельных последовательностей (PSSS) доступно только с использованием гибридного метода модуляции с двоичной/амплитудной манипуляцией, используемого в европейском диапазоне 868 МГц.

Размер кадра для 15.4 составляет 133 байта, включая PHY, MAC и полезную нагрузку данных. Формат этого кадра можно увидеть на рисунке 1. Сохраняя кадр относительно коротким, мы можем ограничить время, необходимое для его передачи, одновременно ограничивая вероятность радиопомех из-за нормальной работы промышленного оборудования.

Уровень MAC IEEE 802.15.4

Уровень MAC IEEE 802.15.4 (второй уровень модели OSI — уровень канала передачи данных) отвечает за:

• Присоединение и выход из PAN;
• Множественный доступ с контролем несущей и предотвращением конфликтов (CSMA-CA) для доступа к каналу;
• Передача по гарантированному временному интервалу (GTS);
• Установление надежной связи между двумя одноранговыми объектами MAC;
• Передача маяка для координатора;
• Синхронизация с маяками.

Кроме того, уровень MAC поддерживает использование симметричного шифрования с использованием алгоритма шифрования AES-128. Существуют также варианты хэшей на основе SHA и списков контроля доступа для ограничения передачи конфиденциальной информации определенным узлам или ссылкам. Наконец, MAC вычисляет проверку свежести между приемами кадров, чтобы минимизировать вероятность поздней доставки старых кадров, которые могли пройти по окольному пути, протоколам верхнего уровня.

Типы узлов и топологии сети

Рисунок 3. Сжатие IP-заголовка IPv6-заголовка

IEEE 802.15.4 определяет два разных типа сетевых узлов:устройства с ограниченными функциями (RFD) и полнофункциональные устройства (FFD). FFD могут общаться с другими FFD или RFD и даже создавать свои собственные сети. Однако RFD могут общаться только с FFD. Это подразумевает иерархию, которая приводит к двум возможным топологиям сети:звездообразной топологии или одноранговой топологии, такой как ячеистая сеть. Они изображены на рисунке 2.

Топология «звезда» является самой простой и дешевой в реализации, для нее требуется только один FFD. Остальные устройства могут быть либо RFD, либо FFD, в зависимости от реализации. Недостатком звездообразной топологии является то, что координатор представляет собой единую точку отказа. Это может привести к полному отказу сети, и этого следует избегать во всех приложениях, кроме самых простых.

Использование ячеистой топологии обеспечивает несколько резервных путей связи для обеспечения доставки сообщений. При работе в ячеистом режиме сеть, по сути, представляет собой специальную самоорганизующуюся структуру. Таким образом, подключение может быть продолжено, несмотря на изменение характеристик распространения радиочастот, таких как многолучевость или влияние листвы. Использование ячеистой топологии также обеспечивает перемещение узлов, например, в промышленной робототехнике. «Сетка с потерями» — это сеть, в которой не все каналы надежны, поэтому для перенаправления трафика сообщений на основе возможности подключения в любой заданный момент времени используется протокол маршрутизации более высокого уровня.

IPv6

Из-за исчерпания адресного пространства IPv4 существует значительный интерес к переходу на IPv6, который обеспечивает третий уровень (сеть) и четвертый уровень (транспорт) и находится поверх уровня MAC. Обычно IPv6 использует заголовок длиной в сорок байт и предоставляет 128 бит адресного пространства, что позволяет справиться даже с самыми большими оценками для устройств, подключенных к Интернету вещей.

Рисунок 4. Пограничный маршрутизатор Raspberry Pi с модулем 6LoWPAN.

Однако в сочетании с накладными расходами на шифрование AES-128 использование заголовка IPv6 размера по умолчанию оставит в кадре только тридцать три байта для полезных данных пользователя. Для решения этой проблемы было введено сжатие IP-заголовка (IPHC). Это может уменьшить размер заголовка IPv6 всего до десяти байт, включая маршрутизацию для прохождения через Интернет. Этот IPHC можно увидеть на рисунке 3.

Эта комбинация IPv6, IPHC и стандартного TCP/UDP, расположенная поверх уровней PHY и MAC 15.4, известна как 6LoWPAN. В сочетании с использованием сокетов в стиле POSIX разработчик может осуществлять сквозную доставку пакетов в любую точку мира, используя обычные интернет-протоколы.

Реализация 6LoWPAN для Интернета вещей

Существует множество реализаций 6LoWPAN. Одним из них является 6LoWPAN субгигагерца для усовершенствованной инфраструктуры измерения (AMI), которая в настоящее время реализована в счетчиках мощности для бытового использования. Эти счетчики предоставляют коммунальным предприятиям возможность считывания и контроля энергопотребления в электрической сети. Они полагаются на механизм маршрутизации с потерями, чтобы обеспечить доставку измерений независимо от многолучевого распространения или атмосферных воздействий, таких как дождь или снег.

Размер кода 6LoWPAN умеренный. Типичная реализация имеет размер около 30 КБ и часто реализуется непосредственно в радиостанциях таких компаний, как Texas Instruments, Silicon Labs и других. Этот подход обеспечивает интерфейс в стиле UART между микроконтроллером датчика и радиомодулем, тем самым разгружая накладные расходы протокола на радиомодуль.

Альтернативно, многие операционные системы, такие как Linux, уже реализуют 6LoWPAN на ряде радиоплатформ. Это предусматривает использование пограничных шлюзов на базе Linux для обеспечения безопасности периферийных устройств с использованием модели тумана через усиленные ядра, межсетевые экраны следующего поколения и многое другое. Пограничный шлюз также можно использовать для фильтрации и сжатия данных, чтобы снизить общие затраты на связь.

Поскольку 6LoWPAN совместим с обычными интернет-протоколами, разработчик может использовать протоколы более высокого уровня, такие как MQTT, CoAP и HTTP, для связи между приложениями. Пограничный маршрутизатор, который взаимодействует с 6LoWPAN на южной стороне и стандартным IPv4 или IPv6 на северной стороне, может легко обеспечить автоматический перевод сетевых адресов (NAT) из внутреннего формата пакета 6LoWPAN в стандартный IPv6 или через NAT64 в стандартный IPv4. Это делает адресацию периферийного устройства полностью прозрачной для облака и разработчика. Пограничный маршрутизатор на базе Raspberry Pi с подключенным модулем 6LoWPAN показан на рисунке 4.

Сводка

Интернет вещей — это возможность подключения, и стандарт IEEE 802.15.4 предоставляет средства, которые идеально подходят для его реализации — работа с низким энергопотреблением в ячеистой сети с потерями. Использование 6LoWPAN поверх IEEE 802.15.4 обеспечивает безопасное и прозрачное соединение с облаком и значительно снижает нагрузку на разработчиков и проектировщиков систем за счет предоставления стандартных IP-совместимых протоколов и легкодоступных библиотек.

Эта статья была написана Майком Андерсоном, техническим директором и главным научным сотрудником The PTR Group (Эшберн, Вирджиния). Для получения дополнительной информации нажмите здесь.

Усовершенствованные интеллектуальные датчики, движущие будущее Интернета вещей Multiply Labs ускоряет масштабируемое производство клеточной и генной терапии с помощью NVIDIA Isaac Sim