Построение надёжных IoT-сетей с IEEE 802.15.4 и 6LoWPAN

Промышленный IoT на базе LR-WPAN: стандарт IEEE 802.15.4 и IPv6 через 6LoWPAN

Промышленный Интернет вещей (IIoT) строится на крупномасштабных распределённых сенсорно-контрольных сетях, работающих без присмотра месяцами и годами при сверхнизком потреблении. Характерное поведение — очень короткие пакеты сообщений на коротких расстояниях по беспроводке, low-rate wireless personal area network (LR-WPAN). Короткие кадры снижают вероятность радиоинтерференций, требующих повторной передачи. Один из LR-WPAN подходов — стандарт IEEE 802.15.4, описывающий физический уровень (PHY) и канальный доступ (MAC), используемый в промышленном контроле и автоматизации (SCADA).

Архитектура IoT: облачная и туманная модели

В IoT локальные "краевые" устройства (обычно сенсоры) собирают данные и шлют в дата-центр — "облако" — для обработки. Доставка в облако требует стандартного IP-стека. Два варианта: прямое подключение краевых устройств через Интернет к дата-центрам ("cloud model") или через граничный шлюз (border gateway), релеющий данные в дата-центр ("fog model").

Статья описывает характеристики сетей IEEE 802.15.4, конкретно реализацию IETF IPv6 over Low-power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN), поддерживающую обе модели.

PHY-уровень IEEE 802.15.4

Семейство 802 стандартов включает 802.3 (Ethernet), 802.11 (Wi-Fi), 802.15 (Wireless PAN). 802.15.4 — ответственность Task Group 4: RF-спектр, физические уровни. Стандарт расширен: RFID PHY, UWB PHY, обсуждается для car-to-car и car-to-curb.

802.15.4 охватывает только PHY и MAC (OSI слои 1-2). Верхние слои — на усмотрение реализатора: Zigbee, Z-Wave, Thread, 6LoWPAN — каждый реализует остаток OSI для маршрутизации, обнаружения, API приложений.

Поддерживаемые скорости: 20, 40, 100 (скоро), 250 Кбит/с. Базовый фреймворк — 10 м при 250 Кбит/с. Ещё ниже скорости для экономии энергии. Несмотря на 10 м спецификации, в 2.4 ГГц ISM полосе типичные диапазоны: ~30 м в помещении, 60–90 м на улице. В суб-ГГц частотах показаны >6.5 км с подходящими антеннами в 900 МГц ISM.

На PHY: управление RF-трансивером, выбор канала, энергетический и сигнальный менеджмент. 6 PHY сейчас определены в зависимости от частоты и производительности. 4 используют DSSS (прямое последовательное спектральное расширение). CSS (chirp spread spectrum) в UWB и 2450 МГц. PSSS (parallel sequence spread spectrum) только в европейском 868 МГц с гибридной модуляцией.

Размер кадра 133 байта включая PHY, MAC, полезную нагрузку. Формат кадра (рис. 1). Короткий кадр ограничивает время передачи и вероятность интерференций от промышленного оборудования.

MAC-уровень IEEE 802.15.4

MAC (OSI слой 2 — канальный уровень) отвечает за:

• Присоединение/покидание PAN
• CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) для доступа к каналу
• GTS (Guaranteed Time Slot) передачи
• Надёжный канал между двумя peer MAC сущностями
• Beacon-передачи для координатора
• Синхронизацию с beacon

Поддерживает симметричное шифрование AES-128. Опции SHA-хешей и списков контроля доступа для ограничения передачи чувствительной информации. MAC вычисляет freshness check между приёмами кадров для минимизации риска доставки старых кадров, прошедших по извилистому пути, с задержкой к верхним протоколам.

Типы узлов и топологии сети

802.15.4 определяет два типа узлов: RFD (reduced function devices) и FFD (full-function devices). FFD общаются с FFD и RFD, могут создавать свои сети. RFD только с FFD. Иерархия ведёт к двум топологиям: звезда или peer-to-peer (mesh) — рис. 2.

Звезда — проще и дешевле, нужен один FFD. Остальные — RFD или FFD. Минус — координатор = single point of failure, полный отказ сети. Избегать кроме простейших применений.

Mesh — множественные избыточные пути для гарантированной доставки. В mesh-режиме сеть — ad-hoc, самоорганизующаяся. Связность сохраняется при меняющихся RF-характеристиках (multipath, листва). Поддерживает движущиеся узлы (промышленная робототехника). "Lossy mesh" — не все ссылки надёжны, higher-layer протокол перемаршрутизирует на основе текущей связности.

IPv6 и сжатие заголовка

Из-за исчерпания IPv4 — переход к IPv6 (128 бит адреса, хватает на любые оценки IoT-устройств). Нормальный IPv6 заголовок 40 байт. С AES-128 overhead остаётся только 33 байта для полезной нагрузки в кадре 133 байта.

IP Header Compression (IPHC) решает проблему: сокращает IPv6 заголовок до 10 байт включая маршрутизацию для интернет-обхода. IPHC на рис. 3.

Комбинация IPv6, IPHC, стандартных TCP/UDP поверх 15.4 PHY и MAC — это 6LoWPAN. С POSIX-сокетами разработчик получает end-to-end доставку пакетов где угодно в мире через обычные интернет-протоколы.

Реализация 6LoWPAN для IoT

Множество реализаций. Sub-GHz 6LoWPAN для AMI (продвинутая инфраструктура учёта) в бытовых счётчиках — утилиты читают и контролируют потребление по электросети. Lossy-mesh маршрутизация гарантирует доставку показаний несмотря на multipath, атмосферные эффекты (дождь, снег).

Размер кода 6LoWPAN умеренный: ~30 KB, часто реализован прямо в радиомодулях (TI, Silicon Labs и др.) — UART-интерфейс между сенсорным МК и радио, разгрузка протокола на радио.

Альтернатива: ОС (Linux) уже реализуют 6LoWPAN на ряде радиоплатформ. Linux-граничные шлюзы дают безопасность краевым устройствам через fog model: закаленные ядра, next-gen файрволы. Шлюз также фильтрует и сжимает данные, снижая коммуникационные затраты.

6LoWPAN совместим с интернет-протоколами — разработчик свободно использует MQTT, CoAP, HTTP для app-to-app коммуникаций. Граничный роутер (6LoWPAN на southbound, IPv4/IPv6 на northbound) делает NAT автоматический перевод из внутреннего 6LoWPAN формата в стандартный IPv6 или через NAT64 в IPv4. Адресация краевого устройства полностью прозрачна для облака и разработчика. Рис. 4 — Raspberry Pi border router с 6LoWPAN модулем.

Резюме

IoT — это про связность. IEEE 802.15.4 идеален для её реализации — низкопотребление через lossy mesh. 6LoWPAN поверх 802.15.4 даёт безопасную, прозрачную связность с облаком и значительно снижает бремя на разработчиков/системных проектировщиков: стандартные IP-совместимые протоколы и готовые библиотеки.