Беспроводные сети связи 16 11 15

ZigBee® – это открытый стандарт беспроводной связи для систем сбора данных и управления. Технология ZigBee позволяет создавать самоорганизующиеся и самовосстанавливающиеся беспроводные сети с автоматической ретрансляцией сообщений, с поддержкой батарейных и мобильных узлов.

Применение Zig Bee:

Сенсорные сети датчиков;

Домашняя и промышленная автоматизация;

Дистанционное управление и телеметрия;

Мониторинг состояния человека в медицине

Стандарт ZigBee предусматривает частотные каналы в диапазонах

868 МГц,

915 МГц и

2,4 ГГц.

В диапазоне 2,4 ГГц предусмотрено 16 частотных каналов с шагом 5 МГц.

Скорость передачи данных вместе со служебной информацией в эфире составляет 250 кбит/c. При этом средняя пропускная способность узла для полезных данных в зависимости от загруженности сети и количества ретрансляций может лежать в пределах 5 ... 40 кбит/с.

Расстояния между узлами сети: 10-ки метров при работе внутри помещения и сотни метров на открытом пространстве. За счет ретрансляций зона покрытия сети может значительно увеличиваться.

Топология

Звезда, кластерное дерево, ячеистая топология (mesh-сети).

Предусмотрены три типа устройств: координатор, маршрутизатор и оконечное устройство.

31

Координатор инициализирует сеть, управляет ее узлами, хранит информацию о настройках каждого узла, задает номер частотного канала и идентификатор сети PAN ID, устанавливает политику безопасности. В процессе работы может являться источником, приемником и ретранслятором сообщений.

Маршрутизатор отвечает за выбор пути доставки сообщения. Может являться источником, приемником или ретранслятором сообщений.

Оконечное устройство не участвует в управлении сетью и ретрансляции сообщений, являясь только источником/приемником сообщений.

каждый узел сети следит за своими соседями, постоянно обновляя маршрутные таблицы на основе оценки мощности принятых от них сигналов. В результате, при изменении пространственного расположения соседей или выходе из сети одного из устройств, вычисляется новый маршрут следования сообщения. Это преимущество является исключительно важным в сетях, функционирующих на промышленных объектах в жестких условиях эксплуатации при наличии промышленных помех, а также в тех случаях, когда часть узлов находится на движущихся устройствах, например электрокарах.

стек протоколов ZigBee

В качестве физического и уровня доступа к среде MAC используется стан-

дарт IEEE 802.15.4.

«Радио» - уровень.

Используется широкополосная модуляция с прямым расширением спектра.

Расстояние от 10 до 75 метров и свыше

32

MAC-уровень реализует механизм CSMA/CA (прослушивания несущей и устранения коллизий).

CSMA/CA - это сетевой протокол, в котором используется схема прослушивания несущей волны:

станция, которая собирается начать передачу, посылает jamsignal (сигнал зато-

ра)

после продолжительного ожидания всех станций, которые могут послать jamsignal, станция начинает передачу данных

если во время передачи станция обнаруживает jamsignal от другой станции, она останавливает передачу на отрезок времени случайной длины и затем повторяет попытку.

Функции MAC-уровня:

вход и выход из сети устройств,

организацию сети,

формирование пакетов данных,

реализацию различных режимов безопасности (включая 128-битное шифрование AES), 16- и 64-битную адресацию.

33

Уровень MAC обеспечивает различные механизмы доступа в сеть, поддержку сетевых топологий от «точка-точка» до «многоячейковая сеть», гарантированный обмен данными (ACK, CRC), поддерживает потоковую и пакетную передачи данных.

Cетевой уровень NWK отвечает за маршрутизацию сообщений.

Уровень поддержки приложений APS обеспечивает интерфейс с уровнем приложений.

Сектор ZDO (ZigBee Device Object), связывающий три верхних уровня, отвечает за определение роли устройства в сети (будет оно являться координатором или конечным устройством), инициализацию и реакцию на запросы соединения и обнаружения, за установление надежного и безопасного соединения между устройствами сети. Сектор SSP (Security Service Provider) осуществляет операции, связанные с обеспечением безопасности на сетевом уровне и на уровне поддержки приложения.

АРР - Профили приложения

Профилем называется совокупность настроек программного обеспечения узлов сети, обеспечивающая их совместную работу. Спецификация профиля определяет такие параметры, как способы задания идентификационных параметров сети, режимы образования сети, способы защиты данных, используемый поднабор кластеров, который включает кластеры из разных функциональных групп библиотеки ZCL.

Профиль относится к приложению или устройству. Стандартные профили определяются альянсом ZigBee, индивидуальные — производителем.

Таблица. 3. Стандартные профили ZigBee

Стандартные Профили позволяют соединять устройства различных производителей без дополнительной настройки. Индивидуальные профили, создаются для таких приложений, которые рассчитаны на взаимодействие с устройствами только одного производителя.

Пример по энергопотреблению: установка до 100 беспроводных датчиков и исполнительных устройств. При количестве 50000 домов в городе и использовании технологии Wi-Fi энергопотребление такого города выросло бы на 3.3 мегавата. При использовании ZigBee с передатчиками до 3 dBm и циклом работы в 0.1% от общего времени потребление выросло бы всего на 150 Вт!

Wi-Fi - сети

Wi-Fi - это системы БД, соответствующие стандартам семейства IEEE 802.11. Первая сеть Wi-Fi создана в 1991 году, разработчик Вик Хейз. Июнь 1997 года: ратифицикация первой спецификация 802.11.

Связь обеспечивается радиолиниями прямой видимости на небольших расстояниях (десятки метров).

Wi-Fi сеть может использоваться:

для беспроводного подключения пользователей к сети;

для объединения пространственно разнесенных подсетей в одну общую сеть;

для подключения к сетям провайдера Internet-услуги вместо использования выделенной проводной линии или обычного модемного соединения.

Основные элементы сети

Wi-Fi адаптеры (А)

точки доступа (ТД, англ. АР - Access Point).

Адаптер подключается через слот расширения PCI, PCMCIA, Compact Flash или через порт USB 2.0. А. выполняет ту же функцию, что и сетевая карта в проводной сети. Он служит для подключения компьютера пользователя к беспроводной сети. Если А. устанавливает связь непосредственно с другими А., то сеть называется бес-

проводной одноранговой сетью или Ad Hoc ("к случаю").

Если А. устанавливает связь через ТД, то режим называется инфраструктурой.

Для выбора способа подключения А. должен быть настроен на использование либо Ad Hoc, либо инфраструктурного режима.

ТД – это модуль со встроенным микрокомпьютером и приемно-передающим устройством.

Через ТД осуществляется взаимодействие и обмен информацией между беспроводными А., а также связь с проводным сегментом сети (т.е. является коммутатором). ТД имеет сетевой интерфейс (uplink port), который служит для подключения к проводной сети и настройки ТД.

Варианты использования ТД

1. Мост (Access Point Bridge) между проводной и беспроводной частями сети. Используется для расширения возможностей проводных локальных или корпоративных сетей.

2 Беспроводный мост point-to-point. Сегменты локальной сети или локальные сети соединяются друг с другом с помощью ТД.

35

3 Ретранслятор (репитер)

ТД принимает слабый сигнал от базовой ТД, усиливает его и передает на той же частоте дальше, расширяя зону радиопокрытия.

Режимы Ad Hoc и Infrastructure Mode

В режиме Ad Hoc станции непосредственно взаимодействуют друг с другом. Для этого режима нужен минимум оборудования: каждая станция должна быть оснащена беспроводным адаптером. При такой конфигурации не требуется создания сетевой инфраструктуры. Основными недостатками режима Ad Hoc являются ограниченный диапазон действия возможной сети и невозможность подключения к внешней сети.

36

Рис. 6. Режим функционирования Ad Hoc.

В режиме Infrastructure Mode (рис. 7) станции взаимодействуют друг с другом не напрямую, а через точку доступа. Рассматривают два режима взаимодействия с точками доступа — BSS (Basic Service Set) и ESS (Extended Service Set). В режиме BSS все станции связываются между собой только через точку доступа, которая может выполнять также роль моста к внешней сети. В расширенном режиме ESS существует инфраструктура нескольких сетей BSS, причем сами точки доступа взаимодействуют друг с другом, что позволяет передавать трафик от одной BSS к другой. Между собой точки доступа соединяются с помощью либо сегментов кабельной сети, либо радиомостов.

Рис. 7. Режим функционирования Infrastructure Mode.

Организация доступа к Интернету

1 Hotspot - публичная зона беспроводного доступа (Wi-Fi-зона)

Технология Wi-Fi может обеспечить доступ к ресурсам сети Интернет по беспроводному протоколу радиодоступа Wi-Fi в радиусе действия точки доступа. Такие обще-

37

ственные точки доступа называются Hotspot или местом, где имеется высокоскоростной беспроводный доступ в сеть Интернет.

Хотспот или публичная зона беспроводного доступа — это территория, покрытая беспроводной сетью Wi-Fi, на которой пользователь, имеющий устройство с беспроводным адаптером стандарта Wi-Fi, может подклю-

читься к Интернет.

Для организации хотспота точка доступа подключается к провайдеру, по технологии ADSL, 3G или локальную сеть Fast Ethernet.

2 Беспроводные сети SOHO (Small office/home office — малый офис/домашний офис)

Популярно использование интегрированных устройств - "беспроводных маршрутиза-

торов" (wireless router).

Для стандартного Ethernet подключения к провайдеру М. должен быть с Ethernet WAN портом.

Пример: беспроводной М. LinksysWRT160N (в режиме работы - Шлюз) интегрирует функции:

-сетевого адаптера с Ethernet WAN портом для подключения к глобальной сети,

-ТД для клиентов WLAN,

-коммутатора на 4 порта для клиентов кабельной сети LAN,

-сетевого моста, связывающего WLAN и LAN,

-маршрутизатора с межсетевым экраном SPI и функцией преобразования IP-адресов

(NAT),

-DHCP-сервера.

Брандмауэр SPI обеспечивает защиту от атак через Интернет. DHCP-сервер назначает динамические частные IP-адреса компьютерам локальных сетей (WLAN и LAN) в диапазоне 192.168.1.100 - 192.168.1.149. Маршрутизатор (локальный IP-адрес - 192.168.1.1) с функцией преобразования IP-адресов (NAT) обеспечивает преобразо-

38

вание частных IP-адресов локальных сетей (WLAN и LAN) во внешний глобальный IP-адрес.

Встроенная беспроводная точка доступа маршрутизатора поддерживает стандарты

802.11b, 802.11g и 802.11n.

Встроенный коммутатор стандарта 10/100 Ethernet на 4 порта, работающий в полнодуплексном режиме, предназначен для соединения устройств Ethernet через проводную сеть.

Встроенный мост обеспечивает обмен информацией (общий доступ к папкам и фай-

лам) между notebook (HOME) и desktop (MY), которые подключены к WLAN и LAN

сетям соответственно. Кроме того, встроенный в LinksysWRT160N маршрутизатор с функцией преобразования IP-адресов (NAT), подключенный через Ethernet WAN порт к сети Интернет, обеспечивает компьютерам (HOME и MY) совместный доступ в Интернет по одному и тому же IP-адресу, выделенному провайдером. Внутренние IP-адреса компьютерам (HOME и MY) локальных сетей WLAN и LAN назначает встроенный DHCP-сервер.

Стек протоколов IEEE 802.11

Fi-Wi 802.11 работает на нижних двух уровнях модели ISO/OSI, физическом и канальном.

Канальный уровень разделен на два подуровня:

-уровень логической передачи данных (Logical Link Control) LLC

-уровень управления доступом к среде (Media Access Control) MAC.

Уровень LLC отвечает за достоверную передачу кадров данных между узлами, а также реализует функции интерфейса с прилегающим к нему сетевым уровнем.

Функции уровня МАС:

Доступ к разделяемой среде.

Обеспечение мобильности станций при наличии нескольких точек доступа

Обеспечение безопасности.

39

На MAC-уровне определены два типа коллективного доступа к среде передачи данных:

функция распределенной координации (Distributed Coordination Function,

DCF) и

функция централизованной координации (Point Coordination function,

DCF основана на методе коллективного доступа с обнаружением несущей и меха-

низмом избежания коллизий (Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance, CSMA/CA). При такой организации каждый узел, прежде чем начать передачу, «прослушивает» среду, пытаясь обнаружить несущий сигнал, и только при условии, что среда свободна, может начать передачу данных.

Однако, в этом случае велика вероятность возникновения коллизий: когда два или более узлов сети одновременно (или почти одновременно) решат, что среда свободна, и начнут предавать данные. Для того чтобы снизить вероятность возникновения подобных ситуаций, используется механизм избежания коллизий (Collision Avoidance, CA). Суть данного механизма заключается в следующем. Каждый узел сети, убедившись, что среда свободна, прежде чем начать передачу, выжидает в течение определенного промежутка времени. Этот промежуток является случайным и складывается из двух составляющих: обязательного промежутка

DIFS (DCF Interframe Space) и

выбираемого случайным образом промежутка обратного отсчета (backoff time).

В результате каждый узел сети перед началом передачи выжидает в течение случайного промежутка времени.

Для выбора промежутка обратного отсчета каждый узел сети формирует так назы-

ваемое окно конкурентного доступа (Contention Window, CW), использующееся для определения количества элементарных временных промежутков, называемых тайм-слотами (SlotTime), в течение которых станция выжидала перед передачей. Минимальный размер окна определяется в 31 тайм-слот, а максимальный размер — в 1023 тайм-слота.

Когда узел сети пытается получить доступ к среде передачи данных, то после обязательного промежутка ожидания DIFS запускается процедура обратного отсчета, то есть включается обратный отсчет счетчика тайм-слотов, начиная от выбранного значения окна CW. Если в течение всего промежутка ожидания среда оставалась свободной (счетчик обратного отсчета равен нулю), то узел начинает передачу.

После успешной передачи окно CW формируется вновь. Если же за время ожидания передачу начал другой узел сети, то значение счетчика обратного отсчет останавливается, и передача данных откладывается. После того как среда станет свободной, данный узел снова начинает процедуру обратного отсчета, но уже с меньшим значением времени ожидания.

40