Kasutaja tarvikud

Lehe tööriistad


ulevaade

Ülevaade

ZigBee loodi võrkude tarbeks, mis vajavad vaid väikest andmekiirust ning mille võrgusõlmede (nodes) kontrollerid oleksid võimalikult väikesed, odavad ja tarbiksid väga vähe energiat. Viimane tingimus on oluline, sest taoliste võrkude sõlmed asuvad seadmete näol üksteisest eraldatuna laiali mingil territooriumil ning neid pole mõistlik toita elektrivõrgust. Autonoomset toidet, näiteks kahte AAA-tüüpi patareid kasutavad ZigBee seadmed on suutelised töötama kuni ühe aasta.

ZigBee seadmed suhtlevad omavahel raadioeetri kaudu. Viimast on võimalik potentsiaalsel ründajal nii pealt kuulata kui ka sinna ise sõnumeid edastada. Seetõttu on ZigBee võrkude edukaks kasutamiseks vaja tagada nende turvalisus. Paraku seavad mikrokontrolleri odavus ja vähene energiatarve väga ranged kitsendused arvutusvõimsusele ja mälumahule, mis omakorda piirab kaitsemeetmete valikut.

ZigBee taolisi protokolle on mitmeid, kuid paljud neist on firmaomased (proprietary) ja nende loojad on turvalisuse osaliselt või täielikult jätnud protokolli mitteavaldamise (security by obscurity) kanda. ZigBee on avatud protokoll, mida arendab ZigBee Alliance, kuhu kuuluvad mitmed tuntud organisatsioonid ja ettevõtted, kes soovivad, et nende toodetud seadmed oleks omavahel ühilduvad. Kogu protokolli turvaspetsiifika on avalik ja sel põhjusel peab turvalisust tagama protokoll ise, mitte selle salajas hoidmine.

IEEE 802 perekonna alla kuuluvad lokaalvõrkude füüsilisel (physical; edaspidi PHY) ja andmelüli (data link layer) kihil toimetavad protokollid. Üks selle liige on ka IEEE 802.15, mis spetsifitseerib personaalseid raadiokohtvõrke (wireless personal area network), mis on aluseks näiteks väga levinud Bluetooth tehnoloogiale. Samasse kategooriasse kuuluvad ka madala andmekiirusega (low rate) raadiovõrgud, mida kirjeldab IEEE 802.15.4. Need pakuvad küll palju madalamat andmeedastuskiirust, aga samas kulutavad Bluetoothi taolistest protokollidest oluliselt vähem energiat.

ZigBee [1] koosneb IEEE 802.15.4 standardis kirjeldatud ISO-OSI mudeli kahest madalamast kihist: füüsilisest ja andmelülikihist ning spetsifitseerib nende peale kaks järgmist kihti: võrgukihi (network layer; edaspidi NWK) ja rakenduskihi (application layer). Andmelüli kiht on IEEE 802 perekonnas jaotatud kaheks alamikihiks: loogilise lüli juhtimiskihiks (logical link layer) ja meediapöörduse juhtimiskihiks (media access control; edaspidi MAC). ZigBee rakenduskihi spetsifikatsioon hõlmab rakendustoe alamkihti (application support sublayer; edaspidi APS), mis asub otse NWK peal.

Standard määrab saatja nominaalväljundvõimsuseks -3 dBm (ehk 0,5 mW), seda võib ka suurendada juhul kui vastava asukohariigi regulatsioonid lubavad. ZigBee võrgusõlme tööraadius sõltub paljuski nii keskkonnamõjudest. Nendeks on õhutemperatuur, niiskus, ümbritsevad objektid ja kasutatav riistvara – antenn ning võimendi. Ideaaltingimustel võivad kaks seadet otsenähtavuse olemasolul asuda üksteisest kuni 100 m kaugusel. Tavalises kipsseintega hoones on praktikas suurim raadius 20-40 m.

Sagedus Kanalite arv Andmekiirus Modulatsiooni tüüp Piirkond
868 MHz 1 20 kb/s BPSK (Binary Phase Shift Keying) binaarne faasimodulatsioon Euroopa
915 MHz 10 40 kb/s BPSK Ameerika, Austraalia, Uus-Meremaa
2,4 GHz 16 250 kb/s O-QPSK (Offset Quadrature Phase Shift Keying) nihkega kvadratuur-faasimodulatsioon Kogu maailm

ZigBee seadmed võivad olenevalt riigist toimetada kolmel erineval kandesagedusel (vt. Tabel 1). Euroopas kasutab ZigBee sagedusi 868 MHz ja 2,4 GHz. Esimesel juhul on üldiste regulatsioonide tõttu tugevasti piiratud nii andmekiirus kui ka lubatudd eetrisoleku kestus, samuti tuleb ühte kanalit jagada mitmete teiste sama vabasagedust kasutavate raadioseadmetega. 2,4 GHz sagedusel on andmekiirus suurem, olenevalt ZigBee versioonist saab võrk kanali liigsel hõivatusel lülituda ümber mõnele teisele kanalile viieteistkümnest. Samas kasutavad seda sagedust mitmed levinud tehnoloogiad nagu WiFi ja Bluetooth.

IEEE 802.15 spetsifitseerib kaks võrgusõlmede tüüpi:

  • Piiratud funktsionaalsusega seadmed (Reduced Function Device; edaspidi RFD), mis on enamasti patareitoitel ja viibivad suurema osa ajast puhkerežiimil.
  • Täisfunktsionaalsed seadmed (Full Function Device; edaspidi FFD), mida toidetakse elektrivõrgust.

ZigBee standard defineerib järgmised rollid [13]:

  • Koordinaatori (ZigBee Coordinator) ülesandeks on ZigBee võrgu algne loomine ja seejärel uute võrguga liitujate haldamine. Igas võrgus peab olema täpselt üks koordinaator.
  • Usalduskeskus (ZigBee Trust Center) haldab võrgus kasutatavaid krüptovõtmeid.
  • Lüüs (ZigBee Gateway) võimaldab ZigBee võrguga ühendada mõnd teist protokolli kasutava võrguga, näiteks Internetiga.
  • Marsruuteri (ZigBee Router) ülesandeks on pakettide edastamine võrgusõlmede vahel, millel otsekuuldavust ei ole.
  • Lõppseade (ZigBee End Device) on kas FFD või RFD tüüpi ja ei täida ühtegi eelnevatest rollidest.

ZigBee võrgud sarnanevad Internetiga – ühendus ühest punktist teise võib toimuda erinevaid teid pidi ning kui mõni võrgusõlm lakkab toimimast, leitakse võimalusel uus ühendustee. Siit ka nimetus „ZigBee“ – teise seadmega ühendust otsiv seade „sikk-sakitab“ (ingl. k. zigzag) ühest punktist teise liikudes. Marsruutimist tagab NWK kiht, sest selle all olev MAC kiht suudab sõnumit edastada vaid endast ühe hüppe kaugusel olevale sõlmele.

Võrgu topoloogia saab olla üks kolmest:

  • tähtvõrk (star network) – kõik sõlmed on ühendatud ainult ja otse koordinaatoriga.
  • silmusvõrk (mesh network) – kõik FFD sõlmed on seotud kahe teise FFD sõlmega, üheks neist võib olla ka koordinaator.
  • puuvõrk (tree network) – hierarhiline topoloogia, kus kõige ülal on koordinaator, mille külge ühenduvad marsruuterid (puu oksad) ja nende külge omakorda järgmised marsruuterid või siis nii RFD kui FFD tüüpi ZigBee lõppseadmed (puu lehed).

Kõigil ZigBee seadmetele on tootja poolt omistatud unikaalne 64-bitine MAC aadress. Võrgu loomisel määrab ZigBee koordinaator võrgule 16-bitise PAN (Personal Area Network) identifikaatori ja iga võrguga liituv seade saab iskliku 16-bitise identifikaatori, mida kasutatakse hilisemas liikluses vastavale seadmele viitamiseks.

ZigBeed hakati arendama aastal 1998 ja sellest on ilmunud seni kokku kolm versiooni: 2004, 2006 ja 2007. Viimases on spetsifitseeritud ka lisavõimaluste komplekt (feature set), mille nimeks on ZigBee PRO. See pakub suuremat töökindlust sadu ja tuhandeid sõlmi sisaldavatele võrkudele. Lisaks on ZigBees võimalik valida kahe režiimi vahel: standardne turvalisus (standard security, residential mode) ja kõrge turvalisus (high security, commercial mode). Kõrge turvalisuse režiimis on võtmete transpordi ja paketiloenduri algväärtuse määramine täpselt reguleeritud, standardses režiimis on valikuid rohkem.

Viimati muudetud 2015-05-20 Mait Peekma

Lehekülje tarvikud