CC BY
117
УДК: 004.716 ГРНТИ: 47.47
ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ ПОСТРОЕНИЯ МИКРОЛОКАЛЬНЫХ СЕТЕЙ
М. В. Лихолетова, В. А. Устюгов
Сыктывкарский государственный университет имени Питирима Сорокина Россия, 167001 г. Сыктывкар, Октябрьский пр., 55
Н Устюгов Владимир Александрович - ustyugovva@gmail.com
В статье представлен краткий обзор технологий Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Z-Wave, с помощью которых можно организовать беспроводную сеть. Приведены достоинства и недостатки представленных стандартов. Оценен потенциал возможности реализации соответствующих приложений на микроконтроллерах.
Ключевые слова: Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Z-Wave, беспроводная передача данных.
THE OVERVIEW OF THE MODERN SOLUTIONS FOR MICRO-LOCAL NETWORKS BUILDING M. V. Likholetova, V. A. Ustyugov
Pitirim Sorokin Syktyvkar State University 55 Oktyabrskiy Ave., 167001 Syktyvkar, Russia
El Ustyugov Vladimir - ustyugovva@gmail.com
The article presents a brief description of technologies Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Z-Wave by which it is possible to organize a wireless network. Merits and demerits of the presented work are given. Potential of a possibility of implementation of the appropriate applications on microcontrollers is evaluated.
Keywords: Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee, Z-Wave, wireless data transferring.
В настоящее время существует множество технологий беспроводной связи с различной топологией сети, способами маршрутизации и адресации, видами передаваемых пакетов данных, скоростью и дальностью передачи сообщений, а также степенью безопасностью.
ZigBee
Стандарт построения персональных сетей ZigBee был разработан группой ZigBee Alliance для применения в различных сетевых устройствах при создании «умных» домов и автоматизации промышленных систем. Название происходит от метода маршрутизации: данные в сети, построенной на базе этого стандарта, передаются между узлами зигзагообразно, так что «траектория» байтов напоминает траекторию полета пчелы.
Технология ZigBee работает на основе стандарта широкого вещания IEEE 802.15.4, но при этом обладает существенными доработками программного обеспечения разработчиками из ZigBee Alliance.
ZigBee-устройства, с помощью которых строится сеть, подразделяются на три группы:
• Координатор - является обязательным компонентом, запускающим и формирующим сеть, а также хранит информацию о сети и ключи безопасности.
• Маршрутизатор - передает пакеты данных по выбранному пути доставки от одного узла к другому. Обычно он работает в непрерывном режиме при стационарном питании и обладает возможностью подключать к себе до 32 «спящих» устройств.
• Конечное устройство - принимающее или отправляющее данные материнским узлам устройство, не выполняющее функции маршрутизации и ретрансляции. Большую часть времени устройство находится в «спящем» режиме, что позволяет снизить энергопотребление. Для работы стека протоколов в этом случае требует минимальное количество памяти. Под эту категорию попадают различные датчики, пульты.
Рис. 1 Стек протоколов сети ZigBee
Рис. 2 Топологии сетей ZigBee
Сети ZigBee могут реализовывать топологию «звезды», «кластерного дерева» или ячеистую (mesh) топологию.
Связи между узлами могут обновляться и оптимизиро-
ваться при отключении устройств от сети или при появлении новых, что позволяет при аварийной ситуации сформировать новый маршрут передачи пакета данных.
Координатор, определив свободный от помех канал, находится в режиме ожидания, пока не получит запрос на подключение. Тем временем устройства, которые пытаются подключиться к сети, рассылают широковещательный запрос. Сначала предоставить присоединение может лишь координатор, но в дальнейшем это могут осуществлять и маршрутизаторы.
Далее устройство, получившее ответ на широковещательный запрос, определяет возможность регистрации в сети.
Существует два вида присоединения к сети: МАС ассоциация и повторное сетевое присоединение (NWK rejoin). MAC-ассоциация доступна любому устройству ZigBee. У устройства, к которому происходит подключение, на МАС уровне установлено разрешение на присоединение, в то время, как у устройства, вступающего в сеть, на МАС уровне выставлен запрос на присоединение. Присоединяющиеся устройства передают широковещательный запрос маячка, определяя в какую сеть и к какому устройству хотят подключиться.
Получив этот маячок, вступающие устройства направляют на выбранное для присоединения устройство запрос о присоединении и получают ответ с присвоенным им сетевым адресом.
МАС ассоциация не является безопасной, так как данные передаются незашифрованными.
Второй тип присоединения, повторное сетевое присоединение, несмотря на свое название, применяется и при первичном присоединении и выполняется на сетевом уровне.
ZigBee повсеместно работает в стандартном частотном диапазоне ISM 2.4 ГГц. Также в Европе может использоваться частота 868 МГц, а в США и ряде других стран - 915 МГц.
Исходя из особенностей стандарта, можно сказать, что к его достоинствам относятся: защита передаваемых данных; поддержка сложных самоорганизующихся беспроводных сетей; низкое энергопотребление в виду того, что большую часть времени устройство находится в «спящем» режиме, а включается только в моменты передачи или приема данных (возможна автономная работа от батарейки в течение нескольких лет).
К недостаткам можно отнести: недостаточно высокий уровень стандартизации, что приводит к проблемам со совместимостью оборудования и в разработке сложных приложений; невысокая скорость передачи данных в связи с тем, что большая часть трафика тратится на передачу пакетов, содержащих адресную информацию, пакеты синхронизации и т.д.
Z-Wave
Стандарт Z-Wave был разработан калифорнийской компанией ZenSys AS. Z-Wave представляет собой беспроводную технологию, разработанную для сравнительно небольшого количества узлов (до 200).
Работает на нелицензионных частотах: 868.42 МГц для Европы и 908.42 МГц для США, чтобы избежать большое количество потенциальных источников помех, которые могут быть на диапазоне 2.4 ГГц от других беспроводных устройств Wi-Fi, ZigBee и Bluetooth. Нижние уровни стека протоколов MAC и PHY, описываются спецификацией ITU-T G.9959.
Приложение (Application)
Сетевом уровень (Network) Транспортный уровень (Transport)
Подуровень управления доступом к среде IMAC) ITU-T G.9959 ФишческдЛ уровень (PHY)
S6S 42 (EU)/908.42{US) МГц
Рис. 3 Стек протокола Z-Wave
Сеть, построенная с помощью данной технологии, использует ячеистую топологию, тем самым повышается ее надежность. Зона покрытия увеличивается добавлением новых устройств, работающих в качестве повторителей сигнала.
В устройствах Z-Wave есть программный компонент, с помощью которого находятся появившиеся вблизи узлы, о которых сообщается контроллеру SUC (Static Update Controller). Таким образом, сеть Z-Wave является самоорганизующейся.
С помощью алгоритма маршрутизации источников SRA (Source Routing Algorithm) между узлами передаются данные и создаются маршруты на основании информации о топологии сети. Также Z-Wave обладает функцией самовосстановления, то есть программное обеспечение находит в динамическом режиме новые маршруты в обход временно недоступных узлов.
Так как любое устройство Z-Wave должно знать, по какому маршруту будут передаваться пакеты данных, требуется большой объем памяти для записи исполняемого кода, в котором прописаны инструкции для маршрутизации.
Существуют различные типы устройств Z-Wave, таким образом, имеется возможность изменять объем памяти и объем стека. Основные типы устройств: Controllers (контроллеры), Routing Slaves (слейвы-маршрутизаторы) и Slaves (слейвы).
Контроллеры Z-Wave имеют возможность инициировать соединение с любым узлом, поэтому имеют максимальное количество поддерживаемых протоколов. Мастер-контроллеры SUC (Static Update Controller) управляют сетью, отправляя по узлам информацию о текущем состоянии сетевой топологии. Вторичные контроллеры используют эту информацию для обеспечения функций безопасности и маршрутизации. Слейв-маршрутизаторы (Routing Slave) могут инициировать взаимодействие с узлами, при этом у них меньше протоколы, чем у контроллеров. Размер программного обеспечения при этом зависит от объема информации по топологии сети, получаемой с мастер-контроллера SUC.
У слейвов (Slave) самый малый стек и они могут лишь отвечать на запросы, поступающие с контроллеров или слейв-маршрутизаторов.
К достоинствам Z-Wave технологии можно отнести: возможность работать на батарейках; работа на незагруженной частоте; защита передаваемых данных; низкая стоимость по сравнению с аналогами.
Недостатки: Z-Wave предназначен для передачи коротких команд, т.е. совсем не подходит для передачи потоковых данных; при выходе из строя одного узла или при изменении обстановки могут появиться нерабочие маршруты, поэтому их нужно периодически обновлять.
Wi-Fi
Wi-Fi - торговая марка Wi-Fi Alliance. Разработан для широкополосной радиосвязи и построен на базе стандарта IEEE 802.11.
Рис. 4 Стек протокола Wi-Fi
На рис. 5 представлены типы стандартов, определяющие различные частоты работы и скорости передачи.
Стандарт ГОЗ VI Bep&JeHKH Частота Скорость
S02.ll 1W7 2.4 IT il 1 il 2 MOÜX'C
802.Па Ï9W SITu 54 Мбит/с
Я (12.1 lb 1!W> 5ГГи 5- j и 11 M&rr/c
802.1 lg 2O03 2.4 ГГц 54 Мбиг/с
802.1 In 20û(> 2.4-2.5 il 5 ГГц 600 MSirrc
802.liai 201J 5 ГГц до 6.77 Гблт.'С
Приложение
(Application)
Уровень
представления
данных
(Presentation)
Сеансовый
уровень (Session!
Транспортами
уровень
(Transport 1
Сетевой уровень
(Network)
KjUnl/tlvULtti уровень (Dam lint) Подуровень LLC
Подуровень MAC
Физический Фншчесснй
уровень (PHY) уровень (PHV)
ПрпложекнлПроф] lui
SZ
<>
OIHÊR I RTCOMM ICS SDP
LLC 1
Уровень L2CAP
Ж
Ï
Диспетчер каналов <п'в
_1_H а
eu
I
Уровень базового лнапазоиа. частот «
Уровень фнЗЕПССКПЛ [ИДШЖШ ЯШНВ
> ; '>riin Ч" ï ; IM ysl
Спццрш IEEE 80!
Протоколы i;ll riwth
Рис. 5 Типы стандартов Wi-Fi
Wi-Fi используют для создания беспроводных локальных сетей WLAN и беспроводного подключения к Интернету.
С помощью Wi-Fi можно объединять до 32 узлов, причем каждому необходимо порядка 1 Мб системных ресурсов, а также наличие мощного микропроцессора для обработки ПО.
Чаще всего Wi-Fi-сеть содержит не менее одной точки доступа и не менее одного клиента. Также возможна реализация топологии «точка-точка» между двумя клиентами, когда точка доступа не используется, а клиенты соединяются посредством сетевых адаптеров.
Точка доступа передаёт свой идентификатор сети SSID (Service Set Identifier) с помощью специальных сигнальных пакетов на скорости 0.1 Мбит/с каждые 100 мс.
К достоинствам Wi-Fi технологии относятся: высокая скорость передачи данных; компактность; большое разнообразие модулей под различные задачи; высокий уровень стандартизации и совместимость между устройствами Wi-Fi разных производителей; защита передаваемых данных.
Основные недостатки следующие: большое энергопотребление и невозможность работы в течение длительного времени от автономных источников питания; относительно высокая стоимость (по сравнению с Bluetooth и ZigBee).
Рис. 6 Стек протокола Bluetooth
просы к подключению:
• режим отклика (discoverable mode), когда устройство всегда отвечает на все получаемые запросы;
• режим ограниченного отклика (limited discoverable mode), когда устройство может отвечать на запросы только при каких-нибудь определенных условиях;
• режим отказа в отклике (non-discoverable mode), когда запрещается ответ на любой запрос.
После того, как Bluetooth-устройства обнаружат друг друга, определяются различные физические параметры соединения.
Каждое Bluetooth-устройство имеет глобальный уникальный адрес, но несмотря на это, пользователь может использовать самостоятельно выбранное (даже неуникальное) имя устройства.
К достоинствам данной технологии относятся: высокий уровень стандартизации и совместимость между устройствами Bluetooth разных производителей; защита передаваемых данных; низкая стоимость; достаточно высокая дальность действия (до 100 м); универсальность и большое разнообразие модулей под разные задачи.
Среди недостатков можно выделить: относительно высокое энергопотребление (работа от автономных источников питания не всегда возможна); относительно невысокая скорость обмена данными (до 1 Мбит/с).
Bluetooth
Технология Bluetooth была разработана специальной организацией Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG), в которую входят компании Ericsson, IBM, Intel, Toshiba и Nokia. После заключения соглашения между Bluetooth SIG и IEEE спецификация Bluetooth стала частью стандарта IEEE 802.15.1.
Bluetooth обеспечивает беспроводной обмен информацией в ISM-диапазоне частот.
Bluetooth организовывает беспроводную персональную сеть WPAN топологии «точка-точка» или многоточечные соединения, создавая пикосети и объединяя до семи slave-узлов, при этом стек протокола может занимать до 250 Кб системных ресурсов.
Находясь в ждущем режиме, Bluetooth-устройства прослушивают 32 частоты каждые 1.28 секунды. Существует несколько вариантов реагирования Bluetooth-устройства на за-
Выводы
Стек протокола ZigBee занимает примерно 32-64 кбайт, однако с помощью платформы 802.15.4, использующей полноценный МАС-уровень, можно также создать беспроводную сеть. Объем стека у нее составляет уже 4-32 кбайт. Но стоит отметить, что она не совестима с технологией ZigBee в виду отсутствия программных сетевых уровней и уровня приложений.
Стек протокола Wi-Fi занимает порядка 1000 кбайт, поэтому для создания Wi-Fi сети требуются дорогостоящие микроконтроллеры с большим объемом памяти.
Bluetooth-технология занимает в памяти микроконтроллера более 250 кбайт, поэтому она так же, как и Wi-Fi, требует микроконтроллеры с немалым объемом памяти.
Как было сказано в статье ранее, объем памяти и объем стека протокола Z-Wave сильно зависит от типа устройства. Например, контроллеры в сети Z-Wave имеют самый большой
стек, так как в них должны быть прописаны маршруты, требующие большое количество инструкций. Чипы для Z-Wave обладают 32 кб встроенной флэш-памяти и возможностью использовать внешнюю память.
ЛИТЕРАТУРА
1. Балонин Н.А., Сергеев М.Б. Беспроводные персональные сети на
основе ZigBee. СПб.: ГУАП, 2012. 58 с.
Шейкин М. Сетевые технологии ZigBee. Обзор элементарной базы // Электроника: наука, технология, бизнес. 2011. №6. С. 36-40. Аникин А. Обзор современных технологий беспроводной передачи данных в частотных диапазонах ISM (Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi) и 434/868 МГц // Беспроводные технологии. 2011. №4. С. 6-12. Колыбельников А.И. Обзор технологий беспроводных сетей // Труды МФТИ. 2012. №2. С. 3-29.
Поступила в редакцию 18.04.2017
2.
3.
4.
