RTLSシステムのネットワークインフラストラクチャ

ZigBeeネットワークの主な機能の説明を続ける前に、ちょっとしたコメントを挿入したいと思います。

前のトピックで書いたものでこれを継続するつもりは、2007年に承認されたZigBee Pro Feature Set 2006標準を参照します。すなわち：

1）自己組織化と自己修復、

2）構造の柔軟性-さまざまなトポロジのネットワークを作成する機能-スター、ツリー、メッシュネットワーク、

3）アプリケーションの要件に応じて、ルーティングアルゴリズムを選択する機能、

4）アプリケーションの標準化メカニズム-アプリケーションプロファイル、クラスター、エンドポイント、バインディング、

5）柔軟なセキュリティメカニズム、

6）低消費電力、

7）展開、保守、および近代化の容易さ。



しかし、これは人生が止まったという意味ではありません。

2008年、IPベースのホームエリアネットワーク（HAN）の運用を確保するために、ZigBeeアライアンスはその標準であるSmart Energy 2.0プロファイルの拡大に取り組み始めました。 このプロファイルには、ZigBee IPやその他の伝送技術（無線周波数と電力配線の両方）-Power Line Carier（PLC）など、IP互換規格に基づくトランスポートレイヤーのサポートが含まれています。





このプロファイルは、ZigBeeと他のネットワークテクノロジー間の相互運用性を提供します。 ZigBee Allianceは、ZigBee IPと呼ばれるインターネットプロトコル（IP）のネットワークレイヤーを開発しており、6LoWPANテクノロジ（低エネルギーワイヤレスパーソナルエリアネットワーク上のIPv6）に基づいています。 Smart Energy 2.0プロファイルの最新の作業バージョン（ドラフト0.9）の公開討論は、2012年8月25日に終了しました。 最終バージョンは近い将来にリリースされる予定です。

しかし、現在、ZigBee IPをサポートする多くのネットワークデバイスがあります。





ZigBeeゲートウェイ-イーサネット





ZigBee Gateway-WiFi-イーサネット





ZigBee-USBアダプター/









ZigBeeゲートウェイ-イーサネット+ CSS RTLSインターフェイス

デバイスの比較的大きな寸法は、ほこりと防水ハウジングで作られており、8時間の動作のために内蔵の無停電電源装置を備えているという事実によって説明されます。 イーサネットインターフェイスは、電気的または光学的のいずれかです。オプションです。 詳細はこちら： www.rtlsnet.ru/products/product/4 。



ところで、Smart Energyはこの急速に進化する標準の唯一の拡張ではありません。ZigBeeネットワークに関連する多くの興味深いトピックを見つけることができます。 プロトコルスタックから、中断したところからZigBeeの基本機能の議論を続けます。 図を繰り返します。







ZigBeeプロトコルスタック

ZigBeeプロトコルスタック

ZigBeeプロトコルスタックには、APL（アプリケーションレイヤー）、NWK（ネットワークレイヤー）、MAC（メディアアクセスレイヤー）、PHY（物理レイヤー）の4つのレイヤーがあります。 通常、上位のプロトコルは下位のサービスを使用します。

アプリケーション層とネットワーク層はZigBee仕様によって規制され、下位層-MACおよびPHYはIEEE 802.15.4によって規制されています。



APLアプリケーション層には、アプリケーションフレームワーク、ZigBeeデバイスオブジェクト（ZDO）、およびアプリケーションサポートサブレイヤー（APS）が含まれます。

アプリケーションファームは、プロファイルを作成する手順を説明し、標準のデータ型、記述子、フレーム形式、およびキーペア値を定義し、アプリケーションオブジェクトも含みます（デバイスには最大240個あります）。

アプリケーションオブジェクトは、エンドポイントでZigBeeデバイスを制御するソフトウェアモジュールです。 これについては、アプリケーションプロファイル、エンドポイント、クラスター、およびバインディングについて見ていきます。

ZigBeeデバイスオブジェクト （ZigBeeデバイスオブジェクト-ZDO）は、ZigBeeネットワークでデバイスが果たす役割（コーディネーター、ルーター、またはエンドデバイス）を決定します。 Zdo

参加要求を開始して応答し、デバイス間の安全な通信を確立します。

ZDO管理プレーン（ZD管理プレーン）は、APSおよびNWKサブレベルとのZD通信をサポートし、ZDがネットワークアクセスのアプリケーションリクエストを処理できるようにし、セキュリティを確保します。

アプリケーションサポートサブレイヤー（APS）。 彼は、アプリケーションにデータを提供し、ネットワーク接続を管理し、接続に関するデータをテーブルに保存する責任があります。

セキュリティサービスプロバイダー（SSP）は、デバイスオブジェクトによって構成され、暗号化されたレイヤー（NWKおよびAPS）のセキュリティメカニズムを提供します。



ネットワーク層（NWK）は、MAC層呼び出しのネットワークアドレスとルーティングを処理します。 さらに、デバイスがコーディネーターである場合、NWKはネットワークを開始します。 ネットワークアドレスを割り当てます ネットワークデバイスを追加および削除します メッセージをルーティングします。 セキュリティポリシーを適用します。 ルートを検索します。



メディアアクセス制御層（MAC）層は、近隣との信頼できる通信を提供し、衝突の解決に役立ち、効率を向上させます。 レイヤーは、データパケットの組み立てと分解を行います。



物理層（PHY）は無線インターフェースを提供します。 物理層には、異なる周波数範囲で動作する2つの層が含まれます。 1つのレベルは、ヨーロッパでは868 MHz、アメリカおよびオーストラリアでは915 MHzの範囲をカバーします。 2番目は2.4 GHzの周波数で動作し、ほぼ世界中で使用されています。



アクセスポイント

図に示すように、ZigBeeプロトコルスタックの要素間の通信は、サービスアクセスポイント（SAP）を介して行われます。

スタックプロファイル

スタックプロファイルは、ネットワークパラメータ-タイプ（トポロジ）、サイズ、サポートされているルーティングアルゴリズム、アプリケーションサービス、ルーティングテーブルとアプリケーションバインディングのサイズ、セキュリティ設定などを設定します。 特定のZigBeeネットワークのスタックプロファイルは、アプリケーションの詳細に基づいてネットワーク設計者（管理者）によってプログラムされます。

たとえば、ネットワークトポロジは、最大ネットワーク深度（nwkMaxDepth）、ルーターの子接続の最大数（nwkMaxChildren）、および子ルーター接続の最大数（nwkMaxRouters）の3つのパラメーターによって決定されます。 ZigBeeネットワークの正確な構造は、デバイスの場所とネットワークの形成時の電波の伝搬に依存するため、明確に事前に決定することはできません。 ただし、スタックプロファイルの上記のパラメーターは、ネットワーク構造に特定の制限を課します。

たとえば、特定のアプリケーションでデバイスを物理的に（コンベヤーまたは電力線の極に沿って）ラインに配置する必要がある場合、パラメーターnwkMaxChildren = 1およびnwkMaxRouters = 1を割り当てて線形構造を取得するだけで十分です。 値nwkMaxDepth> 1およびnwkMaxRouters> 0はツリー構造を与え、nwkMaxDepth = 1およびnwkMaxRouters = 0は星を与えます。

金網

メッシュネットワークでは、各ルーターは少なくとも2つの他のルーターに接続され、特定のルートに沿ってすぐ隣のメッセージをブロードキャストできます。 図3は、コーディネーター、5つのルーター、3つのエンドポイントデバイスで構成されるメッシュネットワークの例を示しています。

メッシュネットワークでは、各デバイスは、直接または中間デバイスを介して、つまりマルチホップ通信を使用して、他のデバイスと通信できます。

マルチステップ送信機能は、ネットワークの存続可能性を維持するのに役立ちます（自己修復）。 デバイスに障害が発生したり、干渉のために使用できなくなったり、単に再起動したりすると、パケットは残りのデバイスを経由してルーティングされます。







ZigBeeメッシュ

ZigBeeネットワークでのルーティング

ZigBeeネットワークは、いくつかのルーティングアルゴリズムを使用します。 許可されるアルゴリズムの選択は、ネットワークの目的に応じて、スタックプロファイルでプログラムされます。 ネットワークの状態と現在の状態に応じて、許可された数から特定のアルゴリズムが自動的に選択されます。

Ad hoc On Demand Distance Vector（AODV）アルゴリズムは、ZigBeeネットワークのコアアルゴリズムです。 この場合の「ソース」（I）から「宛先」（A）へのルートの検索は、次のように行われます（図に示されています）。

ステップ1-ソースはブロードキャスト「ルート要求をAに」送信します。





ステップ2-ルートリクエストを受信した各デバイスは、ルーティングテーブルにエントリを作成し、ペイロード内のレコードを含むリクエストをブロードキャストします。 レコードは、リクエストの送信者から受信者までの「論理距離」を示します。 「論理距離」（LR）では、リクエストの送信者と受信者間の通信の品質が考慮されます。 中継された要求を受信した次のデバイスは、レコードをパケットに追加し、さらにブロードキャストします。 「論理距離」は各ステップで増加します。 これは、要求が宛先Aに到達するまで続きます。メッシュネットワークでは、要求はさまざまな方法で宛先に到達します。 明らかに、クエリに記録された「論理的な距離」は異なることが判明しました。









ステップ3-宛先Aは、「論理距離」が最小のパケットの送信元デバイスに応答を送信します。 このデバイスは、応答がソースIに到達するまで、パケットに対して同様の処理を行います。応答は、以前に要求によって渡された最適な（最小「論理距離」）パスに沿って返されます。







ステップ4-最適なパスに沿って戻る答えは、ソースANDから宛先Aにパケットを送信するための直接ルートのテーブルを形成します。







説明されているアルゴリズムは汎用的であり、最適なルートを選択できます。 ただし、その実装には、ルートテーブルを格納するために大量のデバイスメモリが必要です。 さらに、分岐ネットワークでルートを検索するには、大量のネットワークトラフィックが必要です。

そのため、ZigBeeネットワークに代替アルゴリズムが実装され、メモリを節約できます。 このアルゴリズムは、ZigBeeのネットワークアドレスが階層的に分散しているという事実に基づいています。 AODVアルゴリズムを使用してルーティングする機能を備えていないデバイス、および使い古されたルーティング機能を備えたデバイスは、階層的ルーティングを使用できます。効率は劣りますが、非常に実用的です。



階層ルーティング

ZigBeeネットワーク、コーディネーター、そして接続されたルーターを形成するとき、階層的な順序で子デバイスにアドレス範囲を割り当てます。 その結果、各デバイスは、転送されたパケットの受信者アドレスが「子」ブランチのいずれかに属しているのか、ネットワークの別の部分にあるのかを判断できます。 したがって、デバイスはパケットを子デバイスに転送できます。子デバイスのアドレス範囲には、受信者アドレスが含まれます。

次の図の例では、パケットはソースANDによってAに送信されます。ただし、上記で検討した場合とは異なり、デバイス4にはルートテーブル用の十分なメモリがありません。 宛先Aへの最適なルートがわからないため、デバイス4は階層ルーティングを使用して、パケットをデバイス2に「アップ」して送信します。次に、パケットはコーディネーターKに送信され、アドレスAに送信されます。

階層ルーティングは単純であり、ルーティングテーブル用のメモリを必要としません。 これにより、ルーティングテーブルを持たない低コストのデバイスをZigBeeネットワークに参加させることができます。 このアルゴリズムの欠点は、送信元と宛先の間に直接接続がある場合でもパケットパスが延長されることです。









階層ルーティング



アグリゲーターへのルーティング（多対1）

多くのワイヤレスアプリケーションには、他のネットワークデバイスからデータを収集するアグリゲーターデバイスがあります。 トラフィックを節約するために、ZigBee PRO仕様は特別なブロードキャストルートリクエストを提供します。 アグリゲーターによって指示されるこのような要求により、アグリゲーターを受信者とするネットワーク内のすべてのルーターのルーティングテーブルにレコードを作成できます。



明示的なルーティング。

明示的なルーティングでは、パケットパス全体が送信者によってパケット内で直接示されます。 ルートを保存するために、パッケージが部分的に示される場合があります。

明示的ルーティングを使用すると、ルーティングテーブルを保存しない一連の低コストのデバイスを介してパケットを転送できますが、ペイロードが削減されるため、明示的ルーティングのルート長は5ノードに制限されます。



今のところここで停止します。 次のトピックでは、アプリケーションプロファイル、クラスター、エンドポイント、バインディングについてさらに詳しく説明し、セキュリティメカニズムについても少し説明します。