4 Архитектура передачи данных
IEEE 802.15.4 обеспечивает двустороннюю полудуплексную передачу данных (устройство может либо передавать, либо принимать данные), поддерживая при этом шифрование AES 128. Расширенная адресация в рамках IEEE 802.15.4 подразумевает использование 64-битных адресов, сетевые адреса ZigBee 16-ти битные, поэтому в каждой сети узлов не может быть больше, чем 2 в 16-той степени, то есть около 65 тыс. Устройства внутри сети могут играть одну из трех ролей: обыкновенного оконечного устройства (производящего обмен как с концентратором, так и с маршрутизаторами), ретранслятора (обеспечивающего прием и передачу данных) и концентратора (управляющего архитектурой сети). Оконечные устройства – устройства с ограниченной функциональностью – обеспечивают минимальный набор функций, позволяющий производителю экономить на комплектующих (в частности, памяти микроконтроллера). Оконечным узлом также может выступать и полнофункциональное устройство, к примеру, маршрутизатор. Ретранслятор, или устройство с полной функциональностью, поддерживает все функции, определенные в документе IEEE 802.15.4, может выполнять функции моста, маршрутизатора или шлюза для связи с другими сетями. Концентратор, или сетевой координатор, – наиболее дорогой тип устройств, так как он должен содержать всю информацию о сетевых соединениях, иметь большой объем памяти и высокую производительность.
Доступ к каналу IEEE 802.15.4 основан на принципе CSMA/CA. При этом коллизиям подвержены только jam-сигналы (сигналы о начале передачи). То есть, стандарт 802.15.4 не может использовать метод CSMA/CA для обнаружения коллизий – только для их предотвращения.
Когда устройство планирует начать передачу, оно слушает, не занят ли эфир. Если обнаруживается «чужой» сигнал, то передатчик «засыпает» на случайный промежуток времени, а затем снова пробует начать передачу. В таком случае одновременно передача может исходить только от одного устройства, что повышает производительность сети. Однако необходимость ожидания свободного канала сказывается на скорости обмена сообщениями. В связи с этим, стандарт IEEE 802.15.4 – не самая скоростная беспроводная связь; тем не менее, как упоминалось выше, стандарт имеет свою собственную, и весьма широкую, сферу применения. Данные передаются относительно небольшими пакетами, что специфично для сетей управления и мониторинга. Важной особенностью стандарта является обязательное подтверждение доставки сообщений.
Протокол передачи подразумевает «засыпание» передатчика при отсутствии данных для пересылки, обеспечивая низкое энергопотребление устройств, соединенных по стандарту IEEE 802.15.4. В результате время автономной работы оконечных устройств может измеряться годами. Важная особенность протокола в том, что подобные «засыпания» не сказываются на сохранении подключения. Создавая стандарт, основной упор делался на быстроту процессов конфигурирования и переконфигурирования сети; и разработчики в этом весьма преуспели. К примеру, переход приемника в активное состояние займет порядка 10-15 мс, а добавление устройства в сеть – от 30 мс. Скорость добавления устройств и переконфигурации зависит от того, постоянно ли маршрутизаторы «слушают» сеть. Поэтому, если нужно, чтобы добавление устройства происходило быстро, маршрутизатор не может находиться на автономном питании. Сети WiFi и Bluetooth не могут обеспечить такого быстродействия.
На основе стандарта IEEE 802.15.4 могут быть построены самые разнообразные сети всевозможных топологий с пакетной или потоковой передачей информации, а также своими параметрами шифрования [6].
ВЫВОДЫ
Беспроводные сети имеют ряд преимуществ, которыми они обладают по сравнению с «классическими» проводными сетями. На сегодняшний день чаще всего применяется как минимум три стандарта беспроводной связи по радиоканалу: GSM как отличное средство для телефонии, WiFi для домашних и офисных сетей и Bluetooth для подключения устройств и периферии. Однако этого набора стандартов недостаточно для оптимального решения всех «сетевых задач».
Во многих приложениях требуются беспроводные сети связи, не обладающие высокой скоростью передачи, но надежные, способные к самовосстановлению, простые в развертывании и эксплуатации. Особое внимание также уделяется и оборудованию таких сетей, чтобы оно допускало длительную работу от автономных источников питания, имело низкую стоимость и было компактным. Именно таким требованиям отвечают стандарты IEEE 802.15.4 и ZigBee, описывающие устойчивые масштабируемые многошаговые беспроводные сети, простые в развертывании и поддерживающие самые разные приложения.
На сегодняшний день стандарт ZigBee имеет стоимость устройств значительно ниже конкурентов, а также продвигается большим числом компаний и имеет все шансы получить широкое распространение.