物联网的产业互联网的前提是,可以几个月到几年具有非常低的功耗自动运行大型,分布式传感器/控制网络。这种类型的网络的特征行为使用的无线技术,通常被描述为一个低速率,无线个人区域网(LR-WPAN)需要在短距离上的消息流量的非常短的脉冲串。我们保留了数据帧的短,以减少无线电干扰迫使需要重发的可能性。一个这样的LR-WPAN方法使用IEEE 802.15.4标准。这描述了通常在被称为监督控制和数据采集(SCADA)的工业控制和自动化应用中使用的物理层和媒体访问控制。

图1.ieee 802.15.4帧格式

在物联网,本地“边缘”的设备,典型地传感器,收集数据并将其发送到数据中心 - “云” - 进行处理。该数据获取到云需要使用标准的IP协议栈进行通信。这可以通过互联网将数据中心边缘设备之间直接连接来实现 - “云模式”或者,我们可以从边缘设备被称为边界网关有从那里传递到数据中心的数据采集点通信 - 在“雾模式”。

本文将描述IEEE 802.15.4网络,特别是Internet工程任务组(IETF)通过低功率无线个人区域网络(6LoWPAN的)实现的IPv6特性。此实现同时支持云和雾模型。

IEEE 802.15.4 PHY层

IEEE 802标准系列被分解为多个任务组,包括802.3(以太网)和802.11(Wi-Fi),以及802.15(无线锅)。特别是,IEEE 802.15.4(15.4 for Brevity)是任务组4的责任,该任务组4负责协议的各种特征,包括RF频谱和物理层。已经扩展了15.4标准,包括射频识别(RFID)物理,超宽带(UWB)物理,并且也被讨论为汽车到汽车和遏制通信的可能解决方案。

802.15.4仅在OSI网络模型中播放物理(PHY)和媒体访问控制(MAC)层,层1和二。它将上层留给了实施者。在第三层及以上,存在夸张的产品,包括ZigBee,Z波,螺纹和6LowPan。这些中的每一个实现了OSI协议模型的其余部分,以提供路由和发现等服务以及用户应用程序的API。

图2.拓扑选项

通常,15.4支持20 kbit / s,40 kbit / s,100 kbit / s(很快)和250 kbit / s的数据传输速率。基本框架假设为250 kbit / s的10米。即使是降低数据速率也可以实现以进一步限制功耗。尽管有10米(32英尺)的范围规格,但在2.4GHz ISM频段中,IEEE 802.15.4无线电的典型可实现的范围在室内100英尺,200 - 300英尺户外。在子GHz频率中,协议的实际实施已在6.5公里(4英里)的范围内,在900 MHz ISM频段中具有适当的天线。

在物理层,IEEE 802.15.4管理RF收发器和信道选择,以及能量和信号管理设施。有根据需要的频率范围和数据性能目前定义了六种的PHY。他们四人使用直接序列扩频(DSSS)跳频技术。线性调频扩频(CSS)是在超宽带(UWB)和2450个兆赫频段使用。并行序列扩频(PSSS)仅可与混合的二进制/幅移键控调制技术在欧洲868MHz频带找到。

帧大小为15.4是133个字节,包括PHY,MAC和数据有效载荷。该帧的格式可以在图1中看到。通过保持帧相对较短,我们可以限制传输它所需的时间量,同时通过工业设备的正常操作来限制无线电干扰的概率。

IEEE 802.15.4 MAC层

IEEE 802.15.4 MAC层(OSI模型层二数据链路层)负责:

  • 加入和离开PAN;
  • 载波感测多次访问避免碰撞(CSMA-CA),用于通道访问;
  • 保证时隙(GTS)变速器;
  • 建立两个对等MAC实体之间的可靠链路;
  • 协调员的信标变速;
  • 与信标同步。

此外,MAC层支持使用AES-128加密算法中使用的对称加密。也有基于SHA哈希值和访问控制列表选项来限制敏感信息传递给特定的节点或链路。最后,将MAC帧计算接收之间新鲜度检查,以帮助减少对老的帧,可能已经在迂回路径行进被后期输送至上层协议的可能性。

节点类型和网络拓扑

图3. IPv6标题的IP标头压缩

IEEE 802.15.4识别两种不同类型的网络节点:减少功能设备(RFD)和全功能设备(FFD)。FFD可以与其他FFD或RFD交谈,甚至可以创建自己的网络。但是,RFD只能与FFD交谈。这意味着一个层次结构,导致两个可能的网络拓扑:星形拓扑或诸如网格的对等拓扑。这些如图2所示。

星型拓扑结构是最容易实现的,最便宜,只需要一个单一的FFD。设备的其余部分可以是RFD的或的FFD,这取决于实施方式。星型拓扑结构的缺点是,协调员代表单个故障点。这可能会导致网络的完全失效,并应在所有,但最简单的应用程序来避免。

使用网状拓扑的提供了一种用于多个冗余,通信路径,以确保消息的传递。当网格模式下运行,网络本质上是一个临时性的,自组织实体。因此连接可以继续,尽管变化的RF传播特性,例如多路径或从叶子的效果。使用网状拓扑的还提供了一种移动节点,诸如在工业机器人中。“有损啮合”是其中不是所有的链接是可靠的,因此较高的层路由协议用于基于连接在任何给定时间点重新路由消息流量。

IPv6.

由于IPv4地址空间的耗尽,在转换到IPv6的情况下,提供三层(网络)和第四层(传输)并坐在MAC层的顶部。通常,IPv6使用Forty-Byte标题,并提供128位的地址空间,这也可以处理IoT连接设备的最大估计值。

图4.带6LOWPAN模块的Raspberry PI边界路由器

然而,当耦合与AES-128加密开销时,使用默认大小的IPv6报头的使用将仅为帧中的用户有效载荷留下三十三个字节。IP标题压缩(IPHC)被引入解决问题。这可以将IPv6标题的大小缩小为仅为十个字节,包括用于互联网遍历的路由。这款IPHC可以在图3中看到。

这种IPv6,iPHC和标准TCP / UDP的组合坐在15.4 PHY和MAC层的顶部是称为6LOWPAN所谓的。当加上使用POSIX样式套接字时,开发人员可以使用普通的Internet协议在世界的任何地方都有端到端的数据包交付。

为物联网实施6LowPan

6LowPan有许多现有的实现。一个是Sub-GHz 6LowPan,用于目前在电力计中实现的高级计量基础设施(AMI),以进行住宅用途。这些仪表提供了公用事业读取和控制电网的电力使用的手段。他们依靠有损网格路由设施,以确保无论多路径或大气效果,如雨或雪等多路径或大气效果如何。

6LOWPAN代码大小适中。典型的实施是约30KB的顺序,通常直接在德克萨斯乐器,硅实验室等等公司中实现的。该方法在传感器微控制器和无线电之间提供UART风格界面,从而将协议开销卸载到无线电单元。

另外,许多操作系统,如Linux,已经在一些无线电平台实现6LoWPAN的。这提供了使用基于Linux的边界网关来使用通过硬化内核,下一代防火墙,多雾的模型边缘设备提供安全保障。边界网关也可以用于提供数据过滤和压缩,以降低整体通信费用。

由于6LowPan与普通的Internet协议兼容,因此开发人员可以自由地利用更高级别的协议,例如MQTT,CAAP和HTTP以从应用程序到应用程序的通信。在南行侧和标准IPv4或IPv6上接口6LowPan的边界路由器可以轻松地从内部6LowPan数据包格式或通过NAT64到标准IPv4的网络地址转换(NAT)自动翻译。这使得边缘设备对云和开发人员完全透明地寻址。图4中示出了具有6LOWPAN模块的覆盆子PI的边界路由器。

概括

IOT全部是关于连接,IEEE 802.15.4标准提供了一种理想的方法,可实现IT - 跨越有损网格的低功耗操作。在IEEE 802.15.4顶部使用6LowPan提供安全,透明的连接与云,并通过提供标准的IP兼容协议和易于可用的库来显着降低开发人员和系统设计人员的负担。

本文是由麦克安德森,CTO /首席科学家,PTR Group(Ashburn,VA)编写的。有关更多信息,请单击这里


传感器技术杂志

本文首先出现在2017年9月期刊上传感器技术杂志。

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