Материал: конспект-лекций

241

возможности, маршрутизации которого исчерпаны, может воспользоваться иерархической марш-

рутизацией – менее эффективной, но, тем не менее, вполне практичной.

Иерархическая маршрутизация

В процессе формирования ZigBee сети алгоритм распределения адресов задает диапазоны адресов сетевым устройствам в иерархическом порядке, начиная с координатора. В результате любое устройство в сети, зная свой адрес и адрес получателя пакета, может определить, принад-

лежит ли конкретный сетевой адрес к «нисходящей» ветви (и к какой именно), или находится в другом месте в иерархии устройств. Исходя из этого, любое устройство может принять простое решение маршрутизации: передавать пакет «вверх» – в направлении координатора или «вниз» – к

дочернему устройству.

Пример иерархической маршрутизации представлен на рисунке 8.

Как в случае на рис. 7, пакет, отправленный устройством И, предназначен для устрой-

ства А. Однако устройство 4 исчерпало свои возможности маршрутизации, поэтому оно не может транслировать пакет непосредственно на устройство А, а вместо этого, используя иерархическую маршрутизацию, направляет этот пакет «вверх» по иерархической лестнице – на устройство 2. Да-

лее пакет транслируется на координатор К, который передает его на искомый адрес А.

Преимущества иерархической маршрутизации заключаются в ее простоте и меньшем ис-

пользовании ресурсов, что позволяет создавать очень недорогие устройства без возможностей маршрутизации, которые, тем не менее, могут участвовать в любой ZigBee совместимой сети. Не-

достаток алгоритма в том, что пакеты будут двигаться вверх и вниз до координатора и обратно даже в том случае, когда между источником и приемником возможна прямая связь.

Рисунок 9. Иерархическая маршрутизация

Маршрутизация к агрегатору

Во многих, если не в большинстве приложений, использующих беспроводные сети, есть особое устройство, часто называемое агрегатором, к которому остальные сетевые устройства должны регулярно направлять данные. С целью экономии сетевого трафика в ZigBee PRO преду-

смотрен специальный случай поиска маршрутов, при котором единственный широковещательный

242

запрос маршрута от агрегатора позволяет установить в роутинговых таблицах всех маршрутизато-

ров сети записи с агрегатором в качестве получателя.

Профиль приложения описывает набор устройств, используемых для определенного при-

ложения, и косвенно схемы обмена сообщениями между этими устройствами. Например, есть профили приложений для «умного дома», автоматизации здания, системы безопасности и так да-

лее. Для уникальной идентификации приложений каждому приложению выделяется идентифика-

тор профиля.

Существует два типа профилей приложений:

Общие профили приложений – совместимое прикладное программное обеспечение,

разработанное альянсом ZigBee, которое выполняет конкретную задачу.

Профили производителей оборудования – частные профили приложений, разрабо-

танные компаниями для работы устройств ZigBee.

Устройства в пределах профиля приложения общаются друг с другом посред-

ством кластеров, которые могут быть входами или выходами устройства. Например, в профиле

«умного дома» имеется кластер, предназначенный для подсистем контроля освещения. Идентифи-

катор кластера уникально идентифицирует кластер в рамках конкретного профиля.

Конечная точка определяет объект связи внутри устройства, через который реализуется определенное приложение. Например, пульт дистанционного управления может выделить конеч-

ную точку 6 для контроля освещения в спальне, конечную точку 8 для управления системой обо-

грева и кондиционирования воздуха и конечную точку 12 для управления системой безопасности.

Это позволяет пульту дистанционного управления независимо связываться с этими устройствами

иопределять, какие пакеты предназначены для каждого приложения и устройства.

Влюбом устройстве ZigBee можно использовать до 240 конечных точек (1 – 240). Конечная точка ноль выделена для объекта устройства ZigBee (ZD0), который обеспечивает команды кон-

троля и управления самим устройством ZigBee.

Библиотека кластеров ZigBee (ZCL)

ZCL – это библиотека кластеров, которые могут использоваться любым приложением. Это позволяет использовать кластеры в различных сферах. В частности, кластеры освещения могут использоваться в любом приложении, которое требует управления освещением, например, в «ум-

ном доме» или в системе автоматизации коммерческого здания.

Каждый кластер имеет два «конца» – клиент и сервер.

243

Рисунок 10. Вариант кластера ZigBee

Кластеры в библиотеке кластеров организованы в ряд функциональных доменов, включая:

освещение,

климат-контроль,

измерения,

охрана и безопасность,

протоколы,

общего назначения

и так далее.

Спецификация каждого устройства

Спецификация каждого кластера определяет:

обязательные и факультативные применения кластера;

244

Привязки являются соединениями между двумя конечными точками, причем каждая при-

вязка поддерживает конкретный профиль приложения, а каждый тип сообщения представлен кла-

стером в этом профиле.

Привязки могут быть созданы между отдельными конечными точками или их группами,

такими, как светильники и выключатели, которые имеют совпадающие кластеры ввода и вывода

(то есть, один и тот же идентификатор кластера). Устройство ZigBee может иметь до 240 конеч-

ных точек, поэтому каждое устройство может поддерживать множество привязок.

Привязки могут храниться внутри исходного устройства. Например, в пульте дистанцион-

ного управления могут храниться адреса и идентификаторы конечных точек всех приложений, с

которыми он взаимодействует. Это называется прямой привязкой или привязкой источника.

Либо сведения о привязке могут храниться в промежуточном устройстве, поддерживающем таблицу подстановки, которая соотносит все конечные точки источников и получателей. Это называется косвенной привязкой.

Организация безопасности сети ZigBee

Система безопасности ZigBee, которая основана на 128-битном AES алгоритме, дополняет модель безопасности, предоставляемую IEEE 802.15.4. Службы безопасности ZigBee включают методы создания ключей и транспорта, управления устройствами и защиты пакетов данных.

Спецификация ZigBee определяет безопасность для MAC, NWK и APS уровней. Безопас-

ность приложений обычно обеспечивается через профили приложений.

Центр управления безопасностью

Центр управления безопасностью определяет, следует ли разрешить или запретить присо-

единение новых устройств к своей сети.

Центр управления безопасностью может периодически обновлять ключ сети и переходить на новый ключ. Сначала он транслирует новый ключ, зашифрованный с помощью старого ключа сети. Затем он сообщает всем устройствам о переходе на новый ключ.

Центром управления безопасностью обычно является координатор сети, но это может быть и выделенное устройство.

Центр управления играет следующие роли в обеспечении безопасности:

Доверенный менеджер по проверке подлинности устройств, желающих присоеди-

ниться к сети.

Менеджер сети, поддерживающий и распространяющий сетевые ключи.

Диспетчер конфигурации, обеспечивающий безопасность взаимодействия

устройств.

Ключи контроля доступа

ZigBee использует три типа ключей для управления безопасностью: главный ключ, сетевой

ключ и ключ канала связи.

245

Главные ключи

Эти дополнительные ключи не используются для шифрования пакетов. Они используются как первоначальный разделяемый двумя устройствами секретный код, когда устройства выполня-

ют процедуру генерации ключа канала связи.

Главные ключи, которые создаются центром управления безопасностью, называются глав-

ными ключами центра безопасности, в то время как все другие ключи называются основными ключами уровня приложений.

Сетевые ключи

Эти ключи обеспечивают безопасность сетевого уровня в сети ZigBee. Сетевой ключ имеют все устройства в сети ZigBee.

Сетевые ключи высокой безопасности должны отправляться по беспроводным каналам только в зашифрованном виде, в то время как стандартные сетевые ключи безопасности могут от-

правляться как зашифрованными, так и не зашифрованными.

Ключи каналов связи

Эти дополнительные ключи обеспечивают безопасность одноадресной передачи сообщений между двумя устройствами на уровне приложений.

Режим стандартной безопасности

В режиме стандартной безопасности перечень устройств, главных ключей, ключей каналов связи и сетевых ключей можно хранить как в центре управления безопасностью, так и в самих устройствах. Центр управления безопасностью, тем не менее, отвечает за поддержание стандарт-

ного сетевого ключа и контролирует политику приема в сеть. В этом режиме требования к ресур-

сам памяти центра управления безопасностью гораздо ниже, чем для режима повышенной без-

опасности.

Режим повышенной безопасности

В режиме повышенной безопасности центр управления безопасностью ведет список устройств, главных ключей, ключей каналов связи и сетевых ключей, необходимых для контроля и применения политики обновления сетевых ключей и доступа в сеть. В этом режиме по мере ро-

ста количества устройств в сети быстро возрастает необходимый центру управления безопасно-

стью объем памяти.

Дополнительные возможности безопасности, которые обеспечивает ZigBee PRO, чрезвы-

чайно важны, так как сети ZigBee используются в ответственных приложениях.

Под вводом в эксплуатацию понимается физическое развертывание конкретного решения и логическая привязка узлов для формирования функциональной сети. В широком смысле этого слова ввод в эксплуатацию охватывает широкий круг задач, включая:

промер радио и физической среды,

размещение устройств,