Betrouwbare IoT-netwerken bouwen met IEEE 802.15.4 en 6LoWPAN

Industrial IoT en LR-WPAN

De Industrial Internet of Things is geprediceerd op grootschalige, gedistribueerde sensor/controlenetwerken die maanden tot jaren onbeheerd kunnen draaien met zeer laag stroomverbruik. Het kenmerkende gedrag van dit type netwerk omvat erg korte burst van berichtenverkeer over korte afstanden met draadloze technologieën, vaak beschreven als een laag-bitrate, draadloos persoonlijk gebiedsnetwerk (LR-WPAN). We houden de data frames kort om de kans op radio-interferentie die noodzaakt tot hertransmissie te verkleinen. Een dergelijke LR-WPAN benadering gebruikt de IEEE 802.15.4 standaard. Deze beschrijft een fysieke laag en media access control die vaak gebruikt worden in industriële controle- en automatiseringstoepassingen aangeduid als Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA).

Cloud vs. Fog model

In de IoT verzamelen lokale "edge" apparaten, typisch sensoren, data en sturen het naar een datacenter — "de cloud" — voor verwerking. Het krijgen van de data naar de cloud vereist communiceren met de standaard IP protocol stack. Dit kan gedaan worden door de edge apparaten direct via het internet met de datacenters te verbinden — het "cloud model." Of, we kunnen communiceren van de edge apparaten naar een verzamelpunt bekend als een border gateway om de data daarvandaan naar het datacenter te relayen — het "fog model."

Dit artikel beschrijft kenmerken van IEEE 802.15.4 netwerken, specifiek de Internet Engineering Task Force (IETF) IPv6 over Low-power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN) implementatie. Deze implementatie ondersteunt zowel het cloud als fog model.

IEEE 802.15.4 PHY Laag

De IEEE 802 standaardenfamilie is uitgesplitst in een aantal task groups inclusief 802.3 (Ethernet) en 802.11 (Wi-Fi), alsook 802.15 (Wireless PAN). In het bijzonder is IEEE 802.15.4 (15.4 voor beknoptheid) de verantwoordelijkheid van Task Group 4, verantwoordelijk voor diverse kenmerken van het protocol inclusief RF spectrum en de fysieke lagen. De 15.4 standaard is uitgebreid om Radio Frequency identificatie (RFID) PHYs, ultra-wideband (UWB) PHYs, en wordt ook besproken als mogelijke oplossing voor zowel auto-naar-auto als auto-naar-trottoir communicatie.

802.15.4 adresseert alleen de fysieke (PHY) en media access control (MAC) lagen — in het OSI netwerkmodel, lagen één en twee. Het laat de bovenliggende lagen aan de implementer. Op laag drie en hoger zijn er een overvloed aan aanbiedingen inclusief Zigbee, Z-Wave, Thread, en 6LoWPAN. Elk van deze implementeert de rest van het OSI protocolmodel om diensten te leveren zoals routing en discovery alsook API's voor gebruikersapplicaties.

Netwerktopologieën en knooppunttypen

IEEE 802.15.4 identificeert twee verschillende typen netwerkknooppunten: reduced function devices (RFD) en full-function devices (FFD). FFDs kunnen met andere FFDs of RFDs praten en kunnen zelfs hun eigen netwerken creëren. Echter, RFDs kunnen alleen met FFDs praten. Dit impliceert een hiërarchie die leidt tot twee mogelijke netwerktopologieën: een ster-topologie of een peer-to-peer topologie zoals een mesh. De ster-topologie is het makkelijkst en minst kostbaar om te implementeren, het vereist slechts een enkele FFD. Het nadeel is dat de coördinator een single point of failure vertegenwoordigt. Het gebruik van een mesh-topologie voorziet in meerdere, redundante communicatiepaden om berichtbezorging te garanderen. Bij mesh-modus is het netwerk essentieel een ad hoc, zelforganiserende entiteit.

IPv6 en 6LoWPAN

Vanwege de uitputting van het IPv4 adresruimte, is er aanzienlijk belangstelling in overstap naar IPv6, wat laag drie (netwerk) en laag vier (transport) biedt en bovenop de MAC laag zit. Normaal gebruikt IPv6 een veertig-byte header en biedt 128 bits adresruimte. Echter, gecombineerd met AES-128 encryptie overhead, zou het gebruik van een standaard IPv6 header slechts drieëndertig bytes voor user payload in de frame laten. IP header compressie (IPHC) werd geïntroduceerd om dit probleem aan te pakken. Dit kan de grootte van de IPv6 header reduceren tot slechts tien bytes, inclusief routing voor internet traversal.

Deze combinatie van IPv6, IPHC, en standaard TCP/UDP op top van de 15.4 PHY en MAC lagen is wat bekend is als 6LoWPAN. Gecombineerd met het gebruik van POSIX-style sockets, kan de developer end-to-end pakketbezorging wereldwijd hebben met normale internetprotocollen.

Implementatie van 6LoWPAN voor IoT

Er zijn veel bestaande implementaties van 6LoWPAN. Eén is sub-GHz 6LoWPAN voor de advanced metering infrastructure (AMI) momenteel geïmplementeerd in stroommeters voor residentieel gebruik. Deze meters voorzien utiliteitsbedrijven een middel om zowel stroomverbruik te lezen als te controleren over het elektrische net. Ze vertrouwen op een lossy-mesh routing faciliteit om bezorging van meter metingen te garanderen ongeacht multi-path of atmospherische effecten zoals regen of sneeuw.

6LoWPAN code grootte is matig. De typische implementatie is in de orde van ongeveer 30KB en wordt vaak direct in de radio's geïmplementeerd van bedrijven zoals Texas Instruments, Silicon Labs, en anderen. Deze benadering biedt een UART-style interface tussen de sensor microcontroller en de radio, waardoor de protocol overhead naar de radio-eenheid verplaatst wordt.

Alternatief implementeren veel besturingssystemen zoals Linux, al 6LoWPAN op een aantal radioplatforms. Dit voorziet in het gebruik van Linux-gebaseerde border gateways om beveiliging te bieden voor edge apparaten via een fog model via geharde kernels, next-generation firewalls, en meer. De border gateway kan ook gebruikt worden voor data filtering en compressie om totale communicatiekosten te reduceren.

Aangezien 6LoWPAN compatibel is met normale internetprotocollen, is de developer vrij om hogere-protocol zoals MQTT, CoAP, en HTTP te benutten voor communicatie van applicatie tot applicatie. Een border router die interfaceert met 6LoWPAN op de zuidkant en standaard IPv4 of IPv6 op de noordkant kan eenvoudig netwerkadresvertaling (NAT) automatische vertalingen bieden van het interne 6LoWPAN pakketformaat naar standaard IPv6 of via NAT64 naar standaard IPv4. Dit maakt de edge apparaat adressering volledig transparant voor de cloud en de developer.

Samenvatting

De IoT gaat over connectiviteit en de IEEE 802.15.4 standaard biedt een middel dat ideaal is voor het implementeren ervan — laag-vermogen operatie over een lossy mesh. Het gebruik van 6LoWPAN op top van IEEE 802.15.4 voorziet in veilige, transparante connectiviteit met de cloud en vermindert significant de last op developers en systeemontwerpers door standaard IP-compatibele protocollen en gemakkelijk beschikbare bibliotheken te bieden.