Bouw betrouwbare IoT-netwerken met IEEE 802.15.4 en 6LoWPAN

Het industriële internet der dingen is gebaseerd op grootschalige, gedistribueerde sensor-/controlenetwerken die maanden tot jaren onbeheerd kunnen blijven draaien met een zeer laag stroomverbruik. Het kenmerkende gedrag van dit type netwerk brengt zeer korte uitbarstingen van berichtenverkeer met zich mee over korte afstanden waarbij gebruik wordt gemaakt van draadloze technologieën, vaak omschreven als een draadloos persoonlijk netwerk met lage snelheid (LR-WPAN). We houden de dataframes kort om de mogelijkheid van radio-interferentie te verkleinen, waardoor de noodzaak tot opnieuw verzenden wordt geforceerd. Eén van deze LR-WPAN-benaderingen maakt gebruik van de IEEE 802.15.4-standaard. Dit beschrijft een fysieke laag en mediatoegangscontrole die vaak worden gebruikt in de industriële besturings- en automatiseringstoepassingen die Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) worden genoemd.

Afbeelding 1.IEEE 802.15.4 frameformaat

In het IoT verzamelen lokale ‘edge’-apparaten, meestal sensoren, gegevens en sturen deze naar een datacenter – ‘de cloud’ – voor verwerking. Om de gegevens naar de cloud te krijgen, is communicatie nodig via de standaard IP-protocolstack. Dit kan worden gedaan door de edge-apparaten via internet rechtstreeks met de datacenters te verbinden – het ‘cloudmodel’. Of we kunnen vanaf de edge-apparaten communiceren met een verzamelpunt dat bekend staat als een grensgateway, om de gegevens van daaruit naar het datacenter te laten doorgeven – het ‘mistmodel’.

In dit artikel worden de kenmerken van IEEE 802.15.4-netwerken beschreven, met name de Internet Engineering Task Force (IETF) IPv6 via Low-power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN). Deze implementatie ondersteunt zowel het cloud- als het mistmodel.

IEEE 802.15.4 PHY-laag

De IEEE 802-standaardfamilie is onderverdeeld in een aantal taakgroepen, waaronder 802.3 (Ethernet) en 802.11 (Wi-Fi), evenals 802.15 (Draadloos PAN). In het bijzonder is IEEE 802.15.4 (15.4 voor de beknoptheid) de verantwoordelijkheid van Taakgroep 4, die verantwoordelijk is voor verschillende kenmerken van het protocol, waaronder het RF-spectrum en de fysieke lagen. De 15.4-standaard is uitgebreid met PHY's voor radiofrequentie-identificatie (RFID) en ultrabreedband (UWB) PHY's, en wordt ook besproken als een mogelijke oplossing voor zowel auto-auto- als auto-to-curb-communicatie.

802.15.4 heeft alleen betrekking op de fysieke lagen (PHY) en de lagen voor mediatoegangscontrole (MAC) – in het OSI-netwerkmodel de lagen één en twee. Het laat de bovenste lagen over aan de uitvoerder. Op laag drie en hoger is er een overvloed aan aanbiedingen, waaronder Zigbee, Z-Wave, Thread en 6LoWPAN. Elk van deze implementeert de rest van het OSI-protocolmodel om services te leveren zoals routering en detectie, evenals API's voor gebruikerstoepassingen.

Figuur 2. Topologieopties

Over het algemeen ondersteunt 15.4 gegevensoverdrachtsnelheden van 20 Kbit/s, 40 Kbit/s, 100 Kbit/s (binnenkort) en 250 Kbit/s. Het basisframework gaat uit van een bereik van 10 meter bij 250 Kbit/s. Zelfs lagere datasnelheden zijn haalbaar om het energieverbruik verder te beperken. Ondanks de specificatie van het bereik van 10 meter (32 voet), liggen in de 2,4GHz ISM-band de typische bereikbare bereiken voor IEEE 802.15.4-radio's in de orde van 100 voet binnenshuis en 200 - 300 voet buitenshuis. In de sub-GHz-frequenties zijn praktische implementaties van het protocol gedemonstreerd op een bereik van meer dan 6,5 km (4 mijl) met geschikte antennes in de 900 MHz ISM-band.

Op de fysieke laag beheert IEEE 802.15.4 de RF-transceiver en kanaalselectie, evenals de energie- en signaalbeheerfaciliteiten. Er zijn momenteel zes PHY's gedefinieerd, afhankelijk van het vereiste frequentiebereik en de vereiste gegevensprestaties. Vier daarvan maken gebruik van Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) frequentie-hopping-technieken. Chirp spread spectrum (CSS) wordt gebruikt in de Ultra-Wide Band (UWB) en 2450 MHz-frequentiebanden. Parallel Sequence Spread Spectrum (PSSS) is alleen beschikbaar met de hybride binaire/amplitude shift keying-modulatietechniek die te vinden is in de Europese 868 MHz-band.

De framegrootte voor 15.4 is 133 bytes inclusief PHY, MAC en de datapayload. Het formaat voor dit frame kunt u zien in Figuur 1. Door het frame relatief kort te houden, kunnen we de hoeveelheid tijd beperken die nodig is om het te verzenden, terwijl we tegelijkertijd de kans op radio-interferentie als gevolg van de normale werking van industriële apparatuur beperken.

IEEE 802.15.4 MAC-laag

De IEEE 802.15.4 MAC-laag (OSI-modellaag twee – datalinklaag) is verantwoordelijk voor:

• Toetreden tot en verlaten van de PAN;
• Carrier Sense Multiple Access met botsingsvermijding (CSMA-CA) voor kanaaltoegang;
• Gegarandeerde Time Slot (GTS)-uitzendingen;
• Het tot stand brengen van een betrouwbare link tussen twee vergelijkbare MAC-entiteiten;
• Beacon-uitzendingen voor een coördinator;
• Synchronisatie met de bakens.

Bovendien ondersteunt de MAC-laag het gebruik van symmetrische codering met behulp van het AES-128-coderingsalgoritme. Er zijn ook opties voor op SHA gebaseerde hashes en toegangscontrolelijsten om de overdracht van gevoelige informatie naar specifieke knooppunten of links te beperken. Ten slotte berekent de MAC een versheidscontrole tussen frameontvangsten om de kans te minimaliseren dat oude frames die mogelijk via een omslachtig pad zijn gereisd, te laat worden afgeleverd bij de protocollen van de bovenste laag.

Knooppunttypen en netwerktopologieën

Figuur 3. IP-headercompressie van IPv6-header

IEEE 802.15.4 identificeert twee verschillende soorten netwerkknooppunten:apparaten met verminderde functionaliteit (RFD) en apparaten met volledige functionaliteit (FFD). FFD's kunnen met andere FFD's of met RFD's praten en kunnen zelfs hun eigen netwerken creëren. RFD's kunnen echter alleen met FFD's praten. Dit impliceert een hiërarchie die leidt tot twee mogelijke netwerktopologieën:een stertopologie of een peer-to-peer-topologie zoals een mesh. Deze zijn weergegeven in Figuur 2.

De stertopologie is het gemakkelijkst en minst duur om te implementeren; er is slechts één FFD voor nodig. De overige apparaten kunnen RFD's of FFD's zijn, afhankelijk van de implementatie. Het nadeel van de stertopologie is dat de coördinator één enkel faalpunt vertegenwoordigt. Dit kan resulteren in een totale uitval van het netwerk en moet worden vermeden in alle toepassingen, behalve in de eenvoudigste toepassingen.

Het gebruik van een mesh-topologie zorgt voor meerdere, redundante communicatiepaden om de bezorging van berichten te garanderen. Wanneer het netwerk in mesh-modus draait, is het in wezen een ad hoc, zelforganiserende entiteit. De connectiviteit kan daarom worden voortgezet ondanks veranderende RF-voortplantingskenmerken, zoals multi-path of effecten van gebladerte. Het gebruik van een mesh-topologie zorgt ook voor bewegende knooppunten, zoals te vinden in industriële robotica. Een ‘lossy mesh’ is een mesh waarbij niet alle links betrouwbaar zijn. Daarom wordt een routeringsprotocol op een hogere laag gebruikt om het berichtenverkeer om te leiden op basis van de connectiviteit op een bepaald moment.

IPv6

Vanwege de uitputting van de IPv4-adresruimte is er aanzienlijke belangstelling voor de overgang naar IPv6, dat laag drie (netwerk) en laag vier (transport) biedt en bovenop de MAC-laag zit. Normaal gesproken gebruikt IPv6 een header van veertig bytes en biedt het 128 bits adresruimte, wat zelfs de grootste schattingen voor IoT-aangesloten apparaten aankan.

Figuur 4. Raspberry Pi Border Router met 6LoWPAN-module

In combinatie met AES-128-encryptie-overhead zou het gebruik van een standaard IPv6-header echter slechts drieëndertig bytes overhouden voor de gebruikerspayload in het frame. Om dit probleem aan te pakken, is IP-headercompressie (IPHC) geïntroduceerd. Hierdoor kan de grootte van de IPv6-header worden teruggebracht tot slechts tien bytes, inclusief routering voor internetverkeer. Deze IPHC is te zien in Figuur 3.

Deze combinatie van IPv6, IPHC en standaard TCP/UDP bovenop de 15.4 PHY- en MAC-lagen staat bekend als 6LoWPAN. In combinatie met het gebruik van POSIX-stijl sockets kan de ontwikkelaar overal ter wereld end-to-end pakketbezorging realiseren met behulp van normale internetprotocollen.

6LoWPAN implementeren voor het IoT

Er zijn veel bestaande implementaties van 6LoWPAN. Eén daarvan is sub-GHz 6LoWPAN voor de geavanceerde meetinfrastructuur (AMI) die momenteel wordt geïmplementeerd in energiemeters voor huishoudelijk gebruik. Deze meters bieden nutsbedrijven een manier om het energieverbruik in het elektriciteitsnet te lezen en te controleren. Ze vertrouwen op een lossy-mesh routeringsfaciliteit om de levering van metermetingen te garanderen, ongeacht multi-path of atmosferische effecten zoals regen of sneeuw.

6LoWPAN-codegrootte is gemiddeld. De typische implementatie ligt in de orde van grootte van ongeveer 30 KB en wordt vaak rechtstreeks geïmplementeerd in de radio's van bedrijven als Texas Instruments, Silicon Labs en anderen. Deze aanpak biedt een UART-achtige interface tussen de sensor-microcontroller en de radio, waardoor de protocoloverhead naar de radio-eenheid wordt overgebracht.

Als alternatief implementeren veel besturingssystemen, zoals Linux, 6LoWPAN al op een aantal radioplatforms. Dit voorziet in het gebruik van op Linux gebaseerde grensgateways om beveiliging te bieden voor de edge-apparaten met behulp van een mistmodel via geharde kernels, firewalls van de volgende generatie en meer. De grensgateway kan ook worden gebruikt voor gegevensfiltering en -compressie om de totale communicatiekosten te verlagen.

Omdat 6LoWPAN compatibel is met normale internetprotocollen, is de ontwikkelaar vrij om protocollen op een hoger niveau te gebruiken, zoals MQTT, CoAP en HTTP, voor communicatie van applicatie tot applicatie. Een borderrouter die een interface heeft met 6LoWPAN aan de zuidkant en standaard IPv4 of IPv6 aan de noordkant, kan eenvoudig automatische NAT-vertalingen (Network Address Translation) leveren van het interne 6LoWPAN-pakketformaat naar standaard IPv6 of via een NAT64 naar standaard IPv4. Dit maakt de adressering van het edge-apparaat volledig transparant voor de cloud en voor de ontwikkelaar. Een op Raspberry Pi gebaseerde grensrouter met een aangesloten 6LoWPAN-module wordt weergegeven in Figuur 4.

Samenvatting

Bij het IoT draait alles om connectiviteit en de IEEE 802.15.4-standaard biedt een middel dat ideaal is om dit te implementeren:werking met laag energieverbruik via een verlieslatend netwerk. Het gebruik van 6LoWPAN bovenop IEEE 802.15.4 zorgt voor veilige, transparante connectiviteit met de cloud en vermindert de last voor ontwikkelaars en systeemontwerpers aanzienlijk door standaard IP-compatibele protocollen en direct beschikbare bibliotheken te bieden.

Dit artikel is geschreven door Mike Anderson, CTO/Chief Scientist, The PTR Group (Ashburn, VA). Klik hier voor meer informatie.