Construindo Redes IoT Confiáveis com IEEE 802.15.4 e 6LoWPAN

A Internet Industrial das Coisas é preditada em redes de sensor/controle distribuídas de grande escala que podem rodar sem supervisão por meses a anos com consumo de potência muito baixo. O comportamento característico deste tipo de rede implica rajadas muito curtas de tráfego de mensagens sobre curtas distâncias usando tecnologias sem fio, frequentemente descrito como rede pessoal sem fio de baixa taxa (LR-WPAN). Mantemos os quadros de dados curtos para diminuir a possibilidade de interferência de rádio forçando a necessidade de retransmitir. Uma tal abordagem LR-WPAN usa o padrão IEEE 802.15.4. Este descreve uma camada física e controle de acesso à mídia que são frequentemente usados em aplicações de controle industrial e automação referidas como Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA).

Na IoT, dispositivos locais de "borda", tipicamente sensores, coletam dados e enviam para um centro de dados — "a nuvem" — para processamento. Levar os dados à nuvem requer comunicação usando a pilha de protocolo IP padrão. Isso pode ser feito conectando diretamente os dispositivos de borda via Internet aos centros de dados — o "modelo nuvem". Ou, podemos comunicar dos dispositivos de borda a um ponto de coleta conhecido como gateway de borda para ter os dados retransmitidos dali para o centro de dados — o "modelo neblina".

Este artigo descreverá características de redes IEEE 802.15.4, especificamente a implementação Internet Engineering Task Force (IETF) IPv6 over Low-power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN). Esta implementação suporta tanto o modelo nuvem quanto o modelo neblina.

Camada PHY IEEE 802.15.4

A família de padrões IEEE 802 é dividida em vários grupos de tarefa incluindo 802.3 (Ethernet) e 802.11 (Wi-Fi), bem como 802.15 (Wireless PAN). Em particular, IEEE 802.15.4 (15.4 para brevidade) é responsabilidade do Grupo de Tarefa 4, que é responsável por várias características do protocolo incluindo espectro RF e camadas físicas. O padrão 15.4 foi expandido para incluir PHYs de identificação por radiofrequência (RFID), PHYs ultra-wideband (UWB), e também está sendo discutido como uma possível solução para comunicações carro-a-carro e carro-a-meio-fio.

802.15.4 apenas aborda as camadas física (PHY) e controle de acesso à mídia (MAC) — no modelo de rede OSI, camadas um e dois. Deixa as camadas superiores para o implementador. Na camada três e acima, há uma infinidade ofertas incluindo Zigbee, Z-Wave, Thread e 6LoWPAN. Cada um destes implementa o restante do modelo de protocolo OSI para entregar serviços como roteamento e descoberta bem como APIs para aplicações de usuário.

Em geral, 15.4 suporta taxas de transferência de dados a 20 Kbit/s, 40 Kbit/s, 100 Kbit/s (em breve), e 250 Kbit/s. O framework básico assume alcance de 10 metros a 250 Kbit/s. Taxas de dados ainda menores são alcançáveis para limitar ainda mais consumo de potência. Apesar da especificação de alcance de 10 metros (32 pés), na banda ISM 2.4GHz, alcances típicos alcançáveis para rádios IEEE 802.15.4 são na ordem de 100 pés em ambientes internos, e 200–300 pés externos. Em frequências sub-GHz, implementações práticas do protocolo têm sido demonstradas em alcances de mais de 6,5 km (4 milhas) com antenas apropriadas na banda ISM 900 MHz.

Na camada física, IEEE 802.15.4 gerencia o transceptor RF e seleção de canal, bem como instalações de gerenciamento de energia e sinal. Há seis PHYs atualmente definidos, dependendo da faixa de frequência e desempenho de dados requerido. Quatro deles usam técnicas de espectro espalhado por sequência direta (DSSS) frequency hopping. Espectro espalhado chirp (CSS) está em uso nas bandas Ultra-Wide Band (UWB) e 2450 MHz. Espectro espalhado por sequência paralela (PSSS) está disponível apenas com a técnica de modulação híbrida binária/amplitude shift keying encontrada na banda europeia 868 MHz.

O tamanho do quadro para 15.4 é 133 bytes incluindo PHY, MAC e o payload de dados. O formato para este quadro pode ser visto na Figura 1. Mantendo o quadro relativamente curto, podemos limitar a quantidade de tempo necessária para transmiti-lo enquanto simultaneamente limitamos a probabilidade de interferência de rádio devido à operação normal de equipamentos industriais.

Camada MAC IEEE 802.15.4

A camada MAC IEEE 802.15.4 (camada dois do modelo OSI — camada de enlace de dados) é responsável por:

• Entrar e sair do PAN;
• Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA-CA) para acesso ao canal;
• Transmissões Guaranteed Time Slot (GTS);
• Estabelecer um enlace confiável entre duas entidades MAC pares;
• Transmissões de beacon para um coordenador;
• Sincronização aos beacons.

Além disso, a camada MAC suporta uso de criptografia simétrica usando algoritmo de criptografia AES-128. Há também opções para hashes baseados em SHA e listas de controle de acesso para limitar transferência de informação sensível a nós ou enlaces específicos. Finalmente, a MAC computa uma verificação de frescor entre recepções de quadros para ajudar a minimizar o potencial de quadros antigos que podem ter viajado por um caminho circuitoso de serem entregues tarde aos protocolos de camada superior.

Tipos de Nós e Topologias de Rede

IEEE 802.15.4 identifica dois tipos diferentes de nós de rede: dispositivos de função reduzida (RFD) e dispositivos de função completa (FFD). FFDs podem falar com outros FFDs ou com RFDs e podem até criar suas próprias redes. No entanto, RFDs só podem falar com FFDs. Isso implica uma hierarquia que leva a duas topologias de rede possíveis: uma topologia estrela ou uma topologia peer-to-peer como uma mesh. Estas são representadas na Figura 2.

A topologia estrela é a mais fácil e menos cara de implementar, requer apenas um único FFD. O resto dos dispositivos pode ser RFDs ou FFDs, dependendo da implementação. O lado negativo da topologia estrela é que o coordenador representa um ponto único de falha. Isso pode resultar em falha total da rede e deve ser evitado em todas menos as mais simples aplicações.

O uso de uma topologia mesh fornece múltiplos caminhos de comunicação redundantes para garantir entrega de mensagens. Quando rodando em modo mesh, a rede é essencialmente uma entidade ad hoc, auto-organizadora. Conectividade pode portanto ser continuada apesar de características de propagação RF mudando como multi-path ou efeitos de folhagem. O uso de uma topologia mesh também fornece para nós móveis, como encontrados em robótica industrial. Uma "mesh com perdas" é aquela onde nem todos os enlaces são confiáveis, então um protocolo de roteamento de camada superior é usado para reencaminhar tráfego de mensagens baseado na conectividade em qualquer ponto no tempo.

IPv6

Devido ao esgotamento do espaço de endereços IPv4, há interesse considerável em transicionar para IPv6, que fornece camada três (rede) e camada quatro (transporte) e fica sobre a camada MAC. Normalmente, IPv6 usa um cabeçalho de quarenta bytes e fornece 128 bits de espaço de endereço, que pode lidar com até as maiores estimativas para dispositivos IoT conectados.

No entanto, quando acoplado com overhead de criptografia AES-128, o uso de um cabeçalho IPv6 de tamanho padrão deixaria apenas trinta e três bytes para payload do usuário no quadro. Compressão de cabeçalho IP (IPHC) foi introduzida para resolver o problema. Isso pode reduzir o tamanho do cabeçalho IPv6 a meros dez bytes, incluindo roteamento para travessia da Internet. Este IPHC pode ser visto na Figura 3.

Esta combinação de IPv6, IPHC, e TCP/UDP padrão sentados sobre as camadas 15.4 PHY e MAC é o que é conhecido como 6LoWPAN. Quando acoplado com uso de sockets estilo POSIX, o desenvolvedor pode ter entrega de pacote ponta-a-ponta em qualquer lugar do mundo usando protocolos de Internet normais.

Implementando 6LoWPAN para IoT

Há muitas implementações existentes de 6LoWPAN. Uma é 6LoWPAN sub-GHz para infraestrutura de medição avançada (AMI) atualmente implementada em medidores de energia para uso residencial. Estes medidores fornecem às utilities um meio de tanto ler quanto controlar uso de energia através da rede elétrica. Eles dependem de uma facilidade de roteamento mesh com perdas para garantir entrega de medições de medidores independentemente de efeitos multi-path ou atmosféricos como chuva ou neve.

Tamanho de código 6LoWPAN é moderado. A implementação típica é na ordem de cerca de 30KB e é frequentemente implementada diretamente nos rádios de empresas como Texas Instruments, Silicon Labs e outros. Esta abordagem fornece uma interface estilo UART entre o microcontrolador do sensor e o radio, descarregando assim o overhead do protocolo para a unidade de radio.

Alternativamente, muitos sistemas operacionais como Linux, já implementam 6LoWPAN em várias plataformas de radio. Isso fornece para o uso de gateways de borda baseados em Linux para fornecer segurança para dispositivos de borda usando modelo neblina via kernels endurecidos, firewalls de próxima geração e mais. O gateway de borda também pode ser usado para fornecer filtragem e compressão de dados para reduzir custos gerais de comunicação.

Como 6LoWPAN é compatível com protocolos de Internet normais, o desenvolvedor é livre para alavancar protocolos de nível superior como MQTT, CoAP e HTTP para comunicações de aplicação para aplicação. Um roteador de borda que interface com 6LoWPAN no lado sul e IPv4 ou IPv6 padrão no lado norte pode facilmente fornecer tradução de endereço de rede (NAT) traduções automáticas do formato de pacote 6LoWPAN interno para IPv6 padrão ou via NAT64 para IPv4 padrão. Isso torna o endereçamento do dispositivo de borda completamente transparente para a nuvem e para o desenvolvedor. Um roteador de borda baseado em Raspberry Pi com módulo 6LoWPAN anexado é mostrado na Figura 4.

Resumo

A IoT é toda sobre conectividade e o padrão IEEE 802.15.4 fornece um meio ideal para implementá-la — operação de baixa potência através de uma mesh com perdas. O uso de 6LoWPAN sobre IEEE 802.15.4 fornece conectividade segura e transparente com a nuvem e reduz significativamente a carga sobre desenvolvedores e designers de sistemas fornecendo protocolos compatíveis com IP padrão e bibliotecas prontamente disponíveis.