Construindo redes IoT confiáveis com IEEE 802.15.4 e 6LoWPAN

A Internet das Coisas Industrial baseia-se em redes de sensores/controle distribuídas em grande escala que podem funcionar sem supervisão por meses ou anos com consumo de energia muito baixo. O comportamento característico deste tipo de rede implica rajadas muito curtas de tráfego de mensagens em distâncias curtas usando tecnologias sem fio, muitas vezes descritas como uma rede de área 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 retransmissão. Uma dessas abordagens LR-WPAN usa o padrão IEEE 802.15.4. Isto descreve uma camada física e controle de acesso à mídia que são frequentemente usados ​​em aplicações de controle e automação industrial, conhecidas como Controle de Supervisão e Aquisição de Dados (SCADA).
Figura 1.Formato de quadro IEEE 802.15.4
Na IoT, dispositivos locais de “borda”, normalmente sensores, coletam dados e os enviam para um data center – “a nuvem” – para processamento. Levar os dados para a nuvem requer comunicação usando a pilha de protocolos IP padrão. Isso pode ser feito conectando diretamente os dispositivos de borda via Internet aos data centers – o “modelo de nuvem”. Ou podemos nos comunicar dos dispositivos de borda para um ponto de coleta conhecido como gateway de fronteira para que os dados sejam retransmitidos de lá para o data center – o “modelo de névoa”.

Este artigo descreverá as características das redes IEEE 802.15.4, especificamente a implementação IPv6 da Internet Engineering Task Force (IETF) sobre redes pessoais sem fio de baixa potência (6LoWPAN). Esta implementação oferece suporte aos modelos de nuvem e nevoeiro.

Camada física IEEE 802.15.4

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

802.15.4 aborda apenas as camadas física (PHY) e de 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 de ofertas, incluindo Zigbee, Z-Wave, Thread e 6LoWPAN. Cada um deles implementa o restante do modelo de protocolo OSI para fornecer serviços como roteamento e descoberta, bem como APIs para aplicativos de usuário.
Figura 2. Opções de topologia
Em geral, 15.4 suporta taxas de transferência de dados de 20 Kbit/s, 40 Kbit/s, 100 Kbit/s (em breve) e 250 Kbit/s. A estrutura básica assume um alcance de 10 metros a 250 Kbit/s. Taxas de dados ainda mais baixas são possíveis para limitar ainda mais o consumo de energia. Apesar da especificação de alcance de 10 metros (32 pés), na banda ISM de 2,4 GHz, os alcances típicos alcançáveis ​​para rádios IEEE 802.15.4 são da ordem de 100 pés em ambientes internos e de 200 a 300 pés em ambientes externos. Nas frequências sub-GHz, foram demonstradas implementações práticas do protocolo em alcances superiores a 6,5 ​​km (4 milhas) com antenas apropriadas na banda ISM de 900 MHz.

Na camada física, o IEEE 802.15.4 gerencia o transceptor de RF e a seleção de canais, bem como os recursos de gerenciamento de energia e sinal. Existem seis PHYs definidos atualmente, dependendo da faixa de frequência e do desempenho de dados necessários. Quatro deles usam técnicas de salto de frequência Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS). O espectro de propagação Chirp (CSS) está em uso nas bandas de frequência Ultra-Wide Band (UWB) e 2.450 MHz. O Parallel Sequence Spread Spectrum (PSSS) está disponível apenas com a técnica de modulação híbrida binária/amplitude shift keying encontrada na banda europeia de 868 MHz.

O tamanho do quadro para 15,4 é de 133 bytes, incluindo PHY, MAC e a carga útil de dados. O formato deste quadro pode ser visto na Figura 1. Ao manter o quadro relativamente curto, podemos limitar o tempo necessário para transmiti-lo e, ao mesmo tempo, limitar 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;
• Acesso Múltiplo Carrier Sense com Prevenção de Colisão (CSMA-CA) para acesso ao canal;
• Transmissões em Time Slot Garantido (GTS);
• Estabelecer um link confiável entre duas entidades MAC pares;
• Transmissões de beacon para um coordenador;
• Sincronização com os beacons.

Além disso, a camada MAC suporta o uso de criptografia simétrica usando o algoritmo de criptografia AES-128. Também existem opções de hashes baseados em SHA e listas de controle de acesso para limitar a transferência de informações confidenciais para nós ou links específicos. Finalmente, o MAC calcula uma verificação de atualização entre as recepções de quadros para ajudar a minimizar a possibilidade de quadros antigos que podem estar viajando por um caminho tortuoso serem entregues com atraso aos protocolos da camada superior.

Tipos de nós e topologias de rede

Figura 3. Compressão de cabeçalho IP do cabeçalho IPv6
IEEE 802.15.4 identifica dois tipos diferentes de nós de rede:dispositivos de função reduzida (RFD) e dispositivos de função completa (FFD). Os FFDs podem se comunicar com outros FFDs ou com RFDs e podem até criar suas próprias redes. No entanto, os RFDs só podem se comunicar com os FFDs. Isto implica uma hierarquia que leva a duas topologias de rede possíveis:uma topologia em estrela ou uma topologia ponto a ponto, como uma malha. Eles estão representados na Figura 2.

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

O uso de uma topologia mesh fornece caminhos de comunicação múltiplos e redundantes para garantir a entrega de mensagens. Ao executar no modo mesh, a rede é essencialmente uma entidade ad hoc e auto-organizada. A conectividade pode, portanto, ser continuada apesar das alterações nas características de propagação de RF, como multipercurso ou efeitos da folhagem. O uso de uma topologia mesh também permite a movimentação de nós, como os encontrados na robótica industrial. Uma “malha com perdas” é aquela em que nem todos os links são confiáveis, portanto, um protocolo de roteamento de camada superior é usado para redirecionar o tráfego de mensagens com base na conectividade em qualquer momento.

IPv6

Devido ao esgotamento do espaço de endereços IPv4, há um interesse considerável na transição para o IPv6, que fornece a camada três (rede) e a camada quatro (transporte) e fica no topo da camada MAC. Normalmente, o IPv6 usa um cabeçalho de quarenta bytes e fornece 128 bits de espaço de endereço, o que pode lidar até mesmo com as maiores estimativas para dispositivos conectados à IoT.
Figura 4. Roteador de borda Raspberry Pi com módulo 6LoWPAN
No entanto, quando combinado com a sobrecarga de criptografia AES-128, o uso de um cabeçalho IPv6 de tamanho padrão deixaria apenas trinta e três bytes para a carga útil do usuário no quadro. A compactação de cabeçalho IP (IPHC) foi introduzida para resolver o problema. Isso pode reduzir o tamanho do cabeçalho IPv6 para apenas dez bytes, incluindo roteamento para passagem pela Internet. Este IPHC pode ser visto na Figura 3.

Essa combinação de IPv6, IPHC e TCP/UDP padrão situada no topo das camadas 15.4 PHY e MAC é conhecida como 6LoWPAN. Quando combinado com o uso de soquetes estilo POSIX, o desenvolvedor pode ter entrega de pacotes ponta a ponta em qualquer lugar do mundo usando protocolos normais da Internet.

Implementando 6LoWPAN para IoT

Existem muitas implementações existentes de 6LoWPAN. Um deles é o 6LoWPAN sub-GHz para a infraestrutura de medição avançada (AMI) atualmente implementada em medidores de energia para uso residencial. Esses medidores fornecem às concessionárias um meio de ler e controlar o uso de energia na rede elétrica. Eles contam com um recurso de roteamento de malha com perdas para garantir a entrega de medições de medidores, independentemente de efeitos atmosféricos ou de múltiplos caminhos, como chuva ou neve.

O tamanho do código 6LoWPAN é moderado. A implementação típica é da ordem de 30 KB e muitas vezes é implementada diretamente nos rádios de empresas como Texas Instruments, Silicon Labs e outras. Esta abordagem fornece uma interface estilo UART entre o microcontrolador do sensor e o rádio, descarregando assim a sobrecarga do protocolo para a unidade de rádio.

Alternativamente, muitos sistemas operacionais, como o Linux, já implementam 6LoWPAN em diversas plataformas de rádio. Isso prevê o uso de gateways de borda baseados em Linux para fornecer segurança para os dispositivos de borda usando um modelo de névoa por meio de kernels reforçados, firewalls de próxima geração e muito mais. O gateway de fronteira também pode ser usado para fornecer filtragem e compactação de dados para reduzir os custos gerais de comunicação.

Como o 6LoWPAN é compatível com protocolos normais da Internet, o desenvolvedor é livre para aproveitar protocolos de nível superior, como MQTT, CoAP e HTTP, para comunicações de aplicativo para aplicativo. Um roteador de fronteira que faz interface com 6LoWPAN no lado sul e IPv4 ou IPv6 padrão no lado norte pode facilmente fornecer traduções automáticas de tradução de endereço de rede (NAT) do formato de pacote 6LoWPAN interno para IPv6 padrão ou através de um 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 um módulo 6LoWPAN conectado é mostrado na Figura 4.

Resumo

A IoT tem tudo a ver com conectividade e o padrão IEEE 802.15.4 fornece um meio ideal para implementá-la:operação de baixo consumo de energia em uma malha 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 projetistas de sistemas, fornecendo protocolos padrão compatíveis com IP e bibliotecas prontamente disponíveis.

Este artigo foi escrito por Mike Anderson, CTO/Cientista Chefe, The PTR Group (Ashburn, VA). Para mais informações, clique aqui.