ZigBee nedir? - Ayhan KARGIN

Öğrenciler:
Proje gr
04011083
05011050
Güyçgeldi ATAYEV
Okan ARSLAN
:2
ZigBee
ZigBee nedir?
Küçük ve düşük güçlü radyolar için protokollerin özelleştirilmesidir. Bir başka tür
teknoloji imkânı açısından, ultra-düşük maliyetli ve ultra-düşük güç tüketimli iletişim
altyapısı olarak IEEE 802.15.4, uzun pil ömrüne imkân tanıyan fakat dolayısıyla düşük veri
hızları sunan bir standarttır. 10 Kbps ile 250 Kbps arasında veri hızlarını destekleyen,
ZigBee® olarak da isimlendirilen 802.15.4 teknolojisi, “piconet” ağlarının geleceği açısından
önemli bir altyapıdır.
Tarihçesi
Mayıs 2003: IEEE 802.15.4 tarafından tamamlandı
Aralık 2004: ZigBee özelliği onaylandı.
Haziran 2005: Kullanıma sunuldu.
Zigbee’nin tanıtımı
IEEE 802.15.4 standardı çoklu ağ topolojisine sahiptir. Bu ağ topolojileri yıldız bağlantı
ve noktadan noktaya bağlantı şekillerini içermektedir. Şekil 1 ZigBee’nin ağ bağlantı
biçimlerini göstermektedir.
Güvenilir olması, düşük maliyeti ve enerji tasarrufu gibi avantajları göz önüne
alındığımızda ZigBee, PC girdi aygıtları gibi sensör ve yönetim ürünlerinin kablosuz
bağlantıları için kullanılabilmektedir. ZigBee, kablosuz iletişim kanallarının otomatik olarak
aranmasına ve çok sayıda kablosuz ağın bir arada var olmasına imkân tanımaktadır.
ZigBee teknolojisi ürünleri, dünya çapında kullanıma açık olan 2,4 GHz frekans
bandını kullanmaktadır. Buna ek olarak, Amerika kıtasında 915 MHz ve Avrupa’da 868
MHz de kullanılabilmektedir. 2,4 GHz frekansında on kanal ile 250 kbps, 915 MHz
frekansında altı kanal ile 40 kbps ve 868 MHz frekansında bir kanal ile 20 kbps hızlarına
erişilebilmektedir. Ürünlerin erişim mesafesi iletim gücü ve çevre etkilerine bağlı olarak 10
ile 75 metre arasında değişmektedir.
Dosyaların akışına bağlı olarak ZigBee aygıtları derin uykuya dalarak enerji
tasarrufu sağlamaktadır. Bu sayede saatler süren uyku devreleriyle birlikte bataryanın
kullanım süresi, ideal bağlantı tekniği ile birlikte aylarca (hatta 1 yıla kadar)
dayanabilmektedir.
Kablosuz Ağlar ve ZigBee
Kablosuz ağlar kurmak için kullanılan ana standart IEEE 802.11 dir. IEEE 802.11
ilk olarak 1999’da yayınlaşmıştır ve 2.4 Ghz de 2Mbps(DSL bağlantı gibi) hızında veri
iletişimi için tasarlanmıştır. Ayrıca Frequency Hopping Spread Spectrum (FHSS) veya Direct
Sequence Spread Spectrum (DSSS) kullanılmak üzere tasarlanmıştır.
DSSS’ nin anlamı; belirlenmiş menzil içinde herhangi bir zamanda kullanılmak
üzere, verinin uygun değişik frekanslarda küçük paketler halinde yollanılmasıdır.
FHSS de ise veri, değişik frekanslarda kısa ama iri paketler şeklinde tekrarlanan bir
biçimde yollanır. FHSS ağlar, diğerleri ile karışmayan aynı fiziksel alanlar için vardır.
915 ve 868 MHz’lik bantlar 2’li faz kaydırmalı anahtarlama kullanırken 2.4 GHz’lik
bant Q-QPSK(Ofset Karesel Faz Kaydırmalı Anahtarlama) kullanılır. Bu frekanslar çok fazla
kalabalık ve gürültülü olduğu için ZigBee, en kötü çevresel durumlarda bile güvenilir bir
iletim yaptığından emin olmak için CCA(Temiz Kanal Değerlendirmesi), QARED(Kalite
Değerlendirmesi ve Alıcı Enerji Algılaması) gibi özelliklerini kullanır. ZigBee güvenlik için
Erişim Kontrol Listeleri (ACL), Paket Tazeleyici (PFT) ve gelişmiş şifreleme standardı tabanlı
128-bit şifreleme ile verinin korunmasına yardımcı olur.
Zigbee’nin diğer kablosuzlardan farkı
ZigBee'nin amacı sık kullanılmayan ama uzaktan kullanımı da gerekebilen cihazlara
ya da nokta algılayıcılara bir kablosuz ağ protokolü sunmak. Bu konudaki en tanınmış
rakibi aslında Bluetooth fakat onla aynı pazara hitap etmediklerinden ancak 1/6 hızında ve
kapsama alanı bluetooth dan daha fazla. Farkı ise inanılmaz az enerji harcaması ve büyük
olasılıkla tekrar şarj edilmeyecek piller ile kullanılacak olması. ZigBee'nin kullanım alanı o
kadar çok ki bunlar ev aygıtlarından, arabaların çeşitli parçalarına kadar bir çok yer
olabilir. Sonuçta size bilgi gelmesini isteyeceğiniz her nokta ZigBee için uygun bir sistem
ayrıca kablosuz ve ucuz olduğundan kablolama maliyetlerini de düşürebilir. Hatta bazı
versiyonları kendi enerjilerini üretecek şekilde bile tasarlanabilir.
İncelediğimizde ZigBee 802.15.4 standardının veri yoğunluğu bakımından biraz zayıf
kaldığı görülebilir. Ancak topoloji (yapı), range (menzil) ve güç bakımından üstünlük
sağlamaktadır. Ayrıca düğüm sayısı diğerlerinin düğüm sayısından çok çok fazladır ve bu
özelliği ile kablosuz ağ alanında bir çok uygulama alanında kullanılabileceği konusunda
kendini kanıtlamıştır.
Zigbee Ağ Yapıları
1.Yıldız Ağ Yapısı
Yıldız ağ yapısı haberleşmesi tek bir merkez birim ile uç birimler arasında
gerçekleşmektedir. Bu merkez birim üzerindeki yazılımlar ile network üzerinde haberleşmeyi
başlatma, yönlendirme veya durdurma görevlerini tek başına üstlenir. Sistemdeki tüm
birimler 64 bit adresleme ile ayrıştırılırlar.
2.Noktadan Noktaya Ağ Yapısı
Bu yapının yıldız ağ yapısından farkı, tüm birimlerin birbirleri ile kapsama alanı
dahilinde haberleşebilmeleridir. Endüstriyel otomasyon ve izleme, kablosuz sensörler, akıllı
tarım ve güvenlik bu tip ağ yapılarının kullanıldığı belli başlı alanlardır.
Şekil 1. (a) Yıldız (b) Noktadan-noktaya bağlantılı ağlar (PAN, Düzenek, Haberleşme yönü)
ZigBee Katmanları
1.Fiziksel Katman (PHY)
Radyo alıcı-vericileri için aktivasyon ve deaktivasyon, enerji taraması, bağlantı kalite
ölçümü, kanal seçme, temiz kanal değerlendirmesi ve paketlerin MAC ile iletişimi bu
katmanda gerçekleşir. Fiziksel katmandaki half dublex alıcı-vericiler 868Mhz, 915Mhz ve
2,4 Ghz frekanslarda çalışır.
2.Ortam Erişim Kontrol Katmanı (MAC)
MAC, işaretci (kablosuz ağlarda istemcilerin dinlemeye geçmesi için gönderilen uyarı
işareti)yönetimi, kanal erişimi, frame güncellemesi ve PAN (kişisel alan ağı) koordinatörü ile
ilişkilendirme fonksiyonlarının gerçekleştiği katmandır. Bu katman 2 düğüm arasında
güvenilir haberleşme sağlar, data şifrelenmesi, ulaşım kontrolü bu katmanda yapılır.
MAC'in ana görevlerinden birisi iletimden önce kanalın ne zaman temiz hale geleceğini
gözetlemektir. Bu CSMA-CA (Carrier sense multiple access-Collision Avoidance) olarakta
bilinir. Bunlardan başka MAC daha verimli bir haberleşme için, işaretleri ve
senkronizasyonu sağlar ve verileri iletim işlemi için frame haline sokar, yada gelen frameleri
açarak hata kontrolü yapar.
3.Ağ Katmanı(NWK)
Zigbee standardında bahsedilen çoğu avantaj bu katman üzerinde gerçekleştirilen
uygulamalarile anlam kazanır. Bu katman için oluşturulacak uygulama yazılımıyla hem
ağın parametreleri oluşturulur hem de rotalandırma algoritması tasarlanır. Zigbee NWK
dizaynı gömülü ağ sistemleri için düşük maliyet ve düşük güç tüketimi demektir. Burada
bahsedilen düşük maliyet, cihaz için küçük bellek alanı (ve fiziksel boyut), düşük güç ise
uzun pil ömrü anlamında değer kazanır.
4.Uygulama Katmanı (APS)
Ağ katmanına arayüzlük yapar; yani genel fonksiyonların kurulum servisidir. Veri
iletimi, ciltlenmesi ve güvenlik yönetimi işlevlerini yerine getirir. Ağda çalışan farklı
uygulamaların mesajlarını korur ve yönlendirir. Ağ hakkındaki bilgileri düzenler. Zigbee
ürünlerinin içinde APS katmanını çağıran bir fonksiyon mutlaka bulunmalıdır.
5.ZigBee Cihaz Nesnesi
ZDO (ZigBee Defined Objects) cihazların idaresinden, güvenlik anahtarlarından
sorumludur. Aynı zamanda ZDO ağdaki cihazları ve onların sunduğu servisleri keşfeder.
ZDO tüm düğümlerde bulunan özel bir uygulama gibidir. Her birinin ZigBee Cihaz Profili
denen bir profili vardır buna tüm düğümler erişebilir ve bu profil cihaz keşfi vb. durumlar
için servisleri içerir.
Zigbee Güvenlik
Zigbee’nin Sunduğu Güvenlik Hizmetleri
1. Zigbee yenilik (freshness) sağlıyor.
o Yeniliği kontrol etmek tekrarlama saldırısından önleyebilir.
o Zigbee incomimig ve outgoing freshness counteri sağlıyor.
o Sayaç yeni anahtar oluştuğunda reset ediliyor.
2. Zigbee bütünlüğü sağlıyor.
o Saldırganın mesajı değiştirmesini önlüyor.
o Bütünlük seçeneği 0,32,64,128 bit
o Default 64 bit
o Bütünlük seçeneği mesaj protection ve mesaj overhead arasındaki tradeoff u
sağlıyor.
3.Zigbee asıllamayı sağlıyor.
o Asıllama doğru kişiye erişilip erişilmediğini sınıyor.
o Saldırgan aygıtları başka aygıtmış gibi göstermesini önlüyor.
o Asıllama ağ düzeyinde ve aygıt seviyesinde mümkündür.
o Ağ seviyesindeki asıllama ortak Ağ Anahtarı kullanarak sağlanıyor.
o Aygıt seviyesindeki asıllama aygıtlar arsındaki tek Bağlantı Anahtarını
kullanarak sağlanıyor.
4. Zigbee Encryption i sağlıyor.
o Saldırganın araya girip dinlemesini önlüyor.
o Zigbee 128 bit AES encryption kullanıyor.
5. Encryption protection ağ seviyesinde ve aygıt seviyesinde sağlanabiliyor.
o Ağ seviyesindeki şifreleme ortak ağ anahtarı kullanılıyor. Bu çok az memory
kullanarak saldırgandan önlüyor.
o Aygıt seviyesindeki şifreleme ortak bağlantı anahtarı kullanıyor.
ZigBee İletişimi
868/915 MHz’lik band basit DSSS(Direk Kaynak Yayılım Spektrumu) yaklaşımını
kullanmaktadır. İkili data +1 ve –1’lerden oluşan PN ile çarpılarak kodlanır. Kodlanan data
BPSK(İkili Faz Kaydırmalı Anahtarlama) ile modüle edilerek gönderilir. 2.4 GHz’lik band 16seviyeli ortogonal modülasyon tekniğini kullanır. İkili data dizisi 4-bitlik semboller halinde
gruplanır. Her bir sembol 16 farklı ortogonal 32-chip kümesinden biriyle gönderilir. Data
sembollerine karşılık gelen 32-bit uzunluklu PN dizileri Tablo 2’de verilmiştir. Tablo 2’de
ZigBee için kullanılan her biri 32 bitten oluşan 16 PN dizisi görülmektedir. Dikkat edilirse
aslında birbirinden farklı sadece 2 tane 32 bitlik PN dizisi vardır. Diğer diziler bu dizilerin
her seferinde 4 bit kaydırılmasından elde edilmiştir. Birinci PN dizisi kaydırılarak ilk 8,
ikinci PN dizisi kaydırılarak da diğer 8 PN dizisi oluşturulur. Öz ilişki fonksiyonları sadece
bir tepe veren ve diğer bölgelerde sıfıra yakın olan bu PN dizileri kullanılarak oluşturulan 16
dizinin çapraz ilişki fonksiyonu da sıfıra yakın çıkar ve diziler yaklaşık dikgen olur.
Tablo 2. Data sembollerine karşılık gelen birbirine yaklaşık dikgen PN dizileri [3].
Alıcı taraftaki chip/sembol dönüşümünde PN’lerin korelâsyonu sonucu en yüksek
değeri veren PN seçilmek suretiyle buna karşılık gelen sembol tespit edilir. Burada
kullanılan modülasyon biçimi ise yarım dalga sinüs biçimine sahip Offset-QPSK (Ofset
Karesel Faz Kaydırmalı Anahtarlama) yapısıdır. 2.4 GHz için ZigBee’nin alıcı-verici bloğu
Şekil 2’de gösterilmiştir. Yapılan benzetim çalışmasında ZigBee standardının sadece 2.4 GHz
frekans bandı göz önüne alınmıştır.
ZigBee’de Veri Transferini Başarılı Yapmak İçin Kullanılan Yöntemler
Zigbee de veri transferini başarılı şekilde yapabilmek için kullanılan 3 yöntem vardır.
Bu yöntemler:
1.CSMA-CA Mekanizması: Cihaz veri transferine başlamadan önce rastgele belirlenen bir
süre bekler. Bu süre içerisinde veri transferi yapılacak olan kanal boş ise veri kanala
bırakılır. Dolu olması durumunda cihaz farklı bir rastgele süre daha bekler ve kanalın boş
olmasından sonra işlemini gerçekleştirir. Bu aynı kanalda aynı anda birden fazla veri
olmasını engelleyen bir yapıdır.
2.Veri Tasdiği: Bu mekanizmada ise gönderici taraf alıcı taraftan veri geldi onayı
beklemektedir. Alıcı taraftan bu şekilde onay alınmadığı takdirde o gönderimin başarısız
olduğu kabul edilerek yeni bir gönderim denenir. Bu şekilde veri güvenliği sağlanmaya
çalışılmaktadır. Gönderim denemeleri belirli bir sayı sonra başarısız olursa, gönderici taraf
bağlantıyı sonlandırır veya tekrar dener.
3.Veri Doğrulaması: Bu mekanizmada ise her bir veri katarındaki hataların tespiti için ITU
standardındaki 16 bitlik CRC( Cyclic Redundancy Check) algoritması kullanılmalı.
Sonuç
Sonuç olarak IEEE 802.15.4 (ZigBee) standardı Bluetooth sistemine bir alternatif
olarak ortaya atılmamış tam tersine yetersiz kaldığı noktaları gidermek ve kullanım
mesafesini artırmak için tasarlanmıştır. ZigBee standardının getirdiği düşük güç ve nispeten
daha uzak mesafe erişimi, kablosuz audio uygulamaları için oldukça cazip bir seçenektir.
Ancak, gürültüye karşı daha dayanıklı olması nedeniyle bina içi haberleşmesi ve endüstriyel
kontrolün birleştiği alan ZigBee’nin en önemli uygulama alanı olacağı görülmektedir.
Değişik kanallarda elde edilen başarım eğrileri kodlama teknikleri kullanılarak, kodlama
kazancından faydalanmak suretiyle daha iyi sonuçlar elde edilebilir.
KAYNAKLAR
www.emo.org.tr/resimler/ekler/861a1acaebb1618_ek.pdf
www.gyte.edu.tr/Dosya/104/ders/BIL472/BIL472Notlar1-3.pdf
http://www.ursi.org.tr/2004_kongre/BU46.PDF
http://www.donanimhaber.com/ZigBee_ile_tum_cihazlara_kontrol_algilama%20_kontrol_im
kani-3413.htm
http://www.ursi.org.tr/2004_kongre/BU46.pdf
http://cenkatlig.trakya.edu.tr/BilgAglari/Muhendislik/2007BaharProjeleri/ZigBee/Fatih_Urhan_-_ZigBee_Teknolojisi.doc
http://www3.itu.edu.tr/~orencik/ZigbeeStandardindaGuvenlik.doc
http://www.korwin.net/eng/infor/info_zb_01.asp
http://www.i4u.com/article2561.html