Hiện nay Zigbee và tổ chức chuẩn IEEE đó đưa ra mộ ốt s cấu trỳc liờn k t ế mạng cho cụng nghệ Zigbee. Cỏc node mạng trong một mạng Zigbee cú thể liờn k t ế với nhau theo cấu trỳc mạng hỡnh sao (star) cấu trỳc mạng hỡnh lưới( Mesh) cấu trỳc bú cụm hỡnh cõy. Sự đ a dạng về cấu trỳc m ng này cho phộp cụng ngh Zigbee ạ ệ được ứng d ng m t cỏch r ng rói. ụ ộ ộ
2.2.3.2. Tầng vật lý (PHY):
Cung cấp hai dịch vụ là dịch vụ dữ ệ li u PHY và d ch v qu n lý PHY, hai ị ụ ả dịch vụ này cú giao diện với dịch vụ quản lý tầng vật lý PLME (physical layer
42
management). Dịch vụ dữ ệ li u PHY i u khi n vi c thu và phỏt c a kh i d li u đ ề ể ệ ủ ố ữ ệ PPDU (PHY protocol data unit) thụng qua kờnh súng vụ tuyến vật lý. Cỏc tớnh năng của tầng PHY là sự kớch hoạt hoặc giảm kớch hoạt của bộ phận nhận súng, phỏt hi n ệ năng lượng, chọn kờnh, chỉ số đường truy n, gi i phúng kờnh truy n, thu và phỏt ề ả ề cỏc gúi dữ liệu qua mụi trường truyền. Chu n IEEE 802.15.4 định nghĩa ba dải tần ẩ số khỏc nhau theo khuyến nghị ủ c a Chõu Âu, Nh t Bản, Mỹ. ậ
Hỡnh 2.6: Dải tần số theo IEEE 802.15.4
Chuẩn IEEE 802.15.4 định nghĩa ba dải tần số khỏc nhau theo khuyến nghị của Chõu Âu, Nhật Bản, Mỹ
Bảng 2.2: Dải tần số vụ tuyến theo chuẩn IEEE 802.15.4 PHY (MHz) Băng tần (MHz) Tốc độ chip (kchips/s) Đ ềi u ch ế T c ố độ bit (kb/s) Tốc độ ký tự (ksymbol/s) Ký tự 868 868-868.6 300 BPSK 20 20 Nhị phõn 915 902-928 600 BPSK 40 40 Nhị phõn 2450 2400-2486.5 2000 O-QPSK 250 62.5 Hệ 16
43
Cú tất cả 27 kờnh truyền trờn cỏc dải tần số khỏc nhau được mụ tả như bảng dưới đõy Tần số trung Tõm (MHz) Số lượng kờnh (N) Kờnh Tần số kờnh trung tõm (MHz) 868 1 0 868.3 915 10 1 – 10 906+2(k-1) 2450 16 11 – 26 2405+5(k-11)
Bảng 2.3: Cỏc kờnh truyền d n vụ tuy n theo chuẩn IEEE 802.15.4 ẫ ế Cỏc thụng số ỹ k thuật trong tầng v t lý c a IEEE 802.15.4 ậ ủ
Chỉ số ED (energy detection)
Chỉ số ED o đạc được b i b thu ED. Ch sốđ ở ộ ỉ này s được t ng m ng s dụẽ ầ ạ ử ng nh ư là một bước trong thuật toỏn chọn kờnh. ED là kết quả của s ướ ượự c l ng cụng su t ấ năng lượng của tớn hiệu nhận được trong băng thụng của kờnh trong IEEE 802.15.4. Nú khụng cú vai trũ trong việc giải mó hay nhận dạng tớn hiệu truyền trong kờnh này. Thời gian phỏt hi n và xệ ửlý ED tương đương khoảng thời gian 8 symbol. Kết quả phỏt hiện n ng lượng sẽ được thụng bỏo bằng 8 bit số nguyờn trong khoảng từ ă 0x00 tới 0xff. Giỏ trị nhỏ nhất của ED (=0) khi mà cụng suất nhận được ớt hơn mức +10dB so với lý thuyết. Độ lớn c a kho ng cụng suất nhận được để hi n thủ ả ể ị chỉ số ED tối thiểu là 40dB và sai số là ± 6dB.
Chỉ số chất lượng đường truyền (LQI)
Chỉ số ch t lượng đường truy n LQI là đặc tr ng ch t lượng gúi tin nh n được. S ấ ề ư ấ ậ ố đo này cú th bổể sung vào ED thu được, ỏnh giỏ tỷ sốđ tớn trờn t p SNR, ho c m t ạ ặ ộ sự kết h p c a nh ng phương phỏp này. Giỏ tr kếợ ủ ữ ị t qu LQI được giao cho tầng ả mạng và tầng ứng dụng xử lý.
Chỉ số đ ỏnh giỏ kờnh truyền (CCA)
44
Cú ba phương phỏp để thực hiện việc kiểm tra này:
- CCA 1 : “Năng lượng v t ngưỡng”. CCA s thụng bỏo kờnh truy n b n trong khi ượ ẽ ề ậ dũ ra bất kỳ ă n ng lượng nào vượt ngưỡng ED.
- CCA 2 : “Cảm bi n súng mang”. CCA thụng bỏo kờnh truy n b n ch khi nh n ra ế ề ậ ỉ ậ tớn hiệu cú đặc tớnh trải phổ và i u ch c a IEEE802.15.4. Tớn hiệu này cú thể thấp đ ề ế ủ hoặc cao hơn ngưỡng ED.
- CCA 3 : “Cảm bi n súng mang k t hợế ế p v i n ng lượớ ă ng v t ngưỡng”. CCA sẽ ựơ bỏo kờnh truyền bận chỉ khi dũ ra tớn hiệu cú đặc tớnh trải ph và i u ch c a IEEE ổ đ ề ế ủ 802.15.4 với năng lượng vượt ngưỡng ED.
Định dạng khung tin PPDU.
Mỗi khung tin PPDU bao gồm cỏc trường thụng tin.
SHR (synchronization header) : đồng bộ thiết bị thu và chốt chuỗi bit PHR (PHY header): chứa thụng tin độ dài khung
PHY payload: chứa khung tin của tầng MAC
Octets: 4 1 1 Variable Đầu khung SFD (bắt đầu phõn định khung) Độ dài khung (7 bits) Phần giành riờng (1 bit) PSDU SHR PHR PHY payload Hỡnh 2.7: Khung tin PPDU
2.2.3.3. Tầng MAC
Tầng đ ều khiển truy cập mụi trường MAC (media access control) cung cấp i 2 dịch v là dịch vụ dữ ệụ li u MAC và qu n lý MAC, nú cú giao diệả n v i iểm truy ớ đ cập dịch vụ ủa thực thể quản lý tầng MAC (MLMESAP). Dịch vụ dữ ệc li u MAC cú nhiệm vụ quản lý việc thu phỏt của khối MPDU (giao thức dữ liệu MAC) thụng qua
45
dịch vụ dữ liệu PHY.
Nhiệm vụ của t ng MAC là qu n lý vi c phỏt thụng tin bỏo hi u beacon, ầ ả ệ ệ định dạng khung tin để truy n i trong m ng, i u khi n truy nh p kờnh, qu n lý ề đ ạ đ ề ể ậ ả khe thời gian GTS, đ ềi u khiển kết nối và giải phúng kết nối, phỏt khung Ack.
Cấu trỳc siờu khung.
LR-WPAN cho phộp sử dụng theo nhu c u c u trỳc siờu khung. Định d ng ầ ấ ạ c aủ siờu khung được định rừ bởi PAN coordinator. Mỗ i siờu khung được giới hạn bởi từng ạng và được chia thành 16 khe như nhau. Cột mốm c bỏo hi u dũ đường ệ beacon đượ ửi đi trong khe đầu tiờn của mỗi siờu khung. Nếu một PAN c g coordinator khụng muốn sử dụng siờu khung thỡ nú ph i d ng vi c phỏt mốc ả ừ ệ beacon. Mốc này cú nhiệm đồng b cỏc thi t b ớnh kốm, nh n d ng PAN và ch a ộ ế ị đ ậ ạ ứ nội dung mụ tả cấu trỳc c a siờu khung. Siờu khung cú 2 phầủ n “ho t động” và ạ “nghỉ”. Trong trạng thỏi “nghỉ” thỡ PAN coordinator khụng giao tiếp với cỏc thiế ịt b trong mạng PAN, và làm việ ởc mode cụng suất thấp. Phần “hoạt động” gồm 2 giai đ ạo n: giai o n tranh ch p truy c p (CAP) và giai o n tranh ch p t do (CFP), giai đ ạ ấ ậ đ ạ ấ ự đ ạo n tranh chấp trong mạng chớnh là khoảng thời gian tranh chấp giữa cỏc trạm để cú cơ hội dựng m t kờnh truy n ho c tài nguyờn trờn m ng). Bấộ ề ặ ạ t k thi t bị nào ỳ ế muốn liờn lạc trong thời gian CAP đều phải cạnh tranh với cỏc thi t bị khỏc bằng ế cỏch sử dụng k thu t CSMA-CA. Ngược l i CFD gồm cú cỏc GTSs, cỏc khe thời ỹ ậ ạ gian GTS này thường xuất hiệ ởn cuối của siờu khung tớch cực mà siờu khung này được bắt đầu khe sỏt ngay sau CAP. PAN coordinator cú th định v được b y ở ể ị ả trong số cỏc GTSs, và mỗi một GTS chiếm nhiều h n mơ ột khe thời gian.
Thuật toỏn trỏnh xung đột đa truy cập sử dụng c m bi n súng mang CSMA-ả ế CA.
CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access-Collision Avoidance). Phương phỏp trỏnh xung đột đa truy cập nh vào c m bi n súng. Th c ch t õy là phương ờ ả ế ự ấ đ phỏp truy cập mạng dựng cho chuẩn mạng khụng dõy IEEE 802.15.4. Cỏc thiết bị trong mạng (cỏc nỳt mạng) s liờn t c l ng nghe tớn hi u thụng bỏo trước khi truy n. ẽ ụ ắ ệ ề
46
Đa truy c p (multiple access) chỉậ ra r ng nhi u thi t b cú th cựng kết nối và chia ằ ề ế ị ể sẻ tài nguyờn của một mạng (ở đõy là mạng khụng dõy). Tất cả cỏc thiết bi đều cú quyền truy cập như nhau khi đường truyền rỗi. Ngay cả khi thiết bị tỡm cỏch nh n ậ biết mạng đang sử dụng hay khụng, v n cú kh năng là cú hai trạm tỡm cỏch truy ẫ ả cập mạng đồng thời. Trờn cỏc mạng lớn, thời gian truyền từ đầu này đến đầu kia là đủ để một tr m cú th truy c p đến kờnh truy n ú ngay c khi cú m t tr m khỏc ạ ể ậ ề đ ả ộ ạ vừa truy cập đến. Giao thức CSMA/CA trỏnh khả ă n ng xung đột gữa cỏc tr m dựng ạ chung đường truyền (súng vụ tuyến) bằng cỏch sử dụng random back off time (khoảng thời gian bất k ph i đợi trước khi cú th giành quy n s dụng đường ỳ ả ể ề ử truyền) n u b cảế ộ m bi n v t lý hay logic củế ậ a tr m phỏt hiệạ n đường truy n b n. ề ậ Khoảng thời gian ngay sau khi đường truyền bận là khoảng thời gian dễ xảy ra xung đột nhất, đặc bi t là trong mụi trườệ ng cú nhiều ng i sử dụườ ng. T i th i i m này, ạ ờ đ ể cỏc trạm phải đợi cho đường truyền rảnh và sẽ cố truyền d li u t i cựng m t th i ữ ệ ạ ộ ờ đ ểi m. M t khi đường truy n r nh, random back of time s trỡ hoón vi c truyền dữ ộ ề ả ẽ ệ liệu của trạm, hạn chế tối đa khả năng xảy ra xung đột giữa cỏc trạm.
2.2.3.4. Tầng mạng. Dịch vụ mạng
Tầng vật lý trong mụ hỡnh của giao thức ZigBee được xõy d ng trờn n n c a ự ề ủ tầng đ ề khiển dữ liệu, nhờ những đặc đ ểm của tầng MAC mà tầng vật lý cú thểi u i kộo dài việc đưa tin, cú thể mở rộng được qui mụ mạng d dàng, m t m ng cú th ễ ộ ạ ể hoạt động cựng cỏc mạng khỏc hoặc riờng biệt. T ng v t lý ph i đảm nh n cỏc ch c ầ ậ ả ậ ứ năng như là:
Thiết lập một mạng mới.
Tham gia làm thành viờn của một mạng ang hoạđ t hoặc là tỏch ra kh i mỏ ạng khi đang là thành viờn của một mạng nào đú.
Cấu hỡnh thiết bị mới nh hệư th ng yờu c u, gỏn địa ch cho thiết bị mới ố ầ ỉ tham gia vào mạng.
47
chấp, nú thực hiện đồng bộ húa này bằng gúi tin thụng bỏo beacon.
Bảo mật: gỏn cỏc thụng tin bảo mật vào gúi tin và gửi xuống tầng dưới Định tuyến, giỳp gúi tin cú th đến được ỳng ớch mong mu n. Cú th núi ể đ đ ố ể rằng thuật toỏn của ZigBee là thuật toỏn định tuyến phõn cấp sử dụng b ng định ả tuyến phõn cấp tố ưi u được ỏp d ng t ng trường h p thớch h p ụ ừ ợ ợ
Dịch vụ bảo m t ậ
Khi khung tin tầng MAC cần được bảo mật, thỡ ZigBee sử dụng d ch v bảo ị ụ m t cậ ủa tầng MAC để bảo v cỏc khung l nh MAC, cỏc thụng tin bỏo hiệu beacon, ệ ệ và cỏc khung tin xỏc nhận Ack. Đối với cỏc bản tin chỉ phải chuyển qua một bước nhảy đơ tức là truyền, n tr c ti p t nỳt m ng này đến nỳt m ng lõn c n c a nú, thỡ ự ế ừ ạ ạ ậ ủ ZigBee chỉ cần s dụử ng khung tin b o mật MAC để mó húa bảo vệ thụng tin. ả Nhưng đối với cỏc bản tin ph i chuyển giỏn tiếp qua nhiều nỳt mạng mới tới được ả đớch thỡ nú c n ph i nh vào t ng m ng để làm cụng vi c b o mậầ ả ờ ầ ạ ệ ả t này. T ng i u ầ đ ề khiển dữ liệu MAC sử dụng thu t toỏn AES (chu n mó húa cao c p). Núi chung thỡ ậ ẩ ấ tầng MAC là một quỏ trỡnh mó húa, nhưng cụng việc thiết lập cỏc khúa key, chỉ ra mức độ bảo m t, và đ ềậ i u khiển quỏ trỡnh mó húa thỡ lại thuộc về cỏc t ng trờn. Khi ầ tầng MAC phỏt hoặc nhận một khung tin nào đú được bảo mật, đầu tiờn nú sẽ kiểm tra địa chỉ đ ớch hoặc nguồn của khung tin đú, tỡm ra khúa kết hợp với địa chỉ đ ớch hoặc địa chỉ nguồn, sau đú sử dụng khúa này để xử lý khung tin theo qui trỡnh bảo mật mà cỏi khúa đú qui định. Mỗi khúa key được kế ợt h p với một qui trỡnh b o mật ả đơn lẻ Ở. u mỗđầ i khung tin c a MAC luụn cú 1 bit để ch rừ khung tin này cú được ủ ỉ bảo mật hay khụng. Khi phỏt một khung tin, mà khung tin này yờu cầu cần được bảo toàn nguyờn ẹn. Khi đú phần đầu khung và phần tải trọng khung MAC sẽ tớnh v toỏn cõn nhắc để tạo ra một trường mó húa tin nguyờn v n (MIC- Message ẹ Integrity) phự hợp, MIC gồm kho ng 4, 8 hoặc 16 octets. MIC sẽ được gỏn thờm ả vào bờn phải phần tải trọng của MAC.
Khi khung tin phỏt đ đi ũi hỏi phải cú độ tin cậy cao, thỡ biện phỏp được sử dụng để mó húa thụng tin là số chuỗi và số khung sẽ được gỏn thờm vào bờn trỏi
48
phần tải tr ng khung tin MAC. Trong khi nhận gúi tin, nếu phỏt hiện thấy MIC thỡ ọ lập tức nú sẽ ể ki m tra xem khung tin nào bị mó húa để giải mó. Cứ mỗi khi cú m t ộ bản tin gửi đi thỡ thiết bị phỏt sẽ tăng s đếm khung lờn và thi t b nh n s theo dừi ố ế ị ậ ẽ căn cứ vào số này. Nhờ vậy n u nh cú mộ ảế ư t b n tin nào cú s đếm khung tin ó b ố đ ị nhận dạng một lần thỡ thiế ị nhận sẽ bậ ờt b t c bỏo l i b o mậỗ ả t. B mó húa c a t ng ộ ủ ầ MAC dựa trờn ba trạng thỏi của hệ thống.
- Để bảo đảm tớnh nguyờn v n: Mó húa s d ng AES v i b đếm CTR ẹ ử ụ ớ ộ
- Để bảo đảm tớnh tinh c y : Mó húa s d ng AES v i chuỗậ ử ụ ớ i kh i mó CBC-MAC ố - Để đảm bảo tớnh tin c y cũng nhưậ nguyờn v n củẹ a b n tin thỡ kế ợả t h p c hai trạng ả thỏi CTR và CBC-MAC trờn thành trạng thỏi CCM.
Tầng mạng cũng sử dụng chu n mó húa AES. Tuy nhiờn khỏc v i t ng i u ẩ ớ ầ đ ề khiển dữ liệu MAC, bộ mó húa của tầng mạng làm việc dựa trờn trạng thỏi CCM* c a hủ ệ thống. Trạng thỏi này thực chất là sự cải biờn t CCM c a t ng MAC, nú ừ ủ ầ thờm vào chuẩn mó húa này cỏc chức năng là chỉ mó húa tớnh tin cậy và chỉ mó húa tớnh nguyờn vẹn. Sử dụng CCM* giỳp làm đơn gi n húa quỏ trỡnh mó húa d li u ả ữ ệ của tầng mạng, cỏc chuỗi mó húa này cú thể dựng lại khúa key của chuỗi mó húa khỏc. Như ậ v y thỡ khúa key này khụng hoàn toàn cũn là ranh giới của cỏc chuỗi mó húa nữa. Khi tầng m ng phỏt hoặc nhận một gúi tin được mó húa theo qui ước bởi ạ nhà cung cấp dịch vụ, nú sẽ kiểm tra địa chỉ ngu n hoồ ặc đớch của khung tin để tỡm ra khúa key liờn quan tới địa chỉ đú, sau đú sẽ ỏp dụng bộ mó húa này giải mó hoặc mó húa cho khung tin. Tương tự như quỏ trỡnh mó húa tầng MAC, việ đ ềc i u khiển quỏ trỡnh mó húa này được thực hiện bởi cỏc tầng cao hơn, cỏc số đếm khung và MIC cũng được thờm vào để mó húa khung tin.
Định tuyến
Trong ZigBee/ IEEE802.15.4 sử dụng thu t toỏn ch n đường cú phõn c p ậ ọ ấ nhờ xột cỏc phương ỏn tối ưu. Khởi đ ểi m của thuật toỏn định tuyến này chớnh là thuật toỏn miền cụng cộng ó được nghiờn cứu rất kỹ cú tờn là AODV (Ad hoc On đ
49
Demand Distance Vector) dựng cho những mạng cú tớnh chất tự tổ ch c và thuật ứ toỏn hỡnh cõy của Motorola.
AODV đơn thuần chỉ là thuật toỏn tỡm đường theo yờu cầu trong m ng ad ạ hoc (một mạng tự tổ ch c). Cú th hi u nh sau, nh ng nỳt trong m ng n u khụng ứ ể ể ư ữ ạ ế nằm trong tuyến đường truyền tin thỡ khụng duy trỡ thụng tin nào về tuyến đường truyền và c ng khụng tham gia vào quỏ trỡnh định tuy n theo chu k . Núi k hơn ũ ế ỳ ỹ nữa, một nỳt mạng khụng cú ch c n ng t định tuyếứ ă ự n và l u tr tuy n đường túi ư ữ ế một nỳt mạng khỏc cho đến khi c hai nỳt m ng trờn liờn lạả ạ c v i nhau, tr trường ớ ừ hợp những nỳt mạng cũ đề nghị dịch v nh là m t tr m chuy n ti p để gi liờn l c ụ ư ộ ạ ể ế ữ ạ giữa hai nỳt mạng khỏc.
Mục đớch đầu tiờn của thuật toỏn là chỉ phỏt quảng bỏ cỏc gúi tin dũ đường