Aufbau zuverlässiger IoT-Netzwerke mit IEEE 802.15.4 und 6LoWPAN

Das industrielle Internet der Dinge basiert auf großen, verteilten Sensor-/Steuerungsnetzwerken, die über Monate bis Jahre unbeaufsichtigt laufen können und dabei einen sehr geringen Stromverbrauch haben. Das charakteristische Verhalten dieses Netzwerktyps beinhaltet sehr kurze Nachrichtenverkehrsstöße über kurze Entfernungen unter Verwendung drahtloser Technologien, die häufig als drahtloses persönliches Netzwerk mit niedriger Rate (LR-WPAN) bezeichnet werden. Wir halten die Datenrahmen kurz, um die Möglichkeit von Funkstörungen zu verringern, die eine erneute Übertragung erforderlich machen. Ein solcher LR-WPAN-Ansatz verwendet den IEEE 802.15.4-Standard. Dies beschreibt eine physikalische Schicht und Medienzugriffskontrolle, die häufig in industriellen Steuerungs- und Automatisierungsanwendungen verwendet werden, die als Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA) bezeichnet werden.

Abbildung 1. IEEE 802.15.4-Frameformat

Im IoT sammeln lokale „Edge“-Geräte, typischerweise Sensoren, Daten und senden sie zur Verarbeitung an ein Rechenzentrum – die „Cloud“. Um die Daten in die Cloud zu übertragen, ist die Kommunikation über den Standard-IP-Protokollstapel erforderlich. Dies kann durch eine direkte Anbindung der Edge-Geräte über das Internet an die Rechenzentren erfolgen – das „Cloud-Modell“. Oder wir können von den Edge-Geräten mit einem Sammelpunkt kommunizieren, der als Border Gateway bezeichnet wird, um die Daten von dort an das Rechenzentrum weiterleiten zu lassen – das „Fog-Modell“.

In diesem Artikel werden die Merkmale von IEEE 802.15.4-Netzwerken beschrieben, insbesondere die Implementierung von IPv6 über Low-Power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN) der Internet Engineering Task Force (IETF). Diese Implementierung unterstützt sowohl das Wolken- als auch das Nebelmodell.

IEEE 802.15.4 PHY-Schicht

Die IEEE 802-Standardfamilie ist in eine Reihe von Aufgabengruppen unterteilt, darunter 802.3 (Ethernet) und 802.11 (Wi-Fi) sowie 802.15 (Wireless PAN). Insbesondere IEEE 802.15.4 (der Kürze halber 15.4) liegt in der Verantwortung der Task Group 4, die für verschiedene Eigenschaften des Protokolls verantwortlich ist, einschließlich des HF-Spektrums und der physikalischen Schichten. Der 15.4-Standard wurde um RFID-PHYs (Radio Frequency Identification) und UWB-PHYs (Ultrabreitband) erweitert und wird auch als mögliche Lösung für die Kommunikation zwischen Auto und Auto und zwischen Auto und Bordsteinkante diskutiert.

802.15.4 adressiert nur die physischen (PHY) und Media Access Control (MAC) Schichten – im OSI-Netzwerkmodell die Schichten eins und zwei. Die oberen Schichten werden dem Implementierer überlassen. Auf der dritten Ebene und darüber gibt es eine Vielzahl von Angeboten, darunter Zigbee, Z-Wave, Thread und 6LoWPAN. Jedes davon implementiert den Rest des OSI-Protokollmodells, um Dienste wie Routing und Discovery sowie APIs für Benutzeranwendungen bereitzustellen.

Abbildung 2. Topologieoptionen

Im Allgemeinen unterstützt 15.4 Datenübertragungsraten von 20 Kbit/s, 40 Kbit/s, 100 Kbit/s (bald) und 250 Kbit/s. Das Grundgerüst geht von einer 10-Meter-Reichweite bei 250 Kbit/s aus. Es sind sogar noch geringere Datenraten möglich, um den Stromverbrauch weiter zu begrenzen. Trotz der Reichweitenspezifikation von 10 Metern (32 Fuß) liegen im 2,4-GHz-ISM-Band die typischerweise erreichbaren Reichweiten für IEEE 802.15.4-Funkgeräte in der Größenordnung von 100 Fuß in Innenräumen und 200 bis 300 Fuß im Freien. In den Sub-GHz-Frequenzen wurden praktische Implementierungen des Protokolls bei Reichweiten von über 6,5 km (4 Meilen) mit geeigneten Antennen im 900-MHz-ISM-Band demonstriert.

Auf der physikalischen Ebene verwaltet IEEE 802.15.4 den HF-Transceiver und die Kanalauswahl sowie Energie- und Signalverwaltungsfunktionen. Derzeit sind sechs PHYs definiert, abhängig vom Frequenzbereich und der erforderlichen Datenleistung. Vier von ihnen verwenden DSSS-Frequenzsprungtechniken (Direct Sequence Spread Spectrum). Chirp Spread Spectrum (CSS) wird in den Frequenzbändern Ultra-Wide Band (UWB) und 2450 MHz verwendet. Parallel Sequence Spread Spectrum (PSSS) ist nur mit der hybriden Binär-/Amplitudenumtastungsmodulationstechnik verfügbar, die im europäischen 868-MHz-Band zu finden ist.

Die Framegröße für 15.4 beträgt 133 Byte, einschließlich PHY, MAC und der Datennutzlast. Das Format für diesen Frame ist in Abbildung 1 zu sehen. Indem wir den Frame relativ kurz halten, können wir die für die Übertragung benötigte Zeit begrenzen und gleichzeitig die Wahrscheinlichkeit von Funkstörungen aufgrund des normalen Betriebs von Industrieanlagen begrenzen.

IEEE 802.15.4 MAC-Schicht

Die IEEE 802.15.4 MAC-Schicht (OSI-Modell Schicht zwei – Datenverbindungsschicht) ist verantwortlich für:

• Der PAN beitreten und verlassen;
• Carrier Sense Multiple Access mit Kollisionsvermeidung (CSMA-CA) für den Kanalzugriff;
• Guaranteed Time Slot (GTS)-Übertragungen;
• Herstellen einer zuverlässigen Verbindung zwischen zwei Peer-MAC-Entitäten;
• Beacon-Übertragungen für einen Koordinator;
• Synchronisierung mit den Beacons.

Darüber hinaus unterstützt die MAC-Schicht die Verwendung einer symmetrischen Verschlüsselung mit dem AES-128-Verschlüsselungsalgorithmus. Es gibt auch Optionen für SHA-basierte Hashes und Zugriffskontrolllisten, um die Übertragung vertraulicher Informationen auf bestimmte Knoten oder Links zu beschränken. Schließlich führt der MAC eine Aktualitätsprüfung zwischen Frame-Empfängen durch, um das Risiko zu minimieren, dass alte Frames, die möglicherweise über einen umständlichen Pfad übertragen wurden, verspätet an die Protokolle der oberen Schicht übermittelt werden.

Knotentypen und Netzwerktopologien

Abbildung 3. IP-Header-Komprimierung des IPv6-Headers

IEEE 802.15.4 identifiziert zwei verschiedene Arten von Netzwerkknoten:Geräte mit reduzierter Funktion (RFD) und Geräte mit voller Funktion (FFD). FFDs können mit anderen FFDs oder RFDs kommunizieren und sogar ihre eigenen Netzwerke erstellen. Allerdings können RFDs nur mit FFDs kommunizieren. Dies impliziert eine Hierarchie, die zu zwei möglichen Netzwerktopologien führt:einer Sterntopologie oder einer Peer-to-Peer-Topologie wie einem Mesh. Diese sind in Abbildung 2 dargestellt.

Die Sterntopologie ist am einfachsten und kostengünstigsten zu implementieren und erfordert nur einen einzigen FFD. Bei den übrigen Geräten kann es sich je nach Implementierung entweder um RFDs oder FFDs handeln. Der Nachteil der Sterntopologie besteht darin, dass der Koordinator einen einzigen Fehlerpunkt darstellt. Dies kann zu einem Totalausfall des Netzwerks führen und sollte bei allen außer den einfachsten Anwendungen vermieden werden.

Die Verwendung einer Mesh-Topologie sorgt für mehrere redundante Kommunikationspfade, um die Zustellung von Nachrichten sicherzustellen. Im Mesh-Modus ist das Netzwerk im Wesentlichen eine selbstorganisierende Ad-hoc-Einheit. Die Konnektivität kann daher trotz sich ändernder HF-Ausbreitungseigenschaften wie Mehrwegeausbreitung oder Belaubungseffekten aufrechterhalten werden. Der Einsatz einer Mesh-Topologie ermöglicht auch bewegliche Knoten, wie sie beispielsweise in der Industrierobotik vorkommen. Bei einem „verlustbehafteten Netz“ sind nicht alle Verbindungen zuverlässig. Daher wird ein Routing-Protokoll einer höheren Ebene verwendet, um den Nachrichtenverkehr basierend auf der Konnektivität zu einem bestimmten Zeitpunkt umzuleiten.

IPv6

Aufgrund der Erschöpfung des IPv4-Adressraums besteht großes Interesse am Übergang zu IPv6, das Schicht drei (Netzwerk) und Schicht vier (Transport) bereitstellt und auf der MAC-Schicht sitzt. Normalerweise verwendet IPv6 einen 40-Byte-Header und bietet 128 Bit Adressraum, der selbst die größten Schätzungen für mit dem IoT verbundene Geräte bewältigen kann.

Abbildung 4. Raspberry Pi Border Router mit 6LoWPAN-Modul

In Verbindung mit dem Overhead der AES-128-Verschlüsselung würde die Verwendung eines IPv6-Headers in Standardgröße jedoch nur 33 Bytes für Benutzernutzdaten im Frame übrig lassen. Um das Problem zu beheben, wurde die IP-Header-Komprimierung (IPHC) eingeführt. Dadurch kann die Größe des IPv6-Headers auf lediglich zehn Bytes reduziert werden, einschließlich Routing für die Internetdurchquerung. Dieses IPHC ist in Abbildung 3 zu sehen.

Diese Kombination aus IPv6, IPHC und Standard-TCP/UDP, die auf den 15.4 PHY- und MAC-Schichten sitzt, wird als 6LoWPAN bezeichnet. In Verbindung mit der Verwendung von Sockets im POSIX-Stil kann der Entwickler mithilfe normaler Internetprotokolle eine End-to-End-Paketzustellung überall auf der Welt durchführen.

Implementierung von 6LoWPAN für das IoT

Es gibt viele bestehende Implementierungen von 6LoWPAN. Eine davon ist Sub-GHz-6LoWPAN für die Advanced Metering Infrastructure (AMI), die derzeit in Stromzählern für den privaten Gebrauch implementiert ist. Diese Messgeräte bieten Versorgungsunternehmen die Möglichkeit, den Stromverbrauch im gesamten Stromnetz abzulesen und zu steuern. Sie verlassen sich auf eine verlustbehaftete Routing-Funktion, um die Bereitstellung von Zählermessungen unabhängig von Mehrpfad- oder atmosphärischen Einflüssen wie Regen oder Schnee sicherzustellen.

Die Größe des 6LoWPAN-Codes ist moderat. Die typische Implementierung liegt in der Größenordnung von etwa 30 KB und wird häufig direkt in den Funkgeräten von Unternehmen wie Texas Instruments, Silicon Labs und anderen implementiert. Dieser Ansatz stellt eine UART-ähnliche Schnittstelle zwischen dem Sensor-Mikrocontroller und dem Funkgerät bereit, wodurch der Protokollaufwand auf die Funkeinheit verlagert wird.

Alternativ implementieren viele Betriebssysteme wie Linux 6LoWPAN bereits auf einer Reihe von Funkplattformen. Dies sieht die Verwendung von Linux-basierten Border Gateways vor, um die Sicherheit der Edge-Geräte mithilfe eines Fog-Modells über gehärtete Kernel, Firewalls der nächsten Generation und mehr zu gewährleisten. Das Border Gateway kann auch zur Datenfilterung und -komprimierung verwendet werden, um die Gesamtkommunikationskosten zu senken.

Da 6LoWPAN mit normalen Internetprotokollen kompatibel ist, steht es dem Entwickler frei, Protokolle höherer Ebene wie MQTT, CoAP und HTTP für die Kommunikation von Anwendung zu Anwendung zu nutzen. Ein Grenzrouter, der auf der Südseite mit 6LoWPAN und auf der Nordseite mit Standard-IPv4 oder IPv6 verbunden ist, kann problemlos automatische NAT-Übersetzungen (Network Address Translation) vom internen 6LoWPAN-Paketformat in Standard-IPv6 oder über NAT64 in Standard-IPv4 bereitstellen. Dadurch wird die Adressierung des Edge-Geräts für die Cloud und den Entwickler völlig transparent. Ein Raspberry Pi-basierter Grenzrouter mit angeschlossenem 6LoWPAN-Modul ist in Abbildung 4 dargestellt.

Zusammenfassung

Beim IoT dreht sich alles um Konnektivität, und der IEEE 802.15.4-Standard bietet ein ideales Mittel für die Implementierung – den Betrieb mit geringem Stromverbrauch über ein verlustbehaftetes Netz. Die Verwendung von 6LoWPAN zusätzlich zu IEEE 802.15.4 sorgt für eine sichere, transparente Konnektivität mit der Cloud und reduziert die Belastung für Entwickler und Systemdesigner durch die Bereitstellung standardmäßiger IP-kompatibler Protokolle und leicht verfügbarer Bibliotheken erheblich.

Dieser Artikel wurde von Mike Anderson, CTO/Chefwissenschaftler, The PTR Group (Ashburn, VA) verfasst. Für weitere Informationen klicken Sie hier.