解密ZigBee IP規(guī)范：智能能源傳感網(wǎng)絡(luò)更可靠

過(guò)去15年來(lái)，科技公司不斷探索為無(wú)線感測(cè)器網(wǎng)路和其他須要利用網(wǎng)際網(wǎng)路的可連接設(shè)備開(kāi)發(fā)使用網(wǎng)際網(wǎng)路協(xié)定(IP)的軟體解決方案。近幾年，所出現(xiàn)最可行的IP軟體解決方案之一，是2013年3月由ZigBee聯(lián)盟發(fā)布的ZigBee IP規(guī)范。ZigBee IP是第一個(gè)針對(duì)基于網(wǎng)際網(wǎng)路通訊協(xié)定第六版(IPv6)的全無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)路解決方案的開(kāi)放標(biāo)準(zhǔn)，它為控制低功耗、低成本設(shè)備提供無(wú)縫網(wǎng)際網(wǎng)路連結(jié)，并可在單一控制網(wǎng)路中連結(jié)幾十種不同的設(shè)備。

ZigBee IP設(shè)計(jì)主要在支援ZigBee Smart Energy IP協(xié)定堆疊。本文探討無(wú)線感測(cè)器網(wǎng)路IP解決方案的演變，以及新ZigBee Smart Energy IP協(xié)定堆疊的使用。

感測(cè)器網(wǎng)路首重低功耗設(shè)計(jì)

自20世紀(jì)90年代后期，感測(cè)器網(wǎng)路已經(jīng)成為研究和實(shí)驗(yàn)的主要課題，其采用可收集和發(fā)送資料的微小智慧設(shè)備去提升結(jié)構(gòu)性監(jiān)視、增強(qiáng)能源效率或增加作物產(chǎn)量的網(wǎng)路應(yīng)用前景已毋須多說(shuō)。建構(gòu)感測(cè)器網(wǎng)路的基本技術(shù)包括：

•　低功耗和高效無(wú)線電技術(shù)

讓典型設(shè)備具有幾年的電池壽命，并為無(wú)法透過(guò)電池或主電源供電的其他設(shè)備提供能源收集的功能。

•　可靠的網(wǎng)狀網(wǎng)路和協(xié)定

用以實(shí)現(xiàn)無(wú)人值班的長(zhǎng)期運(yùn)行。

•　合適的應(yīng)用協(xié)定

允許設(shè)備之間透過(guò)約定的資料格式進(jìn)行資訊交換，支援自主運(yùn)行。

2003年發(fā)布的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)以及2004年出現(xiàn)的滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的商用無(wú)線電收發(fā)器，為低功耗無(wú)線通訊提供基礎(chǔ)。從那時(shí)起，IEEE標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)在2006、2011年得到擴(kuò)展和改進(jìn)。隨著15.4e和15.4g修訂版本的發(fā)布，商用無(wú)線電收發(fā)器供應(yīng)商已經(jīng)成功降低他們射頻(RF)元件近一半功耗，并預(yù)期在下一代元件出現(xiàn)時(shí)功率可再次減半。

可靠的網(wǎng)路通訊協(xié)定開(kāi)發(fā)和效能驗(yàn)證須要較長(zhǎng)的時(shí)間。私有網(wǎng)狀網(wǎng)路通訊協(xié)定堆疊，例如EmberZNet或者來(lái)自Berkeley的TinyOS，已經(jīng)發(fā)布相容15.4標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線晶片。雖然這些協(xié)定堆疊被使用并得到進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，但是市場(chǎng)的成長(zhǎng)和擴(kuò)張依賴基于標(biāo)準(zhǔn)解決方案去實(shí)現(xiàn)互通性，以及是否可以從多個(gè)采購(gòu)管道獲得采用該技術(shù)的公司產(chǎn)品。ZigBee聯(lián)盟是最近幾年為無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)路提供標(biāo)準(zhǔn)解決方案的少數(shù)組織之一。

應(yīng)用協(xié)定是網(wǎng)狀網(wǎng)路中最后被開(kāi)發(fā)的專案。這些協(xié)定依賴共同的語(yǔ)言，使來(lái)自不同制造商的設(shè)備可以進(jìn)行無(wú)縫通訊。在設(shè)備之間開(kāi)發(fā)一種公用語(yǔ)言，須競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手之間相互合作并達(dá)成一致的資料傳遞協(xié)定和行為。對(duì)于產(chǎn)品相互依賴的公司，例如生產(chǎn)燈具產(chǎn)品的公司和生產(chǎn)調(diào)光器和開(kāi)關(guān)的公司，自由市場(chǎng)機(jī)制可促進(jìn)應(yīng)用協(xié)定的達(dá)成。然而，在其他領(lǐng)域，例如家居自動(dòng)化或商業(yè)樓宇，自由市場(chǎng)機(jī)制可能無(wú)法達(dá)到促進(jìn)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手協(xié)同工作、統(tǒng)一應(yīng)用協(xié)定的目的。

ZigBee PRO提升可靠/互通性

ZigBee標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)發(fā)是感測(cè)器網(wǎng)路和樓宇自動(dòng)化市場(chǎng)擴(kuò)展的一部分。在21世紀(jì)初，ZigBee聯(lián)盟一直專注于開(kāi)發(fā)網(wǎng)狀網(wǎng)路的標(biāo)準(zhǔn)、安全性和應(yīng)用協(xié)定。ZigBee聯(lián)盟成員和部署的穩(wěn)定成長(zhǎng)帶來(lái)協(xié)定和可靠性的提升，最終推動(dòng)2007年ZigBee PRO規(guī)范和2008年Smart Energy Profile發(fā)布。Smart Energy市場(chǎng)要求設(shè)備具有可靠性和互通性，這是因?yàn)橹圃旌筒渴痣姳淼墓鞠Ｍ軌蚺c家庭中的其他設(shè)備進(jìn)行通訊，但他們并不想擁有或維護(hù)家中的這些設(shè)備。只有在標(biāo)準(zhǔn)路由和應(yīng)用協(xié)定以及可靠安全性方面達(dá)成一致，才能真正成為一個(gè)可以接受的解決方案。

ZigBee PRO是針對(duì)設(shè)備之間的通訊來(lái)開(kāi)發(fā)和最佳化。該協(xié)定從IEEE 802.15.4 MAC/PHY(ZigBee網(wǎng)路和服務(wù)層)開(kāi)始進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，一直到整個(gè)應(yīng)用層。相關(guān)設(shè)備能夠加入網(wǎng)路，與其他設(shè)備配對(duì)，并可在沒(méi)有系統(tǒng)管理員或網(wǎng)路系統(tǒng)管理員人工干預(yù)下運(yùn)行。協(xié)定和資料傳遞特別針對(duì)小型資料(因?yàn)?5.4僅支援最大127個(gè)位元組的封包)和電池供電的設(shè)備進(jìn)行最佳化，這使得業(yè)界更能實(shí)現(xiàn)無(wú)所不在的感測(cè)和控制網(wǎng)路。擁有成百上千設(shè)備的網(wǎng)路已經(jīng)被成功部署并持續(xù)運(yùn)行。這些網(wǎng)路中規(guī)模較大的，包括位于瑞典哥德堡的計(jì)量回程網(wǎng)路，其包含275，000個(gè)設(shè)備，以及位于拉斯維加斯Aria酒店的室內(nèi)自動(dòng)化和控制系統(tǒng)，其包含75，000多個(gè)ZigBee PRO設(shè)備。隨著這些網(wǎng)路的成功部署，ZigBee技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)支援大規(guī)模感測(cè)和控制網(wǎng)路可靠運(yùn)行且無(wú)需人工干預(yù)或支援的目標(biāo)。

隨著網(wǎng)路應(yīng)用的擴(kuò)展，更廣泛的網(wǎng)際網(wǎng)路連結(jié)成為一些公司開(kāi)發(fā)網(wǎng)狀網(wǎng)路解決方案的重要目標(biāo)。然而，ZigBee PRO網(wǎng)路并非針對(duì)Web服務(wù)或網(wǎng)際網(wǎng)路通訊而最佳化?，F(xiàn)有的定址和協(xié)定不能與使用中的IP標(biāo)準(zhǔn)相匹配，所以為供電受限和小記憶體設(shè)備而最佳化設(shè)計(jì)的通訊和解碼協(xié)定，將不得不為在Web頁(yè)面或智慧手機(jī)上顯示資料而進(jìn)行轉(zhuǎn)換。智慧閘道的開(kāi)發(fā)是為提供其連結(jié)和轉(zhuǎn)換，但是任何時(shí)候當(dāng)一個(gè)新的設(shè)備或者標(biāo)準(zhǔn)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，這些智慧閘道就必須升級(jí)。

滿足感測(cè)器網(wǎng)路應(yīng)用需求　IETF發(fā)布6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)

在ZigBee聯(lián)盟發(fā)展的同時(shí)，網(wǎng)際網(wǎng)路工程任務(wù)組(IETF)成立若干工作組，以評(píng)估這些感測(cè)和控制網(wǎng)路。隨著網(wǎng)際網(wǎng)路通訊協(xié)定第四版(IPv4)位址的快速耗盡，IPv6定址結(jié)合其他現(xiàn)有IP協(xié)定對(duì)于低功耗感測(cè)和控制網(wǎng)路來(lái)說(shuō)似乎是一個(gè)自然的合理選擇。然而，現(xiàn)有IP協(xié)定通常基于更長(zhǎng)的封包大小和更高數(shù)據(jù)速率網(wǎng)路，這促使人們開(kāi)始關(guān)注如何在15.4網(wǎng)路上運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)定。許多公司注意到這個(gè)問(wèn)題并要求IETF開(kāi)始調(diào)整IETF協(xié)定，以使它們適合低功耗感測(cè)和控制網(wǎng)路。

對(duì)于IPv6，首要任務(wù)是解決封包大小問(wèn)題。IPv6設(shè)備必須支援最低為1，280位元組的封包，但是15.4網(wǎng)路只能提供最多127個(gè)位元組的封包。此外，使用較大的封包對(duì)那些電池供電的設(shè)備有直接的影響。因此IETF成立了一個(gè)工作組，并于2007年發(fā)布6LoWPAN標(biāo)準(zhǔn)(RFC 4944)。該標(biāo)準(zhǔn)為實(shí)現(xiàn)在15.4網(wǎng)路上傳輸IP封包提供一些重要服務(wù)。最重要的是，它壓縮IP封包頭部以避免在15.4子網(wǎng)上發(fā)送不需要的重復(fù)資訊。它也為不適合在單個(gè)15.4封包中傳輸?shù)腎P封包提供了非常高效的分段和重組機(jī)制。該標(biāo)準(zhǔn)并未解決網(wǎng)路可靠性和應(yīng)用協(xié)定的需求，但是它實(shí)現(xiàn)在15.4設(shè)備上成功傳輸IP封包的重要一步。

IETF也啟動(dòng)一個(gè)工作組為低功耗和損耗網(wǎng)路(Lossy Network)評(píng)估合適的路由式通訊協(xié)定，使之能夠用于感測(cè)器和控制網(wǎng)路。評(píng)估結(jié)果是現(xiàn)有IETF協(xié)定不適合這些網(wǎng)路，須要開(kāi)發(fā)新的協(xié)定(見(jiàn)Draft-ietf-roll-protocols-survey-07)。基于這個(gè)結(jié)論，IETF ROLL工作組在2012年初以RFC6550形式發(fā)布RPL。RPL為這些低功耗網(wǎng)路提供基本的路由服務(wù)。其他標(biāo)準(zhǔn)IP協(xié)定(例如使用者資料元協(xié)定(UDP)和傳輸控制協(xié)定(TCP))資料能夠在802.15.4網(wǎng)路上運(yùn)行而毋須任何修改。使用傳輸層安全性(TLS)或資料包傳輸層安全性(DTLS)的安全機(jī)制也已經(jīng)被發(fā)布。IETF現(xiàn)在已經(jīng)擁有用于感測(cè)和控制網(wǎng)路的基本協(xié)定，但是應(yīng)用協(xié)定也是必要的，以便允許設(shè)備之間進(jìn)行通訊。

在開(kāi)發(fā)Smart Energy 2協(xié)定過(guò)程中，ZigBee聯(lián)盟與Wi-Fi和HomePlug聯(lián)盟進(jìn)行合作，該協(xié)定設(shè)計(jì)主要在支援多種實(shí)體層，包括802.15.4、Wi-Fi和電力線通訊(PLC)，它使用6LoWPAN和RPL做為標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用協(xié)定，可用于能源計(jì)量、消費(fèi)、定價(jià)、分散式生成與控制。Smart Energy 2標(biāo)準(zhǔn)于2013年發(fā)布，已經(jīng)為低功耗感測(cè)和控制網(wǎng)路運(yùn)行制訂一整套包括應(yīng)用層在內(nèi)的基于IP的協(xié)定。 ZigBee IP用以驗(yàn)證互通性

在IETF為15.4網(wǎng)路開(kāi)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)協(xié)定的同時(shí)，屬于ZigBee聯(lián)盟成員的公司認(rèn)為須要開(kāi)發(fā)一套基于ZigBee的IP協(xié)定堆疊，以配合IETF的努力，并開(kāi)發(fā)出更詳細(xì)和明確的標(biāo)準(zhǔn)。另外，ZigBee IP協(xié)定堆疊將能夠提供一種測(cè)試和認(rèn)證機(jī)制以驗(yàn)證設(shè)備之間的互通性。IEEE或IETF開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)通常包括許多可選的行為和功能。這些選項(xiàng)提供可擴(kuò)展性，并可能會(huì)在某些標(biāo)準(zhǔn)用途上使用到。

然而，所有選項(xiàng)的施行將帶來(lái)更大的代碼量和復(fù)雜度，最終可能導(dǎo)致設(shè)備之間的互通性問(wèn)題。ZigBee IP標(biāo)準(zhǔn)使用和參考IEEE和IETF的標(biāo)準(zhǔn)，但是明確定義使用到的特定選項(xiàng)。行為和安全項(xiàng)目也更加明確詳細(xì)，因此設(shè)備的最小行為功能能夠確定。

ZigBee聯(lián)盟在2008年開(kāi)始基于IP的Smart Energy協(xié)定堆疊的開(kāi)發(fā)，進(jìn)行一系列測(cè)試活動(dòng)以驗(yàn)證規(guī)范、測(cè)試實(shí)現(xiàn)，并確保實(shí)現(xiàn)初始堆疊的互通性。2013年初發(fā)布ZigBee Smart Energy IP協(xié)定堆疊，現(xiàn)在可以從包括Silicon Labs(Ember ZigBee硬體和軟體解決方案提供商)在內(nèi)的多個(gè)公司獲得。

ZigBee Smart Energy IP協(xié)定堆疊規(guī)定須要對(duì)6LoWPAN封包頭進(jìn)行壓縮和分段。RPL路由采用非儲(chǔ)存模式，網(wǎng)路路由到一個(gè)集中器，集中器使用源路由資訊發(fā)送封包到網(wǎng)路中的設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)發(fā)現(xiàn)采用mDNS協(xié)定實(shí)現(xiàn)，因此設(shè)備能夠發(fā)現(xiàn)網(wǎng)路中其他設(shè)備上相應(yīng)的服務(wù)。MAC級(jí)的安全來(lái)自15.4，應(yīng)用級(jí)的安全能被用于加密封包負(fù)載。網(wǎng)路存取身分驗(yàn)證(PANA)協(xié)定用于網(wǎng)路的存取控制，應(yīng)用安全使用TLS1.2和橢圓曲線加密。應(yīng)用中可使用UDP和TCP封包協(xié)定。

ZigBee Smart Energy IP協(xié)定堆疊，是第一個(gè)基于標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布的，它結(jié)合IEEE和IETF的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)成一套由眾多公司和晶片供應(yīng)商支援的可認(rèn)證和可交互操作的標(biāo)準(zhǔn)。在標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后，已經(jīng)有五家公司完成協(xié)定堆疊認(rèn)證。

使用ZigBee IP的設(shè)備基礎(chǔ)

ZigBee Smart Energy IP和ZigBee Smart Energy 2應(yīng)用規(guī)范現(xiàn)在已經(jīng)可以用于低成本和低功耗15.4無(wú)線設(shè)備，這些設(shè)備通常具備整合的微控制器(MCU)、256KB Flash和32KB RAM。半導(dǎo)體公司提供一個(gè)基礎(chǔ)，設(shè)備制造商對(duì)這個(gè)基礎(chǔ)進(jìn)行客制化，為他們的設(shè)備增加自己特定的應(yīng)用行為。下面是一些Smart Energy設(shè)備中使用ZigBee IP時(shí)的常見(jiàn)選擇，包含設(shè)備支援的功能集(計(jì)量、需求回應(yīng)、資料傳遞等)、安全等級(jí)、功能集的URI結(jié)構(gòu)、資料的存取行為、使用XML資料或使用EXI進(jìn)行壓縮、對(duì)事件或異常的處理。

這些設(shè)計(jì)選擇最終產(chǎn)生對(duì)應(yīng)用中ZigBee Smart Energy IP協(xié)定堆疊的一個(gè)配置。然后，為了完成整個(gè)設(shè)備，必須提供客戶特殊的應(yīng)用行為和資料。例如，雖然半導(dǎo)體供應(yīng)商的基礎(chǔ)將為電表消耗資料提供消息和資料結(jié)構(gòu)，但是開(kāi)發(fā)人員必須使用來(lái)自特定設(shè)備的真實(shí)電表資料填充這些資料結(jié)構(gòu)，因?yàn)閷?duì)于每一個(gè)供應(yīng)商來(lái)說(shuō)資料儲(chǔ)存和管理技術(shù)是多變的。

一旦開(kāi)發(fā)人員在基礎(chǔ)上進(jìn)行基本的選擇，代碼就能夠被編譯、下載，并使用桌面工具和網(wǎng)路偵錯(cuò)器(例如Silicon Labs的Ember AppBuilder和Desktop Network Analyzer)進(jìn)行除錯(cuò)。這些工具既能提供特定設(shè)備行為檢視圖，也能追蹤網(wǎng)路上的封包，并確保合適的傳輸和回應(yīng)。

ZigBee IP與感測(cè)器和控制網(wǎng)路

ZigBee Smart Energy IP協(xié)定堆疊的設(shè)計(jì)目標(biāo)是為支援多達(dá)三十個(gè)設(shè)備的智慧能源提供可靠的小型家居網(wǎng)路。進(jìn)一步最佳化方向包括擴(kuò)展至數(shù)百或數(shù)千臺(tái)設(shè)備的網(wǎng)路和提高電池壽命。

Smart Energy 2應(yīng)用規(guī)范包括ZigBee IP協(xié)定堆疊的使用。因?yàn)檫@種應(yīng)用須要與網(wǎng)際網(wǎng)路伺服器和服務(wù)進(jìn)行通訊，因此Smart Energy 2也采用TCP和超文字傳輸協(xié)定(HTTP)。這些協(xié)定已經(jīng)在網(wǎng)際網(wǎng)路上運(yùn)行幾10年，但是面臨來(lái)自低功耗設(shè)備電池壽命的挑戰(zhàn)，其具備更大的封包尺寸，并且須要保持持續(xù)連接。某些最佳化很簡(jiǎn)單，例如使用UDP代替TCP，采用約束應(yīng)用協(xié)定(CoAP)代替HTTP去減少資料負(fù)擔(dān)。

感測(cè)器網(wǎng)路通常是大型資料收集網(wǎng)路，透過(guò)RPL路由到中心節(jié)點(diǎn)是合適的。然而，控制網(wǎng)路也有經(jīng)常大量點(diǎn)對(duì)點(diǎn)資料傳輸?shù)男枰虼隧氝M(jìn)一步工作來(lái)最佳化路由。此外，許多分散式網(wǎng)路須要更高的可靠性，因此，不希望出現(xiàn)單點(diǎn)故障，例如安全伺服器或RPL中心節(jié)點(diǎn)。因此，這種網(wǎng)路架構(gòu)須要使用更多分散式系統(tǒng)，而不是目前這些支援的協(xié)定。

感測(cè)器通常也包含大量電池供電的設(shè)備。加長(zhǎng)電池壽命的最佳化協(xié)定須要更短封包并盡量減少消息發(fā)送的頻率，這通常意味著搭載XML的TCP和HTTP不適合做為候選協(xié)定。使用新格式的壓縮封包頭(例如CoAP)是一種更適合電池供電型設(shè)備的好方法。

經(jīng)由最佳化，我們可以擴(kuò)展現(xiàn)有的ZigBee Smart Energy IP協(xié)定堆疊，以形成更大的感測(cè)器網(wǎng)路。減小封包大小和增加可用頻寬而獲得的電池壽命最佳化，最終有益于感測(cè)器網(wǎng)路的可擴(kuò)展性和可靠性。