解密ZigBee IP規(guī)范：智能能源傳感網絡更可靠

過去15年來，科技公司不斷探索為無線感測器網路和其他須要利用網際網路的可連接設備開發(fā)使用網際網路協(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是第一個針對基于網際網路通訊協(xié)定第六版(IPv6)的全無線網狀網路解決方案的開放標準，它為控制低功耗、低成本設備提供無縫網際網路連結，并可在單一控制網路中連結幾十種不同的設備。

ZigBee IP設計主要在支援ZigBee Smart Energy IP協(xié)定堆疊。本文探討無線感測器網路IP解決方案的演變，以及新ZigBee Smart Energy IP協(xié)定堆疊的使用。

感測器網路首重低功耗設計

自20世紀90年代后期，感測器網路已經成為研究和實驗的主要課題，其采用可收集和發(fā)送資料的微小智慧設備去提升結構性監(jiān)視、增強能源效率或增加作物產量的網路應用前景已毋須多說。建構感測器網路的基本技術包括：

•　低功耗和高效無線電技術

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

•　可靠的網狀網路和協(xié)定

用以實現(xiàn)無人值班的長期運行。

•　合適的應用協(xié)定

允許設備之間透過約定的資料格式進行資訊交換，支援自主運行。

2003年發(fā)布的IEEE 802.15.4標準以及2004年出現(xiàn)的滿足標準要求的商用無線電收發(fā)器，為低功耗無線通訊提供基礎。從那時起，IEEE標準已經在2006、2011年得到擴展和改進。隨著15.4e和15.4g修訂版本的發(fā)布，商用無線電收發(fā)器供應商已經成功降低他們射頻(RF)元件近一半功耗，并預期在下一代元件出現(xiàn)時功率可再次減半。

可靠的網路通訊協(xié)定開發(fā)和效能驗證須要較長的時間。私有網狀網路通訊協(xié)定堆疊，例如EmberZNet或者來自Berkeley的TinyOS，已經發(fā)布相容15.4標準的無線晶片。雖然這些協(xié)定堆疊被使用并得到進一步開發(fā)，但是市場的成長和擴張依賴基于標準解決方案去實現(xiàn)互通性，以及是否可以從多個采購管道獲得采用該技術的公司產品。ZigBee聯(lián)盟是最近幾年為無線網狀網路提供標準解決方案的少數(shù)組織之一。

應用協(xié)定是網狀網路中最后被開發(fā)的專案。這些協(xié)定依賴共同的語言，使來自不同制造商的設備可以進行無縫通訊。在設備之間開發(fā)一種公用語言，須競爭對手之間相互合作并達成一致的資料傳遞協(xié)定和行為。對于產品相互依賴的公司，例如生產燈具產品的公司和生產調光器和開關的公司，自由市場機制可促進應用協(xié)定的達成。然而，在其他領域，例如家居自動化或商業(yè)樓宇，自由市場機制可能無法達到促進競爭對手協(xié)同工作、統(tǒng)一應用協(xié)定的目的。

ZigBee PRO提升可靠/互通性

ZigBee標準開發(fā)是感測器網路和樓宇自動化市場擴展的一部分。在21世紀初，ZigBee聯(lián)盟一直專注于開發(fā)網狀網路的標準、安全性和應用協(xié)定。ZigBee聯(lián)盟成員和部署的穩(wěn)定成長帶來協(xié)定和可靠性的提升，最終推動2007年ZigBee PRO規(guī)范和2008年Smart Energy Profile發(fā)布。Smart Energy市場要求設備具有可靠性和互通性，這是因為制造和部署電表的公司希望能夠與家庭中的其他設備進行通訊，但他們并不想擁有或維護家中的這些設備。只有在標準路由和應用協(xié)定以及可靠安全性方面達成一致，才能真正成為一個可以接受的解決方案。

ZigBee PRO是針對設備之間的通訊來開發(fā)和最佳化。該協(xié)定從IEEE 802.15.4 MAC/PHY(ZigBee網路和服務層)開始進行標準化，一直到整個應用層。相關設備能夠加入網路，與其他設備配對，并可在沒有系統(tǒng)管理員或網路系統(tǒng)管理員人工干預下運行。協(xié)定和資料傳遞特別針對小型資料(因為15.4僅支援最大127個位元組的封包)和電池供電的設備進行最佳化，這使得業(yè)界更能實現(xiàn)無所不在的感測和控制網路。擁有成百上千設備的網路已經被成功部署并持續(xù)運行。這些網路中規(guī)模較大的，包括位于瑞典哥德堡的計量回程網路，其包含275，000個設備，以及位于拉斯維加斯Aria酒店的室內自動化和控制系統(tǒng)，其包含75，000多個ZigBee PRO設備。隨著這些網路的成功部署，ZigBee技術已經實現(xiàn)支援大規(guī)模感測和控制網路可靠運行且無需人工干預或支援的目標。

隨著網路應用的擴展，更廣泛的網際網路連結成為一些公司開發(fā)網狀網路解決方案的重要目標。然而，ZigBee PRO網路并非針對Web服務或網際網路通訊而最佳化?，F(xiàn)有的定址和協(xié)定不能與使用中的IP標準相匹配，所以為供電受限和小記憶體設備而最佳化設計的通訊和解碼協(xié)定，將不得不為在Web頁面或智慧手機上顯示資料而進行轉換。智慧閘道的開發(fā)是為提供其連結和轉換，但是任何時候當一個新的設備或者標準被開發(fā)出來，這些智慧閘道就必須升級。

滿足感測器網路應用需求　IETF發(fā)布6LoWPAN標準

在ZigBee聯(lián)盟發(fā)展的同時，網際網路工程任務組(IETF)成立若干工作組，以評估這些感測和控制網路。隨著網際網路通訊協(xié)定第四版(IPv4)位址的快速耗盡，IPv6定址結合其他現(xiàn)有IP協(xié)定對于低功耗感測和控制網路來說似乎是一個自然的合理選擇。然而，現(xiàn)有IP協(xié)定通?；诟L的封包大小和更高數(shù)據(jù)速率網路，這促使人們開始關注如何在15.4網路上運行標準IP協(xié)定。許多公司注意到這個問題并要求IETF開始調整IETF協(xié)定，以使它們適合低功耗感測和控制網路。

對于IPv6，首要任務是解決封包大小問題。IPv6設備必須支援最低為1，280位元組的封包，但是15.4網路只能提供最多127個位元組的封包。此外，使用較大的封包對那些電池供電的設備有直接的影響。因此IETF成立了一個工作組，并于2007年發(fā)布6LoWPAN標準(RFC 4944)。該標準為實現(xiàn)在15.4網路上傳輸IP封包提供一些重要服務。最重要的是，它壓縮IP封包頭部以避免在15.4子網上發(fā)送不需要的重復資訊。它也為不適合在單個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制。該標準并未解決網路可靠性和應用協(xié)定的需求，但是它實現(xiàn)在15.4設備上成功傳輸IP封包的重要一步。

IETF也啟動一個工作組為低功耗和損耗網路(Lossy Network)評估合適的路由式通訊協(xié)定，使之能夠用于感測器和控制網路。評估結果是現(xiàn)有IETF協(xié)定不適合這些網路，須要開發(fā)新的協(xié)定(見Draft-ietf-roll-protocols-survey-07)。基于這個結論，IETF ROLL工作組在2012年初以RFC6550形式發(fā)布RPL。RPL為這些低功耗網路提供基本的路由服務。其他標準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網路上運行而毋須任何修改。使用傳輸層安全性(TLS)或資料包傳輸層安全性(DTLS)的安全機制也已經被發(fā)布。IETF現(xiàn)在已經擁有用于感測和控制網路的基本協(xié)定，但是應用協(xié)定也是必要的，以便允許設備之間進行通訊。

在開發(fā)Smart Energy 2協(xié)定過程中，ZigBee聯(lián)盟與Wi-Fi和HomePlug聯(lián)盟進行合作，該協(xié)定設計主要在支援多種實體層，包括802.15.4、Wi-Fi和電力線通訊(PLC)，它使用6LoWPAN和RPL做為標準應用協(xié)定，可用于能源計量、消費、定價、分散式生成與控制。Smart Energy 2標準于2013年發(fā)布，已經為低功耗感測和控制網路運行制訂一整套包括應用層在內的基于IP的協(xié)定。 ZigBee IP用以驗證互通性

在IETF為15.4網路開發(fā)標準協(xié)定的同時，屬于ZigBee聯(lián)盟成員的公司認為須要開發(fā)一套基于ZigBee的IP協(xié)定堆疊，以配合IETF的努力，并開發(fā)出更詳細和明確的標準。另外，ZigBee IP協(xié)定堆疊將能夠提供一種測試和認證機制以驗證設備之間的互通性。IEEE或IETF開發(fā)的標準通常包括許多可選的行為和功能。這些選項提供可擴展性，并可能會在某些標準用途上使用到。

然而，所有選項的施行將帶來更大的代碼量和復雜度，最終可能導致設備之間的互通性問題。ZigBee IP標準使用和參考IEEE和IETF的標準，但是明確定義使用到的特定選項。行為和安全項目也更加明確詳細，因此設備的最小行為功能能夠確定。

ZigBee聯(lián)盟在2008年開始基于IP的Smart Energy協(xié)定堆疊的開發(fā)，進行一系列測試活動以驗證規(guī)范、測試實現(xiàn)，并確保實現(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)在內的多個公司獲得。

ZigBee Smart Energy IP協(xié)定堆疊規(guī)定須要對6LoWPAN封包頭進行壓縮和分段。RPL路由采用非儲存模式，網路路由到一個集中器，集中器使用源路由資訊發(fā)送封包到網路中的設備。標準服務發(fā)現(xiàn)采用mDNS協(xié)定實現(xiàn)，因此設備能夠發(fā)現(xiàn)網路中其他設備上相應的服務。MAC級的安全來自15.4，應用級的安全能被用于加密封包負載。網路存取身分驗證(PANA)協(xié)定用于網路的存取控制，應用安全使用TLS1.2和橢圓曲線加密。應用中可使用UDP和TCP封包協(xié)定。

ZigBee Smart Energy IP協(xié)定堆疊，是第一個基于標準發(fā)布的，它結合IEEE和IETF的相關標準構成一套由眾多公司和晶片供應商支援的可認證和可交互操作的標準。在標準發(fā)布后，已經有五家公司完成協(xié)定堆疊認證。

使用ZigBee IP的設備基礎

ZigBee Smart Energy IP和ZigBee Smart Energy 2應用規(guī)范現(xiàn)在已經可以用于低成本和低功耗15.4無線設備，這些設備通常具備整合的微控制器(MCU)、256KB Flash和32KB RAM。半導體公司提供一個基礎，設備制造商對這個基礎進行客制化，為他們的設備增加自己特定的應用行為。下面是一些Smart Energy設備中使用ZigBee IP時的常見選擇，包含設備支援的功能集(計量、需求回應、資料傳遞等)、安全等級、功能集的URI結構、資料的存取行為、使用XML資料或使用EXI進行壓縮、對事件或異常的處理。

這些設計選擇最終產生對應用中ZigBee Smart Energy IP協(xié)定堆疊的一個配置。然后，為了完成整個設備，必須提供客戶特殊的應用行為和資料。例如，雖然半導體供應商的基礎將為電表消耗資料提供消息和資料結構，但是開發(fā)人員必須使用來自特定設備的真實電表資料填充這些資料結構，因為對于每一個供應商來說資料儲存和管理技術是多變的。

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

ZigBee IP與感測器和控制網路

ZigBee Smart Energy IP協(xié)定堆疊的設計目標是為支援多達三十個設備的智慧能源提供可靠的小型家居網路。進一步最佳化方向包括擴展至數(shù)百或數(shù)千臺設備的網路和提高電池壽命。

Smart Energy 2應用規(guī)范包括ZigBee IP協(xié)定堆疊的使用。因為這種應用須要與網際網路伺服器和服務進行通訊，因此Smart Energy 2也采用TCP和超文字傳輸協(xié)定(HTTP)。這些協(xié)定已經在網際網路上運行幾10年，但是面臨來自低功耗設備電池壽命的挑戰(zhàn)，其具備更大的封包尺寸，并且須要保持持續(xù)連接。某些最佳化很簡單，例如使用UDP代替TCP，采用約束應用協(xié)定(CoAP)代替HTTP去減少資料負擔。

感測器網路通常是大型資料收集網路，透過RPL路由到中心節(jié)點是合適的。然而，控制網路也有經常大量點對點資料傳輸?shù)男枰?，因此須進一步工作來最佳化路由。此外，許多分散式網路須要更高的可靠性，因此，不希望出現(xiàn)單點故障，例如安全伺服器或RPL中心節(jié)點。因此，這種網路架構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。

感測器通常也包含大量電池供電的設備。加長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備的好方法。

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