Zigbee es una especificación basada en IEEE 802.15.4 para un conjunto de protocolos de comunicación de alto nivel utilizados para crear redes de área personal con radios digitales pequeñas y de baja potencia , como para automatización del hogar , recopilación de datos de dispositivos médicos y otros sistemas de baja potencia. necesidades de bajo ancho de banda, diseñado para proyectos de pequeña escala que necesitan conexión inalámbrica. Por lo tanto, Zigbee es una red inalámbrica ad hoc de baja potencia, baja velocidad de datos y proximidad (es decir, área personal) .
La tecnología definida por la especificación Zigbee pretende ser más simple y menos costosa que otras redes de área personal inalámbricas (WPAN), como Bluetooth o redes inalámbricas más generales como Wi-Fi (o Li-Fi ). Las aplicaciones incluyen interruptores de luz inalámbricos, monitores de energía doméstica , sistemas de gestión de tráfico y otros equipos industriales y de consumo que requieren transferencia de datos inalámbrica de corto alcance y baja velocidad.
Su bajo consumo de energía limita las distancias de transmisión a 10 a 100 metros (30' a 300') en la línea de visión , dependiendo de la potencia de salida y las características ambientales. [1] Los dispositivos Zigbee pueden transmitir datos a largas distancias pasando datos a través de una red de malla de dispositivos intermedios para llegar a otros más distantes. Zigbee se utiliza normalmente en aplicaciones de baja velocidad de datos que requieren una batería de larga duración y una red segura. (Las redes Zigbee están protegidas por claves de cifrado simétricas de 128 bits ). Zigbee tiene una velocidad definida de hasta 250 kbit/s, más adecuada para transmisiones de datos intermitentes desde un sensor o dispositivo de entrada.
Zigbee fue concebido en 1998, estandarizado en 2003 y revisado en 2006. El nombre se refiere a la danza de las abejas melíferas después de su regreso a la colmena. [2]
Zigbee es un estándar de red de malla inalámbrica de bajo consumo destinado a dispositivos que funcionan con baterías en aplicaciones de monitoreo y control inalámbrico. Zigbee ofrece comunicación de baja latencia. Los chips Zigbee suelen estar integrados con radios y microcontroladores .
Zigbee opera en las bandas de radio industriales, científicas y médicas ( ISM ). La banda de 2,4 GHz se utiliza principalmente para dispositivos de iluminación y automatización del hogar en la mayoría de las jurisdicciones del mundo. Si bien los dispositivos para la medición de servicios comerciales y la recopilación de datos de dispositivos médicos a menudo utilizan frecuencias "Sub-GHz" (902-928 MHz en América del Norte, Australia e Israel, 868-870 MHz en Europa, 779-787 MHz en China, incluso aquellos regiones y países que todavía utilizan 2,4 GHz para la mayoría de los dispositivos Zigbee vendidos en todo el mundo destinados a uso doméstico con velocidades de datos que varían desde alrededor de 20 kbit/s para bandas Sub-1GHz hasta alrededor de 250 kbit/s para canales en el rango de banda de 2,4 GHz).
Zigbee se basa en la capa física y el control de acceso a medios definidos en el estándar IEEE 802.15.4 para redes de área personal inalámbricas (WPAN) de baja velocidad. La especificación incluye cuatro componentes clave adicionales: capa de red , capa de aplicación ,Objetos de dispositivo Zigbee (ZDO) y objetos de aplicación definidos por el fabricante. Los ZDO son responsables de algunas tareas, incluido el seguimiento de las funciones de los dispositivos, la gestión de solicitudes para unirse a una red, así como el descubrimiento y la seguridad de los dispositivos.
La capa de red Zigbee admite de forma nativa redes en estrella y en árbol , así como redes de malla genéricas . Cada red debe tener un dispositivo coordinador. Dentro de las redes en estrella, el coordinador debe ser el nodo central. Tanto los árboles como las mallas permiten el uso de enrutadores Zigbee para ampliar la comunicación a nivel de red. Otra característica definitoria de Zigbee son las instalaciones para realizar comunicaciones seguras, proteger el establecimiento y transporte de claves criptográficas, marcos de cifrado y dispositivos de control. Se basa en el marco de seguridad básico definido en IEEE 802.15.4.
Las redes de radio digitales ad hoc autoorganizadas al estilo Zigbee se concibieron en la década de 1990. La especificación Zigbee IEEE 802.15.4-2003 fue ratificada el 14 de diciembre de 2004. [3] La Connectivity Standards Alliance (anteriormente Zigbee Alliance) anunció la disponibilidad de la Especificación 1.0 el 13 de junio de 2005, conocida como Especificación ZigBee 2004 .
En septiembre de 2006, se anunció la especificación Zigbee 2006 , que dejó obsoleta la pila de 2004 [4]. La especificación de 2006 reemplaza la estructura de pares de mensaje y clave-valor utilizada en la pila de 2004 con una biblioteca de clúster . La biblioteca es un conjunto de comandos, atributos y artefactos globales estandarizados organizados en grupos conocidos como clústeres con nombres como Smart Energy, Home Automation yEnlace de luz Zigbee .[5]
En enero de 2017, Connectivity Standards Alliance cambió el nombre de la biblioteca a Dotdot y la anunció como un nuevo protocolo que se representará mediante un emoticón ( ||: ) . También anunciaron que ahora se ejecutará adicionalmente en otros tipos de redes utilizando el Protocolo de Internet [6] y se interconectará con otros estándares como Thread . [7] Desde su presentación, Dotdot ha funcionado como la capa de aplicación predeterminada para casi todos los dispositivos Zigbee. [8]
Zigbee Pro, también conocido como Zigbee 2007, se finalizó en 2007. [9] Un dispositivo Zigbee Pro puede unirse y operar en una red Zigbee heredada y viceversa. Debido a las diferencias en las opciones de enrutamiento, un dispositivo Zigbee Pro debe convertirse en un dispositivo final Zigbee (ZED) sin enrutamiento en una red Zigbee heredada, y un dispositivo Zigbee heredado debe convertirse en un ZED en una red Zigbee Pro. [10] Funciona utilizando la banda ISM de 2,4 GHz y agrega una banda sub-GHz. [11]
Los protocolos Zigbee están destinados a aplicaciones integradas que requieren un bajo consumo de energía y toleran bajas velocidades de datos . La red resultante consumirá muy poca energía: los dispositivos individuales deben tener una duración de batería de al menos dos años para pasar la certificación. [12] [13] [ dudoso – discutir ]
Las áreas de aplicación típicas incluyen:
Zigbee no es para situaciones con alta movilidad entre nodos. Por lo tanto, no es adecuado para redes de radio tácticas ad hoc en el campo de batalla, donde están presentes y son necesarias una alta velocidad de datos y una alta movilidad. [ cita necesaria ] [18]
El primer perfil de aplicación Zigbee, Domótica, se anunció el 2 de noviembre de 2007. [ cita necesaria ] Desde entonces se han publicado perfiles de aplicaciones adicionales.
ElLas especificaciones de Zigbee Smart Energy 2.0 definen unprotocolo de comunicaciónbasado enprotocolo de Internetpara monitorear, controlar, informar y automatizar la entrega y el uso de energía y agua. Es una mejora de las especificaciones de Zigbee Smart Energy versión 1.[19]Añade servicios dede vehículos eléctricos enchufables, servicios de prepago, información y mensajería al usuario, control de carga,respuesta a la demandae interfaces comunes de información y perfiles de aplicaciones para redes cableadas e inalámbricas. Está siendo desarrollado por socios que incluyen:
Zigbee Smart Energy se basa en Zigbee IP, una capa de red que enruta el tráfico IPv6 estándar a través de IEEE 802.15.4 mediante compresión de encabezado 6LoWPAN . [20] [21]
En 2009, el Consorcio de Radiofrecuencia para Electrónica de Consumo (RF4CE) y la Alianza de Estándares de Conectividad (anteriormente Zigbee Alliance) acordaron ofrecer conjuntamente un estándar para controles remotos de radiofrecuencia. Zigbee RF4CE está diseñado para una amplia gama de productos electrónicos de consumo, como televisores y decodificadores. Prometía muchas ventajas sobre las soluciones de control remoto existentes, incluida una comunicación más rica y una mayor confiabilidad, características y flexibilidad mejoradas, interoperabilidad y sin barreras en la línea de visión. [22] La especificación Zigbee RF4CE utiliza un subconjunto de la funcionalidad Zigbee que permite ejecutar configuraciones de memoria más pequeñas en dispositivos de menor costo, como el control remoto de productos electrónicos de consumo.
El diseño de radio utilizado por Zigbee tiene pocas etapas analógicas y utiliza circuitos digitales siempre que sea posible. Están disponibles productos que integran la radio y el microcontrolador en un solo módulo. [23]
El proceso de calificación de Zigbee implica una validación completa de los requisitos de la capa física. Todas las radios derivadas del mismo conjunto de máscaras semiconductoras validadas disfrutarían de las mismas características de RF. Las radios Zigbee tienen limitaciones muy estrictas de potencia y ancho de banda. Una capa física no certificada que no funcione correctamente puede aumentar el consumo de energía de otros dispositivos en una red Zigbee. Por lo tanto, las radios se prueban con las pautas proporcionadas por la Cláusula 6 de la Norma 802.15.4-2006. [24]
Este estándar especifica el funcionamiento en las bandas ISM sin licencia de 2,4 a 2,4835 [25] GHz (mundial), de 902 a 928 MHz (América y Australia) y de 868 a 868,6 MHz (Europa) . Se asignan dieciséis canales en la banda de 2,4 GHz , separados por 5 MHz , aunque utilizando sólo 2 MHz de ancho de banda cada uno. Las radios utilizan codificación de espectro ensanchado de secuencia directa , que es gestionada por el flujo digital en el modulador. La codificación por desplazamiento de fase binaria (BPSK) se utiliza en las bandas de 868 y 915 MHz, y la codificación por desplazamiento de fase en cuadratura compensada (OQPSK) que transmite dos bits por símbolo se utiliza en la banda de 2,4 GHz.
La velocidad de datos sin procesar por aire es de 250 kbit / s por canal en la banda de 2,4 GHz, 40 kbit/s por canal en la banda de 915 MHz y 20 kbit/s en la banda de 868 MHz. El rendimiento de datos real será menor que la velocidad de bits máxima especificada debido a la sobrecarga de paquetes y los retrasos en el procesamiento. Para aplicaciones en interiores a 2,4 GHz, la distancia de transmisión es de 10 a 20 m, dependiendo de los materiales de construcción, la cantidad de paredes a atravesar y la potencia de salida permitida en esa ubicación geográfica. [26] La potencia de salida de las radios es generalmente de 0 a 20 dBm (1 a 100 mW).
Hay tres clases de dispositivos Zigbee:
Los protocolos Zigbee actuales admiten redes habilitadas y no habilitadas para balizas.
En redes no habilitadas para balizas, se utiliza un mecanismo de acceso al canal CSMA/CA sin ranuras. En este tipo de red, los enrutadores Zigbee suelen tener sus receptores continuamente activos, lo que requiere energía adicional. [29] Sin embargo, esto permite redes heterogéneas en las que algunos dispositivos reciben continuamente mientras que otros transmiten cuando es necesario. El ejemplo típico de una red heterogénea es un interruptor de luz inalámbrico : el nodo Zigbee en la lámpara puede recibir constantemente, ya que recibe alimentación confiable de la red eléctrica de la lámpara, mientras que un interruptor de luz alimentado por batería permanecería inactivo hasta que se accione el interruptor. . En cuyo caso, el interruptor se despierta, envía un comando a la lámpara, recibe un reconocimiento y vuelve a dormir. En dicha red, el nodo lámpara será al menos un enrutador Zigbee, si no el coordinador Zigbee; el nodo de conmutación suele ser un dispositivo final Zigbee.
En las redes habilitadas para balizas, los enrutadores Zigbee transmiten balizas periódicas para confirmar su presencia a otros nodos de la red. Los nodos pueden dormir entre balizas, extendiendo así la duración de la batería. Los intervalos de baliza dependen de la velocidad de datos; pueden variar de 15,36 milisegundos a 251,65824 segundos a 250 kbit/s , de 24 milisegundos a 393,216 segundos a 40 kbit/s y de 48 milisegundos a 786,432 segundos a 20 kbit/s. Los intervalos de baliza prolongados requieren una sincronización precisa, lo que puede resultar costoso de implementar en productos de bajo costo.
En general, los protocolos Zigbee minimizan el tiempo que la radio está encendida, para reducir el consumo de energía. En las redes de balizamiento, los nodos sólo necesitan estar activos mientras se transmite una baliza. En las redes no habilitadas con balizas, el consumo de energía es decididamente asimétrico: algunos dispositivos están siempre activos mientras que otros pasan la mayor parte del tiempo inactivos.
A excepción de Smart Energy Profile 2.0, los dispositivos Zigbee deben cumplir con el estándar IEEE 802.15.4-2003 Red de área personal inalámbrica de baja velocidad (LR-WPAN). El estándar especifica las capas de protocolo inferiores : la capa física (PHY) y la parte de control de acceso a medios de la capa de enlace de datos . El modo de acceso al canal básico es el acceso múltiple con detección de portadora y prevención de colisiones (CSMA/CA). Es decir, los nodos se comunican de una manera algo análoga a cómo conversan los humanos: un nodo verifica brevemente que otros nodos no estén hablando antes de comenzar. CSMA/CA no se utiliza en tres excepciones notables:
Las funciones principales de la capa de red son garantizar el uso correcto de la subcapa MAC y proporcionar una interfaz adecuada para que la utilice la siguiente capa superior, es decir, la capa de aplicación. La capa de red se ocupa de funciones de red como conectar, desconectar y configurar redes. Puede establecer una red, asignar direcciones y agregar y eliminar dispositivos. Esta capa utiliza topologías de estrella, malla y árbol.
La entidad de datos de la capa de transporte crea y gestiona unidades de datos de protocolo en la dirección de la capa de aplicación y realiza el enrutamiento de acuerdo con la topología actual. El ente de control se encarga de la configuración de nuevos dispositivos y establece nuevas redes. Puede determinar si un dispositivo vecino pertenece a la red y descubre nuevos vecinos y enrutadores.
El protocolo de enrutamiento utilizado por la capa de red es AODV . [30] Para encontrar un dispositivo de destino, AODV se utiliza para transmitir una solicitud de ruta a todos sus vecinos. Luego, los vecinos transmiten la solicitud a sus vecinos y continúan hasta llegar al destino. Una vez que se llega al destino, se envía una respuesta de ruta mediante transmisión unicast siguiendo la ruta de menor costo de regreso al origen. Una vez que el origen recibe la respuesta, actualiza su tabla de enrutamiento con la dirección de destino del siguiente salto en la ruta y el costo de la ruta asociada.
La capa de aplicación es la capa de nivel más alto definida por la especificación y es la interfaz efectiva del sistema Zigbee con sus usuarios finales. Comprende la mayoría de componentes añadidos por la especificación Zigbee: tanto ZDO (objeto de dispositivo Zigbee) como sus procedimientos de gestión, junto con los objetos de aplicación definidos por el fabricante, se consideran parte de esta capa. Esta capa vincula tablas, envía mensajes entre dispositivos vinculados, administra direcciones de grupo, reensambla paquetes y también transporta datos. Es responsable de brindar servicio a los perfiles de dispositivos Zigbee.
El ZDO (objeto de dispositivo Zigbee), un protocolo de la pila de protocolos Zigbee, es responsable de la administración general del dispositivo, las claves de seguridad y las políticas. Es responsable de definir el papel de un dispositivo como coordinador o dispositivo final, como se mencionó anteriormente, pero también de descubrir nuevos dispositivos en la red y de identificar los servicios que ofrecen. Luego puede establecer enlaces seguros con dispositivos externos y responder a las solicitudes vinculantes en consecuencia.
La subcapa de soporte de aplicaciones (APS) es el otro componente estándar principal de la pila y, como tal, ofrece una interfaz y servicios de control bien definidos. Funciona como un puente entre la capa de red y los demás elementos de la capa de aplicación: mantiene tablas vinculantes actualizadas en forma de base de datos, que se pueden utilizar para encontrar los dispositivos apropiados según los servicios que se necesitan y los que ofrecen los diferentes dispositivos. Como unión entre ambas capas especificadas, también enruta mensajes a través de las capas de la pila de protocolos .
Una aplicación puede consistir en comunicar objetos que cooperan para realizar las tareas deseadas. Las tareas normalmente serán en gran medida locales para cada dispositivo, por ejemplo, el control de cada electrodoméstico. El objetivo de Zigbee es distribuir el trabajo entre muchos dispositivos diferentes que residen dentro de nodos Zigbee individuales que a su vez forman una red.
Los objetos que forman la red se comunican utilizando las facilidades proporcionadas por APS, supervisadas por interfaces ZDO. Dentro de un solo dispositivo, pueden existir hasta 240 objetos de aplicación, numerados en el rango del 1 al 240. 0 está reservado para la interfaz de datos ZDO y 255 para transmisión; La gama 241-254 no está en uso actualmente, pero es posible que lo esté en el futuro.
Hay dos servicios disponibles para que los utilicen los objetos de la aplicación (en Zigbee 1.0):
El direccionamiento también forma parte de la capa de aplicación. Un nodo de red consta de un transceptor de radio compatible con IEEE 802.15.4 y una o más descripciones de dispositivo (colecciones de atributos que se pueden sondear o configurar, o que se pueden monitorear a través de eventos). El transceptor es la base para el direccionamiento y los dispositivos dentro de un nodo se especifican mediante un identificador de punto final en el rango de 1 a 240.
Para que las aplicaciones se comuniquen, los dispositivos que las soportan deben utilizar un protocolo de aplicación común (tipos de mensajes, formatos, etc.); Estos conjuntos de convenciones se agrupan en perfiles . Además, la vinculación se decide haciendo coincidir identificadores de grupo de entrada y salida [ aclarar ] únicos dentro del contexto de un perfil determinado y asociados a un flujo de datos entrante o saliente en un dispositivo. Las tablas vinculantes contienen pares de origen y destino.
Dependiendo de la información disponible, la detección de dispositivos puede seguir diferentes métodos. Cuando se conoce la dirección de red, se puede solicitar la dirección IEEE mediante comunicación de unidifusión . Cuando no es así, se difunden las peticiones . Los dispositivos finales simplemente responderán con la dirección solicitada, mientras que un coordinador de red o un enrutador también enviará las direcciones de todos los dispositivos asociados a él.
Este protocolo de descubrimiento extendido [ aclarar ] permite a los dispositivos externos conocer los dispositivos en una red y los servicios que ofrecen, qué puntos finales pueden informar cuando los consulta el dispositivo descubridor (que previamente obtuvo sus direcciones). También se pueden utilizar servicios de emparejamiento.
El uso de identificadores de clúster impone la vinculación de entidades complementarias mediante tablas vinculantes, que son mantenidas por los coordinadores Zigbee, ya que la tabla siempre debe estar disponible dentro de una red y es más probable que los coordinadores tengan un suministro de energía permanente. Es posible que algunas aplicaciones necesiten copias de seguridad, administradas por capas de nivel superior. La vinculación requiere un vínculo de comunicación establecido; una vez que existe, se decide si se agrega un nuevo nodo a la red, de acuerdo con la aplicación y las políticas de seguridad.
La comunicación puede ocurrir inmediatamente después de la asociación. El direccionamiento directo utiliza tanto la dirección de radio como el identificador del punto final, mientras que el direccionamiento indirecto utiliza todos los campos relevantes (dirección, punto final, clúster y atributo) y requiere que se envíen al coordinador de la red, que mantiene las asociaciones y traduce las solicitudes de comunicación. El direccionamiento indirecto es particularmente útil para mantener algunos dispositivos muy simples y minimizar su necesidad de almacenamiento. Además de estos dos métodos, está disponible la transmisión a todos los puntos finales de un dispositivo y el direccionamiento de grupo se utiliza para comunicarse con grupos de puntos finales que pertenecen a un conjunto específico de dispositivos.
Como una de sus características definitorias, Zigbee proporciona instalaciones para realizar comunicaciones seguras , proteger el establecimiento y transporte de claves criptográficas y cifrar datos. Se basa en el marco de seguridad básico definido en IEEE 802.15.4.
El mecanismo básico para garantizar la confidencialidad es la protección adecuada de todo el material de claves. Las claves son la piedra angular de la arquitectura de seguridad; como tal, su protección es de suma importancia y nunca se supone que las claves se transporten a través de un canal inseguro . Se produce una excepción momentánea a esta regla durante la fase inicial de incorporación a la red de un dispositivo previamente no configurado. Se debe asumir confianza en la instalación inicial de las claves, así como en el procesamiento de la información de seguridad. El modelo de red Zigbee debe tener especial cuidado en las consideraciones de seguridad, ya que las redes ad hoc pueden ser físicamente accesibles para dispositivos externos. Tampoco se puede predecir el estado del entorno laboral.
Dentro de la pila de protocolos, las diferentes capas de red no están separadas criptográficamente, por lo que se necesitan políticas de acceso y se asume un diseño convencional. El modelo de confianza abierta dentro de un dispositivo permite compartir claves, lo que reduce notablemente el costo potencial. Sin embargo, la capa que crea el marco es responsable de su seguridad. Como pueden existir dispositivos maliciosos, cada carga útil de la capa de red debe cifrarse, de modo que el tráfico no autorizado pueda cortarse inmediatamente. La excepción, nuevamente, es la transmisión de la clave de red, que confiere una capa de seguridad unificada a la red, a un nuevo dispositivo de conexión.
La arquitectura de seguridad de Zigbee se basa en CCM*, que agrega funciones de cifrado e integridad únicamente al modo CCM . [31] Zigbee utiliza claves de 128 bits para implementar sus mecanismos de seguridad. Una clave puede estar asociada a una red, siendo utilizable por las capas Zigbee y la subcapa MAC, o a un enlace, adquirido mediante preinstalación, acuerdo o transporte. El establecimiento de claves de enlace se basa en una clave maestra que controla la correspondencia de las claves de enlace. En última instancia, al menos, la clave maestra inicial debe obtenerse a través de un medio seguro (transporte o preinstalación), ya que de ello depende la seguridad de toda la red. Las claves maestras y de enlace solo son visibles para la capa de aplicación. Los diferentes servicios utilizan diferentes variaciones unidireccionales de la clave de enlace para evitar fugas y riesgos de seguridad.
La distribución de claves es una de las funciones de seguridad más importantes de la red. Una red segura designará un dispositivo especial, el centro de confianza , en el que otros dispositivos confían para la distribución de claves de seguridad. Idealmente, los dispositivos tendrán precargadas la dirección del centro de confianza y la clave maestra inicial; si se permite una vulnerabilidad momentánea, se enviará como se describe anteriormente. Las aplicaciones típicas sin necesidades especiales de seguridad utilizarán una clave de red proporcionada por el centro de confianza (a través del canal inicialmente inseguro) para comunicarse.
Por tanto, el centro de confianza mantiene la clave de la red y proporciona seguridad punto a punto. Los dispositivos solo aceptarán comunicaciones que se originen a partir de una clave proporcionada por el centro de confianza, excepto la clave maestra inicial. La arquitectura de seguridad se distribuye entre las capas de red de la siguiente manera:
Según la revista informática alemana Heise Online , Zigbee Home Automation 1.2 utiliza claves alternativas para la negociación de cifrado que son conocidas y no se pueden cambiar. Esto hace que el cifrado sea muy vulnerable. [32] [33] El estándar Zigbee 3.0 presenta características de seguridad mejoradas y mitiga la debilidad antes mencionada al brindarles a los fabricantes de dispositivos la opción de usar una clave de instalación personalizada que luego se envía junto con el dispositivo, evitando así que el tráfico de red use el respaldo. clave por completo. Esto garantiza que todo el tráfico de la red esté cifrado de forma segura incluso mientras se empareja el dispositivo. Además, todos los dispositivos Zigbee necesitan aleatorizar su clave de red, sin importar qué método de emparejamiento utilizaron, mejorando así la seguridad de los dispositivos más antiguos. El coordinador Zigbee dentro de la red Zigbee se puede configurar para denegar el acceso a dispositivos que no empleen esta aleatorización de claves, lo que aumenta aún más la seguridad. Además, el protocolo Zigbee 3.0 presenta contramedidas contra la eliminación de dispositivos ya emparejados de la red con la intención de escuchar el intercambio de claves al volver a emparejarlos.
Se pueden utilizar simuladores de red, como ns-2 , OMNeT++ , OPNET y NetSim para simular redes Zigbee IEEE 802.15.4. Estos simuladores vienen con bibliotecas C o C++ de código abierto para que los usuarios las modifiquen. De esta manera, los usuarios pueden determinar la validez de nuevos algoritmos antes de la implementación del hardware.
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