Creación de redes IoT confiables con IEEE 802.15.4 y 6LoWPAN

El Internet industrial de las cosas se basa en redes distribuidas de sensores/control a gran escala que pueden funcionar sin supervisión durante meses o años con un consumo de energía muy bajo. El comportamiento característico de este tipo de red implica ráfagas muy cortas de tráfico de mensajes en distancias cortas utilizando tecnologías inalámbricas, a menudo descritas como red de área personal inalámbrica de baja velocidad (LR-WPAN). Mantenemos los marcos de datos cortos para disminuir la posibilidad de que la interferencia de radio obligue a la necesidad de retransmitir. Uno de esos enfoques LR-WPAN utiliza el estándar IEEE 802.15.4. Esto describe una capa física y un control de acceso a los medios que a menudo se utilizan en las aplicaciones de automatización y control industrial denominadas control de supervisión y adquisición de datos (SCADA).

Figura 1.Formato de trama IEEE 802.15.4

En la IoT, los dispositivos locales “de borde”, generalmente sensores, recopilan datos y los envían a un centro de datos – “la nube” – para su procesamiento. Para llevar los datos a la nube es necesario comunicarse mediante la pila de protocolos IP estándar. Esto se puede hacer conectando directamente los dispositivos perimetrales a través de Internet a los centros de datos:el "modelo de nube". O bien, podemos comunicarnos desde los dispositivos perimetrales hasta un punto de recopilación conocido como puerta de enlace fronteriza para que los datos se transmitan desde allí al centro de datos:el "modelo de niebla".

Este artículo describirá las características de las redes IEEE 802.15.4, específicamente la implementación de IPv6 del Grupo de trabajo de ingeniería de Internet (IETF) sobre redes de área personal inalámbricas de bajo consumo (6LoWPAN). Esta implementación es compatible con los modelos de nube y de niebla.

Capa PHY IEEE 802.15.4

La familia de estándares IEEE 802 se divide en varios grupos de tareas, incluidos 802.3 (Ethernet) y 802.11 (Wi-Fi), así como 802.15 (PAN inalámbrico). En particular, IEEE 802.15.4 (15.4 para abreviar) es responsabilidad del Grupo de tareas 4, que es responsable de varias características del protocolo, incluido el espectro de RF y las capas físicas. El estándar 15.4 se ha ampliado para incluir PHY de identificación por radiofrecuencia (RFID) y PHY de banda ultraancha (UWB), y también se está analizando como una posible solución para las comunicaciones de automóvil a automóvil y de automóvil a acera.

802.15.4 solo aborda las capas física (PHY) y de control de acceso a medios (MAC); en el modelo de red OSI, las capas uno y dos. Deja las capas superiores al implementador. En la capa tres y superiores, hay una gran cantidad de ofertas que incluyen Zigbee, Z-Wave, Thread y 6LoWPAN. Cada uno de ellos implementa el resto del modelo de protocolo OSI para ofrecer servicios como enrutamiento y descubrimiento, así como API para aplicaciones de usuario.

Figura 2. Opciones de topología

En general, 15.4 admite velocidades de transferencia de datos de 20 Kbit/s, 40 Kbit/s, 100 Kbit/s (próximamente) y 250 Kbit/s. El marco básico supone un alcance de 10 metros a 250 Kbit/s. Se pueden lograr velocidades de datos incluso más bajas para limitar aún más el consumo de energía. A pesar de la especificación de alcance de 10 metros (32 pies), en la banda ISM de 2,4 GHz, los alcances típicos alcanzables para las radios IEEE 802.15.4 son del orden de 100 pies en interiores y de 200 a 300 pies en exteriores. En las frecuencias sub-GHz, se han demostrado implementaciones prácticas del protocolo en rangos de más de 6,5 km (4 millas) con antenas apropiadas en la banda ISM de 900 MHz.

En la capa física, IEEE 802.15.4 gestiona el transceptor de RF y la selección de canales, así como las instalaciones de gestión de energía y señales. Actualmente hay seis PHY definidas, según el rango de frecuencia y el rendimiento de datos requerido. Cuatro de ellos utilizan técnicas de salto de frecuencia de espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS). El espectro ensanchado de chirp (CSS) se utiliza en las bandas de frecuencia de banda ultra ancha (UWB) y de 2450 MHz. El espectro ensanchado de secuencia paralela (PSSS) está disponible solo con la técnica híbrida de modulación por desplazamiento de amplitud/binaria que se encuentra en la banda europea de 868 MHz.

El tamaño de trama para 15.4 es de 133 bytes, incluidos PHY, MAC y la carga útil de datos. El formato de este cuadro se puede ver en la Figura 1. Al mantener el cuadro relativamente corto, podemos limitar la cantidad de tiempo necesario para transmitirlo y al mismo tiempo limitar la probabilidad de interferencia de radio debido al funcionamiento normal de los equipos industriales.

Capa MAC IEEE 802.15.4

La capa MAC IEEE 802.15.4 (capa dos del modelo OSI - capa de enlace de datos) es responsable de:

• Ingreso y salida del PAN;
• Acceso múltiple con detección de operador y prevención de colisiones (CSMA-CA) para acceso al canal;
• Transmisiones en franja horaria garantizada (GTS);
• Establecer un vínculo confiable entre dos entidades MAC pares;
• Transmisiones de balizas para un coordinador;
• Sincronización con las balizas.

Además, la capa MAC admite el uso de cifrado simétrico mediante el algoritmo de cifrado AES-128. También hay opciones para hashes basados ​​en SHA y listas de control de acceso para limitar la transferencia de información confidencial a nodos o enlaces específicos. Finalmente, MAC calcula una verificación de actualización entre recepciones de cuadros para ayudar a minimizar la posibilidad de que cuadros antiguos que pueden haber estado viajando por una ruta tortuosa se entreguen tarde a los protocolos de capa superior.

Tipos de nodos y topologías de red

Figura 3. Compresión del encabezado IP del encabezado IPv6

IEEE 802.15.4 identifica dos tipos diferentes de nodos de red:dispositivos de función reducida (RFD) y dispositivos de función completa (FFD). Los FFD pueden comunicarse con otros FFD o con RFD e incluso pueden crear sus propias redes. Sin embargo, los RFD sólo pueden comunicarse con los FFD. Esto implica una jerarquía que conduce a dos posibles topologías de red:una topología en estrella o una topología de igual a igual, como una malla. Estos se muestran en la Figura 2.

La topología en estrella es la más fácil y menos costosa de implementar, solo requiere un único FFD. El resto de dispositivos pueden ser RFD o FFD, según la implementación. La desventaja de la topología en estrella es que el coordinador representa un único punto de falla. Esto puede provocar un fallo total de la red y debe evitarse en todas las aplicaciones excepto en las más simples.

El uso de una topología de malla proporciona múltiples rutas de comunicación redundantes para garantizar la entrega de mensajes. Cuando se ejecuta en modo malla, la red es esencialmente una entidad ad hoc y autoorganizada. Por lo tanto, la conectividad puede continuar a pesar de los cambios en las características de propagación de RF, como las trayectorias múltiples o los efectos del follaje. El uso de una topología de malla también permite nodos móviles, como los que se encuentran en la robótica industrial. Una "malla con pérdidas" es aquella en la que no todos los enlaces son confiables, por lo que se utiliza un protocolo de enrutamiento de capa superior para redirigir el tráfico de mensajes según la conectividad en un momento dado.

IPv6

Debido al agotamiento del espacio de direcciones IPv4, existe un interés considerable en la transición a IPv6, que proporciona la capa tres (red) y la capa cuatro (transporte) y se ubica por encima de la capa MAC. Normalmente, IPv6 utiliza un encabezado de cuarenta bytes y proporciona 128 bits de espacio de direcciones, lo que puede manejar incluso las estimaciones más grandes para dispositivos conectados a IoT.

Figura 4. Enrutador fronterizo Raspberry Pi con módulo 6LoWPAN

Sin embargo, cuando se combina con la sobrecarga de cifrado AES-128, el uso de un encabezado IPv6 de tamaño predeterminado dejaría sólo treinta y tres bytes para la carga útil del usuario en la trama. Se introdujo la compresión de encabezados IP (IPHC) para solucionar el problema. Esto puede reducir el tamaño del encabezado IPv6 a tan solo diez bytes, incluido el enrutamiento para atravesar Internet. Esta IPHC se puede ver en la Figura 3.

Esta combinación de IPv6, IPHC y TCP/UDP estándar situada encima de las capas 15.4 PHY y MAC es lo que se conoce como 6LoWPAN. Cuando se combina con el uso de sockets estilo POSIX, el desarrollador puede realizar la entrega de paquetes de un extremo a otro en cualquier parte del mundo utilizando protocolos de Internet normales.

Implementación de 6LoWPAN para IoT

Existen muchas implementaciones de 6LoWPAN. Uno es 6LoWPAN sub-GHz para la infraestructura de medición avanzada (AMI) actualmente implementada en medidores de energía para uso residencial. Estos medidores brindan a las empresas de servicios públicos un medio para leer y controlar el uso de energía en toda la red eléctrica. Se basan en una función de enrutamiento de malla con pérdidas para garantizar la entrega de mediciones de medidores independientemente de los efectos atmosféricos o de múltiples rutas, como la lluvia o la nieve.

6El tamaño del código LoWPAN es moderado. La implementación típica es del orden de unos 30 KB y, a menudo, se implementa directamente en las radios de empresas como Texas Instruments, Silicon Labs y otras. Este enfoque proporciona una interfaz estilo UART entre el microcontrolador del sensor y la radio, descargando así la sobrecarga del protocolo a la unidad de radio.

Alternativamente, muchos sistemas operativos, como Linux, ya implementan 6LoWPAN en varias plataformas de radio. Esto prevé el uso de puertas de enlace fronterizas basadas en Linux para brindar seguridad a los dispositivos perimetrales utilizando un modelo de niebla a través de núcleos reforzados, firewalls de próxima generación y más. La puerta de enlace fronteriza también se puede utilizar para proporcionar filtrado y compresión de datos para reducir los costos generales de comunicación.

Dado que 6LoWPAN es compatible con los protocolos normales de Internet, el desarrollador es libre de aprovechar protocolos de nivel superior como MQTT, CoAP y HTTP para las comunicaciones de una aplicación a otra. Un enrutador fronterizo que interactúa con 6LoWPAN en el lado sur y con IPv4 o IPv6 estándar en el lado norte puede proporcionar fácilmente traducciones automáticas de traducción de direcciones de red (NAT) del formato de paquete interno 6LoWPAN a IPv6 estándar o mediante NAT64 a IPv4 estándar. Esto hace que el direccionamiento del dispositivo perimetral sea completamente transparente para la nube y para el desarrollador. En la Figura 4 se muestra un enrutador de borde basado en Raspberry Pi con un módulo 6LoWPAN conectado.

Resumen

El IoT tiene que ver con la conectividad y el estándar IEEE 802.15.4 proporciona un medio ideal para implementarlo:funcionamiento de bajo consumo a través de una malla con pérdidas. El uso de 6LoWPAN sobre IEEE 802.15.4 proporciona una conectividad segura y transparente con la nube y reduce significativamente la carga de los desarrolladores y diseñadores de sistemas al proporcionar protocolos estándar compatibles con IP y bibliotecas fácilmente disponibles.

Este artículo fue escrito por Mike Anderson, CTO/Científico jefe de The PTR Group (Ashburn, VA). Para obtener más información, haga clic aquí.