Construcción de redes IoT fiables con IEEE 802.15.4 y 6LoWPAN

El Internet Industrial de las Cosas se basa en redes de sensores/control distribuidas a gran escala que pueden funcionar desatendidas durante meses o años con consumo de energía muy bajo. El comportamiento característico de este tipo de red implica ráfagas muy cortas de tráfico de mensajes sobre distancias cortas usando tecnologías inalámbricas, a menudo descrito como red personal inalámbrica de baja tasa (LR-WPAN). Mantenemos las tramas de datos cortas para reducir la posibilidad de interferencia de radio forzando la necesidad de retransmitir. Un enfoque LR-WPAN usa el estándar IEEE 802.15.4. Este describe una capa física y control de acceso al medio usados a menudo en aplicaciones de control industrial y automatización denominadas SCADA (Control Supervisorio y Adquisición de Datos).

Modelos de conectividad: nube vs. niebla

En el IoT, dispositivos "edge" locales, típicamente sensores, recopilan datos y los envían a un centro de datos —"la nube"— para procesamiento. Llevar los datos a la nube requiere comunicar usando la pila de protocolo IP estándar. Esto puede hacerse conectando directamente los dispositivos edge vía Internet a los centros de datos —el "modelo nube". O podemos comunicar desde dispositivos edge a un punto de recopilación conocido como gateway fronterizo para que los datos se retransmitan desde allí al centro de datos —el "modelo niebla".

Este artículo describe características de redes IEEE 802.15.4, específicamente la implementación IPv6 over Low-power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN) del Internet Engineering Task Force (IETF). Esta implementación soporta ambos modelos, nube y niebla.

Capa PHY IEEE 802.15.4

La familia de estándares IEEE 802 se divide en varios grupos de trabajo incluyendo 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 Trabajo 4, responsable de varias características del protocolo incluyendo espectro RF y capas físicas. El estándar 15.4 se ha expandido para incluir PHYs RFID, PHYs de banda ultraancha (UWB), y se discute como posible solución para comunicaciones coche-a-coche y coche-a-acera.

802.15.4 solo aborda las capas física (PHY) y control de acceso al medio (MAC) —en el modelo OSI, capas uno y dos. Deja las capas superiores al implementador. En capa tres y superior, hay una plétora de ofertas incluyendo Zigbee, Z-Wave, Thread y 6LoWPAN. Cada una implementa el resto del modelo de protocolo OSI para entregar servicios como enrutamiento y descubrimiento así como APIs para aplicaciones de usuario.

Rendimiento y alcance

En general, 15.4 soporta tasas de transferencia a 20, 40, 100 (próximamente) y 250 Kbit/s. El marco básico asume un alcance de 10 metros a 250 Kbit/s. Tasas aún menores son alcanzables para limitar aún más el consumo. A pesar de la especificación de 10 metros (32 pies), en la banda ISM 2.4GHz, los alcances típicos para radios IEEE 802.15.4 son del orden de 100 pies en interiores y 200-300 pies en exteriores. En frecuencias sub-GHz, implementaciones prácticas del protocolo se han demostrado a alcances de más de 6,5 km (4 millas) con antenas apropiadas en la banda ISM 900 MHz.

En la capa física, IEEE 802.15.4 gestiona el transceptor RF y selección de canal, así como instalaciones de gestión de energía y señal. Hay seis PHYs definidos actualmente, dependiendo del rango de frecuencia y rendimiento requerido. Cuatro usan técnicas de salto de frecuencia por espectro ensanchado por secuencia directa (DSSS). Espectro ensanchado por chirrido (CSS) se usa en bandas Ultra-Wide Band (UWB) y 2450 MHz. Espectro ensanchado por secuencia paralela (PSSS) está disponible solo con la técnica de modulación híbrida binaria/cambio de amplitud en la banda europea 868 MHz.

El tamaño de trama para 15.4 es 133 bytes incluyendo PHY, MAC y carga útil de datos. El formato se ve en la Figura 1. Manteniendo la trama relativamente corta, limitamos el tiempo necesario para transmitirla mientras limitamos simultáneamente la probabilidad de interferencia por operación normal de equipos industriales.

Capa MAC IEEE 802.15.4

La capa MAC (capa dos del modelo OSI —enlace de datos) es responsable de:

• Unirse y abandonar la PAN
• Acceso al canal CSMA-CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)
• Transmisiones en ranura de tiempo garantizada (GTS)
• Establecer un enlace fiable entre dos entidades MAC pares
• Transmisiones de baliza para un coordinador
• Sincronización a las balizas

Además, la capa MAC soporta cifrado simétrico usando algoritmo AES-128. Hay opciones para hashes basados en SHA y listas de control de acceso para limitar transferencia de información sensible a nodos o enlaces específicos. Finalmente, la MAC computa una verificación de frescura entre recepciones de tramas para minimizar el potencial de tramas antiguas que hayan viajado por un camino tortuoso de ser entregadas tarde a protocolos de capa superior.

Tipos de nodos y topologías de red

IEEE 802.15.4 identifica dos tipos de nodos: dispositivos de función reducida (RFD) y dispositivos de función completa (FFD). Los FFD pueden hablar con otros FFD o con RFD e incluso crear sus propias redes. Sin embargo, los RFD solo pueden hablar con FFD. Esto implica una jerarquía que lleva a dos topologías posibles: estrella o malla (peer-to-peer). Se muestran en la Figura 2.

La topología estrella es la más fácil y barata de implementar, solo requiere un FFD. El resto pueden ser RFD o FFD según implementación. El inconveniente es que el coordinador representa un punto único de fallo, pudiendo resultar en fallo total de la red, y debe evitarse salvo en aplicaciones simples.

El uso de topología malla proporciona múltiples rutas de comunicación redundantes para asegurar entrega de mensajes. En modo malla, la red es esencialmente una entidad ad hoc auto-organizativa. La conectividad puede continuar a pesar de características cambiantes de propagación RF como multi-ruta o efectos de follaje. La malla también permite nodos móviles, como en robótica industrial. Una "malla con pérdidas" es donde no todos los enlaces son fiables, así que un protocolo de enrutamiento de capa superior reencamina el tráfico basado en conectividad en cada momento.

IPv6 y compresión de cabecera

Por el agotamiento del espacio de direcciones IPv4, hay gran interés en transicionar a IPv6, que proporciona capa tres (red) y cuatro (transporte) sobre la capa MAC. Normalmente IPv6 usa una cabecera de 40 bytes y 128 bits de espacio de direcciones, suficiente para las mayores estimaciones de dispositivos IoT conectados.

Sin embargo, acoplado con sobrecarga de cifrado AES-128, el uso de una cabecera IPv6 de tamaño por defecto dejaría solo 33 bytes para carga útil de usuario en la trama. La compresión de cabecera IP (IPHC) se introdujo para abordar esto. Puede reducir la cabecera IPv6 a solo 10 bytes, incluyendo enrutamiento para traversia de Internet. Se ve en la Figura 3.

Esta combinación de IPv6, IPHC y TCP/UDP estándar sobre las capas PHY y MAC de 15.4 es lo que se conoce como 6LoWPAN. Acoplado con sockets estilo POSIX, el desarrollador puede tener entrega de paquetes end-to-end en cualquier parte del mundo usando protocolos de Internet normales.

Implementando 6LoWPAN para IoT

Hay muchas implementaciones existentes de 6LoWPAN. Una es 6LoWPAN sub-GHz para infraestructura de medición avanzada (AMI) en contadores de energía residenciales. Estos dan a utilities medios para leer y controlar uso de energía en la red eléctrica. Confían en enrutamiento malla con pérdidas para asegurar entrega de mediciones sin importar multi-ruta o efectos atmosféricos como lluvia o nieve.

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

Alternativamente, muchos sistemas operativos como Linux ya implementan 6LoWPAN en varias plataformas de radio. Esto permite usar gateways fronterizos basados en Linux para dar seguridad a dispositivos edge usando modelo niebla via kernels endurecidos, firewalls de nueva generación, y más. El gateway fronterizo también puede usarse para filtrado y compresión de datos para reducir costes de comunicación.

Como 6LoWPAN es compatible con protocolos de Internet normales, el desarrollador puede aprovechar protocolos de nivel superior como MQTT, CoAP y HTTP para comunicaciones de aplicación a aplicación. Un router fronterizo que interfaz con 6LoWPAN en el lado sur y IPv4 o IPv6 estándar en el lado norte puede proporcionar fácilmente traducción de direcciones de red (NAT) automática desde formato de paquete 6LoWPAN interno a IPv6 estándar o via NAT64 a IPv4 estándar. Esto hace que el direccionamiento del dispositivo edge sea completamente transparente para la nube y el desarrollador. Un router fronterizo basado en Raspberry Pi con módulo 6LoWPAN se muestra en la Figura 4.

Resumen

El IoT trata de conectividad y el estándar IEEE 802.15.4 proporciona un medio ideal para implementarlo —operación de bajo consumo a través de malla con pérdidas. El uso de 6LoWPAN sobre IEEE 802.15.4 proporciona conectividad segura y transparente con la nube y reduce significativamente la carga en desarrolladores y diseñadores de sistemas proporcionando protocolos compatibles con IP estándar y bibliotecas fácilmente disponibles.

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