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:: As Redes com ZigBee

José Mauricio Santos Pinheiro em 27/07/2004

 

Introdução

Um número cada vez maior de usuários de redes de computadores tem optado por soluções baseadas em topologias sem fio (wireless), ao invés de redes com cabeamento convencional, especialmente quando se trata de ampliação ou melhoria de uma rede existente.

Os avanços recentes das tecnologias de redes sem fio possibilitaram o surgimento de várias alternativas e padrões de implementação, mas até recentemente a grande maioria tinha como premissa principal prover um conjunto de protocolos que garantissem a qualidade para a transmissão de voz ou de dados com altas taxas de transferência, o que tornava os equipamentos bastante caros e pouco atraentes para outras aplicações mais simples.

Ainda são poucos os padrões de redes sem fio para aplicações em redes locais utilizando sensores e outros dispositivos do controle. O que temos são basicamente sistemas proprietários, desenvolvidos para atender redes específicas, como as redes de automação industrial, por exemplo, onde aplicações com sensores (de temperatura, de umidade, gases, etc) e dispositivos de controle (chaves, relés, etc) não necessitam de uma largura de banda elevada para funcionarem, mas necessitam de uma latência baixa e consumo de energia igualmente baixo para preservar a vida útil das baterias. Nesses casos, os sistemas wireless foram projetados para atenderem às exigências específicas dessas aplicações.

As redes sem fio

As recomendações do IEEE (Institute of Electrical and Eletronics Engineers), particularmente as recomendações da série IEEE 802.11, são os exemplos mais conhecidos para os padrões de redes sem fio e que nos permitem considerar a existência de quatro grandes grupos:

WPAN (Wireless Personal Area Network) - Onde estão as tecnologias wireless de pequeno alcance (entre 10 e 100 metros). É um padrão para redes locais, definido pelo IEEE 802.15, para o endereçamento de redes sem fio que utilizam dispositivos portáteis ou móveis tais como PC’s, PDA’s, periféricos, celulares, pager’s, etc;

WLAN (Wireless Local Area Network) – Onde estão as tecnologias sem fio destinadas à interligação de redes locais com alcance entre 100 e 300 metros. Trata-se de padrão implementado como extensão ou alternativa para as redes com cabeamento convencional (par metálico ou fibra óptica);

WMAN (Wireless Metropolitan Area Network) - Neste grupo temos as tecnologias que tratam dos acessos de banda larga para última milha para redes em áreas metropolitanas, com alcance em torno de 6km;

WWAN (Wireless Wide Area Network) – Neste grupo estão as tecnologias voltadas para redes de longa distância em telecomunicações, atendendo aos serviços de voz e alguns serviços de dados.

O padrão ZigBee

Atualmente o foco das redes wireless comerciais se encontra no contexto das redes locais (WLAN’s), tanto em soluções proprietárias como nos padrões desenvolvidos pelo IEEE, por exemplo. Com a evolução natural das tecnologias das redes sem fio, estas passaram a atender não só as aplicações corporativas mais sofisticadas como também aquelas envolvendo pequenos volumes de dados que exigem baixas taxas de transmissão como, por exemplo, o controle de equipamentos eletroeletrônicos. Além disso, outras tecnologias sem fio têm sido utilizadas também com o objetivo de proporcionar a comunicação pessoal e o controle de dispositivos diversos, são as chamadas redes pessoais (WPAN’s).

Basicamente, essas tecnologias têm o propósito de permitir o controle remoto de equipamentos domésticos (TV’s, videocassetes, geladeiras, etc) e periféricos (teclados, mouse, impressoras, etc), eliminando os cabos e tornando mais prática a operação desses equipamentos pelos usuários.

Uma das tecnologias mais recentes dentro desse grupo de redes para aplicações pessoais e que permite o gerenciamento e controle desses dispositivos é o padrão ZigBee, também conhecido como HomeRF Lite e que corresponde ao IEEE 802.15.4, homologado em maio de 2003.

Figura 1 - Aplicações do ZigBee

O padrão ZigBee foi desenvolvido para se tornar uma alternativa de comunicação em redes que não necessitem de soluções mais complexas para seu controle, barateando assim os custos com a aquisição, instalação de equipamentos, manutenção e mão de obra. Trata-se de uma tecnologia relativamente simples, que utiliza um protocolo de pacotes de dados com características específicas, sendo projetado para oferecer flexibilidade quanto aos tipos de dispositivos que pode controlar.

ZigBee Alliance

A ZigBee Alliance, que desenvolve o padrão ZigBee junto ao IEEE, é uma associação que conta com mais de 45 empresas, que trabalham em conjunto para desenvolver um padrão capaz de possibilitar um controle seguro, de baixo custo e de baixa potência em redes sem fio para o controle de diversos equipamentos, incluindo soluções para a automação predial, aplicações em telemedicina e entretenimento (jogos).

Figura 2 – Situação do padrão ZigBee dentro do IEEE 802

Como funciona

Os dispositivos baseados na tecnologia ZigBee operam na faixa ISM que não requer licença para funcionamento, incluindo as faixas de 2,4GHz (Global), 915Mhz (América) e 868Mhz (Europa) e com taxas de transferência de dados de 250kbps em 2,4GHz, 40kbps em 915Mhz e 20kbps em 868Mhz.

O padrão oferece atualmente interfaces com velocidades de conexão compreendidas entre 10Kbps e 115Kbps e com um alcance de transmissão entre 10m e 100m, dependendo diretamente da potência dos equipamentos e de características ambientais (obstáculos físicos, interferência eletromagnética, etc).

Quanto ao problema de alimentação dos dispositivos, os módulos de controle dotados com esta nova tecnologia podem ser alimentados até mesmo por baterias (pilhas) comuns, sendo que sua vida útil está relacionada diretamente com a capacidade da bateria e a aplicação a que se destina. Nesse aspecto, o protocolo ZigBee foi projetado para suportar aplicações com o mínimo de consumo (com pilhas comuns, um dispositivo pode funcionar até 6 meses).

Figura 3 - Comparação do ZigBee com outras tecnologias wireless

Estrutura

Podemos identificar dois tipos de dispositivos em uma rede ZigBee, definidos pelo IEEE:

Full Function Device (FFD) - pode funcionar em toda a topologia do padrão, desempenhando a função de coordenador da rede e conseqüentemente ter acesso a todos os outros dispositivos. Trata-se de dispositivos de construção mais complexa;

Reduced Function Device (RFD) – é limitado a uma configuração com topologia em estrela, não podendo atuar como um coordenador da rede. Pode comunicar-se apenas com um coordenador de rede. São dispositivos de construção mais simples.

Devemos observar que em topologias com configuração estrela, uma rede ZigBee requer pelo menos um dispositivo FFD atuando como coordenador da rede e os demais dispositivos podem ser do tipo RFD para reduzir o custo do sistema. Para topologias ponto-a-ponto (Peer-to-Peer) e em árvore, todos os dispositivos devem ser FFD.

Figura 4 - Topologias para redes ZigBee

A tabela seguinte apresenta uma comparação entre os dispositivos de uma rede ZigBee com suas principais características:

Coordenador da Rede - FFD

Nó da Rede - RFD

Ajustes de parâmetros da rede

Função passiva na rede

Transmite informações pela rede

Efetua buscas por redes disponíveis

Gerencia os nós da rede

Transferência de dados da aplicação

Armazena informações dos nós de rede

Determina o status dos dados

Distribui mensagens entre nós de rede

Solicita dados ao coordenador da rede

Opera tipicamente no estado "active"

Pode permanecer no estado "sleep" por longos períodos

Tabela 1 - Tabela de funcionalidades dos dispositivos ZigBee

Características do Padrão

O padrão ZigBee (IEEE 802.15.4) foi projetado objetivando apresentar as seguintes características:

Consumo de potência baixo e implementação simples, com interfaces de baixo custo;

Dois estados principais de funcionamento: "active" para transmissão e recepção e "sleep", quando não está transmitindo;

Simplicidade de configuração e redundância de dispositivos (operação segura);

Densidade elevada dos nós por a rede. As camadas PHY e MAC permitem que as redes funcionem com grande número de dispositivos ativos. Este atributo é crítico para aplicações com sensores e redes de controle;

Protocolo simples que permite a transferência confiável de dados com níveis apropriados de segurança.

Camadas de Protocolos

A publicação do padrão IEEE 802.15.4, definiu interfaces com baixas taxas de transmissão (menores que 250Kbps) e estabeleceu uma estrutura de rede que incorpora os conceitos de redes ad hoc, características de conexão em malha e em multi-hop (múltiplos saltos). Adicionalmente, novos algoritmos de segurança e perfis de aplicação foram definidos objetivando garantir a segurança e a perfeita interação entre os diversos equipamentos.

Figura 5 - Camadas de protocolos ZigBee

A camada física (PHY) foi projetada para acomodar as necessidades de interfaces de baixo custo, permitindo níveis elevados de integração. O uso da técnica de transmissão de Seqüência Direta (DSS) permite que os equipamentos sejam muito simples, possibilitando implementações mais baratas.

A camada do Media Access Control (MAC) foi projetada para permitir topologias múltiplas com baixa complexidade, onde o gerenciamento de energia, por exemplo, não requer modos de operação complexos. O MAC também permite que um dispositivo com funcionalidade reduzida (RFD) opere na rede sem a necessidade de grandes quantidades de memória disponíveis, podendo controlar também um grande número de dispositivos sem a necessidade de colocá-los "em espera", como ocorre em algumas tecnologias sem fio.

A camada de rede foi projetada para possibilitar o crescimento da rede sem a necessidade de equipamentos de transmissão de potência mais elevada. A camada de rede também pode operar quantidades grandes de nós de rede com latências relativamente baixas.

A camada NWK utiliza um algoritmo que permite implementações da pilha de protocolos visando balancear os custos das unidades em aplicações específicas, o consumo das baterias, buscando produzir soluções com o perfil específico de custo-desempenho para a aplicação.

Segurança

O padrão ZigBee adotou a proposta de um novo algoritmo de segurança, baseado na simplificação do algoritmo de roteamento AODV (Ad-hoc On-demand Distance Vector). Esta proposta foi adotada como parte da especificação IEEE 802.15.4.

A camada MAC utiliza o padrão AES (Advanced Encryption Standard) como seu algoritmo de criptografia, descrevendo uma variedade de rotinas de segurança. Estas rotinas têm como objetivo prover a confidencialidade, a integridade e a autenticidade dos frames da camada MAC. A camada MAC faz o processamento de segurança, mas são as camadas superiores que controlam o processo, ajustando as chaves de criptografia e determinando os níveis de segurança que deverão ser usados. Quando a camada MAC transmite (ou recebe) um frame, verifica o destino (a fonte do frame), recupera a chave associada com esse destino (fonte), e usa então esta chave para processar o frame de acordo com a rotina de segurança designada para a chave que está sendo usada. Cada chave é associada a uma única rotina de segurança e o cabeçalho do frame MAC possui um bit que especifica se a segurança para o frame está habilitada ou não.

Tipos de Tráfego

O padrão suporta diferentes tipos de tráfego de dados que exigem atributos diferentes da camada MAC. O MAC IEEE 802.15.4 é flexível o bastante para assegurar o transporte de cada um dos tipos de tráfego como;

  • Dados periódicos, provenientes de sensores;

  • Dados intermitentes, provenientes de interruptores e chaves;

  • Dados provenientes de dispositivos repetitivos de baixa latência como, por exemplo, um mouse.

Concluindo

As redes sem fio atuais, apesar de serem adequadas para uso ao ar livre ou em ambientes fechados, são particularmente interessantes em recintos
delimitados, tais como residências, prédios de escritórios, hospitais, universidades, fábricas e armazéns. Entretanto, para muitas aplicações, a falta de uma infra-estrutura adequada ou de recursos para investimento devido aos altos custos envolvidos, oferecem dificuldades para sua implementação no controle de algumas atividades cotidianas.

Os custos dos acessos baseados em redes sem fio que utilizam o padrão IEEE 802.11, por exemplo, ainda são proibitivos para muitos usuários de redes e de sistemas de automação. A tecnologia ZigBee surge nesse cenário como uma alternativa viável que possibilita a utilização dos sistemas de controle sem fio para esse tipo de aplicação em dispositivos mais simples.

 

José Maurício Santos Pinheiro
Professor Universitário, Projetista e Gestor de Redes, 
membro da BICSI, Aureside e IEC.

Autor dos livros:
 
· Guia Completo de Cabeamento de Redes ·
· Cabeamento Óptico ·
· Infraestrutura Elétrica para Redes de Computadores
·
· Biometria nos Sistemas Computacionais - Você é a Senha ·

E-mail: jm.pinheiro@projetoderedes.com.br

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