ZigBee 0. Deckblatt. ZigBee und der IEEE Standard. von Annekathrin Lieder

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1 0. Deckblatt ZigBee und der IEEE Standard von Annekathrin Lieder

2 0. Deckblatt 1 Einführung 2 Grundlagen 3 ZigBee 3.1 Namensgebung 3.2 ZigBee Allianz 3.3 Anwendung 3.4 ZigBee Geräte 3.5 Netzwerktopologien 4 Funkstandard 4.1 Aufbau ZigBee Stack 4.2 Datenübertragungsrate 4.3 Adressierung und Rahmenaufbau 4.4 Kanalzugriff 4.5 Sicherheit in ZigBee 5 Fazit 6 Quellen

3 1 Einführung Funknetzwerke bieten Komfort drahtloser Verbindungen Kosten für die teure Installation von Kabeln entfallen ZigBee-Geräte haben eine sehr geringe Stromaufnahme Funkknoten eine Lebensdauer von mehreren Jahren Nachteil: Zigbee bietet deutlich weniger Bandbreite ZigBee: steht für den neuen technischen Standard IEEE bezeichnet zugleich auch eine Allianz von Elektronikherstellern

4 1 Einführung Datenratenbedarf verschiedener Funktechnologien Quelle:

5 2 Grundlagen IEEE entstand am 1. Januar 1963 bildet Gremien für Normung von Techniken, Hardware und Software Ausarbeitung verschiedener Standards Normungsgremium 802: entwickelt Standards für Ethernet-Techniken, aber auch für LAN und MAN konzentriert sich besonders auf die beiden unteren Schichten des OSI- Referenzmodells innerhalb des 802 Projektes: verschiedene Arbeitsgruppen Arbeitsgruppe : arbeitet an Standards für Funknetze mit kleiner Reichweite führt Bezeichnung WPAN ein und spezifiziert die drahtlose Kommunikation

6 2 Grundlagen IEEE und ZigBee als Synonym verwendet IEEE spezifiziert Bitübertragungsschicht und die MAC-Ebene Schwerpunkte bei der Entwicklung: zuverlässige Kommunikation geringer Stromverbrauch von Sender und Empfänger Stabilität und Sicherheit der Verbindungen erste Ansätze zur Beschreibung von Netzwerken zu finden Netzwerkarchitekturen: Stern und Baum

7 2 Grundlagen Einordnung IEEE und ZigBee in das OSI-Modell Quelle:

8 3.1 Namensgebung Honigbiene stand Pate abgeleitet vom zick-zack-förmigen Tanz der Biene übermittelt so Informationen an ihre Artgenossen im Englischen als ZigBee Principle bezeichnet nicht immer sind alle Router zur Datenübermittlung frei verfügbar Geräte übertragen gerade selbst Daten Störung aufweisen oder sie sind gerade abgeschaltet im Zufallsprinzip (Zickzackkurs) kommen Datenpakete zum Ziel

9 3.2 ZigBee Allianz ZigBee-Allianz wurde Ende 2002 mit mehr als 30 Mitgliedern gegründet Gründungsmitglieder: Honeywell, Mitsubishi, Motorola, Philips u.a. heute: insgesamt über 100 namhafte Unternehmen zusammengeschlossen Partnerfirmen profitieren von: von erhöhter Industriekonkurrenzfähigkeit Mitglieder nehmen aktiv an Weiterentwicklung der ZigBee- Spezifikationen teil

10 3.2 ZigBee Allianz Ziele der ZigBee Allianz: Bereitstellen einer Sicheren kostengünstigen leistungsarmen und drahtlosen Funktechnologie mit hoher Übertragungssicherheit für große Funknetzwerke (theoretisch Knoten, sinnvoll 255 Knoten) basierend auf einem weltweit einheitlichen Standard

11 3.3 Anwendung Industrie- und Automatisierungstechnik Heim- und Gebäudeautomatisierung Anlagensteuerung Güterüberwachung Anwendung Gebäudesicherheit Klima- und Heizungssteuerung Lichtschaltung Konsumentenbereich Medizintechnik drahtlose Steuerung von Multimediageräten Anschluss Peripheriegeräten an den Computer Überwachung der Vitalfunktionen

12 3.4 ZigBee Geräte Reduced Function Device (RFD) beschränkt auf Stern-Topologie kann nicht die Rolle der Netzwerkkoordinators übernehmen kann nur mit FFD (Koordinator) kommunizieren einfache Implementierung - minimaler RAM und ROM üblicherweise batteriebetrieben Full Function Device (FFD) funktioniert in jeder Topologie kann die Rolle des Netzwerk- Koordinators übernehmen kann mit jedem anderen Gerät im Netz kommunizieren (FFD/RFD) braucht RAM für Routingtabellen üblicherweise netzbetrieben

13 3.4 ZigBee Geräte ZigBee-Koordinator: genau einen in einem Netzwerk wichtige Verwaltungsaufgaben Vergabe von Adressen Unterhalten einer Routing-Tabelle gibt grundlegende Parameter des Netzwerks vor steuert alle Knoten und speichert deren Informationen Klasse: Full Function Devices

14 3.4 ZigBee Geräte ZigBee-Router: können mehrere in einem Netzwerk existieren stellt Synchronisationsdienste für den Medienzugriff zur Verfügung vermittelt Daten zwischen Netzwerkknoten dient zur Vergrößerung der Reichweite Klasse: Full Function Devices ZigBee End Device: agiert als äußerer Zweigknoten Full Function Device oder Reduced Function Device FFD: noch gewisse Routing-Funktionalität

15 3.5 Netzwerktopologien IEEE Standard: Stern und Baum im Industrie-Bereich komplexere Strukturen im ZigBee Standard definiert z. B. vermaschte Netze Quelle:

16 4.1 Aufbau ZigBee Stacks Quelle:

17 4.2 Datenübertragungsrate Quelle:

18 4.3 Adressierung und Rahmenaufbau Quelle: allgemeiner Aufbaus des Rahmens

19 4.3 Adressierung und Rahmenaufbau Data-Rahmen Quelle: _Terhalle_ZigBee_Theorie_01.pdf

20 4.3 Adressierung und Rahmenaufbau Acknowledgment-Rahmen Quelle: _Terhalle_ZigBee_Theorie_01.pdf

21 4.3 Adressierung und Rahmenaufbau Command-Rahmen Quelle:

22 4.3 Adressierung und Rahmenaufbau Beacon-Rahmen Quelle:

23 4.4 Kanalzugriff 2 verschiedenen Varianten: non-beaconing beacon-enabled non-beaconing: Kanalzugriff via CSMA/CA-Verfahren Problem: sendende Station kann nicht ungestörte Datenankunft beim Empfänger sicherstellen Lösung: beacon-enabled-netzwerk Superframe-Struktur verwendet kann sehr flexibel den Anforderungen der Anwendung angepasst werden Koordinator nimmt Konfiguration und Verwaltung vor

24 4.4 Kanalzugriff Superframe-Struktur zeichnet sich durch periodisch versendeten Beacon- Frames aus Beacon-Frames enthalten Konfigurationsinformationen Quality of Service-Mechanismus enthalten Gerät kann beim Koordinator garantierte Timeslots anfordern alleinige Nutzung Verwendung von CSMA/CA hinfällig nur eine direkte Kommunikation mit Koordinator bei periodisch auftretenden Kommunikationsströmen: Übertragung Echtzeiteigenschaften

25 4.5 Sicherheit um Sicherheitsanforderungen gerecht zu werden mehrstufigen Sicherheitskonzept Schicht die Frame erstellt ist für dessen Sicherheit zuständig Schlüsselaustausch zwischen sendendem und empfangendem Gerät mit alleinigem Zugriffsrecht Frames können dadurch über mehrere Funkzellen hinweg geroutet und müssen nicht in jedem Knoten ent- und wieder verschlüsselt werden symmetrische Verschlüsselung: nach dem AES-Standard und asymmetrische Verschlüsselung: nach ECC-Verschlüsselungsverfahren

26 5 Fazit Zukunft: Funksensoren wechseln selbstständig in Stand-By Betrieb dann blitzschnell funktionsbereit sein, ohne aus Takt zu geraten Grund: Batterie-/ Akkubetrieb der Sensoren Durchsetzung Kurzstreckenfunktechnik in Industrieelektronik und Automatisierung Heimvernetzung wird Trend folgen rasanter technischer Fortschritt: Technologien relativ kurze Lebensdauer ZigBee auf lange Sicht gesehen von immer wieder neuen und besseren Technologien abgelöst

27 6 Quellen _Terhalle_ZigBee_Theorie_01.pdf

28 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit