KRETSAR FÖR TRÅDLÖSA NÄTVERK
Bland spännande teknologier för strömsnåla
trådlösa nätverk,
etablerar sig nu ZigBee
alltmer som den dominerande standarden på
marknaden. Tanken med
standarden är främst
att möjliggöra utveckling av produkter för
styrning och övervakning
i våra hem, kontor och
industrimiljöer. Johan
Lönn och Jonas Olsson,
Tritech Technology AB,
ger här en bakgrund till
tekniken och dess möjligheter.
ZigBee Alliance, vilken är den
icke vinstdrivande organisationen
bakom standarden, har nu över
200 medlemmar. Bland dessa
finns företag som: ABB, Philips,
Samsung och Siemens. Hittills har
det levererats över 10 000 ZigBee
utvecklingskit från alliansens
medlemmar.
Arbetet inom ZigBee Alliance
omfattar förutom utvecklingen av
en robust nätverksstandard även
marknadsföring samt det rigorösa
arbetet med att säkerställa interoperabilitet mellan olika tillverkare.
Före utgången av 2006 förväntas
det finnas ZigBee-certifierade
produkter ute på marknaden. Tritech Technology har under ett antal år genomfört ZigBee-baserade
projekt åt kunder i hela världen.
     
ZigBee bygger på IEEE 802.15.4,
vilken definierar det fysiska lagret
(PHY) samt medielagret (MAC).
IEEE 802.15.4 definierar tre
olika frekvensband: 868 MHz
(Europa), 915 MHz (USA) och
2,4 GHz (globalt ISM-band), vilket gör att standarden är tillåten i
stort sett hela världen.
Genom att ZigBee baseras på
IEEE 802.15.4 för radiokommunikation, når ZigBee Alliance
sina mål på låg energiförbrukning, lågt pris, samt en robust
och säker radiokommunikation.
Ovanpå IEEE 802.15.4 specificerar ZigBee Alliance hur nätverks-,
säkerhets- samt applikationslagret
skall fungera.
   
De nätverks topologier som finns
definierade är Star, Cluster och
Mesh. En av de absolut största
fördelarna med ZigBee är nätverkstopologin Mesh. Dess dynamiska
uppbyggnad tillåter att noder förflyttar sig runt i nätverket, samt
att nätverket är självläkande.
Tekniken kan förenklat jämföras
med hur Internet är uppbyggt och
har stöd för ca 65000 enheter i ett
nätverk.
Den första versionen av ZigBee-standarden släpptes i de34
ZigBee - etablerad
teknik för industrin
Det finns tre olika nätverkstopologier för ZigBee.
cember 2004 och har sedan den
publicerats på deras hemsida laddats ned över 30 000 gånger. För
att förenkla och korta ner utvecklingstiden har ZigBee-alliansen
skapat ett certifieringsprogram för
tillverkare av radiokretsar, mjukvarustackar samt moduler. Att basera sin produkt på en certifierad
plattform tillsammans med en av
ZigBee Alliance-godkänd profil
förkortar utvecklingstiden betydligt. All kraft kan då läggas på att
utveckla själva applikationen. Det
finns idag 14 av ZigBee Alliance
godkända plattformar, från bland
annat Texas Instruments, Jennic
samt Freescale. Själva produktcertifieringen utförs av något av ZigBee Alliance oberoende testhus,
för närvarande TUV Rheinland
eller National Technical Systems.
     
I de flesta av dagens ZigBeeapplikationer krävs någon form
säkerhetsrutin. I den första versionen av ZigBee-specifikationen
har ZigBee Alliance definierat
säkerhetsspecifikationer,
som
bland annat bygger på en AES
128-bitars algoritm och innehåller de mest väsentliga säkerhetsbitarna från radiostandarden IEEE
802.15.4. De olika stackprofiler
som är definierade av ZigBee Alliance sköter säkerheten för MAC-,
nätverks- och applikationslagren.
Säkerhetsrutinerna
inkluderar
metoder för generering och transport av nycklar, samt hantering av
vilka enheter som tillåts komma in
i nätverket.
Genom att använda sig av en
publik ZigBee-profil är säkerhetsfrågan redan avklarad. Även vid
användande av en privat ZigBeeprofil är det mycket smidigt och
enkelt att använda någon av de
fördefinierade säkerhetsfunktioner som finns i ZigBee stackens
fördefinierade profiler. Vid utveckling av en ZigBee applikation
är det mycket viktigt att ordentligt
utreda vilken typ av säkerhet som
behövs. Räcker det med att implementera säkerhet på MAC-nivå?
Eller kräver applikationen att
säkerhet finns både på nätverksoch applikationsnivå? Säkerhet
på applikationsnivån använder
en unik sessionsnyckel som endast kan bestyrkas som äkta och
dekrypteras av en annan enhet
med samma nyckel. Förfaringssättet skyddar både mot interna
och externa attacker, men kräver
ett större minne för implementationen.
  -               
Säkerhet på MAC- och nätverksnivå fungerar i stort sett på
samma sätt, genom att säkerställa
transmissioner över ett hopp.
ZigBee Alliance har definierat säkerhetsfunktioer på nätverksnivå
som tar hand om funktioner som
inte tas om hand på MAC-nivå.
Båda dessa lager av säkerhet använder en global nyckel som alla
ZigBee-enheter i nätverket känner. MAC- och nätverkslagrens
säkerhetsfunktioner är främst till
för applikationer som behöver
skydd mot att topologin i nätverket röjs.
ZigBee introducerar även ett
koncept som kallas ”Trust Center”. Trust Center är en funktion
hanterar allt som har med säkerhet att göra. Till exempel ger det
möjlighet att tillåta enheter att
ansluta till nätverket, distribuera
nycklar och ge möjligheten att
kontrollera säkerheten hela vägen
mellan två enheter. För applikationsutvecklaren definierar ZigBee specifikationen 1.0 två olika
säkerhetsnivåer: Residential och
Commercial. Residential nivån
använder sig endast av en nyckel
för hela nätverket. Nyckeln går
inte att byta ut under nätverkets
livstid.
Commercial-nivån använder
sig av ett flertal olika nycklar,
bland annat så är det möjligt för
två enheter att säkert kommunicera med varandra genom en så
kallad länknyckel. Givetvis ställer
Commercial nivån större krav på
minne hos den ZigBee enheten
som innehåller Trust Center
funktionen, eftersom antalet
nycklar växer linjärt med antalet
enheter i nätverket.
              
Kan vi verkligen tro att alla dessa
olika trådlösa produkter (WLAN,
Bluetooth, ZigBee, mm) skall
fungera som det är tänkt, eller att
de skall fungera överhuvudtaget
när de sammanförs, i exempelvis
industriell miljö?
Tack vare den ökade populariteten för 2,4 GHz bandet har
frågan om behovet av funktioner för samexistens fått mycket
uppmärksamhet. Organisationen
IEEE har lagt ner mycket energi på att reda ut frågan om hur
Bluetooth (IEEE 802.15.1) och
WLAN (IEEE 802.11b) fungerar
tillsammans. Eftersom 2,4 GHz
ISM-bandet är fritt att använda
(olicensierat) är det öppet för alla
möjliga standardiserade och ickestandardiserade system som till
exempel mikrovågsugnar, analoga
videolänkar samt larmutrustning.
Alla dessa teknologier måste
uppfylla de nationella kraven
på maximal utstrålad effekt och
liknande. Att införa någon typ
av enhetligt tillvägagångssätt för
att varje teknologi ska få tillgång
till sin egen frekvens är en utopi
inom 2,4 GHz ISM-bandet. Generellt sett uppkommer problem
med samexistens när två eller flera
enheter försöker utföra sina uppgifter på samma gång, till exempel
när två enheter försöker sända på
samma frekvens, vid samma tidpunkt.
En vanlig fråga är hur pass bra
ett specifikt chip är på att hantera
samexistens. Det är en mycket
svår fråga att svara på, eftersom
samexistens beror på ett stort
antal parametrar, till exempel
avstånd mellan enheterna, vilket
protokoll som används av de oli-
ka systemen, antalet enheter som
försöker kommunicera, maximal
uteffekt, samt vilken frekvens som
används.
                
Tritechs erfarenheter har visat att
IEEE 802.15.4 (ZigBee) radio
fungerar alldeles utmärkt i till exempel industriella applikationer
där man har en mycket ”fientlig”
radiomiljö. Mycket metall och
trånga utrymmen kan i praktiken resultera i bättre räckvidd
då höga frekvenser som 2,4 GHz
reflekteras mot dessa material.
Andra företag, till exempel ABB,
har visat på samma goda resultat
vid praktiska tester.
Användandet av ZigBees
nätverkslager ökar räckvidden
och robustheten tack vare den
inbyggda routing-förmågan. När
ZigBee används i en miljö där
det existerar andra system, såsom
Bluetooth eller WLAN, finns det
en del enkla metoder att ta till för
att öka prestanda på nätverket.
Genom att använda kanalerna
15, 20, 25 eller 26 i ZigBee-nätet
undviker man att trafiken kolliderar med de tre vanligaste kanalerna i WLAN (1,6,11), vilket
givetvis ökar chanserna till två väl
fungerande nätverk.
Vad gäller Bluetooth - ZigBee
samexistens påverkar de olika
systemen varandra ganska litet,
då Bluetooth använder sig av
frekvenshoppande teknik.
ZigBee standarden har skapat
nya spännande marknader, där
företag med traditionell teknik
relativt enkelt kan tillföra mervärde till sina produkter genom
att erbjuda sina kunder trådlös
kontroll och övervakning.

 
Tritech Technology har under
ett antal år genomfört ZigBeebaserade projekt åt kunder i hela
världen. Företaget arbetar med
utveckling, förvaltning och produktion av trådlösa industriella
produkter på uppdrag av kunder
som själva är produktägande företag. Tritechs kunder finns inom
många branscher, men gemensamt för många av produkterna
är att de utgör en integrerad del
av ett större system där utrustning, människor och IT-system
samverkar.
Tritech har genom övertagandet av Teligents Linköpingskontor samt en mängd nyanställningar under året vuxit till att ha
ca 150 medarbetare. Kontor finns
i Stockholm, Västerås, Örebro
samt i Linköping.
    ,
  
ELEKTRONIK I NORDEN 13/2006