Protocolo 802.15.4-2003

Como se dijo anteriormente ZigBee se basa en el protocolo estándar 802.15.4. El grupo de trabajo del protocolo IEEE 802.15 está encargado de investigar soluciones para una baja tasa de transferencia, una duración de meses a años en la vida de la batería y muy baja complejidad.

Este protocolo define las dos capas inferiores: La capa física (PHY) y la capa de control de acceso al medio (MAC).

Las características de este protocolo son:

-Tasas de transferencia de datos de 250 kbps, 40 kbps y 20 kbps.

- Dos modos de direccionamiento; 16-bit corto y 64-bit IEEE.

- Soporte para dispositivos de latencia crítica, ejemplo joysticks.

- Acceso a canal con CSMA-CA

- Establecimiento de la red de forma automática por el coordinador.

- Protocolo completo de handshaked para la confiabilidad de transferencia.

- Control de energía  para asegurar el consumo bajo de energía.

- 16 canales en banda ISM de 2.4 GHz, 10 para 915 MHz  y uno para la banda de 868 MHz.

ZigBee

La especificación ZigBee agrega cuatro componentes principales: capa de red (NWK), capa de aplicación (APL),  los objetos de dispositivos zigbee (ZDO) y objetos de aplicación definidos por el fabricante.

Capa de Red

 La capa de red es la que provee el enrutamiento, la capacidad “muchos-saltos” requerida para convertir las comunicaciones de nivel MAC en redes estrella completa, árbol de clusters o malla, y proveer  una interfaz adecuada para el uso de la siguiente  capa superior, la APL.

Para lograr su cometido la capa de red proporciona dos servicios, uno de datos (NLDE, Network Layer Data Entity) y otro de gestión (NLME, Network Layer Managment  Entity).

La NLDE  crea y gestiona las unidades de datos de la capa de red que vienen de la capa de aplicación, y los pasa a la capa MAC para que sean enviados a destino. Además retransmite aquellos NPDUs (Network Protocol Data Unit) que tienen como destino otro nodo de la red.

La NLME está encargada de controlar la configuración de nuevos dispositivos y el establecimiento nuevas redes; puede determinar si un dispositivo pertenece a la red y descubrir nuevos dispositivos y routers.

Capa de Aplicación

Esta es la capa más alta definida por la especificación y es la interfaz efectiva para el sistema ZigBee  y sus usuarios finales. Aquí están los ZDOs y sus procedimientos de control, junto con los objetos de aplicación definidos por el manufacturador.

Los componentes principales de esta capa son los ZDOs y la subcapa de soporte a la aplicación (APS).

El ZDO es responsable de definir el rol de su dispositivo como coordinador o dispositivo final, pero también de descubrir nuevos dispositivos one-hop (de un-salto de distancia) en la red y la identificación de los servicios que ofrecen.

La APS es la otra componente estándar principal, es la encargada de enviar los PDUs de una aplicación entre dos o más dispositivos y de descubrir y enlazar los dispositivos y mantener una base de datos de los objetos controlados llamada Base de Información APS (AIB), esta base de datos puede ser usada para encontrar los dispositivos apropiados dependiendo del servicio necesitado.

Servicios de seguridad

La arquitectura ZigBee provee servicios de seguridad para el establecimiento e intercambio de claves de seguridad para sus comunicaciones. Los servicios de seguridad  no forman una capa independiente ya que hay servicios que se utilizan  en las capas MAC, NWK y APS para proveer seguridad en cada nivel. Cada capa que tiene que generar un frame de datos es responsable de encriptarlo cuando el frame es generado y autenticarlo cuando es recibido.

Tipos de Dispositivos

Dispositivos de funcionalidad completa (FFD):

Coordinador: El tipo de dispositivo más completo. Debe existir uno por red. Sus funciones son las de encargarse de controlar la red y los caminos que deben seguir los dispositivos para conectarse entre ellos.

Router: Interconecta dispositivos separados en la topología de la red, además de ofrecer un nivel de aplicación para la ejecución de código de usuario.

Dispositivos de funcionalidad reducida (RFD):

Dispositivos finales: Posee la funcionalidad necesaria para comunicarse con su nodo padre (el coordinador o un router), pero no puede transmitir información destinada a otros dispositivos. De esta forma, este tipo de nodo puede estar dormido la mayor parte del tiempo, aumentando la vida media de sus baterías. Un ZED tiene requerimientos mínimos de memoria y es por tanto significativamente más barato.

Topologías de Red

Las topologías de red soportadas por ZigBee son las siguientes:

Estrella: Cuando las estaciones están conectadas directamente a un punto central, el coordinador, y todas las comunicaciones se hacen a través de este.

Árbol de Clusters: Los nodos están colocados en forma de árbol, el coordinador corresponde al nodo de enlace central, los routers mueven los datos y los mensajes de control usando estrategias de ruteo jerárquico.

Malla: Los routers están conectados a uno o más routers, el coordinador tiene que estar dentro de la malla. Con este tipo de topología se pueden llevar los mensajes a un nodo por varios caminos, y además se pueden utilizar algoritmos para elegir el camino más corto de un nodo a otro. Otra característica con red malla es que se puede incrementar el rango de alcance.