ZigBee یک تکنولوژی بر مبنای استاندارد  IEEE 802.15.4 است که برای دسته ای از پروتکل های ارتباطی سطح بالا طراحی شده و به کمک رادیو های دیجیتال کوچک و کم مصرف از آن  برای ساخت شبکه های شخصی بی سیم برای مصارفی چون اتوماسیون خانگی، جمع آوری داده های دستگاه های پزشکی و سایر نیاز های با پهنای باند کم  برای پروژه های کوچک مقیاس که به ارتباط بی سیم نیاز دارند استفاده می شود.

هدف تکنولوژیکی که توسط ZigBee تعریف شده، ساده تر و ارزان تر بودن نسبت به سایر شبکه های شخصی بی سیم (WPAN) مانند بلوتوث یا وای فای است. کاربرد های این تکنولوژی شامل چراغ های برق بی سیم، کنترل کننده های مصرف برق به همراه نمایشگر های داخل خانه، سیستم های مدیریت ترافیک و سایر تجهیزات مصرفی و صنعتی که به انتقال داده بی سیم، کوتاه برد و با نرخ انتقال پایین نیاز دارند می باشد.

مصرف توان کم این سیستم فاصله انتقال را به 10 تا 100 متر شعاع دید محدود می کند که میزان دقیق آن به توان خروجی خصوصیات محیطی بستگی دارد. دستگاه های ZigBee می توانند با گذراندن داده ها از یک شبکه توری از دستگاه های واسطه آن ها را در فواصل طولانی نیز منتقل کنند. ZigBee معمولا در کاربرد های با نرخ انتقال داده کم که به عمر باتری طولانی و شبکه های ایمن نیاز دارند استفاده می شود(شبکه های ZigBee با کلید های رمزنگاری متقارن 128 بیتی ایمن شده اند).ZigBee نرخ انتقال داده تعریف شده ای برابر 250 کیلوبیت در ثانیه دارد که برای انتقال داده ها به صورت متناوب از یک سنسور یا دستگاه ورودی بسیار مناسب است.

ایده ZigBee در سال 1998 ایجاد شد این سیستم در سال 2003 استانداردسازی شد و در سال 2006 مجددا مورد بازبینی قرار گرفت. نام این سیستم به نوعی رقص در میان زنبور های عسل اشاره دارد که وقتی به کندو بر می گردند آن را انجام می دهند.

بررسی کلی ZigBee

ZigBee یک استاندارد شبکه توری بی سیم کم هزینه و کم مصرف است که هدف آن توسعه استفاده از دستگاه های با طول عمر باتری طولانی در کاربردهای مختلف کنترل و نظارت بی سیم می باشد. دستگاه های ZigBee زمان تاخیر کمی دارند که باعث کمتر شدن جریان متوسط مصرفی می شود. چیپ های ZigBee عمدتا با به همراه رادیو ها و میکروکنترلر هایی که حافظه فلش بین 60-256 کیلوبایت دارند به کار می رود.ZigBee در باند های رادیویی صنعتی، علمی و پزشکی به کار می رود. فرکانس 2.4 گیگاهرتز متداول ترین فرکانس در استاندارد های جهانی می باشد. این فرکانس در چین برابر 784 مگاهرتز، در اروپا برابر 858 مگاهرتز و در آمریکا و استرالیا برابر 915 مگاهرتز می باشد. نرخ انتقال داده ها از 20 کیلوبیت بر ثانیه(باند 868 مگاهرتز) تا 250 کیلوبیت بر ثانیه(باند 2.4 گیگاهرتز) متغیر است. لایه شبکه ZigBee به طور بالقوه از شبکه های ستاره ای و درختی  و شبکه های توری عمومی پشتیبانی می کند. هر شبکه باید یک دستگاه هماهنگ کننده داشته باشد که هدف از ساخت آن کنترل پارامتر های شبکه و تعمیر و نگهداری عمومی از آن است. در شبکه های ستاره ای، هماهنگ کننده باید به عنوان گره مرکزی مورد استفاده قرار گیرد. هر دو نوع شبکه ی درختی و توری امکان استفاده از روتر های ZigBee را برای افزایش ارتباطات در سطح شبکه فراهم کرده اند.

ZigBee بر پایه لایه فیزیکی و لایه نظارت بر دسترسی به رسانه انتقال که در استاندارد IEEE 802.15.4 برای شبکه های شخصی بی سیم با انرخ انتقال پایین تعریف شده، ساخته شده است. این طراحی شامل 4 جز کلیدی اضافی نیز می شود: لایه شبکه – لایه کاربرد- اشیا دستگاه ZigBee (ZDO)- و اشیا کاربردی تعریف شده توسط تولید کننده که اجازه شخصی سازی را به استفاده کنندگان می دهند و از یکپارچه سازی سیستم حمایت می کنند. ZDO ها مسئولیت برخی از وظایف مانند ثبت و نگهداری نقش های دستگاه، مدیریت درخواست برای اتصال به شبکه و همچنین پیدا کردن دستگاه و امنیت آن را به عهده می گیرند.

ZigBee یکی از استاندارد های جهانی پروتکل ارتباطات است که توسط کارگروهی ویژه تحت  IEEE 802.15 تعریف شده است. این استاندارد چهارمین استاندارد موجود در این شاخه است و همچنین جدیدترین استاندارد در این زمینه به شمار می رود و در دستگاه هایی نرخ انتقال داده و مصرف توان بسیار پایین دارند و در واقع ویژگی اصلی آن ها طول عمر دراز مدت باتری آن ها است، به کار می رود. استاندارد های دیگر مانند Bluetooth یا  IrDA برای کاربرد های با نرخ انتقال داده بالا مانند صدا، تصویر و یا ارتباطات LAN طراحی شده اند.

تاریخچه ZigBee (زیگبی)

شبکه های دیجیتال رادیویی خود سازمان دهنده و تک کاره مشابه ZigBee در دهه 1990 به وجود آمدند. ZigBee تحت استاندارد IEEE 802.15.4-2003  در 14 دسامبر 2004 به تصویب رسید. ZigBee Alliance در دسترس بودن نسخه اول این تکنولوژی را در 13 ژوئن 2005 اعلام کرد که از آن به عنوان ZigBee 2004 یاد می شود.

کتابخانه خوشه ZigBee

در سپتامبر 2006، ساختار  ZigBee 2006 به صورت رسمی اعلام شد و  نسخه سال 2004 را از رده خارج کرد ( نسخه سال 2006 ساختار پیام/اشتراک مقدار کلیدی موجود در نسخه سال 2004 را با یک “کتابخانه خوشه” جایگزین کرد). این کتابخانه مجموعه ای از دستورات استانداردسازی شده است که تحت گروه هایی به نام خوشه ها سازمان دهی شده اند. این خوشه ها نام هایی چون انرژی هوشمند، اتوماسیون خانگی و  ZigBee Light Link دارند.

در ژانویه سال 2017 این نام به  Dotdot تغییر پیدا کرد و به عنوان پروتکل جدیدی معرفی شد که با علامت  |::نمایش داده می شود. آن ها همچنین اعلام کردند این پروتکل بر روی انواع دیگر شبکه ها و با استفاده از پروتکل اینترنت اجرا خواهد شد و با استاندارد های دیگر نظیر  Thread ارتباط برقرار خواهد کرد.

ZigBee PRO

ZigBee PRO که با نام ZigBee 2007 نیز شناخته می شود در 31 اکتبر 2007 ارائه شد و در همان سال به تایید نهایی رسید. ZigBee PRO به طور کامل قابلیت سازگاری با دستگاه های ZigBee 2006

را دارا می باشد. یک دستگاه  ZigBee 2007 می تواند به عضویت یک شبکه ZigBee 2006 در بیاید و به راحتی در آن کار کند و بر عکس. به دلیل اختلافات موجود در زمینه گزینه های مسیریابی، دستگاه های ZigBee PRO باید در یک شبکه ZigBee 2006 به دستگاه انتهایی غیر مسیریاب ZigBee(ZED) تبدیل شوند  و همین طور دستگاه های ZigBee 2006 باید در شبکه های  ZigBee PRO به ZED تبدیل شوند. برنامه های در حال اجرا بر روی این دستگاه ها  بدون توجه به stack profile زیر آن ها به طور مشابه اجرا می شوند. اولین پروفایل کاربردی ZigBee( اتوماسیون خانگی) در 2 نوامبر 2007 معرفی شد.

موارد استفاده ZigBee

پروتکل های ZigBee برای کاربرد های با مصرف توان کم و با نرخ انتقال پایین طراحی شده اند. شبکه ای که از طریق این پروتکل اجرا می شود تنها از نقادیر بسیار کمی انرژی/ توان استفاده خواهد کرد- دستگاه هایی که از این پروتکل استفاده می کنند باید طول عمر باتری حداقل 2 ساله داشته باشند تا بتوانند گواهی نامه مخصوص ZigBee را دریافت کنند.

کاربرد های متداول شامل موارد زیر می شوند:

• سرگرمی های خانگی و کنترل: اتوماسیون خانگی مانند  QIVICON، روشنایی هوشمند، کنترل دمای پیشرفته، کاربرد های ایمنی و امنیتی- فیلم و موسیقی
• حسگر شبکه بی سیم: که با سنسور های تکی مانند  Telosb یا Tmote یا Memsic آغاز شد
• کنترل صنعتی
• تشخیص جاسازی شده
• جمع آوری داده های پزشکی
• هشدار دود و ورود فرد غریبه
• اتوماسیون ساختمان

استاندارد و پروفایل های ZigBee (زیگبی)

ZigBee Alliance مجموعه از شرکت ها است استاندارد ZigBee را نگهداری کرده و منتشر می کنند. عبارت  ZigBee علامت تجاری ثبت شده این گروه به شمار می رود و یک استاندارد فنی تنها به شمار نمی رود. این مجموعه، پروفایل های کاربردی را منتشر می کند که به فروشندگان تجهیزات اصلی(OEM) اجازه می دهد تا محصولات سازگاری را ایجاد کنند. ارتباط بین ZigBee و  IEEE 802.15.4 شبیه ارتباط بین  IEEE 802.11 و  Wi-Fi Alliance می باشد.

پروانه

برای اهداف غیر تجاری، ZigBee برای عموم رایگان می باشد. عضویت سطح پایین در  ZigBee Alliance که به آن عضویت  Adopter نیز گفته می شود اجازه دسترسی به نسخه های هنوز منتشر نشده ZigBee و اجازه ساخت محصولاتی با این نسخه های جدید برای عرضه به بازار را در اختیار اعضا می گذارد.

شرایط عضویت در ZigBee Alliance برای توسعه دهندگان نرم افزار های رایگان مشکل ایجاد می کند زیرا مبلغ عضویت سالیانه با پروانه عمومی همگانی GNU مطابقت ندارد. همچنین این شرایط عضویت با اکثر پروانه های نرم افزار های رایگان نیز مطابقت ندارد.

از هیئت مدیره ZigBee Alliance خواسته شده تا پروانه خود را با  GPL مطابقت دهند اما این درخواست توسط هیئت مدیره رد شده است. در طرف مقابل  Bluetooth دارای پروانه بهره برداری GPL می باشد.

پروفایل های کاربردی ZigBee

لیست کاربرد هایی که تا به حال منتشر شده یا در حال توسعه یافتن می باشند به شرح زیر است:

نسخه های عرضه شده ZigBee

1. اتوماسیون خانگی 1.2
2. انرژی هوشمند 1.1b
3. خدمات مخابراتی 1
4. مراقبت های پزشکی 1.0
5. RF4CE- کنترل از راه دور 1.0
6. RF4CE- دستگاه ورودی 1.0
7. کنترل از راه دور 2.0
8. Light Link 1.0
9. IP 1.0
10. اتوماسیون ساختمان های تجاری 1.0
11. Gateway 1.0
12. Green Power 1.0(ویژگی کنترل از راه دور بدون نیاز به باتری به صورت اختیاری مربوط به  ZigBee 2012)
13. خدمات جزئی

نسخه های در حال توسعه ZigBee

1. انرژی هوشمندZigBee 2.0
2. انرژی هوشمند 1.2/1.3
3. Light Link 1.1
4. اتوماسیون خانگی 1.3

نسخه 2 انرژی هوشمند ZigBee پروتکل اینترنتی را برای زیرنظر گرفتن، کنترل کردن، اطلاع رسانی و اتوماتیک کردن استفاده از آب و انرژی تعریف می کند. این نسخه یک بروزرسانی نسبت به نسخه شماره 1 محسوب می شود. این پروتکل همچنین خدماتی چون شارژ وسایل نقلیه الکتریکی با اتصال به پریز برق، نصب تنظیم و دانلود نرم افزار سیستم، خدمات پیش پرداخت، اطلاعات کاربری و پیام رسانی، کنترل بار، پیک سایی و سایر اطلاعات عمومی و رابط های مختلف برای شبکه های بی سیم و سیمی ارائه می کند. این پروتکل توسط شرکای زیر در حال توسعه و طراحی می باشد:

• انجمن HomeGrid که مسئولیت بازاریابی و به دست آوردن گواهی تکنولوژی و محصولات  ITU-T G.hn را بر عهده دارد.
• HomePlug Powerline Alliance
• انجمن بین المللی مهندسین خودرو SAE International
• SunSpec Alliance
• Wi-Fi Alliance

انرژی هوشمند ZigBee بر ZigBee IP تکیه کرده که یک لایه شبکه می باشد که ترافیک استاندارد IPv6 را به IEEE 802.15.4 تغییر مسیر می دهد. این کار از طریق فشرده سازی هدر IP انجام می گیرد.

در سال 2009،  کنسرسیوم  RF4CE و  ZigBee Alliance توافق کردند تا به طور مشترک استانداردی را برای کنترل از راه دور های با فرکانس رادیویی تدوین کنند. ZigBee RF4CE نیز در همین راستا و برای طیف گسترده ای از محصولات الکترونیکی مصرفی مانند تلویزیون ها و گیرنده های دیجیتال طراحی شد و قول مزایای بسیار بیشتر  نسبت به کنترل های موجود در بازار را به مشترکین داد. این مزایا شامل ارتباط قوی تر، افزایش قابلیت اطمینان پذیری، انعطاف پذیری و ویژگی های بهبود یافته، چندمنظوره بودن و قابلیت کار کردن از پشت موانع می باشند. ZigBee RF4CE مقداری از بار شبکه را تحمل می کند و از همه ویژگی های شبکه های توری پشتیبانی نمی کند. اغلب از این ویژگی ها برای تنظیمات با حافظه کمتر در دستگاه های با هزینه کم مانند کنترل ها، صرف نظر می شود.

با معرفی دومین پروفایل کاربردی ZigBee RF4CE در سال 2012 و به دست گرفتن بخشی از بازار، تیم ZigBee RF4CE بررسی کلی استاندارد فعلی موجود، کاربرد ها و آینده این تکنولوژی را بر عهده دارد.

تجهیزات رادیویی ZigBee

طراحی رادیویی استفاده شده در ZigBee به دقت بهینه سازی شده تا در تولید در مقیاس بزرگ کمترین هزینه را داشته باشد. این بخش تنها چند مرحله انالوگ به کار برده و هرجا ممکن بوده از مدار های دیجیتال استفاده کرده است.

اگرچه خود رادیو ها گران نیستند اما فرآیند انتخاب شدن آن ها توسط ZigBee شامل بررسی کامل مشخصات موردنیاز لایه فیزیکی می باشد. همه ی رادیو هایی از یک فتوماسک نیمه رسانای تایید شده تولید شده اند از مشخصات RF یکسانی بهره می برند. لایه فیزیکی که تایید نشده باشد و ناگهان دیگر به خوبی عمل نکند می تواند عمر باتری سایر دستگاه های موجود در شبکه ZigBee را نیز کاهش دهد. رادیو های ZigBee محدودیت های سنگینی در زمینه توان و پهنای باند مصرفی دارند. در نتیجه این رادیو ها اغلب با راهنمایی های ذکر شده در بند 6 استاندارد  802.15.4-2006 تست می شوند. بسیاری از تولید کنندگان قصد دارند رادیو و میکروکنترلر را بر روی یک چیپ ادغام کنند که منجر به تولید دستگاه های کوچکتر خواهد شد.

این استاندارد عملیات در باند های رادیویی صنعتی،علمی و پزشکی در فرکانس های 2.4 گیگاهرتز(جهانی)، 915 مگاهرتز( امریکا و استرالیا) و 868 مگاهرتز(اروپا) را مشخص می کند. در باند 2.4 گیگاهرتزی 16 کانال تقسیم بندی شده اند و هر کانال با سایر کانال ها 5 مگاهرتز فاصله دارد که البته هر کانال تنها از 2 مگاهرتز استفاده می کند. رادیو ها از روش DSSS -که توسط جریان دیجیتالی که وارد مدولاتور می شود کنترل می شود – استفاده می کنند. کلیدگذاری تغییر فازی دو زوجی (BPSK) در باند های 868 و 915 مگاهرتزی مورد استفاده قرار می گیرد و کلید گذاری تغییر فازی افست (OQPSK) که به ازای هر نشانه دو بیت را انتقال می دهد در باند 2.4 گیگاهرتزی مورد استفاده قرار می گیرد.

نرخ انتقال داده خام داده ها به صورت بی سیم برابر 250 کیلوبیت بر ثانیه به ازای هر کانال در باند 2.4 گیگاهرتزی، 40 کیلوبیت بر ثانیه به ازای هر کانال در باند 915 مگاهرتز و 20 کیلوبیت بر ثانیه در باند 868 مگاهرتز می باشد. مقدار نرخ انتقال واقعی کمتر از مقدار بیشینه مشخص شده می باشد که علت آن تاخیر های پردازشی و سربار شدن بسته ها می باشد. برای کاربرد های داخلی با فرکانس 2.4 گیگاهرتز، فاصله انتقال می تواند بین 10 متر تا 20 متر باشد که مقدار دقیق آن به مواد مورد استفاده در ساختمان، تعداد دیوار هایی که باید از آن عبور کرد و توان خروجی برقی که در آن ناحیه جغرافیایی مجاز است بستگی دارد. در موارد خارجی با زاویه دید، فاصله می تواند بسته به توان خروجی و خصوصیات محیط تا 1500 متر هم برسد. توان خروجی رادیو ها معمولا بین 0 تا 20 دسی بل(1-100 میلی وات) می باشد.

نوع دستگاه های ZigBee و حالت عملکرد آن ها

دستگاه های ZigBee به سه نوع تقسیم می شوند:

هماهنگ کننده ZigBee (ZC)

توانمند ترین قطعه در بین انواع قطعه ها، هماهنگ کننده ریشه شبکه درختی را تشکیل می دهد که ممکن است به شبکه های دیگر پل شود. در هر شبکه دقیقا یک هماهنگ کننده ZigBee وجود دارد زیرا این قطعه است که در ابتدا شبکه را به راه انداخته است( مشخصات  ZigBee LightLink می تواند بدون هماهنگ کننده نیز کار کند که آن را برای محصولات خانگی قابل استفاده تر می کند). این قطعه اطلاعات شبکه را در خود ذخیره می کند و به عنوان Trust Center و محل ذخیره ای برای کلید های امنیتی به کار می رود.

مسیریاب (روتر) ZigBee (ZR)

علاوه بر اجرای یک تابع کاربردی، یک  ZR می تواند به عنوان یک مسیریاب واسطه نیز عمل کند و داده ها را از دستگاه های دیگر گرفته و عبور دهد.

پایانه های ZigBee (ZED)

تنها این قابلیت را دارد تا با گره مادر(هماهنگ کننده یا مسیریاب) مذاکره کند ولی نمی تواند داده های دستگاه های دیگر را از خود عبور دهد. این ارتباط به گره اجازه می دهد تا عمده زمان مصرف را در حالت خواب باشد و در نتیجه باعث افزایش طول عمر باتری شود. یک ZED به حداقل میزان حافظه نیاز دارد و در نتیجه تولید آن از  ZR یا  ZC ارزان تر است.

پروتکل های فعلی ZigBee  از شبکه های Beacon دار و یا فاقد Beacon پشتیبانی می کنند. در شبکه های فاقد Beacon، از یک مکانیزم دسترسی کانالی  CSMA/CA استفاده می شود. در چنین شبکه ای، دریافت کننده ی روتر تقریبا همیشه فعال است و به منبع تغذیه قوی تری نیاز دارد. در عین حال این حالت امکان استفاده از شبکه های غیرهمگن را می دهد که در آن برخی از دستگاه ها به طور دائم در حال دریافت اطلاعات هستند در حالی که برخی دستگاه های دیگر تنها زمانی داده ها را منتقل می کنند که یک عامل محرک خارجی وجود داشته باشد. مثال متداول یک شبکه غیر همگن، یک کلید برق بی سیم است. گره ZigBee در لامپ ممکن است به طور دائم دریافت اطلاعات داشته باشد زیرا به منبع اصلی متصل است در حالی که یک کلید برق که با باتری کار می کند تا زمانی که وضعیت کلید تغییر نکند غیرفعال باقی می ماند. بعد از تغییر وضعیت، کلید فعال می شود و فرمانی را به لامپ می فرستد، و پیامی مبنی بر دریافت دستور دریافت می کند و بعد دوباره به حالت غیرفعال باز می گردد. در چنین شبکه ای گره لامپ اگر هماهنگ کننده Zigbee نباشد حداقل یک روتر ZigBee خواهد بود. گره کلید معمولا یک پایانه ZigBee خواهد بود.

در شبکه های Beacon دار، گره های خاص شبکه که به آن ها  ZigBee Routers گفته می شود به طور تناوبی سیگنال هایی تولید می کنند تا حضور خود را به سایر گره های موجود در شبکه اعلام کنند. گره ها ممکن است بین این سیگنال ها به حالت غیرفعال درآیند. این کار باعث کم شدن سیکل کاری و افزایش عمر باتری خواهد شد. بازه زمانی بین سیگنال ها به نرخ انتقال داده ها بستگی دارد. این بازه می تواند بین 15.36 میلی ثانیه تا 251.6 ثانیه با نرخ انتقال 250 کیلوبیت بر ثانیه تغییر کند. در نرخ انتقال 40 کیلوبیت بر ثانیه این بازه بین 24 میلی ثانیه تا 393.21 ثانیه و در نرخ انتقال 20 کیلوبیت بر ثانیه بین 48 میلی ثانیه تا 786 ثانیه تغییر خواهد کرد. با این وجود عملیات با سیکل کاری و بازه های زمانی طولانی به زمان بندی دقیق نیاز دارد که با کم کردن هزینه های تولید در تضاد است.

به طور کلی، پروتکل های ZigBee زمانی که فرستنده رادیویی فعال است را به کمترین مقدار ممکن می رسانند و به این ترتیب مصرف انرژی سیستم کم می شود. در شبکه های Beacon دار، گره ها تنها باید در زمانی که سیگنالی در حال انتقال است فعال باشند. در شبکه های بدون Beacon مصرف توان نامتقارن است. برخی دستگاه ها همواره فعال هستند در حالی که برخی دیگر بیشتر اوقات غیرفعال هستند.

به جز برای پروفایل انرژی هوشمند 2، دستگاه های ZigBee باید از استاندارد  IEEE 802.15.4-2003 برای شبکه های LR-WPAN تبعیت کنند. این استاندارد لایه های پایینی پروتکل را مشخص می کند. این لایه ها شامل لایه فیزیکی و بخش دسترسی کنترل رسانه از لایه پیوند داده ای(DLL) می باشند. حالت پایه دسترسی کانال CSMA/CA نمی باشد. این مطلب به این معناست که گره ها به گونه ای مشابه انسان ها با یکدیگر صحبت می کنند. ابتدا به طور مختصر بررسی می کنند که شخص دیگری در حال صحبت کردن نباشد و سپس شروع به صحبت می کند. البته 3 استثنای قابل ذکر وجود دارد. سیگنال ها بر طبق یک برنامه زمانی ثابت ارسال می شوند و از  CSMA استفاده نمی کنند. پیام های تاییدی نیز از  CSMA استفاده نمی کنند. در نهایت این که در شبکه های Beacon دار، دستگاه هایی که نیازی به زمان های تاخیر فوق العاده کم ندارند می توانند از Guaranteed Time Slots استفاده کنند که این مورد نیز طبق تعریف از CSMA استفاده نمی کنند.

نرم افزار تکنولوژی ZigBee

نرم افزار این سیستم به گونه ای طراحی شده که توسعه آن بر روی ریزپردازنده های کوچک و نه چندان گران راحت باشد.

لایه شبکه در  ZigBee

وظایف اصلی لایه شبکه فراهم آوردن امکان استفاده صحیح از زیر لایه  MAC و فراهم آوردن رابطی مناسب برای استفاده توسط لایه های بالایی- به خصوص لایه کاربرد- می باشد. توانایی ها و ساختار این لایه عمدتا همان هایی است که به این نوع از لایه های شبکه اختصاص داده می شود که به عنوان مثال می توان به تعیین مسیر(routing) اشاره کرد.

در یک طرف، موجودیت داده، واحد های داده لایه شبکه را ایجاد کرده و مدیریت می کند و همچنین با توجه به توپولوژی فعلی، عملیات تعیین مسیر را نیز انجام می دهد. در طرف دیگر، لایه ای به نام کنترل وجود دارد که تنظیم دستگاه های جدید و احداث شبکه های جدید را بر عهده می گیرد. این لایه می تواند تعیین کند ایا یک دستگاه همسایه به شبکه تعلق دارد یا خیر و همچنین می تواند دستگاه ها و روتر های جدید نزدیک به خود را نیز پیدا کند. همچنین لایه کنترل می تواند وجود یک گیرنده در شبکه را تشخیص دهد که این کار اجازه برقراری ارتباط مستقیم و همگام سازی MAC را نیز می دهد.

پروتکل تعیین مسیری که توسط لایه شبکه استفاده می شود AODV می باشد. برای پیدا کردن دستگاه مقصد، این پروتکل یک در خواست مسیر برای تمامی دستگاه های همسایه خود ارسال می کند. دستگاه های همسایه نیز این درخواست را به دستگاه های همسایه خود منتقل می کنند و به همین ترتیب این کار تا زمان رسیدن به مقصد نهایی تکرار می شود. وقتی این درخواست به مقصد نهایی رسید، پاسخ در خواست مسیر طی شده توسط یک انتقال تک پخشی و از مسیری که کمترین هزینه را در بر خواهد داشت به منبع باز می گردد. وقتی منبع این پاسخ را دریافت کرد، مقادیر گره های موجود در مسیر و هزینه مسیر را در جدول روتینگ خود را برای آدرس مقصد به روز خواهد کرد

لایه کاربرد در ZigBee

لایه کاربرد سطح ، بالاترین لایه ای است که توسط این مشخصات تعریف می شود و رابطی موثر بین سیستم ZigBee و کاربران این سیستم به شمار می رود. این لایه شامل اکثریت اجزایی است که توسط مشخصات ZigBee اضافه شده اند. هر دوی ZDO و روش های مدیریت آن به همراه اشیا کاربرد که توسط تولید کننده تعریف شده اند به عنوان بخشی از این لایه در نظر گفته می شوند.

اجزا اصلی ZigBee

ZDO (ZigBee Device Object) یک پروتکل در پروتکل پشته ای ZigBee به شمار می رود که مسئول مدیریت کلی دستگاه، کلید های امنیتی و دستورات می باشد. این پروتکل مسئولیت تعیین نقش یک دستگاه به عنوان هماهنگ کننده یا پایانه و همچنین پیدا کردن دستگاه های جدید در شبکه و شناسایی سرویس هایی که ارائه می دهند را نیز بر عهده دارد. در ادامه ممکن است این پروتکل لینک های امنی را با دستگاه های خارجی برقرار کرده و به درخواست های اتصال به طور مقتضی پاسخ دهد.

زیرلایه پشتیبانی کاربرد APS جز استاندارد دیگر این لایه به شمار می رود و به همین ترتیب، یک رابط به خوبی تعریف شده و خدمات کنترلی را ارائه می دهد. این زیرلایه به عنوان پلی بین لایه شبکه و اجزا دیگر لایه کاربرد عمل می کند. این زیرلایه جدول های اتصالات به روز شده را به شکل یک بانک اطلاعاتی نگهداری می کند که می توان از آن برای پیدا کردن دستگاه های مختلف  بسته به خدماتی که مورد نیاز هستند و خدماتی که دستگاه های مختلف ارائه می دهند، استفاده کرد. همچنین به عنوان ارتباطی بین دو لایه ذکر شده، این زیرلایه پیام هایی را نیز بین لایه های مختلف پروتکل پشته ای منتقل می کند.

مدل های ارتباطی ZigBee

یک کاربرد مشخص ممکن است از اشیایی تشکیل شده باشد که از طریق برقراری ارتباط با یکدیگر همکاری کرده و وظایف مورد نظر را انجام دهند. هدف ZigBee این است که کار را بین دستگاه های مختلف زیادی که در گره های ZigBee -که خودشان یک شبکه هستند- قرار گرفته اند توزیع کند( کار ذکر شده برای هر دستگاه عمدتا به صورت محلی خواهد بود. برای مثال می توان به کنترل هر کدام از وسایل خانه اشاره کرد).

مجموعه اشیایی که شبکه را تشکیل می دهند با استفاده از امکاناتی که توسط APS فراهم شده و تحت نظارت ZDO می باشد با یکدیگر ارتباط برقرار می کنند. سرویس های داده لایه کاربرد به دنبال یک ساختار متداول درخواست-تایید یا نشانه-پاسخ فعال می شوند. تنها در داخل یک دستگاه، تا 240 اشیا کاربرد، می توانند وجود داشته باشند که در بازه 1 تا 240 شماره گذاری شده اند. عدد صفر برای رابط داده  ZDO و 255 نیز برای پخش داده ها کنار گذاشته شده است. بازه 241 تا 254 در حال حاضر مورد استفاده قرار نمی گیرد اما در آینده ممکن است از این بازه نیز بهره برداری شود.

برای اشیا کاربرد، دو سرویسِ قابل استفاده وجود دارد ( در ZigBee 1.0):

• سرویس  key-value pair(KVP) برای هدف تنظیم در نظر گرفته شده است. این سرویس امکان مشاهده شرح، ارسال درخواست و یا اصلاح ویژگی های شی را با استفاده از یک رابط ساده بر پایه دریافت و تعیین شکل های اولیه رویداد امکان پذیر می کند. برخی از انواع آن اجازه صدور یک درخواست برای پاسخ را نیز می دهند. تنظیمات از XML فشرده استفاده می کند (می توان از XML کامل نیز استفاده کرد) تا راه حلی سازگار با شرایط مختلف ارائه کند.
• سرویس پیام برای ارائه روند عمومی برخورد با اطلاعات طراحی شده و نیاز به سازگار کردن پروتکل های کاربرد و سربار احتمالی که توسط KVP ایجاد می شود را از بین می برد. این سرویس همچنین امکان انتقال بار کاری را از طریق فریم های  APS فراهم می کند.

دادن آدرس نیز بخشی از لایه کاربرد به شمار می رود. یک گره شبکه از یک فرستنده-گیرنده رادیویی  802.15.4و یک یا چند شرح دستگاه ( در واقع مجموعه ای از خصوصیات که می توان آن را تنظیم کرد یا می توان آن ها را در جریان رویداد های مختلف مورد نظارت قرار داد) تشکیل شده است. فرستنده-گیرنده مبنای آدرس دهی به شمار می رود و دستگاه های درون یک گره با یک شناساگر نقطه انتهایی در بازه 1- 240 مشخص می شوند.

 ارتباط و پیدا کردن دستگاه ها

برای این که کاربرد ها بتوانند با یکدیگر ارتباط برقرار کنند دستگاه های تشکیل دهنده آن ها باید از یک پروتکل کاربرد مشترک ( از نوع پیام ها، فرمت ها و…) استفاده کنند. این مجموعه از قرارداد ها در دسته پروفایل ها قرار می گیرند. همچنین برقراری اتصال توسط شناساگر های ورودی و خروجی مشابه تصمیم گیری می شود. این شناساگر ها برای هر پروفایل به طور منحصر به فرد تعریف می شوند و به جریان داده های ورودی و خروجی به یک دستگاه مرتبط می شوند. در جداول اتصال نیز زوج های منبع و مقصد موجود هستند.

بسته به اطلاعات موجود، پیدا کردن دستگاه ها ممکن است از روش های مختلفی انجام شود. زمانی که آدرس شبکه معلوم است می توان آدرس IEEE را با استفاده از ارتباط تک پشتی درخواست نمود. در صورتی که این گونه نباشد درخواست ها پخش می شوند(آدرس IEEE بخشی از بسته پاسخ به شمار می رود). دستگاه های انتهایی شبکه به سادگی پاسخ درخواست دریافت شده را ارسال می کنند و همچنین هماهنگ کننده شبکه یا یک روتر آدرس تمامی دستگاه هایی که به آن مرتبط هستند را ارسال می کند. این پروتکل تمدید شده ی جستجو به دستگاه های خارجی اجازه می دهد تا اطلاعاتی را در مورد دستگاه های موجود در شبکه و سرویس هایی که ارائه می دهند به دست آورد. پایانه های این دستگاه ها وقتی توسط دستگاه جستجو کننده( که احتمالا آدرس آن ها را به دست آورده است) مورد پرسش قرار می گیرند می توانند این اتفاق را گزارش دهند. ممکن است از سرویس های مشابه نیز استفاده شود.

استفاده از شناساگر های خوشه ای اتصال اشیا مکمل با استفاده از جداول اتصال را به شبکه تحمیل می کند. این جدول ها توسط هماهنگ کننده ZigBee نگهداری می شوند. علت این امر آن است که جدول ها باید همواره در داخل شبکه در دسترس باشند و هماهنگ کننده های شبکه بیشترین احتمال را برای داشتن منبع تغذیه دائمی دارند. نسخه های پشتیبان که توسط لایه های با سطوح بالاتر مدیریت می شوند ممکن است در برخی از کاربرد ها مورد نیاز باشند. اتصال به یک لینک که ارتباط آن برقرار شده است نیاز دارد. بعد از این که این ارتباط به وجود آمد، با توجه به کاربرد و سیاست های امنیتی در مورد این که آیا گره جدید به شبکه اضافه شود یا نه تصمیم گیری می شود.

ارتباط ممکن است بلافاصله بعد از اتصال برقرار شود. آدرس دهی مستقیم از هر دو گزینه آدرس های رادیویی و شناساگر های نقاط انتهایی استفاده می کند در حالی که آدرس دهی غیر مستقیم از هر نوع اطلاعات مرتبط( آدرس، پایانه، خوشه و خاصیت) استفاده می کند و لازم است تا اطلاعات به هماهنگ کننده شبکه فرستاده شوند. هماهنگ کننده از اتصالات فعلی نگهداری می کند و درخواست های برقراری ارتباط را منتقل می کند. آدرس دهی غیر مستقیم به خصوص برای ساده نگه داشتن برخی قطعات و کمینه کردن نیاز آن ها به فضای ذخیره سازی بسیار مفید است. در کنار این دو روش، پخش به تمامی نقاط انتهایی در یک دستگاه نیز امکان پذیر است و آدرس دهی گروهی نیز برای برقراری ارتباط با گروه هایی از نقاط انتهایی، متعلق به مجموعه ای از دستگاه ها نیز امکان پذیر است.

خدمات امنیتی ZigBee

به عنوان یکی از ویژگی های اصلی، ZigBee  امکاناتی را فراهم می کند تا ارتباطات به صورت امن برقرار شوند. ZigBee از ایجاد و انتقال کلید های رمزنگاری، چارچوب های رمزنگاری و دستگاه های کنترل کننده آن محافظت می کند. این تکنولوژی از چارچوب تعریف شده در IEEE 802.15.4 استفاده می کند. این بخش از معماری شبکه، بر مدیریت صحیح کلید های متقارن و اجرای صحیح روش ها و قوانین امنیتی تکیه می کند.

ZigBee – مدل ارتباط سطح بالا

مدل امنیتی پایه ZigBee

مکانیزم پایه برای اطمینان یافتن از محرمانه بودن اطلاعات، محافظت کافی از تمامی عوامل تولید کلید های امنیتی می باشد. در مرحله نصب اولیه کلید ها و همچنین پردازش اطلاعات امنیتی اعتماد به سیستم باید به عنوان فرض اولیه در نظر گرفته شود.برای این که یک عملیات اجرایی در سطح کلی عمل کند، انطباق عمومی آن به رفتار های مشخص نیز مفروض است.

کلید ها، اساس معماری امنیتی را تشکیل می دهند، در نتیجه محافظت از آن ها از بالاترین اهمیت برخوردار می باشد و این کلید ها هرگز نباید از طریق یک کانال غیرامن منتقل شوند. یک استثنا جزئی در مورد این قانون در فاز اولیه اضافه شدن یک دستگاه قبلا تنظیم نشده به شبکه رخ می دهد. مدل شبکه ZigBee باید به مسائل امنیتی اهمیت زیادی بدهد زیرا شبکه های ادهاک ممکن است به صورت فیزیکی در دسترس دستگاه های خارجی باشند. علاوه بر این، وضعیت محیط کار سیستم را نیز نمی توان پیش بینی کرد.

درون پروتکل پشته ای، لایه های مختلف شبکه از نظر رمزنگاری از یکدیگر جدا نشده اند در نتیجه به قوانین دسترسی نیاز است و فرض می شود که از طراحی متداول استفاده می شود. مدل اطمینانِ باز در یک دستگاه امکان به اشتراک گذاری کلید را فراهم می کند که باعث کاهش چشمگیر هزینه های احتمالی می شود. با این وجود، لایه ای که یک چارچوب می سازد مسئول ایمنی آن نیز به شمار می رود. اگر امکان وجود دستگاه های مخرب وجود داشته باشد هر بسته از لایه های شبکه باید رمزنگاری شود تا بتوان انتقال داده غیرمجاز را بلافاصله قطع کرد. در این مورد هم حالت استثنا، انتقال کلید شبکه می باشد که یک لایه امنیتی یکپارچه در گرید و دستگاه در حال اتصال جدید به وجود می آورد.

معماری امنیتی ZigBee

ZigBee از کلید های 128 بیتی برای اجرای مکانیزم های امنیتی خود استفاده می کند. یک کلید ممکن است متعلق به یک شبکه باشد که در این صورت می تواند هم توسط لایه های ZigBee و هم توسط زیرلایه MAC مورد استفاده قرار گیرد و یا به یک لینک که از طریق مراحل پیش نصب،توافق و یا انتقال به دست آمده باشد مربوط باشد. ایجاد کلید های امنیتی برای لینک ها بر مبنای یک شاه کلید طراحی شده که تطابق کلید لینک ها را کنترل می کند. در بدترین حالت حداقل شاه کلید اولیه باید از طریق یک واسطه امن ( انتقال یا پیش نصب) به دست بیاید زیرا امنیت کل شبکه به آن بستگی دارد. لینک و شاه کلید ها تنها برای لایه کاربرد قابل مشاهده هستند. سرویس های مختلف از تغییرات یک طرفه (با استفاده از یک تابع یک طرفه) کلید لینک استفاده می کنند تا از درز اطلاعات و خطرات امنیتی جلوگیری کنند.

توزیع کلید یکی از اقدامات امنیتی بسیار مهم شبکه است. یک شبکه امن، یک دستگاه مخصوص را که سایر دستگاه های موجود در شبکه به آن اعتماد دارند تعیین می کند تا کلید های امنیتی را توزیع کند که به این دستگاه مخصوص مرکز اطمینان( trust center) گفته می شود. در حالت ایده ال، دستگاه ها آدرس مرکز اطمینان را می دانند و شاه کلید اولیه نیز در آن ها پیش بارگذاری شده است. اگر به شبکه یک آسیب لحظه ای وارد شود مشابه انچه در بالا شرح داده شد، فرستاده می شود. کاربرد های معمولی بدون نیاز به اقدامات امنیتی خاص، از یک کلید شبکه که توسط مرکز اطمینان( از طریق یک کانال که در ابتدا ناامن است) ارائه می شود برای برقراری ارتباط استفاده می کنند.

در نتیجه مرکز اطمینان، هم از کلید شبکه نگهداری می کند و هم امنیت نقطه به نقطه را تامین می کند. دستگاه ها به جز برای شاه کلید اولیه، تنها ارتباطاتی را قبول می کنند که از یک کلید که توسط مرکز اطمینان ارائه شده باشد استفاده کنند. معماری امنیتی به شرح ذیل بین لایه های شبکه توزیع شده است:

• زیر لایه MAC توانایی برقراری ارتباطات تک هاپه قابل اطمینان را دارا می باشد. به عنوان یک قانون، سطح امنیتی که این لایه موظف به استفاده از آن است توسط لایه های بالایی تعیین می شود.
• لایه شبکه مدیریت مسیریابی، پردازش پیام های دریافت شده و توانایی پخش درخواست ها را بر عهده دارد. خروجی ها در صورت امکان از کلید لینک مناسب که بسته به مسیریابی تعیین می شود استفاده می کنند در غیر این صورت از کلید شبکه برای حفط امنیت اطلاعات در برابر دستگاه های خارجی استفاده می شود.
• لایه کاربرد، ایجاد کلید و خدمات انتقال را در اختیار ZDO و کاربرد های مختلف می گذارد.

زیرساخت های سطوح امنیتی بر مبنای  CCM* می باشند که نسبت به CCM دارای ویژگی های بیشتری می باشد. بنا بر وب سایت یک مجله کامپیوتر آلمانی، اتوماسیون خانگی 1.2 ZigBee از کلید های اضطراری برای مذاکرات رمزنگاری استفاده می کند. این کلید ها معلوم هستند و نمی توان آن ها را تغییر داد. این ویژگی باعث می شود تا سیستم رمزنگاری به شدت آسیب پذیر باشد.

شبیه سازی شبکه های ZigBee

از شبیه ساز های شبکه مانند  NS2،  OPNET و  NetSim می توان برای شبیه سازی شبکه های  IEEE 802.15.4 ZigBee استفاده کرد. این شبیه ساز ها دارای کتابخانه های کد منبع باز به زبان C یا C++ هستند که کاربران می توانند آن ها را تغییر دهند. با این روش کاربران می توانند درستی الگوریتم های جدید را قبل از این که به صورت سخت افزاری اجرایی شوند مشخص کنند.