WPAN與非IP協議概論

WPAN與非IP協議概論

WPAN與非IP協議概論

  • 物聯網領域中，感測器或致動器與網際網路間的通訊媒介可以是同軸電纜或WPAN。
    • 有線連接方式仍在使用，但主要用於傳統產業和不適用無線射頻的區域。
  • IP與非IP通訊系統被區分開來，因為基於IP的系統對資源要求更多，需要完整的TCP/IP堆疊資源，而非IP通訊則不需要。
    • 非IP通訊系統針對成本和能源使用進行了最佳化。
  • WPAN通訊系統的操作範圍可從亞米級到大約200公尺，有些甚至可達更遠距離。
  • 本節涵蓋各種非IP通訊標準、WPAN拓撲結構（網狀、星狀）、以及其限制和目標。
  • IEEE 802.15 標準
    • 本節描述的許多協議和網路模型都基於IEEE 802.15工作組。
    • 該工作組最初專注於穿戴式設備，並創造了「個人區域網路」一詞，如今工作已顯著擴展。
    • 涵蓋的協議包括：
      • 802.15（WPAN定義）
      • 802.15.1（原始藍牙PAN基礎）
      • 802.15.4（低資料速率、易設計、長電池壽命規範）等

藍牙（Bluetooth）

  • 概述與歷史
    • 藍牙是一種低功率無線連接技術，廣泛應用於手機、感測器、鍵盤和電玩系統。
    • 藍牙技術最初由愛立信於1994年提出，旨在取代電腦週邊設備之間的電纜。
    • 1998年發布藍牙1.0，2005年批准2.0版。
    • 超低功耗藍牙技術（BLE）於2007年開發，使設備能使用鈕扣電池。
    • 2010年發布藍牙4.0規範，正式包含BLE。
    • 藍牙在物聯網中廣泛應用，特別是在LE模式下，如信標、無線感測器、資產追蹤等。
    • 藍牙本質上是開源的，所有可選組件均獲GPL許可。
  • 藍牙5通訊流程與拓撲
    • 藍牙無線包含兩種技術系統：
      • 基本速率/增強資料速率（BR/EDR）
      • 低功耗（LE/BLE）。
    • 節點角色：
      • 廣播者
      • 掃描者
      • 發起者
    • 藍牙事件：
      • 廣播事件
      • 連接事件
      • 週期性廣播（藍牙5）
      • 擴展廣播（藍牙5）
    • 連接形成流程：
      • 發起者偵聽廣播
      • 廣播者決定是否建立連接
      • 成功後，發起者成為主節點，廣播者成為從節點，形成「微微網」（piconet）。
      • 微微網形式：
        • BR/EDR模式：使用3位元定址，一個微微網最多7個從節點，多個微微網可形成「散佈式網路」（scatternet），共享跳頻計畫。
        • BLE模式：使用24位元定址，可連接數百萬個從節點，每個主從關係本身就是一個微微網，可在唯一通道上。
    • 節點狀態：
      • 待機
      • 主節點（M）
      • 從節點（S）
      • 子廣播器（SB）
      • 停車（P）
      • 藍牙5.0已移除停車狀態，仍支援待機
  • 藍牙5堆疊
    • 基本組件：
      • 硬體控制器
      • 主機軟體
      • 應用程式配置檔案
    • 設備模式：
      • 單模（僅支援BLE堆疊）
      • 雙模（支援傳統模式和BLE）
    • 分層架構：
      • 控制器層（PHY、Link Layer、HCI）
      • 主機層（L2CAP、SMP、SDP、ATT、GATT、GAP）
    • 操作模式：
      • LE：使用2.4 GHz ISM頻段，1 M符號/秒，1 Mbit/s。藍牙5可配置125 Kbit/s、500 Kbit/s、1 Mbit/s和2 Mbit/s。
      • BR/EDR：2.4 GHz ISM頻段，基本操作1 Mbit/s，EDR可達2或3 Mbit/s。
      • AMP（替代MAC/PHY）：可選功能，使用802.11實現高達24 Mbit/s高速傳輸。
    • 核心架構塊：
      • 控制器級：
        • Baseband
        • LE PHY
        • Radio Frequency
        • Link Manager
        • Link Controller
        • Host Controller Interface（HCI）
      • 主機級：
        • L2CAP
        • Logical Link Manager
        • Quality of Service Manager
        • Security Manager Protocol（SMP）
        • Service Discovery Protocol（SDP）
        • Audio/Video Distribution Transport Protocol
        • RFCOMM、Attribute Protocol（ATT）
        • Generic Attribute Profile（GATT）
        • Generic Access Profile（GAP）
      • AMP特殊堆疊：
        • AMP PHY
        • MAC Layer
        • AMP Protocol Interface
        • AMP Manager
  • 藍牙5物理層與介面
    • 工作頻段：2.4000至2.4835 GHz ISM非授權頻段。
    • 減少干擾：跳頻展頻（FHSS）、自適應跳頻（AFH）。
    • BR/EDR模式有79個通道，BLE有40個通道。
    • BR/EDR使用時隙劃分、時分雙工（TDD），調變技術包括GFSK、DQPSK、8DPSK。
    • LE模式使用分頻多工存取（FDMA）和時分多工存取（TDMA），40個通道中3個為廣播通道，37個為二級廣播和數據通道。
    • 藍牙5.0引入「掃描排程映射」（SAM），允許藍牙設備指示相互可用的收發時隙，以優化BR/EDR時隙。
    • 通道選擇演算法2（CSA2）提升無線電抗干擾度，限制可用高頻通道數量，並允許傳輸功率增加。
  • 藍牙封包結構
    • 每個藍牙設備有唯一的48位元地址碼BD_ADDR
    • 也支援其他三種安全隨機地址格式。
  • BR/EDR操作
    • 經典藍牙是面向連接的，即使無資料通訊也會維持連接。
    • 連接過程分為三個步驟：
      • 查詢（discovery）
      • 尋呼（paging）
      • 連接（connection）
    • 連接狀態有：
      • 活躍模式（active）
      • 監聽模式（sniff）
      • 保持模式（hold）
      • 停車模式（park）
    • 配對設備會共享密鑰進行身份驗證。
  • 低功耗藍牙技術角色
    • 中心設備（Central）：通常是主機，掃描新設備和信標廣播。
    • 外圍設備（Peripheral）：通常是試圖連接主節點並啟動廣播消息的設備。
    • 發起者（Initiator）：唯一可以發送連接請求並建立固定連接的設備。
    • 廣播器（Advertiser）：可以向任何用戶發布藍牙消息的設備。
    • 客戶端（Client）：訪問伺服器上的遠端資訊。
    • 伺服器（Server）：維護遠端客戶資源和特性的本地資料庫。
  • BLE運算
    • 主機和設備有五種連接狀態：
      • 廣播狀態
      • 掃描狀態（主動/被動）
      • 發起狀態
      • 連接狀態（中心/外圍）
      • 待機狀態
    • 廣播類型：
      • 一般廣播
      • 定向廣播
      • 非連接廣播
      • 可發現廣播
    • 連接流程：
      • 設備廣播
      • 主機掃描並發送SCAN_REQ
      • 外圍設備回應SCAN_RSP
      • 主機發起CONNECT_REQ
      • 建立連接
  • 藍牙配置檔案
    • 配置檔案定義了藍牙協議堆疊各層的功能和特性。
    • 通用接入協議（GAP）：定義BR/EDR和BLE設備的底層功能。
    • 屬性協議（ATT）：主要用於BLE的用戶端-伺服器線協議，與GATT緊密耦合。
    • 通用屬性配置檔案（GATT）：
      • 規定伺服器和客戶端角色，包含服務和特性。
      • 一個GATT配置檔案包含服務和特性。
      • 藍牙規範要求只能用一台GATT伺服器。
  • BR/EDR安全
    • 配對需要生成秘密對稱密鑰，BR/EDR稱為鏈接密鑰，BLE稱為長期密鑰。
    • 舊設備使用個人識別碼（PIN）配對模式，較新設備（4.1以上）使用安全簡單配對（SSP）。
    • SSP模型：
      • Just Works
      • Numeric Comparison
      • Passkey Entry
      • Out of Band (OOB)
    • BR/EDR模式下的身份驗證是質詢–回應操作。
    • 加密選項：
      • 禁用所有流量
      • 加密數據流量但廣播原始
      • 所有通訊加密
        • 使用AES-CCM加密技術
  • BLE安全
    • BLE配對過程與BR/EDR類似，但有略微不同。
    • SSP模型在BLE 4.2中略有不同：
      • Just Works（有確認值）
      • Numeric Comparison（穩健防MITM）
      • Passkey Entry（不同於BR/EDR）
      • Out of Band
    • 藍牙4.2引入LE安全連接，使用橢圓曲線Diffie-Hellman（ECDH）公鑰加密技術生成長期密鑰（LTK）加密連接。
    • BLE可隨機化其BD_ADDR，有三種隨機地址格式：
      • 預設的
      • 可解析的
      • 不可解析的
  • 信標
    • 藍牙信標是BLE的附加應用，定期發布廣播，從不與主機連接或配對。
    • 主要用例：
      • 靜態興趣點（POI）
      • 廣播遙測數據
      • 室內定位和地理定位服務
    • 室內導航方式：
      • 三邊測量法（trilateration）
      • 鄰近性測量法（proximity）
      • 推算（dead reckoning）
    • 基本信標協議：Google的Eddystone和Apple的iBeacon。
    • 傳統藍牙設備信標資訊限制在31位元組。
    • iBeacon消息結構：
      • UUID
      • 主號
      • 副號
    • 提供兩種檢測方法：
      • 監視（monitoring）
      • 測距（ranging）
    • Eddystone可傳輸四種幀：
      • URI
      • UID
      • EID
      • TLM
    • 掃描間隔和廣播間隔的權衡：影響定位精度和電池壽命。
    • 藍牙5信標增強：
      • 擴展廣播長度（可達255位元組，使用二級廣播通道）
      • 匿名廣播
      • 同時傳輸多個廣播集
      • 檢測是否被主機掃描
  • 藍牙5的範圍與速度增強
    • 新型無線物理層（2M PHY）將原始數據速率加倍。
    • 物理層功率從+10 dbm增加到+20 dbm，擴大使用範圍。
    • LE編碼（LE Coded）物理層：降低數據包編碼率（125 kb/s或500 kb/s），增加+20 dbm傳輸功率，範圍增加4倍，穿透效果更好。
  • 藍牙網狀網
    • 藍牙SIG於2017年7月13日發布網狀協議、設備和模型規範1.0。
    • 規範限制：
      • 最多32,767個節點
      • 16,384個物理組
      • 最大生存時間（TTL）為127
    • 網狀網堆疊：基於BLE物理層和鏈路層之上，包含:
      • 承載層
      • 網路層
      • 傳輸層
      • 訪問層
      • 基礎模型層
    • 拓撲：採用泛洪網路概念，節點重傳收到的每個數據包。
      • 優點是自動找到最短路徑，不需中央管理器。
      • 缺點是浪費頻寬資源，可能導致擁塞和拒絕服務攻擊（DoS）。
    • 實體：
      • 節點
      • 未啟動配置設備
      • 元素
      • 網關
    • 可選特性：
      • 中繼節點
      • 代理節點
      • 低功耗節點（LPN）
      • 好友節點
    • 消息緩存：提供對最新消息的查找，確保系統冪等性。
    • 生存時間（TTL）：防止消息在網狀網中無限循環。
    • 心跳消息：定期從每個節點廣播，通知節點存在並正常運行，幫助網狀網重組和自癒。
    • 尋址模式：
      • 單播地址
      • 組地址
      • 虛擬地址
    • 消息類型：
      • 確認消息（acknowledged messages）
      • 非確認消息（unacknowledged messages）
    • 發布-訂閱模型：節點發布事件，其他節點訂閱這些事件。
    • 模型概念：定義狀態（如開/關）和屬性（如溫度值），它們通過網狀網上的消息進行通信。
    • 配置：透過啟動配置過程將未啟動配置的設備轉換為網狀網節點，分配NetKey和唯一地址。該過程使用ECDH密鑰交換保護安全性。
  • 藍牙5.1技術
    • 主要增強功能：位置追蹤、廣播和快速啟動配置的特定功能。
    • 測向功能：高精度定位物體（近公分級），用於RTLS和IPS。
      • 方法：到達角（AoA）和出發角（AoD）。
      • 天線陣列：線性天線陣列（ULA）或矩形天線陣列（URA）。
      • 恆定音調擴展（CTE）：鏈路層和HCI的新領域，用於傳輸測向信號。
      • 定位演算法：基本三角函數、更高級的接近度和角度估計演算法（如波束形成演算法、子空間演算法ESPIRIT和MUSIC）。
    • GATT超高速快取：允許客戶端跳過服務發現階段，改善速度和能量損耗。使用資料庫雜湊（Database Hash）和「健全快取」（Robust Caching）功能。
    • 隨機廣播通道索引：解決藍牙5.0及以前版本嚴格通道順序導致的封包碰撞問題，允許隨機選擇廣播指數。
    • 週期性廣播同步傳輸：設備可指定預定義時間間隔，掃描主機可同步。
    • 輔助週期性廣播同步傳輸（PAST）：允許代理設備執行同步工作，然後將同步細節傳遞給受限設備。
    • 微改進：HCI支援LE安全連接中的調試密鑰、睡眠時鐘精度更新機制、ADI字段在掃描回應數據中的使用、QoS與流量規範之間的互動、二級廣播的主信道分類、SID出現在掃描回應報告中。

IEEE 802.15.4

  • 概論
    • 由IEEE 802.15工作組定義的WPAN標準，於2003年批准，是許多其他協議（如Thread、Zigbee、WirelessHART）的基礎。
    • 只定義堆疊的底層部分（物理層和數據鏈路層）。
    • 目標是低成本、低功耗的WPAN。
  • 架構
    • 運行在三個未許可無線電頻段：868 MHz、915 MHz和2400 MHz。2.4 GHz頻段最常使用。
    • 典型範圍：露天約200米，室內約30米。
    • 使用載波偵聽多重存取與碰撞避免（CSMA/CA）管理共享頻率空間。
    • 協定堆疊：只包含OSI模型的最底層兩層（PHY和MAC）。
    • 服務存取點（SAP）：
      • PHYLINK SAP（用於資料管理）
      • MLME SAP（用於控制和監控MAC層管理實體）。
    • 兩種通訊類型：
      • 基於信標的網路：MAC層生成信標，設備定時醒來監聽，超幀（SuperFrame interval，SO）劃分為16個時隙。保證時間時隙（GTS）分配給特定設備，防止爭奪。
      • 無信標網路：PAN協調器不傳輸信標幀，所有節點一直處於接收模式，使用非時隙CSMA/CA。
    • 清除通道評估（CCA）：CSMA/CA的一部分，用於偵測通道是否被使用。有五種CCA模式。
  • 拓撲結構
    • 兩種基本設備類型：全功能設備（FFD）和受限功能設備（RFD）。
      • FFD：支援任何網路拓撲，可作為PAN協調器。
      • RFD：僅限星形拓撲，不能作為網路協調器。
    • PAN協調器：設置和管理PAN，傳輸網路信標和儲存節點資訊，通常持續接收且有專用電力。
      • RFD通常基於電池，可長時間休眠。
      • 支援星形拓撲和對等拓撲。
  • 地址模式與資料包結構
    • 所有地址基於唯一的64位元值（IEEE地址或MAC地址）。
    • 為節省頻寬，允許將64位元地址「換成」16位元本地地址（PAN ID）。
    • 幀是資料傳輸的基本單元，有四種基本類型：
      • 資料幀
      • 確認幀
      • 信標幀
      • MAC命令幀
  • 啟動序列
    • 設備初始化堆疊。
    • 創建PAN協調器。
    • PAN協調器選擇唯一的PAN ID和無線電頻率。
    • 網路啟動，PAN協調器接受請求。
    • 節點透過活動頻道掃描或被動信道掃描找到PAN協調器加入網路。
    • PAN協調器決定設備是否加入，如果接受則分配16位元短地址。
  • 安全性
    • 包括加密和認證形式的安全規定。
    • 支援多種安全套件，基於AES加密。
    • 無線電提供存取控制列表（ACL）來控制使用的安全套件和密鑰。
    • MAC層執行「新鮮度檢查」（freshness check），確保舊幀無效。
    • 密鑰管理：共享網路密鑰、成對密鑰、組密鑰、混合方法。

Zigbee

  • 歷史
    • 基於IEEE 802.15.4基礎的WPAN協議，針對受成本、功率和空間限制的商業和住宅物聯網。
    • 2002年成立Zigbee聯盟，2004年協定構想，2005年發布1.0規範。
    • Zigbee是專有的、封閉的標準，需要授權費。
  • 概述
    • 在802.15.4之上增加了額外的網路服務，使其更類似TCP/IP。
    • 具有自癒性和臨時性，輕量級協議堆疊。
    • 三個主要組成部分：
      • Zigbee控制器（ZC）：最強大設備，形成和啟動網路功能，通常是PAN協調器，可分配邏輯網路地址。
      • Zigbee路由器（ZR）：可選組件，處理網狀網路跳網和路由協調，參與多跳路由。
      • Zigbee終端設備（ZED）：簡單的終端設備，與協調器通信，沒有路由邏輯。
    • 針對三種不同類型數據流量：
      • 週期性數據
      • 間歇性數據
      • 重複性低時延數據
    • 支持三種基本拓撲：
      • 星形網路
      • 簇樹網路
      • 網狀網路
    • 理論上最多可部署65,536個ZED。
    • PHY和MAC（與IEEE 802.15.4的區別）
    • 主要在2.4 GHz ISM頻段運行，也在868 MHz和915 MHz頻段工作。
    • 不使用IEEE 802.15.4信標模式和超幀的GTS。
    • 802.15.4的安全規範略有修改。
  • 協議堆疊
    • 包括網路層（NWK）和應用支援子層（APS）。
      • NWK：執行設備管理和路由發現，管理網路數據包和路由消息。
      • APS：提供網路層與應用層之間的接口，管理綁定表數據庫，與應用對象建模通信。
    • Zigbee設備對象（ZDO）：負責整個設備管理，包括:
      • 密鑰、策略和角色
      • 發現網路設備和服務
      • 建立安全關係
    • 綁定：兩個端點之間的連接，每個綁定支持一個特定的應用程式配置檔案。
    • 應用程式配置檔案：描述用於特定功能的設備集合，設備通過集群相互通信。
  • 尋址與資料包結構
    • 位於802.15.4 PHY層和MAC層之上，複用其數據包結構。
    • 每個節點使用兩個唯一地址：
      • 64位元擴展地址（由製造商分配，不可改變）
      • 16位元網路地址（與802.15.4的PAN ID相同，可選）
  • 網狀路由
    • 表路由採用按需路由（AODV），只在需要時提供通往目的地的路由。
    • 簇樹演算法形成自組織、自我修復和冗餘的網路。
    • 數據包發送方式：
      • 廣播
      • 網狀路由（最多30跳）
      • 樹狀路由（最多10跳）
      • 多對一路由
    • 路徑發現過程：
      • 發送路由請求命令幀
      • 目的地回應路由應答命令幀
      • 選擇最優路徑
    • 關聯：ZED與父路由器通信，設備可透過「孤立」（orphaning）過程重新加入網路。
    • 要加入Zigbee網路，設備廣播信標請求，獲授權的設備發出後續信標。
  • 安全性
    • 基於IEEE 802.15.4的安全條款，提供身份認證、128位元AES加密和消息更新計時器。
    • 安全模型分佈在PHY、NWK和APS層。
    • 多個密鑰管理：
      • 主密鑰
      • 網路密鑰
      • 鏈接密鑰
    • 密鑰管理通過信任中心（Trust Center）控制，信任中心負責認證、維護和分發密鑰。
    • MAC層提供三種加密模式，NWK層只支援AES-CCM-128。
    • 消息完整性：確保消息在傳輸過程中未被修改。
    • 消息更新計時器：用於查找已超時的消息，並將其從網路中刪除。

Z-Wave

  • 概論
    • 900 MHz頻段的另一種網狀網技術，主要用於消費者和家庭自動化。
    • 市場份額未達藍牙或Zigbee規模。
    • 首次出現於2001年，2005年組建Z-Wave聯盟。
    • 在大多數情況下是封閉協議，硬體模組製造商數量有限。
  • 概述
    • 設計重點是家庭和消費者照明/自動化，使用非常低的頻寬與感測器和交換機通信。
    • 基於ITU-T G.9959標準的PHY和MAC級。
    • 運行在sub-1 GHz範圍內的幾個頻段。
    • 三種不同頻率傳播的數據速率：9.6 Kbit/s、40 Kbit/s、100 Kbit/s。
    • 調變技術：
      • 頻移鍵控（FSK）
      • 高斯頻移鍵控（GFSK）
    • CSMA/CA用於管理通道競爭。
    • 網路由具有特定功能的不同節點組成：
      • 控制器（Controller）：
        • 路由表
        • 網狀網的主機/主控制器（Primary Controller）
        • 輔助控制器（Secondary Controller）
      • 從節點（Slave）：根據接收到的命令操作，不能與鄰近從屬節點直接通信，通常充當中繼器。
      • 控制器屬性：
        • 狀態更新控制器（SUC）
        • SUC ID伺服器（SIS）
        • 橋接控制器（Bridge Controller）
        • 安裝控制器（Installer Controller）
      • 從節點屬性：
        • 路由從節點（Routing Slave）
        • 監聽從節點（Listening Slave）
        • 始終開啟從節點（Always On Slave）
    • 基於電池的設備不會用作中繼器。
  • 協議堆疊
    • 由五層組成：
      • 物理層（PHY）
      • 媒體存取控制層（MAC）
      • 傳輸層（Transport）
      • 網路層（Network）
      • 應用層（Application）
    • PHY和MAC層由ITU-T G.9959規範定義。
  • 尋址
    • 尋址機制相對簡單，旨在最大限度地減少流量和節省電力。
    • 兩個基本尋址標識符：
      • HomeID（32位元唯一標識符）
      • NodeID（8位元值，由控制器分配）
    • 傳輸層提供四種幀類型：
      • 單播
      • 確認
      • 多播
      • 廣播
    • 新的Z-Wave設備需經配對和添加過程，主控制器為新節點分配主ID。
  • 拓撲與路由
    • Z-Wave網狀網拓撲包括單個主控制器、從節點和控制器相關聯的設備類型和屬性。
    • 路由層管理從一個節點到另一個節點的幀傳輸，在需要時建立正確的中繼器列表。
    • 路由表相當簡單，只指定鄰居連接到給定節點。
    • 使用源路由（source routing）瀏覽網狀網，每個收到幀的跳將數據包轉發給鏈中的下一個節點。
    • Z-Wave將路由跳數限制為最多四個。

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