ZigBee

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ZigBee ist ein Industriestandard für Funknetze. PHY- und MAC-Layer basieren auf IEEE 802.15.4, der es ermöglicht, Haushaltsgeräte, Sensoren, uvm. auf Kurzstrecken (10 bis 100 Meter) zu verbinden. Der Standard ist eine Entwicklung der ZigBee-Allianz, die Ende 2002 gegründet wurde. Sie ist ein Zusammenschluss von derzeit mehr als 230 Unternehmen, welche die weltweite Entwicklung dieser Technologie vorantreiben. Erste ZigBee-Produkte kamen Anfang 2005 auf den Markt.

Handelsübliches ZigBee Modul

Einleitung[Bearbeiten]

ZigBee setzt auf IEEE 802.15.4 auf

ZigBee stellt einen Protokollstapel (Stack) dar, der nach dem OSI-Modell auf den in der im Dezember 2004 eingeführten Norm (Standard) IEEE 802.15.4 spezifizierten OSI-Subschichten PHY und MAC aufsetzt.

Es ist für den Einsatz wartungsfreier Funkschalter und Funksensoren mit beschränkter Energieversorgung (z. B. durch Batterie) in schwer zugänglichen Bereichen vorgesehen, wo der Austausch von Batterien nur mit großem Aufwand möglich ist. Die genormten Funktionen schließen auch eine grobe Pegelmessung (RSSI) ein, welche den Netzaufbau unterstützt.

Der ZigBee- und IEEE-802.15.4-Standard stellen dem Entwickler drei verschiedene Gerätearten (ZigBee Devices) zur Verfügung. Mit diesen Geräten wird das ZigBee Wireless Personal Area Network (WPAN) aufgebaut. Man unterscheidet drei Rollen, die ein ZigBee-Gerät erfüllen kann:

Endgerät (ZigBee End Device, ZED)
Einfache Geräte wie zum Beispiel Lichtschalter implementieren nur einen Teil der ZigBee-Protokolle und werden daher auch RFD (Reduced Function Devices) genannt. Sie melden sich an einem Router ihrer Wahl an und bilden so mit ihm ein Netzwerk in Stern-Topologie.
Router (ZigBee Router, ZR)
FFD-Geräte (Full Function Devices) können auch als Router agieren, melden sich an einem existierenden Router an und bilden so ein Netzwerk in Baum-Topologie, durch Ausnutzung von Abkürzungen mitunter auch ein vermaschtes Netzwerk.
Koordinator (ZigBee coordinator, ZC)
Genau wie ein Router innerhalb eines WPAN übernimmt es zusätzlich die Rolle des Koordinators. Er gibt grundlegende Parameter des WPAN vor und verwaltet das Netz.

Adressierungsmodi[Bearbeiten]

Es ist sowohl direkte als auch indirekte Adressierung möglich.

Bei der direkten Adressierung wird Knoten und Endpunkt der Gegenseite angegeben. Ein Knoten (= ein ZigBee-Modul) kann mehrere Endpunkte bedienen. (Ähnlich wie jeder Rechner im Internet auf mehreren Ports TCP-Verbindungen betreiben kann). Allerdings ist keine feste Zuordnung zwischen Dienst und Endpunkt vorgesehen. (Also nicht: Thermostate horchen üblicherweise auf Endpunkt 26). Jeder Knoten stellt maximal 255 Endpunkte zur Verfügung, von denen viele für spezielle Aufgaben reserviert sind. Für Anwendungslogik sind die Endpunkte 1 bis 240 vorgesehen. Endpunkt 255 ist für Rundrufe an alle Endpunkte reserviert. Die Endpunkte 241 bis 254 sind für spätere spezielle Aufgaben reserviert, Endpunkt 0 für Verwaltungsaufgaben. Dort können zum Beispiel andere Module abfragen, auf welchen Endpunkten zum Beispiel Thermostate anzusprechen sind.

Bei der indirekten Adressierung vergibt der Koordinator Kurzadressen (engl. short address) mit einer Länge von 16 Bit. Beim Verbinden eines Knoten mit einem Netzwerk meldet er sich beim Koordinator an und bekommt eine Adresse zugewiesen. Der Koordinator legt die Kurzadresse mit der dazugehörigen MAC-Adresse in einer Tabelle in seinem Speicher ab. Möchte ein Knoten mit einem anderen kommunizieren, wird zunächst eine Anfrage an den Koordinator gesendet, der sie an den jeweiligen Empfängerknoten weiterleitet. Diese Information über das logische Verbinden von Knoten wird Binding genannt. Ein Schalter kann auf diese Weise z. B. mehrere Lampen steuern. Der Koordinator legt für jede logische Verbindung in der Bindingtabelle einen Eintrag an. So wird das Verwalten des Netzwerks erheblich vereinfacht und flexibilisiert. Funktionen neuer Geräte können durch einmaliges Binding schnell hinzugefügt oder vorhandene Geräte ersetzt werden.

Y2K[Bearbeiten]

Die Standard-Datentypen für Zeitangaben in ZigBee-Paketen sind für absolute Zeitangaben sekundengenau und umfassen die Jahre 2000 bis 2187. Zeiträume werden auf Millisekunden genau wiedergegeben (0 Millisekunden bis 49 Tage).

ZigBee IP[Bearbeiten]

ZigBee IP ist die Erweiterung des ZigBee-Stacks für IPv6. [1] Die ZigBee Alliance orientiert sich bei der Entwicklung an bestehenden Protokollen von Standardisierungsgremien wie IETF, IEEE, W3C, ISO und IEC.

Der Stack nutzt in der Netzwerk-Schicht (OSI-Modell Network Layer) unter anderem die von der IETF entwickelten Protokolle 6LoWPAN und RPL.[1] Das 6LoWPAN-Protokoll ermöglicht die direkte Anbindung von Geräten oder Sensornetzwerken an das Internet über IPv6 (Internet of Things).

ZigBee RF4CE[Bearbeiten]

RF4CE ist ein Akronym für radio frequency for consumer electronics.

ZigBee RF4CE soll einen Standard für die drahtlose Vernetzung von konsumentenfreundlichen Endgeräten etablieren. [2]

Anwendungsgebiete[Bearbeiten]

Aufgestecktes ZigBee Modul (XBee) mit Entwicklungsboard (Arduino)
  • Industrie- und Automatisierungstechnik
    • Anlagensteuerung
    • Güterüberwachung
    • Übertragen von Sensordaten
  • Medizintechnik
    • Patientendatenübertragung
  • Heim- und Gebäudeautomatisierung
    • Unterhaltungselektronik (z. B. 3D-Shutterbrillen)
    • Computer-Peripherie
    • Funkmelder

Im Bereich Heimautomation und M2M steht ZigBee in direkter Konkurrenz zu Z-Wave. Für beide Protokolle gibt es eine Reihe OSGi-basierter Framework-Lösungen, die über das reine Protokoll hinausgehende Heimautomatisierungsfunktionen beinhalten, wie z.B. einen Geräteabstraktionslayer.

Im Bereich Medizintechnik ist als Konkurrenzstandard Bluetooth bzw. die Spezifikation der Continua-Allianz erwähnenswert.

Risiken bei ZigBee[Bearbeiten]

Da im ZigBee-Standard 2003 nur ein Koordinator möglich ist, kann bei Verwendung indirekter Adressierung der Ausfall des Koordinators das gesamte Netz gefährden, da dieser alle Routing- und Geräteinformationen in einem flüchtigen Speicher hält. Das ZigBee-Netz ist hierarchisch strukturiert und hat dadurch einen Single Point of Failure (SPOF). Allerdings können Router so konfiguriert sein, dass sie im Fehlerfall die Aufgabe des Koordinators übernehmen.

Praxistests zeigten im 2,45-GHz-Band größere Probleme bei der Koexistenz von IEEE 802.15.4 mit WLAN und Bluetooth. Bei Bluetooth erweist sich das seit der Version 1.2 eingeführte adaptive Frequenzsprungverfahren (engl. frequency hopping), welches WLAN ausweicht, aber dafür die verbleibenden Frequenzen häufiger belegt, als Störer. WLAN macht durch den stark gewachsenen Datenverkehr Probleme.[3] Die Aussagekraft dieser Ergebnisse wird von der ZigBee Alliance angezweifelt und durch eine Verträglichkeitsstudie ein Gegenbeweis angetreten.[4] Um die Problematik der Interferenzen zu vermeiden, bietet ZigBee die Möglichkeit, anstelle des 2,4-GHz-Bandes das 868-MHz-Band zu verwenden, in welchem die geringen maximal erlaubten Belegungszeiten (unter einem Prozent Sendeaktivität pro Sender) für die Minimierung möglicher Interferenzen sorgen.

Als Bedrohung könnten sich Angriffsmöglichkeiten ähnlich dem WLAN herauskristallisieren. Dabei verfügt ZigBee über viele Fehler, die im veralteten WEP-Standard enthalten waren. Eine Entschlüsselung des ZigBee-Keys geht sehr schnell und ist in Tools wie Wireshark schon fest implementiert.

Siehe auch[Bearbeiten]

Weblinks[Bearbeiten]

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. a b ZigBee IP-Stack
  2. ZigBee RF4CE
  3. Heft 11/2006 der funkschau
  4. zigbee.org ZigBee and Wireless Radio Frequency Coexistence