Топология беспроводных персональных сетей

Для обеспечения низкой стоимости интеграции технологии беспроводной передачи ZigBee в различные приложения физическая реализация аппаратной части стандарта IEEE 802.15.4 выполняется в двух исполнениях: устройства с ограниченным набором функции (Reduced Function Device, RFD) и полностью функциональные устройства (Full Function Device, FFD). При реализации одной из топологий сети, приведенной на рисунке 4.17, требуется наличие, по крайней мере, одного FFD-устройства, выполняющего роль сетевого координатора [3].

Рисунок 4.17

В таблице 4.8 приведен перечень функций, выполняемых устройствами FFD и RFD.

Таблица 4.8 – Функции FFD и RFD устройств

Низкая стоимость аппаратной части RFD-устройств обеспечивается за счет ограничения набора функций при организации взаимодействия с сетевым координатором или FFD-устройством. Это в свою очередь, отражается на неполной реализации модели взаимодействия, приведенной на рисунке 4.17, а также предъявляет минимальные требования к ресурсам памяти.

Кроме деления устройств на RFD и FFD, альянсом ZigBee определены три типа логических устройств: ZigBee-координатор (согласующее устройство), ZigBee-маршрутизатор и оконечное устройство ZigBee. Координатор осуществляет инициализацию сети, управление узлами, а также хранит информацию о настройках каждого узла, подсоединенного к сети. ZigBee-маршрутизатор отвечает за маршрутизацию сообщений, передаваемых по сети от одного узла к другому. Под оконечным устройством понимают любое оконечное устройство, подсоединенное к сети. Рассмотренные выше устройства RFD и FFD как раз и являются оконечными устройствами. Тип логического устройства при построении сети определяет конечный пользователь посредством выбора определенного профиля, предложенного альянсом ZigBee. При построении сети с топологией «каждый с каждым» передача сообщений от одного узла сети к другому может осуществляться по разным маршрутам, что позволяет строить распределенные сети (объединяющие несколько небольших сетей в одну большую — кластерное дерево) с установкой одного узла от другого на достаточно большом расстоянии и обеспечить надежную доставку сообщений.

Процесс формирования сети выглядит следующим образом. Даже если все устройства ZigBee включены и могут вести общение друг с другом, сеть не возникнет, пока не появиться устройство, взявшее на себя роль координатора. Сначала координатор определяет уровни энергии на всех доступных частотных каналах. Выбирается канал с наименьшим уровнем. Выбрав канал, координатор определяет наличие в нем других работающих ZigBee сетей и их идентификаторы через общение с узлами этих сетей. Затем координатор случайным образом выбирает идентификатор для своей сети из диапазона 0x0000‑0x3FFE так, чтобы он не совпал с идентификаторами других сетей в том же частотном диапазоне.

Сетевой 16-и битный адрес координатора всегда равен 0x0000. Теперь координатор разрешает присоединяться к своей сети другим устройствам, которые до этого момента сканировали запросами эфир на предмет доступных сетей. Присоединение начинается по принципу дерева, т.е. присоединив некоторое количество первых конечных устройств и маршрутизаторов, координатор отказывается присоединять непосредственно к себе остальных, оставшиеся вынуждены искать уже присоединившиеся к координатору маршрутизаторы (конечные устройства не могут присоединять другие устройства) и присоединяться к ним. Таким образом, начинает ветвиться дерево присоединений. Из кандидатов в родительские узлы предпочтение отдается тем, от кого меньше всего остается переходов к координатору.

В случае звездообразной топологии, коммуникации устанавливаются между отдельными устройствами и центральным контроллером, называемым координатором PAN.

Топология peer-to-peer (P2P) также работает с координатором PAN. Она отличается от звезды тем, что любые сетевые устройства могут обмениваться друг с другом, если существуют соответствующие каналы [1].

Топология Р2Р позволяет формировать более сложные сетевые конфигурации. Выделяют древовидные (кластерное дерево, claster tree) и ячеистые (смешанная: mesh) структуры. Сеть Р2Р может быть самоорганизующейся и самовосстанавливающейся. Эта топология позволяет организовать и многошаговые маршруты доставки сообщений от одного сетевого устройства другому. Такие функции могут быть добавлены на более высоком уровне и не являются частью стандарта.