زيجبي

الموسوعة الحرة

زيجبي هي مواصفة تستند إلى معيار IEEE 802.15.4 لمجموعة من بروتوكولات الاتصال عالية المستوى المستخدمة لإنشاء شبكات شخصية باستخدام أجهزة راديو رقمية صغيرة ومنخفضة الطاقة ، مثل تلك المستخدمة في أتمتة المنازل ، وجمع بيانات الأجهزة الطبية، وغيرها من التطبيقات التي تتطلب طاقة ونطاق ترددي منخفضين، وهي مصممة للمشاريع الصغيرة التي تحتاج إلى اتصال لاسلكي. وبالتالي، يُعد زيجبي معيارًا للشبكات اللاسلكية المخصصة (ad hoc) منخفضة الطاقة ومعدل نقل البيانات، والتي تعمل ضمن نطاق قريب (أي الشبكات الشخصية) .

تهدف تقنية Zigbee، المحددة في مواصفاتها، إلى أن تكون أبسط وأقل تكلفة من شبكات المناطق الشخصية اللاسلكية الأخرى (WPANs)، مثل Bluetooth ، أو معايير الشبكات اللاسلكية العامة، مثل Wi-Fi (أو Li-Fi ). وتشمل تطبيقاتها مفاتيح الإضاءة اللاسلكية، وأجهزة مراقبة استهلاك الطاقة المنزلية ، وأنظمة إدارة حركة المرور، وغيرها من المعدات الاستهلاكية والصناعية التي تتطلب نقل بيانات لاسلكي قصير المدى ومنخفض السرعة.

يحد استهلاكها المنخفض للطاقة من مسافات الإرسال إلى 10-100 متر (33-328 قدمًا) في خط رؤية مباشر ، وذلك اعتمادًا على خرج الطاقة والخصائص البيئية. [ 1 ] تستطيع أجهزة Zigbee نقل البيانات عبر مسافات طويلة من خلال تمريرها عبر شبكة متشابكة من الأجهزة الوسيطة للوصول إلى الأجهزة الأبعد. يُستخدم Zigbee عادةً في التطبيقات ذات معدل نقل البيانات المنخفض والتي تتطلب عمر بطارية طويل وشبكة آمنة. (تُؤمَّن شبكات Zigbee بمفاتيح تشفير متناظرة 128 بت ). يبلغ معدل نقل بيانات Zigbee المحدد ما يصل إلى 250 كيلوبت/ثانية  ، وهو الأنسب لعمليات نقل البيانات المتقطعة من جهاز استشعار أو جهاز إدخال.

تم ابتكار بروتوكول Zigbee في عام 1998، وتم توحيد معاييره في عام 2003، وتم تنقيحه في عام 2006. ويشير الاسم إلى رقصة النحل الاهتزازية بعد عودته إلى الخلية. [ 2 ]

ملخص

وحدة زيجبي

زيجبي هو معيار لشبكات لاسلكية متداخلة منخفضة الطاقة، يوفر اتصالاً منخفض التأخير، وهو مصمم خصيصاً للأجهزة التي تعمل بالبطاريات في تطبيقات التحكم والمراقبة اللاسلكية. تُدمج رقائق زيجبي عادةً مع أجهزة الراديو ووحدات التحكم الدقيقة .

تعمل تقنية زيجبي في نطاقات الراديو الصناعية والعلمية والطبية ( ISM )، معيُستخدم نطاق التردد 2.4 جيجاهرتز  بشكل أساسي لأجهزة الإضاءة وأتمتة المنازل في معظم أنحاء العالم. أما أجهزة قياس استهلاك الطاقة التجارية وأجهزة جمع البيانات الطبية، فتستخدم غالبًا ترددات أقل من 2 جيجاهرتز : 902-928 ميجاهرتز في أمريكا الشمالية وأستراليا وإسرائيل، و868-870 ميجاهرتز في أوروبا، و779-787 ميجاهرتز في الصين. وتتراوح معدلات نقل البيانات من حوالي 20 كيلوبت/ثانية لنطاقات التردد الأقل من 2 جيجاهرتز إلى حوالي 250 كيلوبت/ثانية لنطاق التردد 2.4 جيجاهرتز.    

تعتمد تقنية Zigbee على الطبقة الفيزيائية والتحكم في الوصول إلى الوسائط المحددة في معيار IEEE 802.15.4 لشبكات المناطق الشخصية اللاسلكية منخفضة السرعة (WPANs). تتضمن مواصفات Zigbee أربعة مكونات رئيسية إضافية: طبقة الشبكة ، طبقة التطبيق ،كائنات أجهزة Zigbee (ZDOs) وكائنات التطبيقات المحددة من قبل الشركة المصنعة. تتولى كائنات ZDOs مهامًا تشمل تتبع أدوار الأجهزة، وإدارة طلبات الانضمام إلى الشبكة، واكتشاف الأجهزة وتأمينها.

تدعم طبقة شبكة Zigbee بشكل أصلي طوبولوجيات الشبكة النجمية والشجرة ، بالإضافة إلى طوبولوجيات الشبكة المتداخلة العامة . يجب أن تحتوي كل شبكة على جهاز تنسيق واحد. في الشبكات النجمية، يجب أن يكون جهاز التنسيق هو العقدة المركزية. تسمح كل من الشبكات الشجرية والمتداخلة باستخدام أجهزة توجيه Zigbee لتوسيع نطاق الاتصال على مستوى الشبكة. من السمات المميزة الأخرى لـ Zigbee توفير إمكانيات لإجراء اتصالات آمنة، وحماية إنشاء ونقل مفاتيح التشفير، وتشفير الإطارات، والتحكم في الأجهزة. ولتحقيق ذلك، يعتمد Zigbee على إطار الأمان الأساسي المحدد في معيار IEEE 802.15.4.

تاريخ

تم ابتكار شبكات الراديو الرقمية المخصصة ذاتية التنظيم على غرار Zigbee في التسعينيات. وتم التصديق على مواصفات IEEE 802.15.4-2003 Zigbee في 14 ديسمبر 2004. [ 3 ] أعلن تحالف معايير الاتصال (تحالف Zigbee سابقًا) عن توفر المواصفات 1.0 في 13 يونيو 2005، والمعروفة باسم مواصفات ZigBee 2004 .

مكتبة المجموعة

في سبتمبر 2006، تم الإعلان عن مواصفات Zigbee 2006 ، مما أدى إلى إلغاء حزمة بروتوكولات 2004 [ 4 ]. تستبدل مواصفات 2006 بنية الرسائل وأزواج المفاتيح والقيم المستخدمة في حزمة بروتوكولات 2004 بمكتبة عنقودية . المكتبة عبارة عن مجموعة من الأوامر والخصائص والعناصر العامة الموحدة، مُنظمة ضمن مجموعات تُعرف باسم العناقيد، مثل الطاقة الذكية، وأتمتة المنزل، و...وصلة ضوء زيجبي . [ 5 ]

في يناير 2017، أعادت منظمة معايير الاتصال تسمية المكتبة إلى دوت دوت، وأعلنت عنها كبروتوكول جديد يُرمز إليه برمز تعبيري ( || :) . كما أعلنت أنها ستعمل أيضًا على أنواع شبكات أخرى باستخدام بروتوكول الإنترنت [ 6 ] ، وستتكامل مع معايير أخرى مثل ثريد [ 7 ] . ومنذ إطلاقها، عملت دوت دوت كطبقة التطبيقات الافتراضية لجميع أجهزة زيجبي تقريبًا [ 8 ] .

زيجبي برو

تم الانتهاء من تطوير بروتوكول Zigbee Pro، المعروف أيضًا باسم Zigbee 2007، في عام 2007. [ 9 ] يمكن لجهاز Zigbee Pro الانضمام إلى شبكة Zigbee قديمة والعمل عليها، والعكس صحيح. نظرًا لاختلاف خيارات التوجيه، يجب أن يصبح جهاز Zigbee Pro جهازًا طرفيًا غير موجه (ZED) على شبكة Zigbee قديمة، ويجب أن يصبح جهاز Zigbee قديم جهازًا طرفيًا موجهًا (ZED) على شبكة Zigbee Pro. [ 10 ] يعمل هذا البروتوكول باستخدام  نطاق ISM بتردد 2.4 جيجاهرتز، ويضيف نطاقًا فرعيًا بتردد أقل من 1 جيجاهرتز. [ 11 ]

حالات الاستخدام

صُممت بروتوكولات Zigbee للتطبيقات المدمجة التي تتطلب استهلاكًا منخفضًا للطاقة وتتحمل معدلات نقل بيانات منخفضة . ستستهلك الشبكة الناتجة طاقة ضئيلة للغاية، إذ يجب أن تتمتع الأجهزة الفردية بعمر بطارية لا يقل عن عامين لاجتياز عملية الاعتماد. [ 12 ] [ 13 ]

تشمل مجالات التطبيق النموذجية ما يلي:

لا يُعدّ بروتوكول Zigbee مناسبًا للحالات التي تتسم بحركة عالية بين العقد. لذا، فهو غير ملائم لشبكات الراديو التكتيكية المخصصة في ساحة المعركة، حيث يكون معدل نقل البيانات العالي والحركة العالية ضروريين. [ 18 ]

ملفات تعريف التطبيقات

تم الإعلان عن أول ملف تعريف لتطبيق Zigbee، وهو Home Automation، في 2 نوفمبر 2007. وقد تم نشر ملفات تعريف تطبيقات إضافية منذ ذلك الحين.

التُحدد مواصفات Zigbee Smart Energy 2.0 بروتوكول اتصالقائم علىبروتوكول الإنترنتلمراقبة وضبط وإبلاغ وأتمتة توصيل واستخدام الطاقة والمياه. وهي نسخة مُحسّنة من مواصفات Zigbee Smart Energy الإصدار 1. [ 19 ] تُضيف هذه المواصفات خدماتالمركبات الكهربائية، والتركيب، والتكوين، وتنزيل البرامج الثابتة، وخدمات الدفع المسبق، ومعلومات المستخدم والمراسلة، والتحكم في الأحمال،والاستجابة للطلبوواجهات معلومات مشتركة وملفات تعريف التطبيقات للشبكات السلكية واللاسلكية. ويجري تطويرها من قِبل شركاء، من بينهم:

تعتمد تقنية Zigbee Smart Energy على بروتوكول Zigbee IP، وهو طبقة شبكة تقوم بتوجيه حركة مرور IPv6 القياسية عبر معيار IEEE 802.15.4 باستخدام ضغط رأس 6LoWPAN . [ 20 ] [ 21 ]

في عام ٢٠٠٩، اتفق اتحاد الترددات الراديوية للأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية (RF4CE) وتحالف معايير الاتصال (المعروف سابقًا باسم تحالف زيجبي) على وضع معيار مشترك لأجهزة التحكم عن بُعد التي تعمل بترددات الراديو. صُمم معيار زيجبي RF4CE ليتوافق مع مجموعة واسعة من المنتجات الإلكترونية الاستهلاكية، مثل أجهزة التلفاز وأجهزة الاستقبال الرقمي. وقد وعد هذا المعيار بالعديد من المزايا مقارنةً بحلول التحكم عن بُعد الحالية، بما في ذلك تحسين جودة الاتصال وزيادة الموثوقية، بالإضافة إلى تعزيز الميزات والمرونة، والتوافق التشغيلي، وعدم وجود عائق خط الرؤية. [ ٢٢ ] يستخدم معيار زيجبي RF4CE مجموعة فرعية من وظائف زيجبي، مما يسمح بتشغيله على تكوينات ذاكرة أصغر في أجهزة أقل تكلفة، مثل أجهزة التحكم عن بُعد للأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية.

أجهزة الراديو

يتميز تصميم الراديو المستخدم في تقنية زيجبي بقلة المراحل التناظرية ، ويعتمد على الدوائر الرقمية كلما أمكن ذلك. وتتوفر منتجات تدمج الراديو ووحدة التحكم الدقيقة في وحدة واحدة. [ 23 ]

تتضمن عملية اعتماد تقنية Zigbee التحقق الكامل من متطلبات الطبقة الفيزيائية. تتمتع جميع أجهزة الراديو المشتقة من نفس مجموعة أقنعة أشباه الموصلات المعتمدة بنفس خصائص الترددات اللاسلكية. وتخضع أجهزة راديو Zigbee لقيود صارمة للغاية فيما يتعلق بالطاقة وعرض النطاق الترددي. وقد يؤدي تعطل الطبقة الفيزيائية غير المعتمدة إلى زيادة استهلاك الطاقة للأجهزة الأخرى على شبكة Zigbee. ولذلك، تُختبر أجهزة الراديو وفقًا للإرشادات الواردة في البند 6 من معيار 802.15.4-2006. [ 24 ]

يحدد هذا المعيار التشغيل في نطاقات ISM  غير المرخصة من 2.4 إلى 2.4835 جيجاهرتز [ 25 ] (عالميًا)، ومن 902 إلى 928  ميجاهرتز (الأمريكتان وأستراليا)، ومن 868 إلى 868.6  ميجاهرتز (أوروبا) . تم تخصيص ست عشرة قناة في نطاق 2.4 جيجاهرتز، بمسافة فاصلة قدرها 5 ميجاهرتز بين كل قناة وأخرى، مع استخدام 2 ميجاهرتز فقط من عرض النطاق الترددي لكل قناة. تستخدم أجهزة الراديو ترميز الطيف المنتشر بالتسلسل المباشر ، والذي تتم إدارته بواسطة التدفق الرقمي إلى المُعدِّل. يُستخدم مفتاح إزاحة الطور الثنائي (BPSK) في نطاقي 868 و915 ميجاهرتز، بينما يُستخدم مفتاح إزاحة الطور التربيعي المُزاح (OQPSK) الذي ينقل بتين لكل رمز في نطاق 2.4 جيجاهرتز.     

يبلغ معدل نقل البيانات الخام عبر الأثير 250 كيلوبت/ثانية لكل قناة في نطاق 2.4  جيجاهرتز، و 40 كيلوبت/ثانية لكل قناة في نطاق 915  ميجاهرتز، و 20 كيلوبت/ثانية في نطاق 868  ميجاهرتز. سيكون معدل نقل البيانات الفعلي أقل من الحد الأقصى المحدد بسبب حجم البيانات الإضافية وتأخيرات المعالجة. بالنسبة للتطبيقات الداخلية بتردد 2.4  جيجاهرتز، تتراوح مسافة الإرسال بين 10 و20  مترًا، وذلك تبعًا لمواد البناء، وعدد الجدران المراد اختراقها، وطاقة الخرج المسموح بها في الموقع الجغرافي. [ 26 ] تتراوح طاقة خرج أجهزة الراديو عمومًا بين 0 و20 ديسيبل ميلي واط (1-100 ميلي واط).  

أنواع الأجهزة وأنماط التشغيل

توجد ثلاثة أنواع من أجهزة Zigbee:

  • منسق Zigbee (ZC) : يُعدّ المنسق الجهاز الأكثر كفاءة، فهو يُشكّل جذر شجرة الشبكة، ويمكنه الربط بشبكات أخرى. يوجد منسق Zigbee واحد فقط في كل شبكة، لأنه الجهاز الذي بدأ تشغيل الشبكة في الأصل (تسمح مواصفات Zigbee LightLink أيضًا بالتشغيل بدون منسق Zigbee، مما يجعله أكثر ملاءمةً للمنتجات المنزلية الجاهزة). يخزن المنسق معلومات حول الشبكة، بما في ذلك العمل كمركز ثقة ومستودع لمفاتيح الأمان. [ 27 ] [ 28 ]
  • جهاز توجيه زيجبي (ZR) : بالإضافة إلى تشغيل وظائف التطبيقات، يمكن لأجهزة التوجيه أن تعمل كأجهزة توجيه وسيطة، حيث تنقل البيانات إلى الأجهزة الأخرى. عادةً ما تعمل هذه الأنواع من منتجات زيجبي بالكهرباء، لذا فهي متوفرة دائمًا على الشبكة. تُسمى أجهزة توجيه زيجبي أحيانًا بمكررات زيجبي أو موسعات نطاق زيجبي.
  • جهاز طرفي لشبكة زيجبي (ZED) : يحتوي على وظائف كافية للتواصل مع العقدة الرئيسية (سواءً كانت المنسق أو جهاز التوجيه)؛ ولا يمكنه نقل البيانات من الأجهزة الأخرى. تسمح هذه الخاصية للعقدة بالبقاء في وضع السكون لفترة طويلة، مما يطيل عمر البطارية. غالبًا ما تعمل هذه الأجهزة ببطاريات. يتطلب جهاز ZED أقل قدر من الذاكرة، وبالتالي قد يكون تصنيعه أقل تكلفة من جهازي ZR أو ZC.

تدعم بروتوكولات Zigbee الحالية الشبكات التي تدعم تقنية الإشارات اللاسلكية والشبكات التي لا تدعمها.

في الشبكات غير المُفعّلة بتقنية الإشارات اللاسلكية، تُستخدم آلية الوصول إلى القناة CSMA/CA غير المُوقّتة. في هذا النوع من الشبكات، عادةً ما تكون أجهزة استقبال أجهزة توجيه Zigbee نشطة باستمرار، مما يتطلب طاقة إضافية. [ 29 ] ومع ذلك، يسمح هذا بإنشاء شبكات غير متجانسة حيث تستقبل بعض الأجهزة باستمرار بينما تُرسل أجهزة أخرى عند الضرورة. المثال النموذجي على الشبكة غير المتجانسة هو مفتاح الإضاءة اللاسلكي : قد تستقبل عقدة Zigbee الموجودة عند المصباح باستمرار، نظرًا لتزويدها بالطاقة بشكل موثوق من مصدر التيار الكهربائي الرئيسي للمصباح، بينما يبقى مفتاح الإضاءة الذي يعمل بالبطارية في وضع السكون حتى يتم تشغيله. في هذه الحالة، يستيقظ المفتاح، ويرسل أمرًا إلى المصباح، ويتلقى تأكيدًا، ثم يعود إلى وضع السكون. في مثل هذه الشبكة، ستكون عقدة المصباح على الأقل جهاز توجيه Zigbee، إن لم تكن منسق Zigbee؛ أما عقدة المفتاح فهي عادةً جهاز طرفي Zigbee.

في الشبكات التي تعتمد على تقنية الإشارات اللاسلكية، تُرسل أجهزة توجيه Zigbee إشارات دورية لتأكيد وجودها لعُقد الشبكة الأخرى. يمكن للعُقد الدخول في وضع السكون بين الإشارات، مما يُطيل عمر بطارياتها. تعتمد فترات الإشارات على معدل نقل البيانات؛ حيث تتراوح من 15.36 مللي ثانية إلى 251.65824 ثانية عند معدل 250 كيلوبت/ثانية ، ومن 24 مللي ثانية إلى 393.216 ثانية عند معدل 40 كيلوبت/ثانية ، ومن 48 مللي ثانية إلى 786.432 ثانية عند معدل 20 كيلوبت/ثانية . تتطلب فترات الإشارات الطويلة توقيتًا دقيقًا، وهو ما قد يكون مكلفًا في المنتجات منخفضة التكلفة.

بشكل عام، تعمل بروتوكولات Zigbee على تقليل مدة تشغيل الراديو، وبالتالي خفض استهلاك الطاقة. في الشبكات التي تستخدم تقنية الإشارات، لا تحتاج العقد إلى أن تكون نشطة إلا أثناء إرسال الإشارة. أما في الشبكات التي لا تستخدم هذه التقنية، فيكون استهلاك الطاقة غير متماثل بشكل واضح: فبعض الأجهزة تكون نشطة باستمرار بينما تقضي أجهزة أخرى معظم وقتها في وضع السكون.

باستثناء ملف تعريف الطاقة الذكية 2.0، يُشترط على أجهزة Zigbee التوافق مع معيار IEEE 802.15.4-2003 لشبكات المناطق الشخصية اللاسلكية منخفضة المعدل (LR-WPAN). يحدد هذا المعيار طبقات البروتوكول الدنيا ، وهي الطبقة الفيزيائية (PHY) وجزء التحكم في الوصول إلى الوسائط من طبقة ربط البيانات . نمط الوصول الأساسي للقناة هو الوصول المتعدد مع استشعار الناقل وتجنب التصادم (CSMA/CA). أي أن العقد تتواصل بطريقة تُشبه إلى حد ما طريقة تواصل البشر: حيث تتحقق العقدة لفترة وجيزة من عدم تواصل العقد الأخرى قبل بدء التواصل. لا يُستخدم نمط CSMA/CA في ثلاثة استثناءات بارزة:

  • إشعارات استلام الرسائل.
  • يتم إرسال الإشارات وفقًا لجدول زمني ثابت.
  • يمكن للأجهزة الموجودة في الشبكات التي تدعم تقنية الإشارات اللاسلكية والتي تتطلب زمن استجابة منخفضًا ومتطلبات في الوقت الفعلي أن تستخدم أيضًا فترات زمنية مضمونة.

طبقة الشبكة

تتمثل الوظائف الرئيسية لطبقة الشبكة في ضمان الاستخدام الصحيح لطبقة التحكم في الوصول إلى الوسائط (MAC) وتوفير واجهة مناسبة لاستخدامها من قبل الطبقة الأعلى التالية، وهي طبقة التطبيقات. تتعامل طبقة الشبكة مع وظائف الشبكة مثل الاتصال والفصل وإعداد الشبكات. يمكنها إنشاء شبكة، وتخصيص العناوين، وإضافة الأجهزة وإزالتها. تستخدم هذه الطبقة بنى الشبكة النجمية والشبكية والشجرية.

تقوم وحدة البيانات في طبقة النقل بإنشاء وإدارة وحدات بيانات البروتوكول بتوجيه من طبقة التطبيق، وتُجري عمليات التوجيه وفقًا للبنية الحالية للشبكة. أما وحدة التحكم فتتولى تهيئة الأجهزة الجديدة وإنشاء الشبكات الجديدة، كما يمكنها تحديد ما إذا كان جهاز مجاور ينتمي إلى الشبكة، واكتشاف الأجهزة المجاورة الجديدة وأجهزة التوجيه.

بروتوكول التوجيه المستخدم في طبقة الشبكة هو AODV . [ 30 ] للعثور على جهاز الوجهة، يُستخدم AODV لبث طلب توجيه إلى جميع جيرانه. ثم يبث الجيران الطلب إلى جيرانهم وهكذا حتى الوصول إلى الوجهة. بمجرد الوصول إلى الوجهة، يتم إرسال رد توجيه عبر إرسال أحادي البث باتباع المسار الأقل تكلفة للعودة إلى المصدر. بمجرد أن يستلم المصدر الرد، يقوم بتحديث جدول التوجيه الخاص به بعنوان الوجهة للقفزة التالية في المسار وتكلفة المسار المرتبطة بها.

طبقة التطبيق

طبقة التطبيق هي الطبقة الأعلى مستوىً المحددة في المواصفات، وهي الواجهة الفعّالة لنظام Zigbee مع مستخدميه النهائيين. وتشمل معظم المكونات التي أضافتها مواصفات Zigbee: كل من كائن جهاز Zigbee (ZDO) وإجراءات إدارته، بالإضافة إلى كائنات التطبيق التي يحددها المُصنِّع، تُعتبر جميعها جزءًا من هذه الطبقة. تقوم هذه الطبقة بربط الجداول، وإرسال الرسائل بين الأجهزة المرتبطة، وإدارة عناوين المجموعات، وإعادة تجميع الحزم، ونقل البيانات. وهي مسؤولة عن تقديم الخدمة لملفات تعريف أجهزة Zigbee.

المكونات الرئيسية

يُعدّ ZDO ( كائن جهاز Zigbee)، وهو بروتوكول ضمن حزمة بروتوكولات Zigbee، مسؤولاً عن إدارة الأجهزة بشكل عام، ومفاتيح الأمان، والسياسات. وهو مسؤول عن تحديد دور الجهاز كمنسق أو جهاز طرفي، كما ذُكر سابقاً، بالإضافة إلى اكتشاف الأجهزة الجديدة على الشبكة وتحديد الخدمات التي تقدمها. وقد يقوم بعد ذلك بإنشاء روابط آمنة مع الأجهزة الخارجية والاستجابة لطلبات الربط وفقاً لذلك.

تُعدّ طبقة دعم التطبيقات (APS) المكوّن القياسي الرئيسي الآخر في حزمة البروتوكولات، ولذلك فهي توفر واجهة محددة جيدًا وخدمات تحكم. تعمل هذه الطبقة كجسر بين طبقة الشبكة وعناصر طبقة التطبيقات الأخرى، حيث تحتفظ بجداول ربط محدّثة على شكل قاعدة بيانات، والتي يمكن استخدامها للعثور على الأجهزة المناسبة بناءً على الخدمات المطلوبة والخدمات التي توفرها الأجهزة المختلفة. وبصفتها حلقة الوصل بين الطبقتين المذكورتين، فإنها تقوم أيضًا بتوجيه الرسائل عبر طبقات حزمة البروتوكولات .

نماذج الاتصال

نموذج اتصال عالي المستوى من زيجبي

قد يتألف التطبيق من أجهزة متصلة تتعاون لإنجاز المهام المطلوبة. عادةً ما تكون المهام محلية إلى حد كبير لكل جهاز، مثل التحكم في كل جهاز منزلي. يركز نظام Zigbee على توزيع العمل بين العديد من الأجهزة المختلفة الموجودة ضمن عقد Zigbee الفردية، والتي بدورها تُشكل شبكة.

تتواصل الكائنات التي تُشكّل الشبكة باستخدام الإمكانيات التي يوفرها نظام APS، والتي تُشرف عليها واجهات ZDO. يمكن أن يصل عدد كائنات التطبيق في الجهاز الواحد إلى 240 كائنًا، مرقمة من 1 إلى 240. الرقم 0 محجوز لواجهة بيانات ZDO، والرقم 255 للبث؛ أما النطاق من 241 إلى 254 فهو غير مستخدم حاليًا، ولكن قد يُستخدم مستقبلًا.

تتوفر خدمتان لاستخدام كائنات التطبيق (في Zigbee 1.0):

  • خدمة أزواج المفاتيح والقيم (KVP) مخصصة لأغراض التهيئة. فهي تُمكّن من وصف سمات الكائنات وطلبها وتعديلها عبر واجهة بسيطة تعتمد على عمليات get و set و event الأساسية، مع إمكانية طلب استجابة في بعض الحالات. وتستخدم عملية التهيئة لغة XML .
  • صُممت خدمة الرسائل لتقديم نهج عام لمعالجة المعلومات، مما يجنب الحاجة إلى تكييف بروتوكولات التطبيقات والتكاليف الإضافية المحتملة التي قد تتكبدها خدمة KVP. وهي تسمح بنقل حمولات بيانات متنوعة عبر إطارات APS.

يُعدّ العنونة جزءًا من طبقة التطبيق. تتكون عقدة الشبكة من جهاز إرسال واستقبال لاسلكي متوافق مع معيار IEEE 802.15.4 ووصف جهاز واحد أو أكثر (مجموعة من السمات التي يمكن استطلاعها أو ضبطها أو مراقبتها من خلال الأحداث). يُشكّل جهاز الإرسال والاستقبال أساس العنونة، ويتم تحديد الأجهزة داخل العقدة بواسطة مُعرّف نقطة نهاية يتراوح بين 1 و240.

اكتشاف الاتصالات والأجهزة

لكي تتواصل التطبيقات، يجب أن تستخدم الأجهزة التي تدعمها بروتوكولًا مشتركًا للتطبيقات (أنواع الرسائل، والتنسيقات، وما إلى ذلك)؛ وتُجمَّع هذه المجموعات من الاتفاقيات في ملفات تعريف . علاوة على ذلك، يُحدَّد الربط من خلال مطابقة مُعرِّفات مجموعات الإدخال والإخراج الفريدة ضمن سياق ملف تعريف مُعيَّن، والمرتبطة بتدفق بيانات وارد أو صادر في الجهاز. تحتوي جداول الربط على أزواج المصدر والوجهة.

قد تتبع عملية اكتشاف الأجهزة طرقًا مختلفة بناءً على المعلومات المتاحة. فعندما يكون عنوان الشبكة معروفًا، يمكن طلب عنوان IEEE باستخدام الاتصال أحادي البث . أما عندما يكون غير معروف، فيتم بث الطلبات . ستستجيب الأجهزة الطرفية ببساطة بالعنوان المطلوب، بينما سيرسل منسق الشبكة أو جهاز التوجيه أيضًا عناوين جميع الأجهزة المرتبطة به.

يُتيح بروتوكول الاكتشاف الموسّع هذا للأجهزة الخارجية معرفة الأجهزة الموجودة في الشبكة والخدمات التي تُقدّمها، والتي يُمكن للأجهزة الطرفية الإبلاغ عنها عند الاستعلام عنها من قِبل الجهاز المُكتشف (الذي سبق له الحصول على عناوينها). كما يُمكن استخدام خدمات المطابقة.

يُفرض استخدام مُعرّفات المجموعات ربط الكيانات المُكمّلة باستخدام جداول الربط، التي يُديرها مُنسّقو Zigbee، إذ يجب أن يكون الجدول مُتاحًا دائمًا داخل الشبكة، ومن المُرجّح أن يكون لدى المُنسّقين مصدر طاقة دائم. قد تحتاج بعض التطبيقات إلى نسخ احتياطية تُدار بواسطة طبقات أعلى. يتطلب الربط وجود رابط اتصال مُنشأ؛ وبعد إنشائه، يُحدّد ما إذا كان سيتم إضافة عقدة جديدة إلى الشبكة، وفقًا لسياسات التطبيق والأمان.

يمكن أن تتم عملية الاتصال مباشرةً بعد إنشاء الرابط. يستخدم التوجيه المباشر كلاً من عنوان الراديو ومعرّف نقطة النهاية، بينما يستخدم التوجيه غير المباشر جميع الحقول ذات الصلة (العنوان، نقطة النهاية، المجموعة، والسمة) ويتطلب إرسالها إلى منسق الشبكة، الذي يتولى إدارة الروابط وترجمة طلبات الاتصال. يُعد التوجيه غير المباشر مفيدًا بشكل خاص لتبسيط بعض الأجهزة وتقليل حاجتها إلى مساحة تخزين. بالإضافة إلى هاتين الطريقتين، يتوفر البث إلى جميع نقاط النهاية في الجهاز، ويُستخدم توجيه المجموعات للتواصل مع مجموعات من نقاط النهاية التابعة لمجموعة محددة من الأجهزة.

خدمات الأمن

تُعدّ تقنية Zigbee إحدى سماتها المميزة، إذ توفر إمكانيات لإجراء اتصالات آمنة ، وحماية إنشاء ونقل المفاتيح المشفرة ، وتشفير البيانات. وهي تعتمد على إطار الأمان الأساسي المحدد في معيار IEEE 802.15.4.

نموذج الأمان الأساسي

تتمثل الآلية الأساسية لضمان السرية في الحماية الكافية لجميع مواد التشفير. تُعدّ المفاتيح حجر الزاوية في بنية الأمان؛ لذا، فإن حمايتها بالغة الأهمية، ويُمنع منعًا باتًا نقلها عبر قنوات غير آمنة . ويُستثنى من هذه القاعدة مؤقتًا المرحلة الأولى لإضافة جهاز غير مُهيأ مسبقًا إلى الشبكة. يجب افتراض الثقة في التثبيت الأولي للمفاتيح، وكذلك في معالجة معلومات الأمان. يجب أن يولي نموذج شبكة Zigbee اهتمامًا خاصًا لاعتبارات الأمان، نظرًا لإمكانية وصول الأجهزة الخارجية فعليًا إلى الشبكات المخصصة . كما لا يمكن التنبؤ بحالة بيئة العمل.

ضمن حزمة البروتوكولات، لا تُفصل طبقات الشبكة المختلفة تشفيرياً، لذا يلزم وجود سياسات وصول، ويُفترض اعتماد التصميم التقليدي. يسمح نموذج الثقة المفتوح داخل الجهاز بمشاركة المفاتيح، مما يقلل التكلفة المحتملة بشكل ملحوظ. مع ذلك، تقع مسؤولية أمان الإطار على عاتق الطبقة التي تُنشئه. ونظراً لاحتمالية وجود أجهزة خبيثة، يجب تشفير كل حمولة بيانات في طبقات الشبكة، ما يسمح بقطع حركة البيانات غير المصرح بها فوراً. ويُستثنى من ذلك، مرة أخرى، نقل مفتاح الشبكة، الذي يُضفي طبقة أمان موحدة على الشبكة عند اتصال جهاز جديد.

بنية أمنية

تعتمد بنية أمان Zigbee على CCM*، الذي يُضيف ميزات التشفير والتحقق من سلامة البيانات فقط إلى وضع CCM . [ 31 ] يستخدم Zigbee مفاتيح بطول 128 بت لتطبيق آليات الأمان الخاصة به. يمكن ربط المفتاح إما بشبكة، حيث يمكن استخدامه من قِبل طبقات Zigbee وطبقة MAC الفرعية، أو برابط، يتم الحصول عليه من خلال التثبيت المسبق أو الاتفاقية أو النقل. يعتمد إنشاء مفاتيح الروابط على مفتاح رئيسي يتحكم في مطابقة مفاتيح الروابط. في النهاية، يجب الحصول على المفتاح الرئيسي الأولي على الأقل من خلال وسيط آمن (النقل أو التثبيت المسبق)، لأن أمان الشبكة بأكملها يعتمد عليه. لا يمكن رؤية مفاتيح الروابط والمفاتيح الرئيسية إلا من قِبل طبقة التطبيق. تستخدم الخدمات المختلفة صيغًا أحادية الاتجاه مختلفة لمفتاح الرابط لتجنب التسريبات والمخاطر الأمنية.

يُعدّ توزيع المفاتيح أحد أهم وظائف أمان الشبكة. تُخصّص الشبكة الآمنة جهازًا واحدًا، يُسمى مركز الثقة ، تثق به الأجهزة الأخرى لتوزيع مفاتيح الأمان. من الناحية المثالية، يجب أن تكون عناوين مركز الثقة والمفتاح الرئيسي الأولي مُحمّلة مسبقًا على الأجهزة؛ وفي حال وجود ثغرة أمنية مؤقتة، يتم إرسالها كما هو موضح أعلاه. تستخدم التطبيقات العادية التي لا تتطلب احتياجات أمان خاصة مفتاح شبكة يُوفّره مركز الثقة (عبر قناة غير آمنة مبدئيًا) للتواصل.

وبالتالي، يحتفظ مركز الثقة بمفتاح الشبكة ويوفر أمانًا من نقطة إلى نقطة. ولن تقبل الأجهزة إلا الاتصالات الصادرة من مفتاح مُقدم من مركز الثقة، باستثناء المفتاح الرئيسي الأولي. ويتم توزيع بنية الأمان بين طبقات الشبكة على النحو التالي:

  • تتمتع طبقة التحكم في الوصول إلى الوسائط (MAC) بقدرة على إجراء اتصالات موثوقة عبر قفزة واحدة. وكقاعدة عامة، يتم تحديد مستوى الأمان الذي تستخدمه هذه الطبقة بواسطة الطبقات العليا.
  • تتولى طبقة الشبكة إدارة التوجيه ومعالجة الرسائل الواردة، وهي قادرة على بث الطلبات. إذا كان ذلك متاحًا، تستخدم الإطارات الصادرة مفتاح الارتباط المناسب وفقًا للتوجيه. وإلا، فيتم استخدام مفتاح الشبكة.
  • توفر طبقة التطبيقات خدمات التأسيس والنقل الرئيسية لكل من ZDO والتطبيقات.

بحسب مجلة " هايز أونلاين" الألمانية المتخصصة في الحواسيب ، يستخدم نظام "زيجبي" لأتمتة المنازل 1.2 مفاتيح احتياطية للتفاوض على التشفير، وهي مفاتيح معروفة وغير قابلة للتغيير، مما يجعل التشفير عرضةً للاختراق. [ 32 ] [ 33 ] يتميز معيار "زيجبي" 3.0 بميزات أمان محسّنة، ويعالج نقطة الضعف المذكورة آنفًا من خلال منح مصنّعي الأجهزة خيار استخدام مفتاح تثبيت مخصص يُشحن مع الجهاز، ما يمنع استخدام المفتاح الاحتياطي نهائيًا في حركة مرور الشبكة. يضمن هذا تشفير جميع بيانات الشبكة بشكل آمن حتى أثناء إقران الجهاز. إضافةً إلى ذلك، يجب على جميع أجهزة "زيجبي" توليد مفتاح شبكة عشوائي، بغض النظر عن طريقة الإقران المستخدمة، ما يُحسّن أمان الأجهزة القديمة. يمكن ضبط منسق "زيجبي" داخل شبكة "زيجبي" لرفض الوصول إلى الأجهزة التي لا تستخدم توليد المفتاح العشوائي، ما يزيد من مستوى الأمان. بالإضافة إلى ذلك، يتميز بروتوكول Zigbee 3.0 بتدابير مضادة لإزالة الأجهزة المقترنة بالفعل من الشبكة بقصد الاستماع إلى تبادل المفاتيح عند إعادة الاقتران.

محاكاة

يمكن استخدام برامج محاكاة الشبكات، مثل ns-2 و OMNeT++ و OPNET و NetSim ، لمحاكاة شبكات IEEE 802.15.4 Zigbee. تأتي هذه البرامج مزودة بمكتبات مفتوحة المصدر بلغة C أو C++ ليتمكن المستخدمون من تعديلها. بهذه الطريقة، يستطيع المستخدمون التحقق من صحة الخوارزميات الجديدة قبل تطبيقها على الأجهزة.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "الأسئلة الشائعة حول مواصفات ZigBee" . ZigBee.org . تحالف ZigBee. مؤرشف من الأصل في 27 يونيو 2013. تم الاطلاع عليه في 14 يونيو 2013 .
  2. ↑ جيسلاسون، درو (2 يوليو 2010). "شبكات زيجبي اللاسلكية" . مجلة إي إي تايمز .
  3. ↑ وثيقة ZigBee رقم 053474r06، الإصدار 1.0: مواصفات ZigBee . تحالف ZigBee. 2004.
  4. ↑ فريق عمل IEEE 802.15 WPAN رقم 4 (27 نوفمبر 2019). "IEEE 802.15" . IEEE802.org . معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات . تم الاطلاع عليه بتاريخ 18 أكتوبر 2012 .{{cite web}}: صيانة CS1: الأسماء الرقمية: قائمة المؤلفين ( رابط )
  5. ↑ دليل مستخدم مكتبة مجموعة ZigBee (ملف PDF) ، NXP ، تم الاطلاع عليه في 3 يناير 2020.
  6. ↑ كورفيلد، غاريث (4 يناير 2017). "دوت دوت. من هناك؟ طبقة أخرى من تطبيقات إنترنت الأشياء" . ذا ريجستر . تم الاطلاع عليه في 18 يناير 2017 .
  7. ↑ "ZigBee DotDot Dashes to Unify Connectivity Stacks" . ElectronicDesign.com . ١٨ يناير ٢٠١٧. تم الاطلاع عليه بتاريخ ١٨ يناير ٢٠١٧ .
  8. ↑ "من صنع المادة؟ كل ما تحتاج لمعرفته حول CSA" . سمارت هوم سين . 7 مارس 2022. تم الاطلاع عليه في 8 مارس 2024 .
  9. ↑ جاك شاندل (27 نوفمبر 2007)، ماذا يعني ZigBee Pro لتطبيقك؟، مجلة EE Times Design ، تاريخ الاطلاع: 25 أبريل 2024
  10. ↑ "ZigBee vs ZigBee Pro—الفرق بين ZigBee و ZigBee Pro" . RFWireless-World.com . 2012.
  11. ↑ "ZigBee Pro" . ZigBee.org . تحالف ZigBee. مؤرشف من الأصل في 2 نوفمبر 2019. تم الاطلاع عليه في 2 أكتوبر 2018 .
  12. ↑ "وحدات تحكم Atmel الدقيقة الجديدة تستهدف تقنية ZigBee منخفضة الطاقة" . مؤرشف من الأصل في 13 ديسمبر 2006.
  13. ↑ "أهمية استهلاك الطاقة في وضع السكون في تطبيقات ZigBee/802.15.4" . 11 سبتمبر 2006. تم الاطلاع عليه بتاريخ 25 أبريل 2024 .
  14. ↑ "تطوير تطبيقات لمنزلك الذكي باستخدام QIVICON" (ملف PDF) . osgi.org . 27 مارس 2014. مؤرشف من النسخة الأصلية (ملف PDF) في 27 مارس 2014.
  15. ↑ بيليدو-أوتيرينو، فرانسيسكو ج. (فبراير 2012). "أتمتة إضاءة المباني من خلال دمج DALI مع شبكات الاستشعار اللاسلكية". معاملات IEEE في الإلكترونيات الاستهلاكية . 58 (1): 47-52 . Bibcode : 2012ITCE...58...47B . doi : 10.1109/TCE.2012.6170054 . S2CID 695261 . 
  16. ↑ "ما هي مميزات شبكات ZigBee؟" (ملف PDF) . Daintree.net . شبكات Daintree . تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 يناير 2007 .
  17. ↑ كونتني، جاك (21 يناير 2011). "شور تُطلق حل أكسينت اللاسلكي الثوري" . TVTechnology.com . مؤرشف من الأصل في 3 نوفمبر 2017. تم الاطلاع عليه في 17 مايو 2017 .
  18. ↑ مانوج، كيه إس (2019). الأتمتة الصناعية باستخدام نظام سكادا: المفاهيم والاتصالات والأمن . تشيناي: دار نشر نوشن. رقم ISBN 978-1-68466-829-8.
  19. ↑ "نظرة عامة على تقنية زيجبي للطاقة الذكية" . ZigBee.org . تحالف زيجبي. مؤرشف من الأصل في 20 سبتمبر 2012. تم الاطلاع عليه في 18 أكتوبر 2012 .
  20. ↑ "ZigBee IP و920IP" . ZigBee.org . تحالف Zigbee. مؤرشف من الأصل في 11 يونيو 2016. تم الاطلاع عليه في 4 يونيو 2016 .
  21. ↑ "ZigBee IP: الشبكة الذكية، تعرف على إنترنت الأشياء" . GreenTechAdvocates.com . GreenTech Advocates . تم الاطلاع عليه بتاريخ 4 يونيو 2016 .
  22. ↑ "تقديم ZigBee RF4CE" (ملف PDF) . Daintree.net . Daintree Networks . تم الاطلاع عليه في 4 مايو 2009 .
  23. ↑ "وحدات زيجبت اللاسلكية MCU - شركة مايكروشيب" . Microchip.com . شركة مايكروشيب تكنولوجيز . تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 يناير 2018 .
  24. ↑ "ما هو Zigbee - Meshreen" (باللغة الصينية (تايوان)). 13 مايو 2022. تم الاطلاع عليه في 8 مارس 2024 .
  25. ↑ وانغ، تشونغ قانغ؛ جيانغ، تاو؛ تشانغ، تشيان، محرران. (12 مارس 2014). بروتوكولات وتطبيقات شبكة ZigBee . مطبعة CRC. ISBN 9781439816011.
  26. ↑ إيغان، ديفيد. "انتشار ZigBee لشبكات العدادات الذكية" . الكهرباء والإضاءة .
  27. ↑ بيلسا، ألبرتو؛ غاسكون، ديفيد (15 أبريل 2010). "الأمان الثلاثي في ​​ZigBee: تشفير طبقات الربط والشبكة والتطبيق" . Sensor-Networks.org . مجموعة أبحاث شبكات الاستشعار اللاسلكية. مؤرشف من الأصل في 26 مارس 2015. تم الاطلاع عليه في 18 أكتوبر 2012 .
  28. ↑ غاسكون، ديفيد (5 فبراير 2009). "الأمن في شبكات 802.15.4 وZigBee" . Sensor-Networks.org . مجموعة أبحاث شبكات الاستشعار اللاسلكية. مؤرشف من الأصل في 11 مايو 2012. تم الاطلاع عليه في 18 أكتوبر 2012 .
  29. ^ إرجن ، سينم كوليري (2004). "ملخص ZigBee/IEEE 802.15.4" (PDF) . جامعة كاليفورنيا في بيركلي تي. 10. – رقم. 17. س. 11 . تم الاسترجاع في 20 يوليو 2021 .
  30. ↑ رويير، إليزابيث م.؛ تشاي-كيونغ توه (1999). "مراجعة لبروتوكولات التوجيه الحالية لشبكات الجوال اللاسلكية المخصصة". اتصالات IEEE الشخصية . 6 (2). معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات : 46-55 . Bibcode : 1999IPerC...6...46R . CiteSeerX 10.1.1.11.8637 . doi : 10.1109/98.760423 . 
  31. ↑ "معيار IEEE للشبكات المحلية وشبكات المناطق الحضرية - الجزء 15.4: شبكات المناطق الشخصية اللاسلكية منخفضة المعدل (LR-WPANs)" (ملف PDF) . معايير IEEE . 5 سبتمبر 2011. ص 229. مؤرشف من الأصل (ملف PDF) في 30 يناير 2013. تم الاطلاع عليه في 18 ديسمبر 2015 . 
  32. ^ سوكولوف ، دانييل إيه جيه (21 تشرين الثاني (نوفمبر) 2015). "Deepsec: ZigBee macht Smart Home zum offenen Haus" . هيز اون لاين (بالألمانية). هاينز هايز . تم الاسترجاع في 27 نوفمبر 2019 .
  33. ↑ زيلنر، توبياس (6 أغسطس 2015)، استغلال تقنية زيجبي (ملف PDF)