\chapter{PADRÃO 802.15.4 ? ?ZIGBEE?}
\label{chapter:servidores_linux}
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\section{Introdução}

O atributo fundamental das LR-WPAN é o seu custo mínimo. Os principais fatores que contribuem para o custo mínimo incluem: baixa taxa de dados, o processo de construção da rede e tempo de vida útil da bateria. Na última década, poucas LR-WPANs tiveram sucesso comercial, provavelmente devido a fatores como: custo de fabricação e falta de sensores sem fio baratos. Recentes avanços na fabricação de dispositivos pequenos, tecnologia no desenvolvimento de baterias, e a utilização espectro RF, juntamente com preocupações em termos de segurança têm contribuído para um maior interesse no desenvolvimento e na comercialização destas redes de sensores sem fios. Esta seção apresenta um panorama da mais recente norma IEEE LR-WPAN e fornece um levantamento de algumas aplicações comerciais [8]. 

\section{Camadas do padrão IEEE 802.15.4 - LR-WPAN }

Criado recentemente, o padrão IEEE 802.15.4 [7] estabelece as bases para as redes sem fio desta investigação e, portanto, é também a base para a discussão seguinte. A especificação diz respeito apenas às camadas Física (PHY) e Controle de Acesso ao Meio (MAC). 

\subsection{Camada de Rede - LR-WPAN }

A especificação IEEE 802.15.4 não abrange a Camada de Rede (NWK). As especificações da camada de rede estão atualmente em desenvolvimento pela Zigbee Alliance (www.zigbee.org) e, no momento, estão disponíveis apenas para os membros dessa organização. Assim, as discussões sobre o NWK camada são limitadas a esta breve panorâmica. 
A topologia de rede permite a qualquer rede estrela ou ponto a ponto formações, que operam sob a supervisão de um nó coordenador de uma rede de área pessoal (PAN). Conforme mostrado na figura 12, existem dois tipos de nós que podem se comunicar sobre o LR - WPAN - todas as funções de um dispositivo (FFD) e reduzir as funções de um dispositivo (RFD). Um FFD pode funcionar como um coordenador PAN ou como um dispositivo, e comunicar com outros RFDs e FFDs. Um RFD só pode falar com um FFD e se destina a ser utilizado em um ponto terminal, tal como com um simples sensor ou atuador. O dispositivo adaptável permite a construção de softwares pequenos e menos complexos, resultando em menor consumo de energia e de custos reduzidos nas variantes [8]. 

Figura 12 - Topologias da Rede LR-WPAN

\subsection{Camada Física - LR-WPAN }

O sistema opera em relativamente baixas taxas de dados, entre 20kbps e 250kbps, em várias bandas. Há 16 canais atribuídos em 2450 MHz, 10 canais na banda de 900 MHz e 1 canal em 868 MHz. Os canais são numerados de 0 a 26, com canais de 11 a 26 ocupam a banda de 2450 MHz. O tamanho máximo de pacote é limitado a 127 bytes. Um espectro de modulação está empregado, o qual prevê uma resistência mínima de 30 dB [8]. 

\subsection{Camada de Controle de Acesso ao Meio - LR-WPAN }

O sistema utiliza o canal de acesso CSMA-CA e prevê reconhecer plenamente transferência de mensagem para assegurar a confiabilidade. A confiabilidade é uma preocupação crítica na fabricação automatizada e em tempo real para o controle de aplicações. A figura 13 [17] ilustra a segmentação da pilha de protocolos do padrão IEEE 802 em relação ao modelo OSI. Um montante considerável da especificação LR-WPAN respeita a Camada Física RF, bem como o estabelecimento de redes ad-hoc. 

Figura 13 - Modelos OSI e IEEE 802


Em termos de funcionalidade da interface, existem problemas na camada de dados que afetam diretamente o projeto do mecanismo de extensão, de forma que estes elementos são abordados. 

A subcamada MAC fornece os seguintes serviços: 
\begin{itemize}
\item Beacon Gestão.
\item Canal de Acesso. 
\item Guaranteed Time Slot (GTS) Management - Gestão de Garantia do tempo de Abertura.
\item Frame de Validação.
\item Confirmação de entrega dos Frames. 
\item Rede de associação e dissociação.
\end{itemize}


\subsubsection{Rede de inicialização e Dispositivo de Associação}

Antes de qualquer coisa acontecer, a rede deve primeiro ser configurada pelo Coordenador PAN e os dispositivos devem associar-se com o PAN. Existem vários parâmetros importantes que são inicializados e armazenados no coordenador do PAN. Alguns são definidos em: comprimento do endereço (curto ou longo), capacidade de segurança e tipo de rede. Uma vez concluído o processo de inicialização, o coordenador PAN entra em modo de espera para receber pedidos de associação. 

Em uma rede sem semáforos, um dispositivo que pretenda se associar, primeiro realiza uma busca de detecção de energia no canal. Se o canal estiver ocioso, o dispositivo emite um sinal de solicitação que, simplesmente, verificar se existe um PAN em ação. O coordenador, em seguida, responde com um aviso que incluem muitos parâmetros. Se os parâmetros são compatíveis, o dispositivo envia uma solicitação de associação, que reconhece o coordenador. O dispositivo, em seguida, envia uma solicitação de dados, que é também checada pelo Coordenador. Se o Coordenador aprova, transmite uma associação de resposta, que é reconhecida pelo aparelho. Para um "\textit{token}" de rede ativado, tudo no parágrafo anterior, é aplicado, com exceção do aviso de pedido, que não é necessário porque o coordenador já está enviando avisos periódicos. Uma vez que a associação é confirmada pela resposta do MAC, o dispositivo e o coordenador podem iniciar transferências de dados [8]. 

\subsubsection{ Transferência de dados em Redes com sinal ativado}

Um dado PAN pode ser configurado como um sinal de rede ativado ou como não-ativado. Em um sinal de rede ativado, molduras são utilizadas para sincronizar dispositivos, identificar o coordenador PAN e estabelecer a necessária superestrutura dentro de uma rede. Uma panorâmica da superestrutura é mostrada na figura 14. Esta estrutura ilustra a comunicação do arranjo global de muitos nós da rede, com o tempo de conclusão de cada mensagem (e os avisos opcionais associados). Uma vez que o superquadro está dividido em sinais, mais 15 faixas, no máximo, 15 dispositivos podem se comunicar durante um único período de superframe. 

O coordenador PAN determina se o GTS está ativado e, em caso afirmativo, o período livre de contenção é estabelecido, perto do final do envio dos quadros. Se o GTS não estiver habilitado, o período de acesso de contenção (PAC) torna-se as 15 faixas restantes de tempo após o sinal (Beacon) do slot. Qualquer dispositivo que deseja se comunicar deve fazê-lo utilizando o método CSMA-CA durante o período de acesso, e as operações devem ser concluídas antes da chegada do próximo quadro. GTS é um mecanismo específico, para garantir baixa largura de banda e baixa latência nas transferências dos pacotes de dados. Quando ativado, o coordenador PAN dedica até sete faixas de tempo para dispositivos com GTS ativado. Um único GTS pode ser alocado tanto para receber quanto para transmitir, mas apenas um slot pode transmitir e um único slot pode receber informações por dispositivo. Tecnicamente falando, para um único dispositivo não são permitidas faixas múltiplas de GTS, mas as faixas de tempo com maior duração podem ser solicitadas. Por exemplo, um dispositivo pode simplesmente solicitar a transmissão de um único slot GTS com comprimento de 7 slots regulares, mas isso seria impraticável, pois alocaria toda a largura de banda exclusivamente para o GTS. O coordenador determina se aceita ou rejeita os pedidos GTS, sendo estas informações tratadas pela camada MAC. Se ainda reatarem slots, o pedido é aceito, caso contrário, o pedido é rejeitado. Além disso, pedidos GTS pedidos não ocupam o canal eternamente, eles expiram automaticamente após 4 superquadros de não-utilização.


Figura 14 - Estrutura do SuperFrame WPAN


Existem três tipos de transferência de dados suportados: 

\begin{itemize}
\item A partir de um coordenador para um dispositivo PAN.
\item A partir de um dispositivo para um coordenador PAN. 
\item A partir de um dispositivo para outro dispositivo ponto a ponto. 
\end{itemize}


Em uma rede com topologia estrela, apenas os dois primeiros tipos de transferência são utilizados. Estas transações ocorrem de maneira diferente para redes com sinal ativo (\textit{Beacon-Enabled}) e para redes com sinal desativado (\textit{Non-Beacon-Enabled}), apesar de sinais de \textit{frames} sempre serem necessários para a associação.

Um sinal de rede ativo é mais útil para situações em que duração da vida útil da bateria e dados periódicos são necessários. Quando o coordenador for configurado como uma rede se sinal ativado, o coordenador FFD envia sinais de transmissão em intervalos regulares. Os dispositivos (presume-bateria alimentada RFDs) podem, então, introduzir um baixa potência (sleep) depois de um sinal, e acordar um pouco antes do próximo sinal ocorrer, assim, conservar o tempo de vida da bateria. A figura 15 mostra as transações que ocorrem durante uma comunicação entre um coordenador e um dispositivo com sinal de rede ativado. 


Figura 15 - Sequência de Transferência de dados com Sinal Ativado


Como mostrado na figura 15(a), um coordenador indica com um sinal que uma mensagem está pendente. O dispositivo de escuta detecta o sinal e responde com um pedido de dados. O coordenador opcionalmente reconhece o pedido e, em seguida, envia os quadros de dados. Finalmente, o dispositivo reconhece o recebimento da mensagem. A comunicação com um coordenador é mais rápida, como mostra a figura 15(b). Aqui, o dispositivo simplesmente escuta o sinal e responde com os dados. Após a recepção dos dados, o coordenador dá um aviso que é opcional. 

\subsubsection{Transferência de dados em redes sem sinal }

Redes PANs sem sinal (\textit{Beacon}) funcionam como a maioria das outras redes sem fio. O canal de energia é verificado e, se estiver ocioso, um dispositivo pode transmitir. Se o canal encontra-se ocupado, o dispositivo é desligado e tenta a retransmissão mais tarde. Quando um dispositivo se associa a uma rede, a transferência de dados pode começar como mostra a figura 16. 


Figura 16 - Sequência de Transferência de Dados Sem Sinal


Uma característica incomum do padrão IEEE 802.15.4 WPAN é que esta rede opera de forma parecida com uma rede cliente-servidor. O Coordenador (servidor) não envia todos os dados para um dispositivo (cliente), a menos que esse dispositivo faça esta solicitação. A principal razão para este regime é consumo de energia - para o coordenador enviar dados diretamente para dispositivos, que deverão estar continuamente ligados à espera de comandos e desperdiçando a vida útil da bateria. 

Figura 16: ilustra duas opções de transmissão de dados - direto e indireto. Com a transferência direta (dispositivo para o Coordenador), o dispositivo simplesmente envia uma mensagem de dados (assumindo que o canal foi inativo), que é recebido, processado e, opcionalmente, reconhecido. Com a transferência indireta (Coordenador de dispositivo), o primeiro dispositivo é responsável pelas sondagens no barramento. Se todos os dados estão prontos para os dispositivos, o coordenador os envia aos destinos. 

\subsubsection{Organização do \textit{Frame} }

Dentro de cada transmissão, existem quatro diferentes tipos de estruturas de \textit{frames} possíveis, algumas das quais já foram mencionadas. Sinais de \textit{frames} são utilizadas pelos coordenadores para a sincronização e para a associação da rede. \textit{Frames} de dados levam as informações da mensagem. Os de aviso confirmam o êxito da recepção de uma mensagem. Quadros de comandos MAC manipulam entidades de controle de transferências. 

A estrutura geral de um \textit{frame} é mostrada na figura 17. No mais alto nível, o protocolo de dados da unidade física (PPDU) incorpora todo o quadro. O PPDU pode ser discriminado em um segmento PHY e um segmento MAC, também conhecido como o protocolo MAC de dados da unidade (MPDU). 


Figura 17 - Formato do Frame WPAN


O segmento PHY inclui o campo preâmbulo (4 bytes), delimitador de início (1 byte), e comprimento do frame indicador (1 byte). Este segmento é comum a todos os quatro tipos de quadros. O MPDU contém o cabeçalho MAC (MHR), o serviço de dados MAC unidade (MSDU) e do MAC rodapé (MFR). Uma expansão do MPDU é mostrada na figura 18, onde ilustra uma parte de um farol de moldura MAC. A parte de um quadro de dados MAC e um quadro de comando são mostrados na figura 19. A única diferença na organização desses quadros é o campo de carga. No entanto, os campos de dados de carga útil são originados em altas camadas e sua transmissão para as subcamadas MAC, enquanto que o campo  de comando da carga é gerado dentro do MAC. 


Figura 18 - Campos MAC do Frame Beacon



Figura 19 - Campos MAC, Frames de Dados e Comando


Os comandos MAC são utilizados pelas entidades de rede para a maioria das atividades, incluindo a associação e dissociação, sinais de notificação, sincronização, horário de gerenciamento, e os pedidos de dados. 

Um \textit{frame} de aviso é consideravelmente menor do que o anteriormente mencionado, três quadros, contendo apenas 5 bytes no seu MPDU, como mostrado na figura 20. Estes quadros são utilizados para confirmar a recepção e validação de um quadro de comandos de dados MAC. Frames de aviso são opcionais; se for ativado, o transmissor irá reenviar uma mensagem, se o aviso não for recebido dentro do tempo limite. O remetente pode também decidir encerrar a mensagem depois de várias tentativas sem sucesso. 

Figura 20 - Campos MAC, Frames de Confirmação


\section{Mecanismos de Segurança - LR-WPAN}

A norma LR-WPAN especifica algumas medidas básicas de segurança na subcamada MAC incluindo a capacidade de manter uma lista controle de acesso [7] e prevê criptografia simétrica. A aplicação efetiva das funções de segurança, tais como a gestão das chaves e autenticação é deixada para as camadas superiores. 

A norma permite quatro serviços de segurança: controle de acesso, criptografia de dados, integridade de quadros e mensagens sequenciais. Sob o controle de acesso, cada dispositivo mantém uma lista de dispositivos com os quais a comunicação é desejada. Quadros de dispositivos indesejados são rejeitados. Criptografia simétrica implica a utilização de uma chave única em ambos os extremos da comunicação. Esta chave pode ser compartilhada por um grupo de dispositivos ou por dois pares que se comunicam dentro de suas respectivas ACLs. Uma mensagem de integridade de código (CMI) é utilizada para garantir a integridade do \textit{frame}. A modificação deste código requer o uso da chave criptográfica. O mecanismo é aplicável a \textit{frames} sequenciais ordenados em sequência numérica de que foram transmitidos. O receptor é capaz de determinar se um \textit{frame} é novo ou se teve que ser reenviado, caso os \textit{frames} foram reenviados, estes podem ser rejeitados [8]. 




