Wi-SUN – wschodząca gwiazda sieci bezprzewodowych

Nasz świat zmierza w stronę całkowitej zależności od zautomatyzowanej technologii. Nasze miasta już są monitorowane przez tysiące kamer i czujników. Nasze inteligentne domy będą naszpikowane urządzeniami użytku codziennego zdolnymi komunikować się bezprzewodowo. To jest właśnie Internet Rzeczy. I tu swoje miejsce znalazła organizacja Wi-SUN Alliance.

Wi-… SUN?

Brzmi znajomo? Mi od razu skojarzyło się z Wi-Fi i wydawało mi się to całkiem rozsądne. Weryfikacja przyszła jednak bardzo szybko, gdyż okazało się, że jedynym poważnym punktem wspólnym obu technologii jest komunikacja bezprzewodowa… i tyle. W tym momencie warto zaznaczyć, że Wi-SUN nie jest związane z Wi-Fi. Są to odrębne działki technologii, a ich położenie względem siebie najlepiej obrazuje poniższa grafika:

Porównanie światów Wi-SUN i Wi-Fi, źródło: wi-sun.org
Porównanie światów Wi-SUN i Wi-Fi, źródło: wi-sun.org

Organizacja Wi-SUN Alliance jest podmiotem typu non-profit, w którego skład w tym momencie wchodzi ponad 200 firm i instytucji z całego świata. Są to przede wszystkim producenci sprzętu sieciowego i elektronicznego, dostawcy krzemu, firmy programistyczne, instytucje rządowe i uczelnie wyższe. Wśród nich można wymienić między innymi znane korporacje jak Cisco, Toshiba, Fujitsu, Huawei i Silicon Labs.

Głównym zadaniem Wi-SUN Alliance jest prowadzenie programów testowania i certyfikowania interoperacyjności pomiędzy urządzeniami od różnych producentów, które działają w ramach standardu IEEE 802.15.4g (Wireless SUN). Po pomyślnym przejściu procesu certyfikacji dany sprzęt otrzymuje miano urządzenia Wi-SUN Certified. Dodatkowym celem tej organizacji jest oczywiście promowanie technologii Wi-SUN i wspieranie jej rozwoju.

Wi-SUN Alliance bardzo sprytnie i już kilka ładnych lat temu, bo już w kwietniu 2012 roku, znalazło niszę w obszarze Internetu Rzeczy i rozpoczęło swoją działalność. Było to ledwie kilka tygodni po zatwierdzeniu standardu IEEE 802.15.4g.

Internet Rzeczy i przyjaciele

W ostatnich latach pojęcie Internetu Rzeczy mocno zyskało na popularności i stało się rozpoznawalnym zwrotem nie tylko w kręgach osób technicznych. Nie jest to jednak nowe określenie – w tym roku świętuje swoje dwudziestolecie!

Angielski termin Internet of Things (IoT) w Polsce tłumaczony jest przede wszystkim jako Internet Rzeczy, ale możesz się spotkać także z określeniem Internet Przedmiotów. Druga forma jest jednak zdecydowanie mniej popularna, mi osobiście bardziej odpowiada Internet Rzeczy.

Określenie IoT zostało sformułowane w celu określenia grupy przedmiotów, które mogą się ze sobą komunikować bezprzewodowo. Łączność poprzez fale radiowe jest tu bardzo ważnym czynnikiem, tak aby w grupie tych rzeczy mogły znajdować się zarówno przedmioty stacjonarne jak i mobilne. To jedna z podstawowych zasad IoT – nie tworzyć barier, lecz udostępnić tę technologię dla jak największej liczby przedmiotów.

Znaczenie IoT przez lata trochę ewoluowało i dzisiaj pod tym pojęciem rozumie się przede wszystkim przedmioty codziennego użytku oraz otaczającą nas szeroko rozumianą infrastrukturę, które to mogą komunikować się bezprzewodowo w celu zapewnienia nam wymiernych korzyści. Mam tu na myśli ułatwienie życia poprzez zautomatyzowanie pewnych czynności oraz umożliwienie kontaktowania się z przedmiotami poprzez zewnętrzny interfejs. Przykłady użycia powinny rozjaśnić ideę IoT:

  • Inteligentne domy – zarządzanie zużyciem prądu poprzez automatyczne regulowanie oświetlenia w zależności od predefiniowanych ustawień godzinowych lub czynników zewnętrznych, np. poziomu jasności w pomieszczeniach; zdalne sterowanie poziomem temperatury w pomieszczeniach; automatyczne powiadomienia od lodówki w przypadku braku lub przeterminowania określonych składników i wiele, wiele innych.
  • Inteligentne miasta – to przede wszystkim inteligentne i automatyczne sterowanie sygnalizacją świetlną, monitorowanie wolnych miejsc parkingowych, inteligentne sterowanie oświetleniem miejskim, wykrywanie aktów przemocy i wiele innych.
  • Inteligentny przemysł – zautomatyzowana produkcja, monitorowanie położenia przedmiotów, automatyczne badanie jakości produktów, kontrola przebiegu produkcji i wiele innych.
  • Monitoring zagrożeń naturalnych – inteligentne systemy ostrzegające przed możliwością wystąpienia katastrofy naturalnej.
  • Monitoring środowiska – badanie czynników mogących mieć wpływ na środowisko naturalne oraz zdrowie i życie człowieka.

Prawdą jest, że wiele z przytoczonych przykładów znamy i używamy od lat. Problem jednak w tym, że prawie zawsze są to autonomiczne systemy, które zajmują się tylko jednym zagadnieniem i wymagają dedykowanych instrumentów. Celem IoT jest zwiększenie sieci czujników poprzez wbudowanie tych funkcjonalności w przedmioty codziennego użytku oraz połączenie ich w jedną sieć, która będzie mogła inteligentnie zarządzać posiadanymi informacjami i podejmować optymalne i automatyczne decyzje.

IEEE 802.15.4

W roku 2003 powstał standard IEEE 802.15.4, który idealnie pasował do wymagań stawianych przez ideę IoT. Pełna nazwa tego dokumentu to “Standard for Local and metropolitan area networks Part 15.4: Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs)”. Standard ten definiuje sieci bezprzewodowe o małym zasięgu, które cechuje niska przepływność, niskie zużycie energii oraz bardzo mała złożoność techniczna rozwiązania. Dodatkowo urządzenia należące do takiej sieci mogą być niewielkich rozmiarów, a koszty ich produkcji i utrzymania są również bardzo niskie. Otrzymujemy zatem idealną mieszankę cech wymaganych dla urządzeń IoT, które z założenia mają wysyłać niewielkie ilości zwięzłych informacji, działać długo na baterii i być niezawodne.

Standard IEEE 802.15.4 definiuje wyłącznie warstwę fizyczną i podwarstwę MAC modelu sieciowego ISO/OSI, pozostawiając elementy związane z wyższymi warstwami stosu innym standardom. Dzięki temu możliwe jest utworzenie różnych technologii, których działanie opiera się na wykorzystaniu IEEE 802.15.4.

Położenie standardu IEEE 802.15.4 w modelu sieciowym ISO/OSI, źródło: wikipedia.org
Położenie standardu IEEE 802.15.4 w modelu sieciowym ISO/OSI, źródło: wikipedia.org

Standard przewiduje dwie możliwości uzyskania dostępu do medium bezprzewodowego:

  • CSMA/CA – czyli dostęp rywalizacyjny z badaniem nośnej i unikaniem kolizji, znany dobrze z IEEE 802.11 (Wi-Fi).
  • TDMA – czyli wielodostęp z podziałem czasowym.

W roku 2012 zatwierdzone zostało rozszerzenie standardu IEEE 802.15.4g, które otrzymało nazwę “Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Data-Rate, Wireless, Smart Metering Utility Networks”. Standard obejmował usprawnienia dla inteligentnych sieci złożonych z urządzeń pomiarowych, czyli po prostu Smart Utility Networks (SUN).

Wi-SUN

Organizacja Wi-SUN Alliance utworzyła program certyfikacyjny o nazwie Wi-SUN, który według definicji ma dostarczać bezpieczną i opartą na otwartych standardach komunikację dla wdrożeń urządzeń IoT na wielką skalę w sieciach typu Smart Utility i Smart City. Wi-SUN określa użycie kilku standardów w warstwach 1 – 4 modelu sieciowego ISO/OSI:

  • warstwa fizyczna – IEEE 802.15.4g, wskazuje m.in. dostępne częstotliwości, kanały, prędkości,
  • podwarstwa MAC – IEEE 802.15.4e, określa m.in. zasady dostępu do medium bezprzewodowego,
  • warstwa sieciowa – IPv6, ICMPv6, RPL, 6LoWPAN, określa m.in. użycie adresacji IPv6, dostępne metody routingu,
  • warstwa transportowa – TCP/UDP.

Oprócz tego Wi-SUN określa dostępne metody zabezpieczeń – uwierzytelnianie 802.1X/EAP-TLS/PKI, szyfrowanie AES oraz zarządzanie kluczami grupowymi zgodne z IEEE 802.11i.

Stos sieciowy Wi-SUN, źródło: wi-sun.org
Stos sieciowy Wi-SUN, źródło: wi-sun.org

Z racji użycia ogromnej ilości urządzeń Wi-SUN wymaga zastosowania adresów IPv6. Dodatkowo wskazany został system IPv6 over Low-Power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN) obsługujący sieci mesh oparte na standardzie IEEE 802.15.4. Jako protokół routingu w sieci rozproszonej z użyciem IPv6 pojawia się IPv6 Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks (RPL), czyli protokół przeznaczony dla sieci typu mesh, o niskim zużyciu energii i wysokim współczynniku strat.

Wi-SUN określa również częstotliwości i kanały dostępne dla certyfikowanych urządzeń:

Częstotliwości dostępne dla urządzeń Wi-SUN, źródło: wi-sun.org
Częstotliwości dostępne dla urządzeń Wi-SUN, źródło: wi-sun.org

Profile Wi-SUN

Specyfikacja Wi-SUN wyróżnia dwa główne modele profilów Wi-SUN, które określają zasady komunikacji w ramach danego przypadku. Pierwszy z nich to Home Area Network (HAN), czyli komunikacja w ramach niewielkiego obszaru na którym znajdują się urządzenia końcowe IoT. W poniższym scenariuszu chodzi o urządzenia znajdujące się w domu, np. telewizor, klimatyzacja i oświetlenie. Komunikacja zachodzi między tymi urządzeniami a kontrolerem HEMS, czyli Home Energy Management System. Dla przykładu urządzenia IoT mogą raportować do kontrolera aktualny poziom zużycia prądu, a kontroler HEMS może zadecydować o ich włączeniu, wyłączeniu lub uśpieniu. Oczywiście HEMS jest tylko jednym z wielu przykładów.

Wizualizacja profilu HAN, źródło: wi-sun.org
Wizualizacja profilu HAN, źródło: wi-sun.org

Sieć HAN powinna być dostępna z zewnątrz w celu umożliwienia zdalnego sterowania i automatycznego zbierania informacji. W tym celu wypracowany został drugi profil o nazwie Field Area Network (FAN). Informacje z kontrolera HEMS wysyłane są do modułu Smart Meter, który jest urządzeniem łączącym sieci HAN i FAN. Następnie po sieci mesh informacje mogą dotrzeć do agregatora danych, a stamtąd po sieci WAN do dowolnego zakątka świata.

Wizualizacja profilu FAN, źródło: wi-sun.org

Proces certyfikacji Wi-SUN

Organizacja Wi-SUN Alliance zdefiniowała proces certyfikacji urządzeń w celu potwierdzenia zgodności ze standardami i kompatybilności pomiędzy sprzętem od różnych producentów. Testom poddawane są elementy z warstw 1 – 4 modelu sieciowego ISO/OSI, czyli wszystkie zawarte w specyfikacji Wi-SUN.

Proces certyfikacji Wi-SUN, źródło: wi-sun.org
Proces certyfikacji Wi-SUN, źródło: wi-sun.org

Proces testowania podzielony jest na dwa etapy:

  • testy zgodności – testowana jest zgodność działania urządzenia ze standardami, algorytmami i procedurami uwzględnionymi w certyfikacji Wi-SUN,
  • testy interoperacyjności – celem tych testów jest potwierdzenie kompatybilności z innymi urządzeniami Wi-SUN określanymi w tym przypadku mianem Test Bed Unit (TBU).

Wszystkie testy przeprowadzane są przez zewnętrzne i niezależne centrum testowe. Zatwierdzony scenariusz testowy składa się z Test Bed Controllera (TBC) i 14 TBU. Urządzenia wchodzące w skład TBU są certyfikowanym sprzętem Wi-SUN pochodzącym od wielu różnych producentów. Rolą TBC, czyli po prostu skryptu testującego, jest zarządzanie procesem testowania, uruchamianie kolejnych etapów i zbieranie danych niezbędnych do potwierdzenia poprawnego działania. Dodatkowo w środowisku testowym uruchomione są instancje programu Wireshark, których zadaniem jest przechwytywanie ruchu celem jego późniejszej analizy.

Urządzenie musi pomyślnie przejść wszystkie testy by otrzymać certyfikat zgodności o nazwie Wi-SUN Certified. Lista zatwierdzonych urządzeń jest dostępna pod tym adresem.

Przychodzi nam żyć w bardzo ciekawych czasach, w których pęd rozwoju technologicznego jest na tyle szybki, że czasem ciężko wszystko uchwycić. Internet Rzeczy wspaniale się wpasowuje w ten trend i nim się obejrzymy będzie dostępny w naszych domach jako standardowe wyposażenie.

Organizacja Wi-SUN Alliance nie próżnuje i szybko zyskuje popularność. Kto wie, może za jakiś czas znak Wi-SUN będzie tak samo popularny jak Wi-Fi? Z niecierpliwością czekam by po raz pierwszy na własne oczy zobaczyć urządzenie z logo Wi-SUN Certified. A wszystko to by żyło się nam wygodniej.

Jakie nowe możliwości w Internecie Rzeczy fascynują Cię najbardziej?

🗳 Jak przydatna była ta publikacja?

Średnia ocena / 5. Ilość głosów:

Dziękuję za ocenę! Zapraszam Cię do obserwowania NSS w mediach społecznościowych!

Przykro mi, że ta publikacja okazała się być dla Ciebie nieprzydatna!

Uwaga: Twój głos będzie liczony tylko jeśli udzielisz feedbacku używając formularza poniżej.

author avatar
Łukasz Kowalski

Network Architect, Współtwórca Na Styku Sieci

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Wszystkie pola są wymagane

Subscribe
Powiadom o
guest
0 Comments
Inline Feedbacks
View all comments
Top