Hybrid explicit-ADI Method

Este estándar surgió en el año 2003, bajo el grupo de trabajo 802.15.4 (LR-WPAN, Low Rate Wireless Personal Area Network) de la IEEE, el cual fue producto de la necesidad de crear un nuevo estándar para redes inalámbricas de bajo consumo y costo, como por ejemplo las WSN, pues las redes inalámbricas como la 802.11, WLAN (Wireless Local Area Network), eran muy caras y excesivas para este tipo de aplicaciones.

El IEEE 802.15.4 (IEEE 802.15.4a-2007, 2007)es el estándar propuesto para la capa física y MAC en redes de área personal inalámbrica con una baja tasa de transmisión de datos. Las características más importantes son la flexibilidad de la red, el bajo costo y consumo energético. Este protocolo permite la formación de topologías en estrella y malla para la comunicación entre los dispositivos de red. Es utilizado en aplicaciones domóticas, civiles, industriales, médicas, y en redes de sensores inalámbricos que requieran de comunicaciones de corto rango para maximizar la duración de las baterías.

La capa física soporta tres bandas o rangos de frecuencias: la de 868MHz en Europa, con sólo un canal, una tasa de transferencia de 20kbps, y un alcance máximo de aproximadamente 1 Km.; la de 915 MHz en América del Norte, con 10 canales, un rendimiento máximo de 40/100/250kbps y un alcance máximo de aproximadamente 1 Km.; y la banda de ISM (Industrial-Científico-Médica) de 2,45 GHz para uso general, con 16 canales, una tasa de transferencia máxima de 250kbps y un alcance máximo de aproximadamente 220 m (Xia, 2009). Además, esta capa emplea técnicas de Secuencia Directa de Espectro Ensanchado (DSSS, Direct Squence Spread Spectrum); y en la banda de 2,450 GHz utiliza la modulación O-QPSK, mientras que en las otras dos emplea la BPSK (www.standards.ieee.org).

La capa MAC usa el mecanismo CSMA/CA, del cual se hablará en el próximo capítulo; esta es también responsable de validar y entregar las tramas, de hacer de interfaz de la red, de la sincronización, y de la asociación de dispositivos y servicios seguros.

2.1.2 Zigbee

Este es un protocolo desarrollado por la Zigbee Alliance, disponible públicamente desde junio de 2005, empleado fundamentalmente en aplicaciones empotradas, así como de control y monitorización que requieran comunicaciones seguras con una baja tasa de envío de datos. Esta es una tecnología simple, de bajo costo y bajo consumo energético por lo que puede funcionar con pequeñas baterías durante muchos años.

ZigBee (www.zigbee.org) define los protocolos de comunicación de las capas altas sobre el estándar IEEE 802.15.4, por lo que opera en sus mismas frecuencias. Tiene una velocidad de transmisión de 250 Kbps y un rango de cobertura de 10 a 75 metros, y a pesar de coexistir en la misma frecuencia de otros tipos de redes como WiFi o Bluetooth su desempeño no se ve afectado debido a la baja tasa de transmisión y a las características propias del estándar IEEE 802.15.4.

Además, tiene la capacidad de operar en redes de gran densidad, lo que ayuda a aumentar la confiabilidad de la comunicación, pues entre más nodos existan dentro de una red, mayor será el número de rutas alternativas que existirán para garantizar que un paquete llegue a su destino.

La capa de enlace de red se encarga de enviar y recibir datos de la capa de aplicación, enrutar paquetes dirigidos a otros nodos en la red, filtrar paquetes recibidos, cifrarlos y autentificarlos, ejecutar las tareas de asociación y desasociación de la red, aplicación de la seguridad y asignación del direccionamiento de hasta 65536 dispositivos. Es en esta capa donde se implementan las distintas topologías de árbol, estrella y malla que ZigBee soporta. Hay tres tipos de nodos o dispositivos ZigBee: el coordinador o “Zigbee coordinator”, el

encaminador o “Zigbee Router” y el dispositivo final o “Zigbee end device”. El

coordinador es el que inicia la formación de la red, el que almacena la información y puede hacer de puente entre redes. El encaminador es el que une grupos de dispositivos y proporciona comunicación salto a salto o multi-hop a través de los dispositivos, esta es una de las mayores aportaciones de este protocolo, la cual está despertando el interés de las

empresas desarrolladoras de productos, pues cualquier dispositivo ZigBee puede conectarse con otro dispositivo usando a varios de sus compañeros como repetidores, de esta manera cualquier nodo ZigBee puede hacer llegar los datos a cualquier parte de la red inalámbrica siempre y cuando todos los dispositivos tengan un vecino dentro de su rango de cobertura. El dispositivo final es el que consiste en sensores, actuadores y controladores que recogen datos y se comunican sólo con el encaminador o el coordinador.

La capa de Aplicación está formada por la subcapa APS (Application Support), la ZDO (Zigbee Device Object) y la Application Object, definidas por el fabricante e implementadas en un nodo o dispositivo dado. La APS se encarga de establecer la comunicación y enviar entre dos o más dispositivos según sus servicios y necesidades. La subcapa ZDO se encarga de definir el rol del dispositivo dentro de la red, ya sea el de coordinador o dispositivo final; iniciando, respondiendo a las peticiones, y estableciendo una conexión segura entre los dispositivos de la red. Finalmente, la subcapa Application Object brinda soporte a las aplicaciones de los fabricantes que se ejecutan sobre la pila del protocolo Zigbee a través de elementos llamados objetos de aplicación.

Sin embargo, Zigbee presenta la imposibilidad de lograr una interconexión con redes externas debido a que su esquema de direccionamiento no es compatible con el protocolo IP, lo que impidiendo una conexión directa entre los dispositivos de estas redes.

2.1.3 WirelessHART.

El estándar WirelessHART (www.hartcomm2.org) fue liberado a la industria en septiembre de 2007 y se planificó que estaría disponible en productos comerciales a finales de 2008. Está basado en el IEEE 802.15.4 para la operación a baja potencia en 2.4 GHz, el cual proporciona un protocolo de comunicación de red inalámbrico para aplicaciones de medida de procesos y de control.

WirelessHART es compatible con todos los dispositivos existentes, herramientas y sistemas; es fiable, seguro y eficiente energéticamente. Soporta topologías en malla, estrella y combinaciones de estas, además de salto de canal y sincronización de mensajes. La comunicación de red es segura con el cifrado, verificación, autentificación y gestión de los mensajes. Las opciones de gestión de energía permiten a los dispositivos inalámbricos ser más eficientes.

Una red WirelessHART se compone de dispositivos finales inalámbricos, de gateways, así como se de un controlador de proceso, de aplicación y de un gestor de red. Los dispositivos finales inalámbricos se conectados al equipamiento de planta o al proceso; los dispositivos gateways permiten la comunicación entre los dispositivos finales inalámbricos y las aplicaciones; el controlador de proceso sirve como controlador de proceso continuo y el gestor de red configura la red, maneja el tráfico y planifica la comunicación entre los dispositivos. El gestor de red puede ser integrado en el gateway, en la aplicación o en el controlador de proceso.

2.1.4 6LoWPAN.

El desarrollo del protocolo IP versión 6 ha demostrado ofrecer mayores y mejores ventajas que el IPv4, sin embargo, el uso de IPv6 en este tipo de redes impone ciertos requerimientos como el incremento del tamaño de las direcciones IPv6, y el de la MTU en 1280 bytes.

Por tal motivo, se dio origen a 6LowPAN (IPv6-based Low Power Wireless Personal Area Networks) (www.6lowpan.tzi.org) con el fin de eliminar los inconvenientes que tenían los paquetes IPv6 para ser transportados sobre las redes basadas en el estándar IEEE 802.15.4, permitiendo así que los dispositivos de bajo costo tengan todas las ventajas de la comunicación y gestión IP.

El estándar proporciona un nuevo formato de paquete, una gestión de direccionamiento que se encarga de la formación de direcciones de dispositivos para la comunicación, y crea una capa de adaptación que lleva a cabo la compresión de cabeceras, con la cual se crean paquetes de menor tamaño que encajan en una trama IEEE 802.15.4., pues el tamaño de la trama IEEE 802.15.4 es mucho más grande que la del paquete IPv6.

Este protocolo pretende convertirse en el protocolo estándar para lograr la interconexión directa de las WSN con las redes externas, es decir, aplicaciones en las que los dispositivos requieran conexión a Internet, resolviendo de esta manera la limitante que posee Zigbee en este aspecto.

2.1.5 ANT

ANT ofrece buenas características (www.thisisant.com) para las redes de área personal pues es protocolo de bajo overhead, lo que proporciona un bajo costo; con un bajo consumo de la potencia promedio, pues se alimenta con una batería de reloj; la tasa de datos de RF puede alcanzar 1Mbps; permite transmisión de datos en tiempo real; dependiendo de la antena utilizada, se puede llegar a transmitir a distancias de 30 metros; y es una solución completa de protocolo y RF, la cual elimina la necesidad del desarrollo de protocolos o el requerimiento de la integración con protocolos de terceros.

ANT es ideal para aplicaciones de productos miniaturas que requieran un consumo de potencia de micro-vatios; siendo muy fácil integrar una aplicación, con tan solo una interfaz serial. Tiene muy buenas ventajas derivadas de sus características técnicas que pueden hacerla la tecnología más idónea dependiendo de la solución a implementar.

2.1.6 NanoNet

Es una tecnología diseñada exclusivamente para competir con ZigBee. NanoNet fue desarrollado por Nanotron Technologies, basándose en CSS (Chirp Spread Spectrum). NanoNet (www.nanotron.com) provee una máxima tasa de transferencia de 2Mbps, y un alcance de hasta 900 metros en espacio libre y de 60 metros en interiores con una potencia de salida de 8dBm.

Algunas de las características claves son el uso de CSMA/CA, el soporte a TDMA; reloj de tiempo real integrado; encriptación de 128 bits a los datos de usuario; corrección de errores con CRC y FEC; y paquetes de longitud variable, de 1 a 8192 bytesde datos

NanoNet se desarrolló para su uso en control industrial, automatización de los hogares y edificaciones, y para las redes de sensores.

En el anexo dos se muestra una comparación entre algunos estándares antes expuestos. Para la elección de una tecnología, y su aplicación en la WSN; se hace necesario entender, que la mejor opción depende mucho de lo que se desee hacer y de todos los factores que esto pudiera implicar, incluyendo elementos físicos y requerimientos para la ejecución de la tecnología.

En la red de sensores inalámbricos, uno de los problemas fundamentales lo constituye el mecanismo de enrutamiento; este depende de la arquitectura de red, nivel de aplicación, cantidad de sensores, por tan solo mencionar algunos parámetros. Estos aspectos le confieren vulnerabilidad, razón por la cual serán tratados como punto importante dentro de la arquitectura de seguridad que se propone.

2.2 Protocolos de enrutamiento

La conservación de la energía en una WSN está directamente relacionada con el tiempo de vida de la red y es considerada relativamente más importante que el rendimiento de la red en términos de la calidad del envío de los datos (Al-Karaki y Kamal, 2005). Por esta razón, el diseño de los protocolos de enrutamiento está influenciado por muchos retos que deben ser superados antes de alcanzar una comunicación óptima.

Enrutamiento es el proceso de hallar la ruta más eficiente desde un dispositivo a otro en una comunicación multisalto. Este es un tópico que se presenta en cualquier red tan pronto como un paquete necesita ser direccionado hacia su destino, y en el caso de las redes de sensores, se presenta cuando hay una comunicación mutisalto, es decir, cuando un par de nodos no están directamente interconectados.

Los algoritmos de enrutamiento en redes de sensores inalámbricos tienen que cumplir las normas de mantener una tabla de enrutamiento razonablemente pequeña; elegir la mejor ruta para un destino dado, ya sea la más rápida, la más confiable, la de mejor capacidad o la de menos costo; mantener una tabla que se actualice regularmente por si falla un nodo, cambia de posición o si aparece; y requerir una pequeña cantidad de mensajes y de tiempo para converger.