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?