Granite River Labs, GRL
Stanislas Charles
Zigbee は、デバイスを簡単に接続できる汎用性の高いネットワーク トポロジを備えた堅牢でエネルギー効率の高い無線通信プラットフォームであり、ホーム オートメーション、産業用制御システム、その他のさまざまなアプリケーションに適しています。 Zigbee ネットワーク デバイスの互換性をより深く理解するために、Zigbee のネットワーク トポロジのさまざまな役割と、デバイスが Zigbee ネットワークに参加するプロセスを詳しく見ていきます。
Zigbeeネットワークトポロジのコンポーネント
Zigbee ネットワークは柔軟性と拡張性を考慮して設計されており、アプリケーションのニーズに応じてさまざまな形状やサイズを取ることができます。 Zigbee ネットワーク内の役割は、Connectivity Standards Alliance (CSA) によって次のように定義されています。
1. コーディネーター (PAN コーディネーター)
Zigbee ネットワークの中心として、単一の Zigbee ネットワーク内に存在できるコーディネーターは 1 つだけです。コーディネーターはプロセスを開始し、パラメーター、セキュリティ設定、ルーティング テーブルのセットアップを担当します。ネットワークに接続されたデバイス間の通信も、コーディネーターによって促進されます。
2. ルーター
ルーターは、デバイス間でデータ パケットを転送することにより、ネットワークのカバレッジ エリアを拡張します。これらの拡張機能はメッシュ ネットワークの作成に役立ち、接続されたデバイスが複数のルートを介して通信できるようになり、信頼性とカバレッジが向上します。言い換えれば、ルーターはデータ伝送の仲介者として機能することで、ネットワークの安定性と復元力を維持するのに役立ちます。
3. エンドデバイス
エンドデバイスは通常、バッテリで動作するため、リソースに制約があり、消費電力は最小限に抑えられます。データの送受信以外では主要な役割を果たさないことが多く、代わりにルーティングやネットワーク管理タスクをルーターまたはコーディネーターに依存します。
図 1: Zigbee ネットワークトポロジ
Zigbeeネットワークへの参加: パケット交換
新しいデバイスが既存の Zigbee ネットワークに参加しようとするたびに、パケット交換を伴う次のプロセスが開始されます。
ステップ 1: デバイスの検出
- チャネルスキャン: プロセスは、新しいデバイスが複数の Zigbee チャネル (周波数) をスキャンして、近くの Zigbee ネットワークを検出することから始まります。 Zigbee は 2.4 GHz ISM (産業、科学、医療) 帯域の複数のチャネルで動作し、新しいデバイスはターゲットの Zigbee ネットワークがどのチャネルで動作しているかを判断する必要があります。
- ビーコン フレームの受信: デバイスは、コーディネーター デバイスによって送信されたビーコンフレームを感知します。これらのビーコンフレームには、PAN ID (パーソナル エリア ネットワーク識別子)、チャネル番号、拡張 PAN ID などの重要な情報が含まれています。拡張PAN IDは Zigbee ネットワークを一意に識別します。
- ネットワークの選択: デバイスがさまざまなネットワークからビーコン フレームを受信すると、基準に一致する PAN ID および拡張 PAN ID を持つネットワークを選択します。この選択は、ネットワークの可用性やセキュリティ設定などの要素に基づいて行われます。
ステップ 2: アソシエーション要求
- デバイスの初期化: ターゲット Zigbee ネットワークを選択した後、新しいデバイスはアソシエーション要求パケットを作成することによってそのアソシエーション プロセスを初期化します。
- アソシエーション リクエスト パケットの内容: アソシエーション リクエスト パケットには、次のような重要な情報が含まれます。
- デバイスを一意に識別するデバイスの 64 ビット IEEE アドレス。
- ネットワーク内での役割を指定するデバイスの機能 (エンドデバイスまたはルーター)。
- 要求側デバイスの希望の PAN ID (該当する場合)。
- 現在選択されているチャネルと異なる場合、操作する希望のチャネル。
- 送信: 新しいデバイスは、ターゲット Zigbee ネットワークのコーディネーターにアソシエーション要求パケットを送信します。
ステップ 3: コーディネーターの応答
- アソシエーション要求の処理: アソシエーション要求パケットを受信すると、コーディネーターはそれを処理して、デバイスのネットワークへの参加要求を受け入れるか拒否するかを決定します。
- 参加デバイスに割り当てられる 16 ビットの短いアドレス。この短縮アドレスは、ネットワーク内のアドレス指定に使用されます。
- アソシエーション要求の結果 (成功または失敗) を示すステータス コード。
- ネットワーク セキュリティの設定とキー (セキュリティが有効な場合)。
アソシエーション応答パケット: コーディネーターがリクエストを受け入れると、重要な詳細を含むアソシエーション応答パケットが作成されます。
- 送信: コーディネーターは、アソシエーション応答パケットを新しいデバイスに送り返します。
ステップ 4: ネットワークの統合
- デバイスの初期化: アソシエーション応答パケットを受信すると、参加デバイスは自身を初期化して正式に Zigbee ネットワークの一部になります。
- 短縮アドレスの割り当て: デバイスは、割り当てられた短縮アドレスをネットワーク内の今後の通信に使用します。この短いアドレスは、ルーティングおよびアドレス指定の目的に不可欠です。
- 役割の割り当て: デバイスは、その機能に応じて、エンドデバイスまたはエンドデバイスの役割を引き受けます。
ネットワーク内のルーター。通常、エンド デバイスはリソースに制約があり、ルーティングをルーターに依存しますが、ルーターはデータ ルーティングを支援し、ネットワーク カバレッジを拡張します。
ステップ 5: ルーティングテーブルの更新
- ルーティングテーブルの更新: ルーターがネットワークに参加する場合、コーディネーターと既存のルーターはルーティング テーブルを更新します。
- メッシュ ネットワークの確立: Zigbee ネットワークでは多くの場合、メッシュ トポロジが採用されています。これは、デバイスが複数のルートを介して通信できることを意味し、信頼性が向上します。更新されたルーティング テーブルにより、データがネットワークを通じて効率的にルーティングされることが保証されます。
ステップ 6: セキュリティの確立
- キー交換: Zigbee ネットワークではセキュリティが最も重要な懸念事項です。ネットワークに参加した後、デバイスは暗号キーを使用して安全な通信チャネルを確立します。これらのキーはデータの暗号化と復号化に不可欠です。
- トラストセンターの役割: トラスト センターはコーディネーターであることが多く、キー管理において重要な役割を果たします。暗号化キーの交換を監視し、許可されたデバイスのみがネットワークにアクセスできるようにします。
- セキュリティ対策: セキュリティ メカニズムには、ネットワーク内の通信を保護するための事前共有キー、セキュリティ証明書、またはその他の認証方法の交換が含まれており、盗聴や不正アクセスに対する耐性を備えています。
図 2: デバイスの参加を可能にする Zigbee 3.0 ネットワークの図
1: network layer
2: application support sublayer
Zigbee のネットワークトポロジは多用途性と適応性を備えているため、幅広いアプリケーションに適しています。コーディネーター、ルーター、エンドデバイスの役割は、ネットワークの安定性と拡張性に貢献します。新しいデバイスが Zigbee ネットワークに参加しようとすると、慎重に調整されたパケット交換プロセスが実行され、既存のネットワークへのシームレスな統合が可能になります。これにより、Zigbee ネットワークは信頼性が高いだけでなく安全であることが保証され、IoT およびホーム オートメーション アプリケーションにとって理想的な選択肢となります。
著者について
Stanislas Charles
CharlesはワイヤレスおよびRFテストで7年以上の経験があり、Bluetooth、Zigbee、Thread、Matter などのさまざまなプロトコルに精通しています。彼は、顧客がマターとスレッドのテスト要件に関する疑問や疑問を解消できるよう常に喜んでお手伝いします。
