IEEE 802.15.4 および 6LoWPAN による信頼性の高い IoT ネットワークの構築

産業用モノのインターネットは、非常に低い電力消費で数か月から数年間無人で稼働できる大規模な分散型センサー/制御ネットワークを前提としています。このタイプのネットワークの特徴的な動作には、低レートのワイヤレス パーソナル エリア ネットワーク (LR-WPAN) と呼ばれることが多いワイヤレス テクノロジを使用した、短距離でのメッセージ トラフィックの非常に短いバーストが伴います。再送信が必要になる無線干渉の可能性を減らすために、データ フレームを短くしています。このような LR-WPAN アプローチの 1 つは、IEEE 802.15.4 標準を使用します。これは、監視制御およびデータ収集 (SCADA) と呼ばれる産業用制御およびオートメーション アプリケーションでよく使用される物理層とメディア アクセス制御について説明します。

図 1.IEEE 802.15.4 フレーム フォーマット

IoT では、ローカルの「エッジ」デバイス (通常はセンサー) がデータを収集し、処理のためにデータセンター (「クラウド」) に送信します。データをクラウドに取得するには、標準の IP プロトコル スタックを使用して通信する必要があります。これは、エッジ デバイスをインターネット経由でデータ センターに直接接続することによって実現できます (「クラウド モデル」)。あるいは、エッジ デバイスから境界ゲートウェイとして知られる収集ポイントに通信し、そこからデータ センターにデータを中継させることもできます (「フォグ モデル」)。

この記事では、IEEE 802.15.4 ネットワーク、特に Internet Engineering Task Force (IETF) の IPv6 over Low-power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN) の実装の特徴について説明します。この実装は、クラウド モデルとフォグ モデルの両方をサポートします。

IEEE 802.15.4 PHY レイヤー

IEEE 802 標準ファミリーは、802.3 (イーサネット)、802.11 (Wi-Fi)、および 802.15 (ワイヤレス PAN) を含む多数のタスク グループに分かれています。特に、IEEE 802.15.4 (略して 15.4) は、RF スペクトルや物理層を含むプロトコルのさまざまな特性を担当するタスク グループ 4 の責任です。 15.4 規格は、無線周波数識別 (RFID) PHY、超広帯域 (UWB) PHY を含むように拡張されており、車と車、車と路肩の両方の通信の可能なソリューションとしても議論されています。

802.15.4 は、物理 (PHY) 層とメディア アクセス コントロール (MAC) 層、つまり OSI ネットワーク モデルの層 1 と層 2 のみを扱います。上位層は実装者に任せます。レイヤー 3 以上には、Zigbee、Z-Wave、Thread、6LoWPAN などの多数の製品があります。これらはそれぞれ、OSI プロトコル モデルの残りの部分を実装し、ルーティングや検出などのサービスや、ユーザー アプリケーション用の API を提供します。

図 2. トポロジーのオプション

一般に、15.4 は 20 Kbit/s、40 Kbit/s、100 Kbit/s (近々)、および 250 Kbit/s のデータ転送速度をサポートします。基本的なフレームワークは、250 Kbit/s で 10 メートルの範囲を想定しています。消費電力をさらに制限するために、さらに低いデータレートも実現可能です。 2.4GHz ISM 帯域の 10 メートル (32 フィート) の範囲仕様にもかかわらず、IEEE 802.15.4 無線の一般的な到達可能範囲は、屋内では約 100 フィート、屋外では約 200 ～ 300 フィートです。サブ GHz 周波数では、900 MHz ISM 帯域の適切なアンテナを使用して、6.5 km (4 マイル) 以上の範囲でプロトコルの実用的な実装が実証されています。

物理層では、IEEE 802.15.4 が RF トランシーバーとチャネル選択、エネルギーおよび信号管理機能を管理します。必要な周波数範囲とデータ パフォーマンスに応じて、現在 6 つの PHY が定義されています。そのうち 4 つは Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) 周波数ホッピング技術を使用しています。チャープ スペクトラム拡散 (CSS) は、超広帯域 (UWB) および 2450 MHz の周波数帯域で使用されています。パラレル シーケンス スペクトラム拡散 (PSSS) は、ヨーロッパの 868 MHz 帯域で使用されるハイブリッド バイナリ/振幅シフト キーイング変調技術でのみ使用できます。

15.4 のフレーム サイズは、PHY、MAC、データ ペイロードを含めて 133 バイトです。このフレームのフォーマットを図 1 に示します。フレームを比較的短く保つことで、送信に必要な時間を制限しながら、同時に産業用機器の通常の動作による無線干渉の可能性を制限できます。

IEEE 802.15.4 MAC レイヤー

IEEE 802.15.4 MAC 層 (OSI モデル層 2 - データリンク層) は以下を担当します。

• PAN への参加と脱退
• チャネル アクセス用の衝突回避機能付きキャリア センス多元接続（CSMA-CA）
• 保証されたタイムスロット (GTS) 送信;
• 2 つのピア MAC エンティティ間に信頼性の高いリンクを確立する。
• コーディネーターのビーコン送信
• ビーコンとの同期。

さらに、MAC 層は、AES-128 暗号化アルゴリズムを使用した対称暗号化の使用をサポートします。特定のノードまたはリンクへの機密情報の転送を制限するための、SHA ベースのハッシュとアクセス制御リストのオプションもあります。最後に、MAC はフレーム受信間の鮮度チェックを計算し、遠回りなパスを移動している可能性のある古いフレームが上位層プロトコルに遅れて配信される可能性を最小限に抑えます。

ノード タイプとネットワーク トポロジ

図 3. IPv6 ヘッダーの IP ヘッダー圧縮

IEEE 802.15.4 は、縮小機能デバイス (RFD) と全機能デバイス (FFD) という 2 つの異なるタイプのネットワーク ノードを識別します。 FFD は他の FFD または RFD と通信でき、独自のネットワークを作成することもできます。ただし、RFD は FFD とのみ通信できます。これは、スター トポロジまたはメッシュなどのピアツーピア トポロジという 2 つの可能なネットワーク トポロジにつながる階層を意味します。これらを図 2 に示します。

スター トポロジは実装が最も簡単で低コストであり、必要なのは 1 つの FFD だけです。残りのデバイスは、実装に応じて RFD または FFD のいずれかになります。スター トポロジの欠点は、コーディネーターが単一障害点になることです。これはネットワークの完全な障害につながる可能性があるため、最も単純なアプリケーションを除くすべてのアプリケーションで回避する必要があります。

メッシュ トポロジを使用すると、複数の冗長通信パスが提供され、メッセージが確実に配信されます。メッシュ モードで実行している場合、ネットワークは基本的にアドホックな自己組織化エンティティになります。したがって、マルチパスや木の葉の影響などの RF 伝播特性が変化しても、接続を継続できます。メッシュ トポロジを使用すると、産業用ロボットに見られるようなノードの移動も可能になります。 「損失の多いメッシュ」とは、すべてのリンクが信頼できるわけではないメッシュのことで、上位層のルーティング プロトコルを使用して、任意の時点の接続に基づいてメッセージ トラフィックを再ルーティングします。

IPv6

IPv4 アドレス空間が枯渇しているため、レイヤー 3 (ネットワーク) とレイヤー 4 (トランスポート) を提供し、MAC レイヤーの最上位に位置する IPv6 への移行に大きな関心が集まっています。通常、IPv6 は 40 バイトのヘッダーを使用し、128 ビットのアドレス空間を提供します。これにより、IoT 接続デバイスの最大の見積もりにも対応できます。

図 4. 6LoWPAN モジュールを備えた Raspberry Pi ボーダー ルーター

ただし、AES-128 暗号化オーバーヘッドと組み合わせると、デフォルト サイズの IPv6 ヘッダーを使用すると、フレーム内のユーザー ペイロード用に 33 バイトしか残りません。この問題に対処するために、IP ヘッダー圧縮 (IPHC) が導入されました。これにより、インターネット トラバーサルのルーティングを含め、IPv6 ヘッダーのサイズをわずか 10 バイトに削減できます。この IPHC は図 3 に示されています。

15.4 PHY 層と MAC 層の上に位置する IPv6、IPHC、および標準 TCP/UDP の組み合わせは、6LoWPAN として知られています。 POSIX スタイルのソケットの使用と組み合わせると、開発者は通常のインターネット プロトコルを使用して世界中のどこにでもエンドツーエンドのパケット配信を行うことができます。

IoT 向けの 6LoWPAN の実装

6LoWPAN の既存の実装は多数あります。 1 つは、現在住宅用の電力メーターに実装されている高度計量インフラストラクチャ (AMI) 用のサブ GHz 6LoWPAN です。これらのメーターは、電力網全体の電力使用量を読み取り、制御する手段を電力会社に提供します。マルチパスや雨や雪などの大気の影響に関係なく、メーター測定値を確実に配信するために、損失メッシュ ルーティング機能を利用しています。

6LoWPAN コードのサイズは中程度です。一般的な実装は約 30KB 程度で、多くの場合、Texas Instruments、Silicon Labs などの企業の無線機に直接実装されます。このアプローチは、センサー マイクロコントローラーと無線機の間に UART スタイルのインターフェイスを提供し、それによってプロトコルのオーバーヘッドを無線ユニットにオフロードします。

あるいは、Linux などの多くのオペレーティング システムは、すでに多くの無線プラットフォームに 6LoWPAN を実装しています。これにより、Linux ベースのボーダー ゲートウェイを使用して、強化されたカーネル、次世代ファイアウォールなどを介したフォグ モデルを使用してエッジ デバイスにセキュリティを提供できます。境界ゲートウェイを使用してデータのフィルタリングと圧縮を提供し、全体的な通信コストを削減することもできます。

6LoWPAN は通常のインターネット プロトコルと互換性があるため、開発者はアプリケーション間の通信に MQTT、CoAP、HTTP などの上位レベルのプロトコルを自由に利用できます。サウスバウンド側で 6LoWPAN、ノースバウンド側で標準 IPv4 または IPv6 に接続する境界ルータは、内部 6LoWPAN パケット形式から標準 IPv6 へ、または NAT64 経由で標準 IPv4 へのネットワーク アドレス変換 (NAT) 自動変換を簡単に提供できます。これにより、エッジ デバイスのアドレス指定がクラウドと開発者に対して完全に透過的になります。 6LoWPAN モジュールが接続された Raspberry Pi ベースのボーダー ルーターを図 4 に示します。

概要

IoT は接続性がすべてであり、IEEE 802.15.4 標準は、損失の多いメッシュ全体での低電力動作という、IoT の実装に最適な手段を提供します。 IEEE 802.15.4 上で 6LoWPAN を使用すると、クラウドとの安全かつ透過的な接続が実現し、標準の IP 互換プロトコルとすぐに利用できるライブラリが提供されるため、開発者とシステム設計者の負担が大幅に軽減されます。

この記事は、PTR グループ (バージニア州アッシュバーン) の CTO/主任研究員である Mike Anderson によって書かれました。詳細については、ここをクリックしてください。