ZigBee 動態路由之研究 劉仲鑫 * 羅健云 ** * 中國文化大學資訊科學系助理教授 lzxll@faculty.pccu.edu.tw ** 中國文化大學資訊科學系大學生 s9740208@pccu.edu.tw 摘要 本研究針對 ZigBee 動態路由做探討, 並透過 NS2 的模擬, 來呈現 ZigBee 的傳輸方 式以及了解有效的的傳輸方法 關鍵字 :ZigBee NS2 Abstract This study aimed to realize the dynamic routing of ZigBee. Through NS2 simulation, the study shows the transmission of ZigBee, as well as effective methods of transmission. Keywords: ZigBee, NS2 1
ZigBee 動態路由之研究 ZigBee 動態路由之研究 1. 簡介 ZigBee 支援各種網狀網路, 網狀網路可由全功能裝置 (Full Function Device, FFD) 與精簡功能裝置 (Reduced Function Device, RFD) 共同組成, 單一網路最多可擁有 6,5000 個裝置或節點 FFD 是具備完整 IEEE 802.15.4 功能以及 ZigBee 所有功能的路由器, 而 RFD 只具有 ZigBee 部分的功能 FFD 或 RFD 這種的終端裝置一般用於網路邊界, 且組件可以簡單到只有低成本的收發器 8 位元微控制器與幾顆電池而已 這類終端裝置在網路上不需具備路由功能 ZigBee 從感應器或網路節點發出的訊號會經由一系列冗長的路徑, 找出資料路由傳送的最近連結點, 然後藉由單次跳躍連結到主裝置的方式, 或是多次跳躍的方式, 順利完成資料的傳輸 IEEE 802.15.4 支援 FFD 及 RFD 兩類的裝置,FFD 可支援任何網路拓樸架構, 可擔任網路協調者 (PAN coordinator), 並可與所有其他裝置通信 RFD 只存在於星狀拓樸中, 只能與網路協調者通話, 且不能成為網路協調者 RFD 的好處是易於實現 ZigBee 在網狀網路拓樸可以不斷取得通訊流, 藉此提供了遠端監控與感應控制的無線連結能力所需的穩定度 網狀網路可以提供多種路徑來傳輸數據, 解決單點傳輸可能失敗的問題, 並且確保網路節點的回復透明化 設計成適用度高且擴充性強的 ZigBee 規格, 可讓您增加新的裝置或網路節點, 而且只要簡單向主裝置提出要求, 就可以針對新的裝置或網路節點進行調整 表 1 FFD 與 RFD 之比較 FFD RFD 1. 具 ZigBee 所有功能 1. 具 ZigBee 部分功能 2. 需安裝常態電源 2. 需安裝移動式的電源 ( 電池 ) 3. 不需進入睡眠模式 (Sleep Mode) 3. 平常處於睡眠模式 (Sleep Mode), 能 4. 可當協調者及路由器 節省電源 2. ZigBee 之路由在網狀網路中,ZigBee 的協調者或路由器具有路由的功能, 並且也擁有路由表格及搜尋路由表格的能力, 當發現一具有路由功能的路由, 其路由表格中, 並沒有到達目的位置, 裝置將會啟動探索功能 (Route discovery),zigbee 將會開始搜尋機制, 並選擇費用較低 (Link cost) 之路由傳送, 某依路徑 A 的連接費用為封包在此路徑 A 上成功傳輸的機率, 當找到適當路由路徑後, 裝置將會把封包直接傳送至下一個節點, 直到完成傳輸 如果沒有路由的傳輸, 可以藉由樹狀結構傳輸給父節點或子節點 路由探索機制由有路由能力的裝置, 發送一路由請求 (Route request) 封包來啟動, 當 A 收到路由請求封包後,A 會先計算發送端至它的連結費, 並記錄於該請求封包中, 假 2
設 A 之前有收過至相同目的之路由請求封包,A 接著比較新的連結費用有無比先前所計 算的值還低, 如果沒有, 將會丟棄此路由請求封包, 如果這時 A 決並幫忙轉送此路由請 求封包,A 會開始檢查自己是否具有路由能力, 如果有,A 將會把此封包傳送出去, 反 之,A 使用網狀網路機制, 決定轉送其子節點或是父節點 [4] 表 2 靜態與動態路由協定之比較靜態路由協定動態路由協定 1. 路徑由人工設定 2. 路由之間不會互相溝通 3. 所有的頻寬都可以傳送封包, 因此效率高 4. 路由本身不會去尋找新的傳送路徑, 容易造成斷線 3. ZigBee 之網路協定 1. 使用演算法來維護路由內容 2. 透過鄰近的節點的路由交換, 得到路徑 3. 彼此會交換訊息, 新增 修改 刪除容易 4. 會消耗網路的頻寬跟路由資源來更新路由資訊 ZigBee 網路層協定的主要目的為提供可靠和安全的傳輸, 在網路層中 ZigBee 提出三種網路拓樸, 即星狀拓樸 (Star topology) 樹狀拓樸(Tree topology) 以及網狀拓樸 (Mesh topology) 網路 圖 1 ZigBee 三種拓樸 [7] 一個 ZigBee 協調者 (ZigBee coordinator) 負責初始 維持以及控制網路 ZigBee 的星狀拓樸類似於 IEEE 802.15.4 制訂的星狀拓樸, 裝置只能和協調者傳送以及接收資料 對於樹狀拓樸與網狀拓樸, 裝置彼此間用多點跳躍 (Multihop) 模式溝通, 樹狀拓樸與網狀拓樸的骨幹是由一個協調者以及許多的路由器所構成,FFD 藉由協調者和路由器加入網路, 作為末端裝置, 協調者與路由器都是 IEEE 802.15.4 所定義的裝置, 而末端裝置可以是全功能裝置或簡化功能裝置, 不過大多數的應用皆是使用簡化功能裝置 在一個樹狀網路中, 協調者與路由器能發送信標 (Beacon) 而網狀網路中, 協調者與路由器不能發送信標 (Beacon), 只能使用 IEEE 802.15.4 所定義的點對點傳輸機制與其他裝紙溝通 [4][7] 3
ZigBee 動態路由之研究 主要傳輸協定優點缺點 星狀拓樸 (Star topology) Slotted CSMA/CA 通訊協定 1. 容易同步 2. 低延遲 1. 只能支援小範圍網路 表 3 星狀 樹狀與網狀拓樸之比較 [7] 樹狀拓樸 (Tree topology) Slotted CSMA/CA 通訊協定 1. 路由搜索耗能較低 2. 可支援睡眠模式 3. 支援大範圍網路 1. 傳送較耗能 2. 可能會有極高的延遲 網狀拓樸 (Mesh topology) UnSlotted CSMA/C 通訊協定 1. 支援多點連結 2. 網路有極高的可變性 3. 較低的延遲 4. 支援大範圍網路 1. 無法支援睡眠模式 2. 路由表建立很耗能 4. NS2 模擬器 NS2 是一套物件導向的網路模擬器並且由 C++ 和 OTcl 兩種語言所組成, 他能模擬真實的網路架構和特性, 在網路架構方面, 它有路由器 鏈路 網路的節點等, 網路特性有封包的延遲或封包的丟棄等模擬 使用者將程式寫好,NS2 會閱讀並解讀, 產生出模擬的結果, 進而對結果分析, 或者藉由 NAM 工具程式, 把模擬出來的結果視覺化, 讓使用者更容易了解模擬情境 [1][2] 圖 2 NS2 模擬方式 [10] 路由實驗藉由簡單的傳輸架構來觀察 ZigBee 的傳輸路徑如下圖的架構 : 4
圖 3 基本網路架構 [1] 經由 NS2 的模擬如下並且採用動態路由的方式如下之圖 4 開始 : 節點 n0 會經由路由器傳送到 n4, 傳送時間為 0.1 秒到 3.0 秒, 在 1.0 秒時, 鏈路 n1 到 n3 會出現問題, 所以資料無法從 n1 傳送到 n3, 在 2.0 秒時, 鏈路 n1 到 n3 問題解決, 資料又可以從此鏈路傳送 在 1.0 秒後,n1 到 n3 的鏈路發生問題, 節點之間再次交換,n0 到 n4 的路徑改變, 變更為 n0>n1>n2>n3>n4 圖 4 NS2 的模擬圖 1 如下之圖 5, 在 2.0 秒後,n1 到 n3 的鏈路問題解決, 所以節點之間再次傳送訊息, 使得路線再次改回 n0>n1>n3>n4 5
ZigBee 動態路由之研究 圖 5 NS2 的模擬圖 2 5. NS2 模擬 3 種 ZigBee 拓樸如下之圖 6~8, 我們使用 NS2 模擬 ZigBee 模擬星狀 樹狀 網狀等拓樸, 並計算它的延遲與遺失率, 實驗中, 我們用 CBR(constant bit rate) 的傳輸模式, 以等速率產生封包, 設定封包大小為 1500byte 圖 6 星狀拓樸 6
圖 7 樹狀拓樸 圖 8 網狀拓樸 星狀拓樸 : 先假設置範圍內有六個點,S0 為一個 coordinator,s1 S3 S4 為 Router, S2 S5 為 End device, 第一秒開始後 S0 會向其它五點發送封包, 發送到第五秒後結束 ( 圖 9) 7
ZigBee 動態路由之研究 圖 9 星狀延遲 樹狀拓樸 : 先假設置範圍內有六個點,S0 為一個 coordinator,s1 S3 S4 為 Router, S2 S5 為 End device, 第一秒開始後 S0 會向 S1 S3 發送封包, 藉由 S1 再發送至 S2 和 S4, 最後 S4 再傳送至 S5, 發送到第五秒後結束 ( 圖 10) 圖 10 樹狀延遲圖 網狀拓樸 : 先假設置範圍內有六個點,S2 S3 為一個 coordinator,s0 S1 S4 為 Router, S5 為 End device, 第一秒開始後 S2 會向 S4 發送封包,S3 也會向 S4 發送封包, 接著最後 S4 會傳送至 S5, 發送到第五秒後結束 ( 圖 11) 8
圖 11 網狀延遲圖 6. 結論本研究於實驗中所用的的封包大小和速度都不會很大, 所以延遲圖變化不明顯, 但封包一樣會延遲跟遺失, 只是量很少, 但要是加大封包的量跟傳送的速度, 延遲跟遺失都會增加, 超過負荷時, 更會大量的遺失, 藉由 ZigBee 的路由分散方式, 可以減少延遲及遺失 誌謝感謝本系蔡敦仁主任對於本研究的支持與鼓勵 參考文獻 [1] 學貫 - 計算機網路實驗 - 使用 NS2 模擬多媒體通訊 [2] 學貫 -EN550 計算機網路實驗 -- 以 NS2 模擬工具實作 [3] 電子工程專輯 :http://www.eettaiwan.com/art_8800462319 TA_c1b6363b.HTM [4] 知城 - 無線區域及個人網路 隨意及感測器網路之技術與應用 [5] 滄海 - 余兆棠 _ 無線通訊與網路 [6] 僑高科技 - 無線網路結構和原理基礎 ZigBee [7] 范 世 安 :http://fedetd.mis.nsysu.edu.tw/fed-db/cgi-bin/fed-search/view_etd? identifier=oai:ethesys.library.ttu.edu.tw:etd-0904108-163803&&index_word= [8] 黃鴻翔 :http://thesis.lib.ncu.edu.tw/etd-db/etd-search-c/view_etd? URN=945203031 9