'''ZigBee''' è un protocollo di comunicazione di alto livello, basato sullo standard wireless IEEE 802.15.4. E' stato standardizzato principalmente per l'automazione e la sensoristica, quindi per soluzioni che prevedono la creazione di Wireless Personal Area Network (WPAN) a basso costo e a basso consumo e con un alto numero di nodi. La lunga autonomia dei dispositivi è legata al bassissimo data rate delle trasmissioni (da 20 a 250 Kb/s), che rimane comunque sufficiente per gestire i modesti volumi di traffico.

* pubblico (standard): sviluppato e certificato dalla ZigBee Alliance per garantire l'interoperabilità tra dispositivi di diversi produttori. E' sufficiente essere iscritti per iniziare a sviluppare il tuo prodotto, a patto di inviare tutti i tuoi moduli e codici sorgenti. Ad esempio mantenere privato un protocollo per gestire l'accensione di una lampadina sarebbe folle, perché altrimenti pochi produttori di lampadine si uniformerebbero al mio sistema e io avrei fatto un protocollo che non saprebbe usare nessuno;

Il rapporto segnale rumore (potenza segnale / potenza rumore nel segnale) è un parametro che dà una stima sulla bontà del segnale: se è molto basso avrò percentuali di intercettazione delle trasmissioni trascurabili. Lo ZigBee trasmette usando il metodo [[http://en.wikipedia.org/wiki/Code_division_multiple_access|CDMA]], che oltre a permettere l'invio in contemporanea da diversi trasmettitori senza provocare collisioni, permette valori più bassi di rapporto segnale rumore (quindi robustezza maggiore) rispetto a Wi-Fi e Bluetooth.

Dello standard 802.15.4, lo ZigBee eredita le specifiche della parte del livello datalink del Medium Access Control (MAC), che fa da tramite tra il livello fisico (che gestisce le potenze e le modalità di connessione-trasmissione della rete) e quello applicativo (che dice cosa posso fare col protocollo). In altre parole il MAC si occupa di rendere il livello applicativo del tutto trasparente alla tecnologia che c'è sotto, sollevandolo da ogni preoccupazione sul tipo di connessione che sto utilizzando (wireless o cablata che sia).

* ''SSP'' (Security Service Provider), è il modulo che si occupa della sicurezza del protocollo, un elemento di novità rispetto al Bluetooth o all'IrDA. Si noti che l'SSP non è direttamente collegata agli altri moduli, ma prevede uno scambio di messaggi tra il livello network e quello applicativo; questa scelta progettuale fa sì che l'intero modulo sia facilmente bypassabile nel caso in cui non è richiesta la sicurezza del protocollo. Tra le funzionalità principali offerte dall'SSP citiamo: gestione della chiave WEP (e nei nuovi standard ZigBee anche WPA e WPA2); crittazione dei dati; anti-replay attack, che impedisce che un modulo possa essere bloccato da un invio incessante di dati (se arrivano richieste molto ravvicinate dallo stesso dispositivo, possiamo decidere se tollerarle o scartarle o inibire il device petulante o malevolo); gestione dei trust center, dispositivi fidati per la distribuzione delle chiavi di sicurezza;
* ''ZDO'' (Zigbee Device Object), in cui vengono salvati tutti i dati di configurazione del dispositivo e della rete, così che quando io slave device voglio collegarmi ad essa potrò richidere le informazioni di questo modulo per sapere tutto ciò che serve per entrare nel giro. Spieghiamo meglio un concetto: ogni device è definito da un profilo ed è implementato come application object; ogni application object è collegato al resto dello stack ZigBee attraverso un endpoint (un componente indirizzabile all'interno del dispositivo). La comunicazione avviene da endpoint a endpoint, e all'interno della rete ne esistono due speciali: 0, usato per la configurazione e la gestione dell'intero dispositivo ZigBee; 255, per la comunicazione in broadcasting;
* ''APS'' (Application Support Sub-layer), che principalmente mantiene le tabelle per fare il binding ed inoltra i messaggi tra gli endpoint. I suoi servizi sono usati sia dal modulo ZDO che dall'Application Framework;

Condludendo, lo stack ZigBee ha tre tipi di profili:

Lo '''ZigBee Coordinator''' (ZC) è il dispositivo che crea e configura la rete, cercando un canale radio adatto e definendo tra i parametri operativi il PAN ID, cioè il numero a 16bit usato dai membri della rete per riferirsi ad essa. Una volta avviata la rete si mette in modalità ''Coordinatore'', permettendo (o meno) a Router ed End Device di fare una join alla sua rete. Tra le sue altre funzioni, agisce come deposito per le chiavi di sicurezza (''trust center''), ed occasionalmente effettua attività di routing.\\

Da un punto di vista logico, i dispositivi ZigBee possono essere di tre tipi:
* ''ZigBee Coordinator'' (ZC): unico per ogni rete, ne costituisce la radice e può fare da ponte tra più reti diverse. E' un full function device, è spesso alimentato ed è in grado di memorizzare informazioni sulla sua rete e agire come deposito per le chiavi di sicurezza. Inoltre, il coordinatore è il dispositivo che fa partire e configura la rete, gestisce i trust center e le binding table;
* ''ZigBee Router'' (ZR): si connette al coordinatore e permette l'inoltro dei messaggi tra i dispositivi, aumentando così le distanze di copertura della rete. Può essercene più di uno per ogni rete (a meno che non si abbia una rete a stella, e allora non ce n'è neanche uno), ed è anch'esso un full function device;
* ''ZigBee Device'' o ''ZigBee End Device'' (ZED): è un reduced function device, perché le sue funzionalità si riducono al dialogare con coordinatore o router (non possono trasmettere dati provenienti da altri dispositivi). Richiedono poca memoria, hanno bassi consumi e costi inferiori rispetto agli altri due tipi di dispositivi.

!!Cluster
Dalle [[FAQ del protocollo->http://www.zigbee.org/About/FAQ.aspx]]: ''The ZigBee Cluster Library (ZCL) is a significant addition to revision 1.1. In ZigBee, a cluster is a message or collection of messages pertaining to a given application domain. Some devices (such as on/off switches) have the same definition and functionality whatever application profile is used. The idea behind creating the ZCL was to provide cluster reusability by abstracting clusters across several application domains and placing them in a library organized according to functional domains (e.g., lighting, closures, HVAC).''

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!!Comparative
Vediamo ora le principali differenze tra ZigBee, Wi-Fi e Bluetooth attraverso la seguente tabella:

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Qualche commento ulteriore sullo ZigBee. Anzitutto la durata delle batterie dipende dal tipo delle batterie stesse: per le normali stilo si parla di anni, mentre per quelle al litio più avanzate si parla tranquillamente di decenni. La dimensione della rete intesa come numero di nodi collegabili è sovradimensionata in modo imbarazzante rispetto alla quasi totalità delle applicazioni. E' supportata l'architettura di rete mesh, che permette l'autocostruzione della rete stessa: il device ne chiede la struttura al coordinatore e vi si adatta. Mentre per rimpiazzare un modulo Bluetooth dovrò rifare l'aggancio al dispositivo, la sostituzione di un modulo ZigBee avviene automaticamente nel modo corretto, perché è tutto demandato a livello applicativo (e non fisico o network come negli altri protocolli).\\
Lo ZigBee cerca quindi di prendere sia i pregi della Wi-Fi che quelli del Bluetooth.

La rete Zigbee può assumere 3 diverse topologie, ognuna con i suoi pregi e difetti. Ogni Device non può essere mai collegato direttamente ad un altro Device ma solamente ad Router o ad un Coordinatore in quanto sono loro che possiedono le tabelle dei dispositivi collegati.

Questa topologia è indicata per reti con pochi slave poiché con molti nodi la sua gestione diventa complessa e il coordinatore sarebbe sommerso da richieste di instradamento.

Questa topologia non richiede alcun algoritmo di routing in quanto si passa sempre dal coordinatore.

Anche questa topologia non necessita di algoritmi di routing specifici, in quanto si invia il messaggio al padre, unico per ogni dispositivo. È però poco affidabile in quanto se cadesse uno dei Router della rete, tutta la sua sottorete sarebbe esclusa dalla comunicazione e dovrebbe ripetere l'operazione di inserimento.

!!!Topologia mesh

Permettendo il collegamento diretto tra molti Router, la rete consente di migliorare l'invio di messaggi tra dispositivi, in quanto è possibile scegliere tra differenti strade in base al carico dei dispositivi, alla distanza e ad altri fattori.
Inoltre la rete è più affidabile: se un Router cade non cade tutta la sua sottorete, ma entrano in gioco algoritmi di re-routing che si accorgono della mancanza di un nodo e ricalcolano il percorso migliore per portare a destinazione il messaggio.
Questo rende però necessari algoritmi di routing specifici.

*richiedendo la connessione ad un ID specifico

Nel primo caso il Router o Device che si unisce alla rete conosce già l'ID del dispositivo a cui chiedere la connessione (ad esempio può essere impostato fisicamente).

Nel secondo caso invece il dispositivo deve ricercare un Router o un Coordinator che gli risponda. Tra i dispositivi che rispondo ne viene scelto uno al quale si richiede la connessione. Se la connessione va a buon fine il dispositivo che ha chiesto la join riceve il suo indirizzo dal Router con il quale si è collegato.

Il rapporto segnale rumore (potenza segnale / potenza rumore nel segnale) è un parametro che dà una stima sulla bontà del segnale: se è molto basso avrò percentuali di fallimento delle trasmissioni trascurabili. Lo ZigBee è il protocollo con i valori più bassi di rapporto segnale rumore, quindi quello con qualità e robustezza maggiori rispetto a Wi-Fi e Bluetooth.

* Commercial Building Automation (CBA), applications targeted at a commercial building
environment;

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%center% %sottotitolo% Appunti del 13 Aprile

Anche questa topologia non necessita di algoritmi di routing specifici, in quanto si invia il messaggio al padre, unico per ogni dispositivo. È però poco affidabile in quanto se cadesse uno dei Router della rete, tutta la sua sottorete sarebbe esclusa dalla comunicazione e dovrebbe ripetere l'inserimento nella rete.

(:title Reti wireless - Appunti del 13 Aprile:)

%titolo%''':: Reti wireless - Appunti del 13 Aprile ::'''

* Automated Metering Infrastructure (AMI);
* Home Automation (HA);
* Commercial Building Automation (CBA);
* Personal Home and Hospital Care (PHHC);

* ''SSP'' (Security Service Provider), è il modulo che si occupa della sicurezza del protocollo, un elemento di novità rispetto al Bluetooth o all'IrDA. Si noti che l'SSP non è direttamente collegata agli altri moduli, ma prevede uno scambio di messaggi tra il livello network e quello applicativo; questa scelta progettuale fa sì che l'intero modulo sia facilmente bypassabile nel caso in cui non è richiesta la sicurezza del protocollo. Tra le funzionalità principali offerte dall'SSP citiamo: gestione della chiave WEP (e nei nuovi standard ZigBee anche WPA e WPA2); crittazione dei dati; anti-replay attack, che impedisce che un modulo possa essere bloccato da un invio incessante di dati (se arrivano richieste molto ravvicinate dallo stesso dispositivo, possiamo decidere se tollerarle o scartarle o inibire il device petulante o malevolo); gestione dei trust center, che permettono di demandare a dispositivi fidati l'autenticazione delle richieste di join alla rete;

!!Caratteristiche

Qualche commento ulteriore sullo ZigBee. Anzitutto la durata delle batterie dipende dal tipo delle batterie stesse: per le normali stilo si parla di anni, mentre per quelle al litio più avanzate si parla tranquillamente di decenni. La dimensione della rete intesa come numero di nodi collegabili è sovradimensionata in modo imbarazzante rispetto alla quasi totalità delle applicazioni. E' supportata l'architettura di rete mesh, che permette l'autocostruzione della rete stessa: il device ne chiede la struttura al coordinatore e vi si adatta. Mentre per rimpiazzare un modulo Bluetooth dovrò rifare l'aggancio al dispositivo, la sostituzione di un modulo ZigBee avviene automaticamente nel modo corretto, perché è tutto demandato a livello applicativo (e non fisico o network come negli altri protocolli).


..to be continued

* building automation (sistemi intelligenti di illuminazione, controllo avanzato del riscaldamento/condizionamento, ...);
* consumer electronics (per TV, lettori DVD/CD, ...) e PC & peripherals (per mouse, tastiere o joystick wireless, ...). Hanno poco senso perché ci sono già il Bluetooth e l'IrDA che funzionano benissimo;
* home control (rilevatori di fumo o incendi, elettrodomestici intelligenti, sistemi di sicurezza e di controllo degli accessi tramite badge o sistemi biometrici, ...);
* telecom services (monitoraggio e controllo dei servizi mobili, teleassistenza, ...);
* industrial control (controllo dei processi, gestione degli asset, gestione ambientale o energetica, ...);
* personal health care (ad esempio il monitoraggio dei parametri vitali dei pazienti). Queste due ultime applicazioni sono le più interessanti su cui investire (almeno per la società del prof Rapacioli).

La ZigBee Alliance è un'organizzazione formatasi nel 2002 con l'obiettivo di sviluppare e promuovere il protocollo ZigBee (dal livello MAC in su).
L'utilizzo del protocollo per fini non commerciali è consentito a tutti (qui le specifiche http://www.zigbee.org/Products/DownloadZigBeeTechnicalDocuments.aspx), mentre se vuoi vendere prodotti col marchio ZigBee devi seguire una strada un po' più tortuosa. Prima di tutto devi iscriverti alla ZigBee Alliance (la sottoscrizione base costa 3500$ all'anno), che ti fornirà un id industriale per le tue soluzioni e ti schiuderà le porte dell'assistenza e delle specifiche più fighe ed utili. Per questo motivo quando dall'Alliance dicono che il protocollo è open, al nostro amico GNU gli girano le corna (la licenza GPL dice ben altro). Ora che sei membro della ZigBee Alliance (come Adopter, Participant o Promoter), devi decidere che profilo dare alla tua applicazione, ovvero definire il ruolo e le funzioni dei dispositivi della tua rete ZigBee. Fondamentalmente puoi scegliere tra due tipi di profili:

Ci sono però due fregature: la prima è che ogni due mesi questi qua fanno uscire una versione nuova del protocollo, non necessariamente retrocompatibile, e se vuoi mantenere il marchio ZigBee sei costretto a ricertificarti (pagando di nuovo); la seconda è che se per il nostro prodotto dobbiamo utilizzare moduli certificati di terze parti, anche noi dovremo iscriverci alla ZigBee Alliance e ricertificarli!

Se scegliamo di adottare un profilo pubblico per il nostro prodotto, possiamo scegliere tra i seguenti Application Profiles definiti dalla ZigBee Alliance, ognuno dei quali ha una propria chiave:

* beacon-enabled. Lo ZigBee è strutturato in modo da avere un nodo coordinatore e vari altri nodi slave che comunicano con esso e solo con esso. Il beacon è un pacchetto che il modulo master manda a turno a tutti gli slave per dirgli: "io ci sono, se vuoi puoi trasmettermi qualcosa". Se effettivamente qualcuno gli trasmette qualcosa, gestisce la risposta e passa al prossimo. Il beacon è mandato in polling su tutta la rete ogni tot tempo (dai 15,36 millisecondi ai 768,432 secondi), passati i quali il master va in sleep-mode; i consumi di energia si riducono anche per i nodi slave, perché si attivano solo quando ricevono un beacon, quindi per la maggior parte del tempo sono spenti. Questa modalità di funzionamento della rete è più dinamica ma anche più complessa, ed è spesso utilizzata per implementare le reti mesh;
* non beacon-enabled, definita anche rete attiva. Non mandando beacon, il coordinatore deve rimanere sempre attivo, così da permettere agli slave di comunicare in qualsiasi momento e senza perdere nessun dato. Le conseguenze pratiche sono due: la prima è che l'autonomia del master si riduce drasticamente, e infatti spesso è alimentato; la seconda è che va adottato un meccanismo di accesso al canale di tipo CSMA/CA, quindi con una strategia collision avoidance, per evitare appunto collisioni nelle trasmissioni. Avremo quindi alcuni dispositivi sempre accesi e pronti a ricevere, ed altri che trasmettono solo in presenza di uno stimolo esterno. Ricapitolando, la modalità non beacon-enabled consuma più batteria, è più statica, ma permette agli slave di comunicare in qualsiasi momento ed è molto più semplice da realizzare.

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* network, il livello più passo, che può essere paragonato al livello delle direttive ("creami una rete con questi parametri"). Il suo compito è infatti quello di gestire in automatico le direttive applicative col livello MAC (a cui è direttamente interfacciato) e quello fisico, di gestire le connessioni della rete, la sua sicurezza e la sua creazione. Si occupa inoltre del routing dei messaggi e della route discovery & maintenance. Il network è il primo livello in cui vengono aggiunti header e footer al pacchetto per la sua gestione, così da renderlo comprensibile e gestibile dai livelli sottostanti della pila OSI;
* SSP (Security Service Provider), è il modulo che si occupa della sicurezza del protocollo, un elemento di novità rispetto al Bluetooth o all'IrDA. Si noti che l'SSP non è direttamente collegata agli altri moduli, ma prevede uno scambio di messaggi tra il livello network e quello applicativo; questa scelta progettuale fa sì che l'intero modulo sia facilmente bypassabile nel caso in cui non è richiesta la sicurezza del protocollo. Tra le funzionalità principali offerte dall'SSP citiamo: gestione della chiave WEP (e nei nuovi standard ZigBee anche WPA e WPA2); crittazione dei dati; anti-replay attack, che impedisce che un modulo possa essere bloccato da un invio incessante di dati (se arrivano richieste molto ravvicinate dallo stesso dispositivo, possiamo decidere se tollerarle o scartarle o inibire il device petulante o malevolo); gestione dei trust center, che permettono di demandare a dispositivi fidati l'autenticazione delle richieste di join alla rete;
* ZDO (Zigbee Device Object), in cui vengono salvati tutti i dati di configurazione del dispositivo e della rete, così che quando io slave device voglio collegarmi ad essa potrò richidere le informazioni di questo modulo per sapere tutto ciò che serve per entrare nel giro. Spieghiamo meglio un concetto: ogni device è definito da un profilo ed è implementato come application object; ogni application object è collegato al resto dello stack ZigBee attraverso un endpoint (un componente indirizzabile all'interno del dispositivo). La comunicazione avviene da endpoint a endpoint, e all'interno della rete ne esistono due speciali: 0, usato per la configurazione e la gestione dell'intero dispositivo ZigBee; 255, per la comunicazione in broadcasting;
* APS (Application Support Sub-layer), che principalmente mantiene le tabelle per fare il binding ed inoltra i messaggi tra gli endpoint. I suoi servizi sono usati sia dal modulo ZDO che dall'Application Framework;
* AF (Application Framework), in cui si trovano gli oggetti proprietari scritti dagli sviluppatori privati. E' gestito dall'interfaccia pubblica dello ZDO.