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Zigbee

Zigbee es una especificación basada en IEEE 802.15.4 para un conjunto de protocolos de comunicación de alto nivel que se utilizan para crear redes de área personal con radios di...

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Zigbee es una especificación basada en IEEE 802.15.4 para un conjunto de protocolos de comunicación de alto nivel que se utilizan para crear redes de área personal con radios digitales pequeñas y de baja potencia , como las empleadas en la automatización del hogar , la recopilación de datos de dispositivos médicos y otras necesidades de baja potencia y bajo ancho de banda. Está diseñado para proyectos a pequeña escala que requieren conexión inalámbrica. Por lo tanto, Zigbee es un estándar para redes inalámbricas ad hoc de baja potencia, baja velocidad de datos y proximidad (es decir, de área personal) .

La tecnología definida por la especificación Zigbee pretende ser más sencilla y económica que otras redes inalámbricas personales (WPAN), como Bluetooth , o estándares de redes inalámbricas más generales, como Wi-Fi (o Li-Fi ). Entre sus aplicaciones se incluyen interruptores de luz inalámbricos, monitores de energía doméstica , sistemas de gestión de tráfico y otros equipos industriales y de consumo que requieren transferencia de datos inalámbrica de corto alcance y baja velocidad.

Su bajo consumo de energía limita las distancias de transmisión a 10–100 metros (33–328 pies) en línea de visión , dependiendo de la potencia de salida y las características ambientales. [ 1 ] Los dispositivos Zigbee pueden transmitir datos a largas distancias al pasar los datos a través de una red de malla de dispositivos intermedios para llegar a otros más distantes. Zigbee se utiliza normalmente en aplicaciones de baja velocidad de datos que requieren una larga duración de la batería y una red segura. (Las redes Zigbee están protegidas por claves de cifrado simétrico de 128 bits ). Zigbee tiene una velocidad definida de hasta 250 kbit/s  , ideal para transmisiones de datos intermitentes desde un sensor o dispositivo de entrada.

Zigbee fue concebido en 1998, estandarizado en 2003 y revisado en 2006. El nombre hace referencia a la danza de meneo de las abejas melíferas tras su regreso a la colmena. [ 2 ]

Descripción general

Un módulo Zigbee

Zigbee es un estándar de red inalámbrica en malla de bajo consumo que ofrece comunicación de baja latencia y está diseñado para dispositivos alimentados por batería en aplicaciones de control y monitorización inalámbricas. Los chips Zigbee suelen estar integrados con radios y microcontroladores .

Zigbee opera en las bandas de radio industriales, científicas y médicas ( ISM ), con laLa banda de 2,4 GHz  se utiliza principalmente para iluminación y dispositivos de domótica en la mayoría de las jurisdicciones del mundo. Los dispositivos para la medición de servicios públicos y la recopilación de datos de dispositivos médicos suelen utilizar frecuencias inferiores a 2 GHz : entre 902 y 928 MHz en Norteamérica, Australia e Israel; entre 868 y 870 MHz en Europa; y entre 779 y 787 MHz en China. Las velocidades de transmisión de datos varían desde aproximadamente 20 kbit/s para las bandas inferiores a 2 GHz hasta aproximadamente 250 kbit/s para la banda de 2,4 GHz.    

Zigbee se basa en la capa física y el control de acceso al medio definidos en el estándar IEEE 802.15.4 para redes de área personal inalámbricas de baja velocidad (WPAN). La especificación Zigbee incluye cuatro componentes clave adicionales: capa de red , capa de aplicación ,Los objetos de dispositivo Zigbee (ZDO) y los objetos de aplicación definidos por el fabricante son responsables de tareas como el seguimiento de las funciones de los dispositivos, la gestión de las solicitudes para unirse a una red y el descubrimiento y la seguridad de los dispositivos.

La capa de red Zigbee admite de forma nativa topologías de red en estrella , en árbol y en malla genérica . Cada red debe contar con un dispositivo coordinador. En las redes en estrella, el coordinador debe ser el nodo central. Tanto las redes en árbol como en malla permiten el uso de enrutadores Zigbee para extender la comunicación en la capa de red. Otra característica distintiva de Zigbee son sus funcionalidades para realizar comunicaciones seguras, protegiendo el establecimiento y la transmisión de claves criptográficas, el cifrado de tramas y el control de dispositivos. Para ello, se basa en el marco de seguridad básico definido en IEEE 802.15.4.

Historia

Las redes de radio digital ad hoc autoorganizadas de estilo Zigbee fueron concebidas en la década de 1990. La especificación Zigbee IEEE 802.15.4-2003 fue ratificada el 14 de diciembre de 2004. [ 3 ] La Connectivity Standards Alliance (anteriormente Zigbee Alliance) anunció la disponibilidad de la Especificación 1.0 el 13 de junio de 2005, conocida como la Especificación ZigBee 2004 .

Biblioteca en clúster

En septiembre de 2006, se anunció la especificación Zigbee 2006 , que dejó obsoleta la pila de 2004 [ 4 ]. La especificación de 2006 reemplaza la estructura de mensajes y pares clave-valor utilizada en la pila de 2004 con una biblioteca de clústeres . La biblioteca es un conjunto de comandos estandarizados, atributos y artefactos globales organizados en grupos conocidos como clústeres con nombres como Energía inteligente, Automatización del hogar yEnlace de luz Zigbee . [ 5 ]

En enero de 2017, Connectivity Standards Alliance renombró la biblioteca a Dotdot y la anunció como un nuevo protocolo que se representaría con un emoticono ( ||: ) . También anunciaron que posteriormente funcionaría sobre otros tipos de redes que utilizan el Protocolo de Internet [ 6 ] y se interconectaría con otros estándares como Thread [ 7 ] . Desde su presentación, Dotdot ha funcionado como la capa de aplicación predeterminada para casi todos los dispositivos Zigbee [ 8 ] .

Zigbee Pro

Zigbee Pro, también conocido como Zigbee 2007, se finalizó en 2007. [ 9 ] Un dispositivo Zigbee Pro puede unirse y operar en una red Zigbee heredada y viceversa. Debido a las diferencias en las opciones de enrutamiento, un dispositivo Zigbee Pro debe convertirse en un dispositivo final Zigbee (ZED) sin enrutamiento en una red Zigbee heredada, y un dispositivo Zigbee heredado debe convertirse en un ZED en una red Zigbee Pro. [ 10 ] Opera utilizando la  banda ISM de 2,4 GHz y agrega una banda sub-GHz. [ 11 ]

Casos de uso

Los protocolos Zigbee están diseñados para aplicaciones integradas que requieren bajo consumo de energía y toleran bajas velocidades de datos . La red resultante consumirá muy poca energía; los dispositivos individuales deben tener una duración de batería de al menos dos años para obtener la certificación. [ 12 ] [ 13 ]

Las áreas de aplicación típicas incluyen:

Zigbee no es adecuado para situaciones con alta movilidad entre nodos. Por lo tanto, no es apropiado para redes de radio tácticas ad hoc en el campo de batalla, donde se requiere y se exige una alta velocidad de datos y una alta movilidad. [ 18 ]

Perfiles de aplicación

El primer perfil de aplicación Zigbee, Automatización del Hogar, se anunció el 2 de noviembre de 2007. Desde entonces se han publicado perfiles de aplicación adicionales.

ElLas especificaciones de Zigbee Smart Energy 2.0 definen unprotocolo de comunicaciónbasado enel Protocolo de Internetpara monitorear, controlar, informar y automatizar el suministro y uso de energía y agua. Representa una mejora de las especificaciones de Zigbee Smart Energy versión 1. [ 19 ] Agrega servicios parade vehículos eléctricos enchufables, instalación, configuración y descarga de firmware, servicios de prepago, información y mensajería de usuario, control de carga,respuesta a la demandae interfaces comunes de información y perfil de aplicación para redes cableadas e inalámbricas. Está siendo desarrollado por socios, entre ellos:

Zigbee Smart Energy se basa en Zigbee IP, una capa de red que enruta el tráfico IPv6 estándar a través de IEEE 802.15.4 utilizando la compresión de encabezado 6LoWPAN . [ 20 ] [ 21 ]

En 2009, el Consorcio de Radiofrecuencia para Electrónica de Consumo (RF4CE) y la Alianza de Estándares de Conectividad (anteriormente Alianza Zigbee) acordaron desarrollar conjuntamente un estándar para controles remotos de radiofrecuencia. Zigbee RF4CE está diseñado para una amplia gama de productos electrónicos de consumo, como televisores y decodificadores. Prometía muchas ventajas sobre las soluciones de control remoto existentes, incluyendo una comunicación más completa y mayor fiabilidad, funciones y flexibilidad mejoradas, interoperabilidad y ausencia de barreras de línea de visión. [ 22 ] La especificación Zigbee RF4CE utiliza un subconjunto de la funcionalidad Zigbee que permite su funcionamiento en configuraciones de memoria más pequeñas en dispositivos de menor coste, como el control remoto de electrónica de consumo.

Hardware de radio

El diseño de radio utilizado por Zigbee tiene pocas etapas analógicas y utiliza circuitos digitales siempre que es posible. Existen productos que integran la radio y el microcontrolador en un solo módulo. [ 23 ]

El proceso de cualificación de Zigbee implica una validación completa de los requisitos de la capa física. Todas las radios derivadas del mismo conjunto de máscaras de semiconductores validadas tendrían las mismas características de radiofrecuencia. Las radios Zigbee tienen restricciones muy estrictas en cuanto a potencia y ancho de banda. Una capa física no certificada que funcione mal puede aumentar el consumo de energía de otros dispositivos en una red Zigbee. Por lo tanto, las radios se prueban siguiendo las directrices de la Cláusula 6 del estándar 802.15.4-2006. [ 24 ]

Esta norma especifica el funcionamiento en las bandas ISM  sin licencia de 2,4 a 2,4835 GHz [ 25 ] (en todo el mundo), de 902 a 928  MHz (América y Australia) y de 868 a 868,6  MHz (Europa) . Se asignan dieciséis canales en la banda de 2,4 GHz, espaciados a 5 MHz, aunque cada uno utiliza solo 2 MHz de ancho de banda. Las radios utilizan codificación de espectro ensanchado de secuencia directa , que es gestionada por el flujo digital hacia el modulador. Se utiliza modulación por desplazamiento de fase binaria (BPSK) en las bandas de 868 y 915 MHz, y modulación por desplazamiento de fase en cuadratura desplazada (OQPSK) que transmite dos bits por símbolo se utiliza en la banda de 2,4 GHz.     

La velocidad de datos bruta, por aire, es de 250 kbit/s por canal en la  banda de 2,4 GHz, 40 kbit/s por canal en la  banda de 915 MHz y 20 kbit/s en la  banda de 868 MHz. El rendimiento real de datos será menor que la velocidad de bits máxima especificada debido a la sobrecarga de paquetes y los retrasos de procesamiento. Para aplicaciones en interiores a 2,4  GHz, la distancia de transmisión es de 10 a 20  m, dependiendo de los materiales de construcción, el número de paredes que se deben atravesar y la potencia de salida permitida en la ubicación geográfica. [ 26 ] La potencia de salida de las radios es generalmente de 0 a 20 dBm (1 a 100 mW).  

Tipos de dispositivos y modos de funcionamiento

Existen tres clases de dispositivos Zigbee:

  • Coordinador Zigbee (ZC) : El dispositivo más potente, el coordinador, constituye la raíz del árbol de la red y puede conectarse con otras redes. Existe un único coordinador Zigbee en cada red, ya que es el dispositivo que la inició originalmente (la especificación Zigbee LightLink también permite el funcionamiento sin un coordinador Zigbee, lo que facilita su uso en productos domésticos comerciales). Almacena información sobre la red, actuando como centro de confianza y repositorio de claves de seguridad. [ 27 ] [ 28 ]
  • Enrutador Zigbee (ZR) : Además de ejecutar una aplicación, los enrutadores pueden funcionar como enrutadores intermedios, transmitiendo datos a otros dispositivos. Este tipo de productos Zigbee suelen estar conectados a la red eléctrica, por lo que siempre están disponibles. Los enrutadores Zigbee también se conocen como repetidores Zigbee o extensores de alcance Zigbee.
  • Dispositivo final Zigbee (ZED) : Contiene la funcionalidad justa para comunicarse con el nodo principal (ya sea el coordinador o un enrutador); no puede retransmitir datos de otros dispositivos. Esta configuración permite que el nodo permanezca inactivo durante un tiempo considerable, lo que prolonga la duración de la batería. Este tipo de dispositivos Zigbee suelen funcionar con batería. Un ZED requiere la menor cantidad de memoria y, por lo tanto, su fabricación puede ser menos costosa que la de un ZR o un ZC.

Los protocolos Zigbee actuales admiten redes con y sin balizas.

En redes sin balizas, se utiliza un mecanismo de acceso al canal CSMA/CA sin ranuras. En este tipo de red, los enrutadores Zigbee suelen tener sus receptores activos continuamente, lo que requiere alimentación adicional. [ 29 ] Sin embargo, esto permite redes heterogéneas en las que algunos dispositivos reciben continuamente mientras que otros transmiten cuando es necesario. El ejemplo típico de una red heterogénea es un interruptor de luz inalámbrico : el nodo Zigbee de la lámpara puede recibir constantemente, ya que se alimenta de forma fiable de la red eléctrica de la lámpara, mientras que un interruptor de luz alimentado por batería permanecería en reposo hasta que se acciona. En este caso, el interruptor se activa, envía un comando a la lámpara, recibe una confirmación y vuelve al reposo. En una red de este tipo, el nodo de la lámpara será al menos un enrutador Zigbee, si no el coordinador Zigbee; el nodo del interruptor suele ser un dispositivo final Zigbee.

En las redes con balizas, los enrutadores Zigbee transmiten señales periódicas para confirmar su presencia a otros nodos de la red. Los nodos pueden entrar en modo de suspensión entre señales, lo que prolonga la duración de su batería. Los intervalos entre señales dependen de la velocidad de transmisión de datos; pueden variar entre 15,36 milisegundos y 251,65824 segundos a 250 kbit/s , entre 24 milisegundos y 393,216 segundos a 40 kbit/s y entre 48 milisegundos y 786,432 segundos a 20 kbit/s . Los intervalos largos requieren una sincronización precisa, lo que puede resultar costoso de implementar en productos de bajo coste.

En general, los protocolos Zigbee minimizan el tiempo de funcionamiento de la radio para reducir el consumo de energía. En las redes con balizas, los nodos solo necesitan estar activos mientras se transmite una baliza. En las redes sin balizas, el consumo de energía es claramente asimétrico: algunos dispositivos están siempre activos, mientras que otros pasan la mayor parte del tiempo en modo de reposo.

Excepto para Smart Energy Profile 2.0, los dispositivos Zigbee deben cumplir con el estándar IEEE 802.15.4-2003 de red inalámbrica personal de baja velocidad (LR-WPAN). El estándar especifica las capas de protocolo inferiores : la capa física (PHY) y la parte de control de acceso al medio de la capa de enlace de datos . El modo básico de acceso al canal es el acceso múltiple con detección de portadora y prevención de colisiones (CSMA/CA). Es decir, los nodos se comunican de una manera algo análoga a cómo conversan los humanos: un nodo comprueba brevemente que otros nodos no estén hablando antes de comenzar. CSMA/CA no se utiliza en tres excepciones notables:

  • Confirmaciones de recepción de mensajes.
  • Las balizas se envían según un cronograma fijo.
  • Los dispositivos en redes con tecnología de balizas que requieren baja latencia y funcionamiento en tiempo real también pueden utilizar intervalos de tiempo garantizados.

capa de red

Las funciones principales de la capa de red son garantizar el uso correcto de la subcapa MAC y proporcionar una interfaz adecuada para la capa superior, la capa de aplicación. La capa de red gestiona funciones como la conexión, la desconexión y la configuración de redes. Permite establecer una red, asignar direcciones y añadir o eliminar dispositivos. Esta capa utiliza topologías de estrella, malla y árbol.

La entidad de datos de la capa de transporte crea y gestiona unidades de datos de protocolo bajo la dirección de la capa de aplicación y realiza el enrutamiento según la topología actual. La entidad de control gestiona la configuración de nuevos dispositivos y establece nuevas redes. Puede determinar si un dispositivo vecino pertenece a la red y descubrir nuevos vecinos y enrutadores.

El protocolo de enrutamiento utilizado por la capa de red es AODV . [ 30 ] Para encontrar un dispositivo de destino, AODV se utiliza para difundir una solicitud de ruta a todos sus vecinos. Los vecinos, a su vez, difunden la solicitud a sus propios vecinos y así sucesivamente hasta alcanzar el destino. Una vez alcanzado el destino, se envía una respuesta de ruta mediante transmisión unicast siguiendo la ruta de menor coste de vuelta al origen. Cuando el origen recibe la respuesta, actualiza su tabla de enrutamiento con la dirección de destino del siguiente salto en la ruta y el coste de ruta asociado.

Capa de aplicación

La capa de aplicación es la capa de nivel superior definida por la especificación y constituye la interfaz efectiva del sistema Zigbee con sus usuarios finales. Comprende la mayoría de los componentes añadidos por la especificación Zigbee: tanto el ZDO (objeto de dispositivo Zigbee) como sus procedimientos de gestión, junto con los objetos de aplicación definidos por el fabricante, se consideran parte de esta capa. Esta capa enlaza tablas, envía mensajes entre dispositivos enlazados, gestiona direcciones de grupo, reensambla paquetes y transporta datos. Es responsable de proporcionar servicio a los perfiles de dispositivos Zigbee.

Componentes principales

El ZDO (objeto de dispositivo Zigbee), un protocolo de la pila de protocolos Zigbee, se encarga de la gestión general de los dispositivos, las claves de seguridad y las políticas. Define el rol de un dispositivo como coordinador o dispositivo final, como se mencionó anteriormente, y también se encarga del descubrimiento de nuevos dispositivos en la red y la identificación de los servicios que ofrecen. Posteriormente, puede establecer enlaces seguros con dispositivos externos y responder a las solicitudes de vinculación correspondientes.

La subcapa de soporte de aplicaciones (APS) es el otro componente estándar principal de la pila y, como tal, ofrece una interfaz bien definida y servicios de control. Funciona como un puente entre la capa de red y los demás elementos de la capa de aplicación: mantiene tablas de enlace actualizadas en forma de base de datos, que se pueden usar para encontrar los dispositivos adecuados según los servicios que se necesiten y los que ofrezcan los diferentes dispositivos. Como punto de unión entre ambas capas especificadas, también enruta los mensajes a través de las capas de la pila de protocolos .

Modelos de comunicación

Modelo de comunicación de alto nivel de Zigbee

Una aplicación puede consistir en objetos que se comunican entre sí y cooperan para realizar las tareas deseadas. Estas tareas suelen ser principalmente locales a cada dispositivo, como el control de cada electrodoméstico. El objetivo de Zigbee es distribuir el trabajo entre muchos dispositivos diferentes que residen dentro de nodos Zigbee individuales, los cuales, a su vez, forman una red.

Los objetos que conforman la red se comunican mediante las funciones proporcionadas por APS, supervisadas por interfaces ZDO. En un solo dispositivo, pueden existir hasta 240 objetos de aplicación, numerados del 1 al 240. El 0 está reservado para la interfaz de datos ZDO y el 255 para la difusión; el rango 241-254 no está en uso, pero podría estarlo en el futuro.

En Zigbee 1.0, los objetos de aplicación tienen a su disposición dos servicios:

  • El servicio de pares clave-valor (KVP) está diseñado para fines de configuración. Permite la descripción, solicitud y modificación de atributos de objetos a través de una interfaz simple basada en primitivas get, set y event, algunas de las cuales permiten una solicitud para obtener una respuesta. La configuración utiliza XML .
  • El servicio de mensajería está diseñado para ofrecer un enfoque general al tratamiento de la información, evitando la necesidad de adaptar los protocolos de aplicación y la posible sobrecarga que supone el protocolo KVP. Permite la transmisión de cargas útiles arbitrarias a través de tramas APS.

El direccionamiento también forma parte de la capa de aplicación. Un nodo de red consta de un transceptor de radio compatible con IEEE 802.15.4 y una o más descripciones de dispositivos (conjuntos de atributos que se pueden consultar, configurar o supervisar mediante eventos). El transceptor es la base del direccionamiento, y los dispositivos dentro de un nodo se especifican mediante un identificador de punto final en el rango de 1 a 240.

Comunicación y descubrimiento de dispositivos

Para que las aplicaciones se comuniquen, los dispositivos que las soportan deben usar un protocolo de aplicación común (tipos de mensajes, formatos, etc.); estos conjuntos de convenciones se agrupan en perfiles . Además, la vinculación se determina mediante la coincidencia de identificadores de clúster de entrada y salida únicos dentro del contexto de un perfil determinado y asociados con un flujo de datos entrante o saliente en un dispositivo. Las tablas de vinculación contienen pares de origen y destino.

Según la información disponible, la detección de dispositivos puede realizarse mediante distintos métodos. Cuando se conoce la dirección de red, se puede solicitar la dirección IEEE mediante comunicación unicast . Si no se conoce, las solicitudes se envían por difusión . Los dispositivos finales simplemente responderán con la dirección solicitada, mientras que un coordinador de red o un enrutador también enviará las direcciones de todos los dispositivos asociados.

Este protocolo de descubrimiento extendido permite que los dispositivos externos conozcan los dispositivos de una red y los servicios que ofrecen. Los puntos finales pueden informar sobre estos servicios cuando el dispositivo que realiza el descubrimiento los consulta (tras haber obtenido previamente sus direcciones). También se pueden utilizar servicios coincidentes.

El uso de identificadores de clúster garantiza la vinculación de entidades complementarias mediante las tablas de vinculación, mantenidas por los coordinadores Zigbee. Dado que la tabla debe estar siempre disponible en la red y los coordinadores suelen contar con una fuente de alimentación permanente, algunas aplicaciones pueden necesitar copias de seguridad, gestionadas por capas superiores. La vinculación requiere un enlace de comunicación establecido; una vez establecido, se decide si se añade un nuevo nodo a la red, según las políticas de la aplicación y de seguridad.

La comunicación puede producirse inmediatamente después de la asociación. El direccionamiento directo utiliza tanto la dirección de radio como el identificador del punto final, mientras que el direccionamiento indirecto utiliza todos los campos relevantes (dirección, punto final, clúster y atributo) y requiere que se envíen al coordinador de red, que mantiene las asociaciones y traduce las solicitudes de comunicación. El direccionamiento indirecto es especialmente útil para mantener algunos dispositivos muy simples y minimizar su necesidad de almacenamiento. Además de estos dos métodos, está disponible la difusión a todos los puntos finales de un dispositivo, y el direccionamiento de grupo se utiliza para comunicarse con grupos de puntos finales que pertenecen a un conjunto específico de dispositivos.

Servicios de seguridad

Una de sus características distintivas es que Zigbee proporciona herramientas para realizar comunicaciones seguras , protegiendo el establecimiento y la transmisión de claves criptográficas y cifrando datos. Se basa en el marco de seguridad básico definido en IEEE 802.15.4.

Modelo de seguridad básico

El mecanismo básico para garantizar la confidencialidad es la protección adecuada de todo el material de clave. Las claves son la piedra angular de la arquitectura de seguridad; por lo tanto, su protección es de suma importancia y nunca deben transportarse a través de un canal inseguro . Una excepción momentánea a esta regla ocurre durante la fase inicial de la incorporación a la red de un dispositivo previamente no configurado. Se debe confiar en la instalación inicial de las claves, así como en el procesamiento de la información de seguridad. El modelo de red Zigbee debe prestar especial atención a las consideraciones de seguridad, ya que las redes ad hoc pueden ser físicamente accesibles a dispositivos externos. Además, el estado del entorno de trabajo no se puede predecir.

Dentro de la pila de protocolos, las distintas capas de red no están separadas criptográficamente, por lo que se requieren políticas de acceso y se asume un diseño convencional. El modelo de confianza abierta dentro de un dispositivo permite compartir claves, lo que reduce notablemente el coste potencial. No obstante, la capa que crea una trama es responsable de su seguridad. Dado que pueden existir dispositivos maliciosos, cada carga útil de la capa de red debe estar cifrada para que el tráfico no autorizado pueda ser bloqueado de inmediato. La excepción, de nuevo, es la transmisión de la clave de red, que confiere una capa de seguridad unificada a la red para un nuevo dispositivo conectado.

Arquitectura de seguridad

La arquitectura de seguridad de Zigbee se basa en CCM*, que añade funciones de cifrado e integridad únicamente al modo CCM . [ 31 ] Zigbee utiliza claves de 128 bits para implementar sus mecanismos de seguridad. Una clave puede asociarse a una red, siendo utilizable por las capas Zigbee y la subcapa MAC, o a un enlace, adquirido mediante preinstalación, acuerdo o transporte. El establecimiento de claves de enlace se basa en una clave maestra que controla la correspondencia de claves de enlace. En última instancia, al menos, la clave maestra inicial debe obtenerse a través de un medio seguro (transporte o preinstalación), ya que la seguridad de toda la red depende de ella. Las claves de enlace y maestras solo son visibles para la capa de aplicación. Los diferentes servicios utilizan distintas variaciones unidireccionales de la clave de enlace para evitar fugas y riesgos de seguridad.

La distribución de claves es una de las funciones de seguridad más importantes de la red. Una red segura designará un dispositivo especial, el centro de confianza , en el que los demás dispositivos confiarán para la distribución de claves de seguridad. Idealmente, los dispositivos tendrán precargada la dirección del centro de confianza y la clave maestra inicial; si se permite una vulnerabilidad momentánea, se enviará como se describió anteriormente. Las aplicaciones típicas sin necesidades de seguridad especiales utilizarán una clave de red proporcionada por el centro de confianza (a través del canal inicialmente inseguro) para comunicarse.

De este modo, el centro de confianza mantiene la clave de red y proporciona seguridad punto a punto. Los dispositivos solo aceptarán comunicaciones originadas a partir de una clave suministrada por el centro de confianza, a excepción de la clave maestra inicial. La arquitectura de seguridad se distribuye entre las capas de red de la siguiente manera:

  • La subcapa MAC es capaz de realizar comunicaciones fiables de un solo salto. Por lo general, el nivel de seguridad que utiliza viene especificado por las capas superiores.
  • La capa de red gestiona el enrutamiento, procesa los mensajes recibidos y es capaz de difundir solicitudes. Si está disponible, las tramas salientes utilizan la clave de enlace adecuada según el enrutamiento. De lo contrario, se utiliza la clave de red.
  • La capa de aplicación ofrece servicios clave de establecimiento y transporte tanto para ZDO como para las aplicaciones.

Según la revista electrónica alemana de informática Heise Online , Zigbee Home Automation 1.2 utiliza claves de reserva para la negociación del cifrado, las cuales son conocidas y no se pueden cambiar. Esto hace que el cifrado sea altamente vulnerable. [ 32 ] [ 33 ] El estándar Zigbee 3.0 incorpora funciones de seguridad mejoradas y mitiga la debilidad mencionada al brindar a los fabricantes de dispositivos la opción de usar una clave de instalación personalizada que se envía junto con el dispositivo, impidiendo así que el tráfico de red utilice la clave de reserva. Esto garantiza que todo el tráfico de red esté cifrado de forma segura, incluso durante el emparejamiento del dispositivo. Además, todos los dispositivos Zigbee deben aleatorizar su clave de red, independientemente del método de emparejamiento que utilicen, lo que mejora la seguridad para los dispositivos más antiguos. El coordinador Zigbee dentro de la red Zigbee puede configurarse para denegar el acceso a los dispositivos que no emplean esta aleatorización de clave, lo que aumenta aún más la seguridad. Además, el protocolo Zigbee 3.0 incluye contramedidas contra la eliminación de dispositivos ya emparejados de la red con la intención de interceptar el intercambio de claves durante el reemparejamiento.

Simulación

Los simuladores de red, como ns-2 , OMNeT++ , OPNET y NetSim , permiten simular redes Zigbee IEEE 802.15.4. Estos simuladores incluyen bibliotecas de código abierto en C o C++ que los usuarios pueden modificar. De esta forma, los usuarios pueden comprobar la validez de los nuevos algoritmos antes de su implementación en hardware.

Véase también

Referencias

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