Ve dnech 21. a 22. ledna probíhá ve Zlíně další ročník pravidelného setkání správců sítí CSNOG. V loňském roce zahájil Tomáš Kirňák akci svou přednášku o principech spojeních s bezdrátovým přenosem dat pomocí Wi-Fi. Letos připravil úvod do jiných bezdrátových technologiích, které se zaměřují na jiné vlastnosti přenosu dat.
Wi-Fi
Ve frekvenčním spektru se dnes objevuje celá řada různých protokolů, nejen nejznámější protokol Wi-Fi, který je určen k přenosu velkého objemu dat na krátkou vzdálenost. Dnes se mluví o gigabitech a obvykle se bez problémů dostaneme na stovky megabitů.
Běžný dosah je v desítkách metrů, nejde o komunikaci na kilometry. Na ty jsou specializované point-to-point propoje, ale to je samostatná kategorie.
Můžeme mít ale i jiné požadavky, například potřebujeme velký dosah, ale stačí nám nízký datový tok. Nebo můžeme chtít dlouhý provoz na baterie, nebo nízké zpoždění a podobně. Různé aplikace mají různé požadavky, které ne vždy dokáže Wi-Fi vyřešit.
Vždy jde o vyvážení parametrů mezi dosahem, spotřebou, zpožděním, spolehlivostí a šířkou přenosového pásma.
Většina technologií si vybere několik z těchto parametrů a na ty se zaměřuje. Wi-Fi funguje převážně na 2,4 a 5 GHz, což jsou docela vysoké frekvence. Wi-Fi neprioritizuje překonávání překážek a dobrou prostupnost.
V nižších pásmech tohle ale problém není. U Wi-Fi ale zvolené frekvence dovolují dosáhnout vysoké datové propustnosti.
Wi-Fi také ke svému provozu vyžaduje MAC a IP adresy. To je vhodné pro IP sítě, ale například v IoT se nám hodí jiný přístup.
Jiné protokoly se nezaměřují na IP, ani na vysokou datovou propustnost. Pokud je něco parametrově horší, je to záměr.
HaLow
HaLow je vlastně Wi-Fi, která běží na nižších frekvenčních pásmech pod gigahertzem. Funguje podle standardu 802.11ah, takže je to pořád Wi-Fi, ale má jiné parametry. Obětujeme rychlost, ale získáme dosah, energetickou efektivitu, nižší cenu a podporu až tisíce klientů na jedno SSID.
Použitá pásma se mění podle různých regulatorních domén. Ve Spojených státech je dostupné až 21MHz pásmo, které je možné rozdělit na různě široké kanály. V Evropě máme jen 4 MHz, které můžeme využít jen na jeden široký kanál nebo čtyři užší. Nejširší kanál nám podle modulace dovoluje přenášet data rychlostí od 1,5 až po 25 Mbps.
Takový protokol se hodí pro velké hromady senzorů, vysílačky ve skladech a monitoring vozidel na farmách nebo v dolech. Farma může mít mnoho kilometrů čtverečních a uprostřed vám stačí jeden přípojný bod, se kterým se baví všechny přístroje v okolí.
HaLow se dobře šíří nad vodními plochami a dovoluje vytvářet rozsáhlé sítě pro menší množství přenášených dat.
Výhodou je také nízká cena, například PCIe karty Speed studio stojí 5 až 15 eur, samostatné zařízení pak 50 až 70 eur. Výhodou je, že se tu používá běžná IP vrstva, jako na Wi-Fi. Pro nás síťaře je to asi nejpřátelštější protokol.
Z-Wave
Toto už není Wi-Fi, ale fyzická vrstva už je plně proprietární. Jde o klasickou IoT síť pro senzory, ovladače, monitoring a podobně.
Podle generace je možné očekávat datový tok od 9,6 až po 100 Kbps. Hlavními vlastnostmi jsou vysoký dosah, nenáročnost na baterie, odolnost proti interferenci a podpora mesh. Na nižších vrstvách je k dispozici routing, kde mohou zařízení přeposílat zprávy ostatních.
Lze tak dosáhnout až kilometrových vzdáleností.
Základem sítě je primary controller, který celou síť řídí a dále jednotlivé uzly se specifickými rolemi. Ty mohou přeposílat jednotlivé zprávy a používají hop limity.
Řeší se tím i problém se smyčkami, kdy se síť ani ve velké zátěži nepřetíží broadcast stormem.
Řídicí jednotka stojí 20 až 60 eur, v mnoha obchodech je možné koupit stovky různých zařízení a čidel pro domácí automatizaci.
Zigbee
Zigbee je evoluce původního standardu Z-Wave. Je to stále mesh, dobře škálovatelný, ale otevřenější.
Má verzované vlastnosti, podobně jako Wi-Fi, je ale dopředně i zpětně kompatibilní. Fyzická vrstva je zřízena podle standardu 802.15.4. Podporován je v každé sítí vždy jen jeden centrální koordinátor.
Tento standard se zaměřuje na to, aby byl lepší než Z-Wave. Umí fungovat na 2,4 GHz nebo 868 MHz. Je lépe škálovatelný a méně náročný na baterii. Prosím, nekupujte už nic staršího než Zigbee 3.0, který přinesl spoustu novinek.
Největší problémy při nasazení Zigbee vznikají při konfiguraci rádiové vrstvy. Je třeba například myslet na obousměrnou komunikaci, tedy aby se obě strany vzájemně slyšely.
Teoretický limit je osm zpráv za sekundu, v praxi jich ale běžnou IoT sítí chodí výrazně méně.
Minulý rok vyšel standard Zigbee 4, který přidává podporu pro 868/915 MHz. Pokud chcete používat 2,4 i 868, musíte mít koordinátor, který to podporuje.
Že je něco marketováno jako Zigbee 4, ještě to neznamená, že to umí obě pásma.
Centrem sítě je koordinátor, který funguje jako brána: na jedné straně má klasické IP a také vidí do Zigbee. Některá zařízení pak mohou fungovat jako koncové body nebo zároveň jako routery. Pokud některé prvky nevidí přímo na koordinátor, mohou použít prostředníka.
Thread a Matter
Thread a Matter je rodina protokolů pro budoucnost IoT. Thread je fyzická vrstva, Matter je samotný řídicí protokol. Jeho cílem je být lepší než Zigbee. Má vyšší odolnost na fyzické vrstvě a je otevřenější.
Celý Matter běží pouze po IPv6, na link-local adresách.
Fyzická vrstva využívá opět standard 802.15.4, pomocí kterého se vytváří mesh s limitem osmi zpráv za sekundu. Role jednotlivých prvků se v síti automaticky vybírají a může jich být více. Je to dynamický routovací protokol na nižší vrstvě.
Může tu být několik leaderů, routerů, koncových zařízení a pak border routerů pro transformaci zpráv do ostatních sítí.
Komunikační protokol Matter může zároveň fungovat po ethernetu nebo Wi-Fi. Pokud chci mít nějaký senzor zapojený přes Wi-Fi, můžu, protože to všechno zastřeší jeden protokol Matter.
Je to tedy unifikující protokol, kterým je možné komunikovat s jednotlivými prvky.
Výhodou je, že je podporovaný mnoha různými výrobci, ale zatím je zařízení na trhu výrazně méně než v případě Zigbee. Tyto prvky budou ještě určitě nějakou dobu existovat společně.
Mnoho zařízení je možné softwarově zkonvertovat ze Zigbee na Matter a obráceně, protože fyzická vrstva zůstává stejná.
LoRa
LoRa nabízí opravdu extrémní dosah, hovoří se až o stu kilometrech. Zároveň má ohromnou odolnost proti rušení a využívá zvláštní modulaci zvanou chirp spread spectrum. Je to velmi flexibilní řešení, pomocí kterého je možné stavět rozsáhlé sítě.
LoRa dokáže fungovat na libovolném pásmu, tedy 433, 868 MHz nebo třeba 2,4 GHz.
Předchozí řešení mají obousměrnou komunikaci, centralizovaný protokol, předvídatelnou latenci a síť, kterou můžete ladit. LoRa tohle vůbec neřeší, můžeme mít čidlo, které jednou denně odvysílá svůj stav a vůbec se nemusí starat, jestli zprávu někdo přijal.
Pro některé aplikace tohle může bez problémů dostačovat. LoRa tvoří fyzickou vrstvu, nad ní je možné provozovat komunikační protokol LoRaWAN.
(Autorem fotografií je Petr Krčmář.)
ČLÁNKY DO MAILU