ZigBee Nedir ?
ZigBee; IEEE 802.15.4 altyapısında ve standart sarmal ağlar (Mesh Network dizilişi) ile uygulama profilleri kullanılarak kurulan kısa mesafe kablosuz ağ standardı olarak tanımlanır. Güvenirliği, düşük maliyeti ve enerji tasarrufu gibi avantajları göz önüne alındığında ZigBee, PC girdi aygıtları gibi sensör ve yönetim ürünlerinin kablosuz bağlantıları için kullanılabilmektedir. ZigBee, kablosuz iletişim kanallarının otomatik olarak aranmasına ve çok sayıda kablosuz ağın bir arada var olmasına imkân tanımaktadır.
ZigBee’yi farklı bir tanımla açıklamak gerekirse; küçük ve düşük güçlü radyolar için protokollerin özelleştirilmesidir. ZigBee 1.0’ın kurulumu Mayıs 2003 tarihinde IEEE 802.15.4 tarafından tamamlanmış, Aralık 2004 tarihinde ZigBee özelliği onaylanıp ve Haziran 2005 tarihinde kullanıma sunulmuştur. ZigBee 2007 yeni teknik özellikleri ile 30 Eylül 2007’de piyasaya sürülmüştür. Son olarak ilk ZigBee uygulama profili olan ev otomasyonu da 2 Kasım 2007’de kullanıma açılmıştır.
ZigBee teknolojisi ürünleri, dünya çapında kullanıma açık olan 2,4 GHz frekans bandını kullanmaktadır. Buna ek olarak, Amerika kıtasında 915 MHz ve Avrupa’da 868 MHz de kullanılabilmektedir. 2,4 GHz frekansında 10 kanal ile 250 kbps, 915 MHz frekansında 6 kanal ile 40 kbps ve 868 MHz frekansında 1 kanal ile 20 kbps hızlarına erişilebilmektedir. Ürünlerin erişim mesafesi iletim gücü ve çevre etkilerine bağlı olarak 10 ile 75 metre arasında değişmektedir.
ZigBee standartları, IEEE 802.15.4 global standardının içine bulunan ortam erişim yönetimi (“MAC” Medium Access Control) katmanının üzerine uygulama profil tabakası, güvenlik ve ağ tabakaları eklenerek belirlenmiştir. ZigBee IEEE 802.15.4 standardının özelliğini kullanarak güvenilir, düşük güçlü izleme ve kontrol ürünlerinin telsiz iletişimini sağlamaktadır. IEEE 802.15.4 ve 802.15 standartlarının bir parçasını ve kişisel yerel ağ (“PAN” Personal-Area Network) teknolojisini desteklemektedir. Protokolün amacı düşük maliyetli, uzun süreli (senelik) pil kullanan sensörlerin kullanılmasını desteklemektir.
Yukarıdaki tabloda görüldüğü üzere; dosyaların akışına bağlı olarak ZigBee aygıtları uyku moduna geçerek enerji tasarrufu sağlamaktadır. Bu sayede saatler süren uyku devreleriyle birlikte bataryanın kullanım süresi, ideal bağlantı tekniği ile birlikte aylarca (1 yıla kadar) sürebilmektedir. ZigBee’nin 2008 yılının sonuna kadar dünya çapında 150 milyon kişisel kullanımı olabileceği öngörülmektedir.
ZigBee Nasıl Çalışır
ZigBee temelde aletlere diğerleriyle iletişim kurma izni veren dijital radyoları kullanır. Tipik bir ZigBee ağı birkaç tip aygıttan oluşur. Ağı kuran, ağ koordinatörü ağın her düğümünün (node) farkındadır ve network içindeki alınmış ya da gönderilmiş bilgiyi her safhada yönetir. Her ZigBee networkü bir koordinatör içerir. Başka tam fonksiyonel cihazlar (FFD) ağ içinde bulunabilir ve bu aygıtlar bütün 802.15.4 fonksiyonlarını destekler. Bunlar bütün network koordinatörlerine, network dağıtıcılarına ya da fiziksel dünyayla bağlantılı bütün cihazlara hizmet ederler.
Networkte bulunan uç cihaz ise indirgenmiş fonksiyonlu aygıt (RFD) sadece fiziksel dünyayla bağlantılı aygıtlara hizmet eder. Zigbee noktadan noktaya, yıldız, bir noktadan birden çok noktaya veya çok noktadan tek noktaya, ağaç ve örgü topolojileri olmak üzere birçok topolojiyi destekler.
Yıldız Topoloji
Bu topolojilerde merkezde koordinatör bulunur. Diğer bütün cihazlar noktadan noktaya olacak şekilde koordinatörle iletişim kurarlar. Mesajlaşma koordinatör üzerinden yapılır.
Ağaç Topoloji
Hiyerarşik bir düzende cihazların birbirleriyle haberleşme biçimidir. Ağaç yapısının en üst noktasında koordinatör bulunur. Bir düşük seviyede yönlendiriciler ve en alt seviyede ise son aygıt veya yönlendirici aygıtlar bulunur. Şekil’de A aygıtının B ile haberleşmesi 1 nolu aygıt üzerinden sağlanırken, C aygıtıyla haberleşmesi koordinatör tarafından sağlanır.
ÖrgüTopoloji
Zigbee’de en çok gördüğümüz topoloji çeşididir. Bu tarz topolojilerde bütün cihazlar, birbirleriyle AODV (Ad-hoc Ondemand Distance Vector routing) algoritması yardımıyla haberleşmektedir. Eğer gidilecek yön bilinmiyorsa, AODV algoritmasıyla hedef aygıtın nerde ve hangi yönde bulunduğunu sezebilmek için ilk olarak kaynak aygıt yön istek (route request) paketini tüm ağa yayınlar.
Bu paket içerisinde paketin dizi numarası, hedefin ağ adresi, metrik bilgisi alanı ve kaynağın ağ adresi bulunmaktadır. Metrik, cihazlar arasında haberleşme yapılırken en avantajlı yolun bulunmasında üretici firma ve çeşitli standartlar tarafından parametreler kullanılarak hesaplanan maliyet bilgisidir.
Yön istek yayınını alan diğer cihazlar, yalnızca yön istek paketini gönderen kaynağa gitmek istediği cihaza gidebileceği yönü metrik bilgisiyle iletir. Birden fazla cihazdan yön istek paketine cevap alındığında, metrik maliyeti en düşük olan yoldan veri paketi yollanır. Şekil de örgü topolojisine örnek bir ağ yapısını göstermektedir.
ZigBee Araç Tipleri
ZigBee protokolünün kullanıdığı 3 tip araç vardır.
I . ZigBee Coordinator(ZC): ZigBee protokolünü kullanan araçların en yetenekli olanıdır. ZC aracı ağ bağlantılarını düzenler ve diğer ağlarla olan köprülemeyi sağlar. ZigBee Coordinator (Zigbee Koordinatör)ayrıca ağda bilgi depolayabilme özelliğine sahiptir. ZigBee Koordinatör’ü ağda bilgi depolayabilme özelliğinin yanı sıra güvenlik anahtarlarının da ağda yönetilmesi ile ilgili bilgileri depolayabilir.
II . ZigBee Router(ZR): ZigBee’de uygulama çalıştığı zaman router kendini ara router olarak göstererek veri akışını sağlar. ZigBee sistemlerde geçiş aygıtı olarak görev almaktadır.
III . ZigBee End Device (ZED): Bağlı diğer ZigBee Koordinatör ve ZigBee Router araçlarıyla iletişim kurmak için yeterli derecede özellik içermektedir. ZigBee End Device (ZigBee Son Cihaz), diğer aygıtlardan veri yayını yapmaz. Ayrıca aradaki bu köprüleme durumu aradaki düğümlerin uyku durumuna geçmesiyle uzun ömürlü kullanıma olanak sağlamaktadır. Ayrıca ZigBee Son Cihazı az miktarda bellekle gerekli işlemleri yapabilmektedir. Bu da maliyetinin ZigBee Koordinatör ve ZigBee Router araçlarından daha az olmasını sağlamaktadır.
ZigBee Profillerinin Tanıtımı
ZigBee sistemlerde verileri değiştirmek için bir dil tanımlanır. Bu dil sunulan servislerin kullanılıp tanımlanmasını gerektirmektedir. Bu servislerde kullanılacak standart profiller ZigBee Alliance’tan temin edilmektedir. Kullanılan profiller alet tanımlarını içermektedir. Bu sistemlerde kullanılan tek sertifikasyon ZigBee Alliance tarafından lisanslıdır.
ZigBee Nod(Düğüm) Tipleri ve Görevleri
I . ZigBee Koordinatörü(ZBC) (IEEE 802.15.4): ZigBee Koordinatörü ağda yalnızca bir tanedir ve ağı başlatmakla görevlidir. Bütün ZigBee aygıtlarıyla iletişim halinde olarak ağ ile ilgili bilgileri depolamakla görevlidir. ZigBee Koordinatörün yalnızca yönlendirme özelliği fonksiyonel olarak çalışmaktadır. Ayrıca diğer ağlarla köprü işlevi yapmaktadır.
II . ZigBee Yönlendiricisi(ZBR) (IEEE 802.15.4 FFD): ZigBee Yönlendiricisi isteğe bağlı bir bileşenlerdir. Düğümler arasında yönlendirme yapmakla görevlidir. Yapılan bu yönlendirmelerle kullanılan ağın kapsamını arttırır. Ayrıca adresleme yapılıp yapılmaması işlevini yönetmektedir.
III . ZigBee Sonlandırıcısı(ZBE) (IEEE 802.15.4 RFD): ZigBee Sonlandırıcısı, düşük güç tüketimini en iyi şekilde belirlemekle görevlidir. ZigBee sistemlerde kullanılan en pahalı alet tipidir. Ağ içinde sadece ZigBee Koordinatörü ile haberleşmektedir. ZigBee sistemlerin çekirdeği sayılan algılayıcılar bu bölümde bulunmaktadır.
Fiziksel Katman Kullandığı Servisler
* Hata Vektörü Büyüklüğü(EVM): ZigBee sistemlerde oluşabilecek hataların büyüklük ve türleri hakkında bilgilendirme yapan servistir.
* Enerji Dedektörü(ED): ZigBee sistemlerin temel elemanlarından “Alıcıların” enerji ihtiyacını belirleyen ve eksikliğinde bildiren servistir.
* Bağlantı Kalite Sağlayıcısı(LQ ZigBee sistemler asıllamayı (doğrulamayı) sağlayarak mesajın doğru yere erişip erişmediğini kontrol etmektedir. Ayrıca sistemlerde kullanılan yüksek güvenlik teknikleri ile saldırganın aygıtları başka aygıtmış gibi göstermesi önlenmektedir. Kullanılan bu asıllama aygıt düzeyinde kullanılabildiği gibi ağ düzeyinde de kullanılabilmektedir. I): Alıcılar arasında yeterli frekansta ve düzgün veri akışının sağlanması için gerekli bağlantıyı sağlayan servistir.
Kullanılan Enerji Dedektörü ve Bağlantı Kalite Sağlayıcısı, ZigBee sistemlerin kuruluş mimarisi olan “minimum güç” prensibine uyarak, sistemin devamlılığının sağlanmasına yardımcı olmaktadır.
ZigBee Güvenlik Hizmetleri
ZigBee güçlü şifreleme tekniği olan AES-128 kullanmaktadır. Bu teknik son kullanıcıya yönelik yenilik sağlayarak, ağda oluşan her türlü farklı işlemi kontrol altında tutarak yapılan saldırıların tekrarlanmasını önleyebilmektedir. ZigBee ayrıca gelen ve giden olarak yenilik sayaçları sağlamaktadır. Oluşturulan bu sayaç her yeni anahtar oluştuğunda sıfırlanır ve böylece sistemin çok kısa periyodlar içinde anahtarlarını yenileyerek çalışmasını sürdürebilmesini sağlar.
Ayrıca ZigBee, sistemler arasındaki bütünlüğü sağlamaktadır. Sağlanan bütünlükten dolayı sistem saldırganın mesajını değiştirip farklı yerlere saldırmasını kolaylıkla önlemektedir. Bütünlük seçenekleri olarak 0,32,64,128 bit kullanılabilecek seçenekler arasında bulunmaktadır. Fakat ZigBee sistemler varsayılan olarak 64 bit bütünlük seçeneğini kullanmaktadırlar. Ayrıca bu bütünlük seçeneği mesaj koruma ve mesaj değiştirme arasındaki yer değiştirmeyi de sağlamaktadır.
ZigBee sistemlerde kullanılan ağ seviyesindeki asıllama ortak ağ anahtarı kullanarak sağlanmaktadır, aygıt seviyesinde kullanılan asıllama ise yalnızca tek bağlantı anahtarı kullanılarak sağlanmaktadır. Bunların yanı sıra Zigbee şifrelemeyi destekleyerek saldırganın araya girip bağlantıyı dinlemesini önlemektedir ve sisteminde 128 bit AES şifreleme tekniğini kullanmaktadır.
ZigBee sistemlerde şifreleme de asıllama gibi ağ seviyesinde ve aygıt seviyesinde kullanılabilmektedir. Ağ seviyesindeki şifrelemede ortak ağ anahtarı kullanılmaktadır, bu sayede çok az bellek kullanılarak saldırganın sisteme sızması önlenmektedir. Aygıt seviyesindeki şifrelemede ise ortak bağlantı anahtarı kullanılmaktadır.
ZigBee’nin Kullanım Alanları
I . Endüstriyel ve ticari alanlarda; enerji kontrolünde, HVAC sistemlerinde, aydınlatma ve erişim kontrolünde kullanılmaktadır.
II . Oyuncak ve eğlence alanlarında ; özel ışıklandırma sistemlerinde, gelişmiş sıcaklık kontrolünde, film ve müzik sistemlerine entegre olarak çalışabilmektedirler.
I . Bilgisayarda ve çevresel donanımlarda,
II . Taşınabilir servislerin ve aygıtların çevrimiçi (online) ödeme, çevrimiçi kontrol sistemlerinde,
III . Kişisel sağlık-bakım hizmetlerinde,
IV . Ev ve iş otomasyonlarında kullanılmaktadır.