redes de sensores inalámbricos (wsn) facultad de ingeniería, unmdp conjunto de sensores autónomos...

Facultad de Ingeniería, UNMDP

Redes de sensores inalámbricos (WSN)

Conjunto de sensores autónomos distribuidos espacialmente para medir variables físicas y/o ambientales como temperatura, sonido presión etc. y pasarlas cooperativamente a una estación principal.


Aplicaciones

Medicina (monitoreo de variables fisiológicas)

Monitoreo de polución del aire Detección de incendios forestales Detección de terremotos Monitoreo de calidad del agua Monitoreo de maquinarias industriales


Red formada por nodos

La red está formada por Nodos, cada uno de los cuales cuenta con: Uno o más sensores Interface electrónica

con los sensores Transmisor/receptor

de radio Antena Microcontrolador Batería o fuente

de energía


Red formada por nodos

Uno de los puntos críticos en el diseño de un nodo es el consumo energético. Teniendo en cuenta que el mayor consumo es debido a la transmisión, la tendencia es procesar la mayor cantidad posible de datos en el mismo nodo para poder transmitir lo menos posible. El nodo se encuentra en modo “sleep” entre transmisiones.


SUBGRUPOS DE TRABAJO:1 . BLUETOOTH2. COEXISTENCIA3. WPAN DE ALTA VELOCIDAD4. WPAN DE BAJA VELOCIDAD5. REDES MALLA6. BODY AREA NETWORK (BAN)7. COMUNICACIONES CON LUZ VISIBLE

IEEE 802.15: Redes Inalámbricas de Área

Personal (WPAN)


IEEE 802.15.4

Define capa física y subcapa MAC para WPAN’s de baja velocidad, bajo coste, baja complejidad, bajo consumo y bajo alcance.


Características

— Velocidades: 250 kb/s, 100kb/s, 40 kb/s, y 20 kb/s— Configuraciones estrella o peer-to-peer— Direcciones asignadas de 16-bits o extendidas de 64-bits — Acceso al medio por CSMA-CA— Tramas ACK para confiabilidad de transferencia— Bajo consumo— 48 canales en la banda de 2450 MHz, 30 en la de 915 MHz, y 3 en la de 868 MHz


Tipos de nodos

FFD (dispositivo de funcionalidad completa) Dialogan entre ellos o con dispositivos RFD Modo coordinador de red Modo coordinador (puede retransmitir) Modo dispositivo

RFD(dispositivo de funcionalidad reducida) Sólo dialoga con dispositivos FFD

Al menos un FFD como coordinador de red


Topologías


Cluster tree

Ventajas: Autoorganizable Autoreparable Multiples rutas Mayor alcance


Tres tipos de transmisión de datos:

Utilización de Beacons

Hacia un coordinador

Desde un coordinador

Entre pares

Habilitada Deshabilitada

Características


Red con beacons habilitadas

Red sin beacons

Hacia un coordinador


Red con beacons habilitadas

Red sin beacons

Desde un coordinador


Entre pares

Comunicación asincrónica Los dispositivos escuchan constantemente y transmiten mediante CSMA/CA sin ranurado

Comunicación sincrónica La comunicación sincrónica no está cubierta por el protocolo y debe ser implementada en capas superiores


Capa Física

Frecuencias soportadas:• 868 MHz (Europe)• 915 MHz (North America)• 2400 MHz (worldwide)


Canales

La primera versión del standard definía 32 canales codificados en un número de 32bits. La inclusión de nuevas bandas de frecuencia creó la necesidad de más canales por lo que se cambió la codificación.

Los primeros 5 bits definen 32 Páginas de canal, cada una de las cuales cuenta con 27 canales, representados por los 27 bits restantes.

Ej página 2, canal 4: |00010|000000000000000000000010000

Las páginas de canal de la 3 a la 31 quedan reservadas.


Canales


PPDU (Unidad de datos de Protocolo de Capa Física)

La PDU de capa física consta de:• Encabezado de sincronización (SHR)

• Preambulo• Comienzo de trama (SFD)

• Encabezado de capa Física (PHR)• Campo longitud• Bit reservado

• SDU de capa Física (PSDU)


Características de radio

La potencia de transmisión debe ser de al menos -3dBm

Energy detection (ED): El dispositivo debe ser capaz de medir la potencia promedio en cada canal, durante un tiempo de 8 símbolos. Ésta informacion puede ser requerida por capas superiores para la selección del canal a utilizar.

Link quality indicator (LQI): Indicador de la calidad del enlace, calculado utilizando el ED y una estimación de la relación señal/ruido.


Subcapa MAC

Tareas: Generar beacons si el dispositivo es

coordinador Sincronizar dispositivo con beacons del

coordinador Soportar asociación/desasosiacion a la red Emplear CSMA/CA para acceder al medio Manejar el mecanismo GTS Proveer un vínculo confiable entre pares

MAC


Tipos de Tramas

Beacons: detectar la presencia de una red y sincronizarla

Datos: transportar datos de capas superiores

ACK: confirmar la correcta transmisión de una trama

Comandos MAC: manejar las funciones de las subcapas MAC pares


Tabla de Comandos MAC

Ejemplo: Estructura de una trama de datos

Campos: Frame control: Contiene tipo de trama, tipo de direcciones y

otras banderas de control. Sequence number: Número de secuencia para corresponder

un ACK con su respectiva trama. Direcciones: Incluye direcciones de dispositivo y de red,

fuente y destino. Auxiliary security header: Contiene banderas utilizadas por

capas superiores para establecer mecanismos de seguridad. Checksum


Acceso al medio: CSMA/CA

Si se usan beacons: CSMA/CA ranurado

Si al intentar transmitir, el medio se encuentra ocupado, el dispositivo difiere un número aleatorio de ranuras de tiempo, según un mecanismo de backoff exponencial. Éstas ranuras se sincronizan con las beacons del coordinador.

Si no se usan beacons: CSMA/CA no ranurado

Si al intentar transmitir, el medio se encuentra ocupado, el dispositivo difiere durante un tiempo aleatorio. En este caso no debe esperarse un beacon del coordinador para iniciar el backoff.


Acceso al medio: estructura Superframe

El período entre dos beacons se denomina Superframe. Consta de una parte activa, en la que se realizan las comunicaciones, y una inactiva en la que el coordinador duerme.


Acceso al medio: estructura Superframe

Período activo: CAP (Contention Access Period): En este período los dispositivos se

comunican normalmente utilizando CSMA/CA ranurado. CFP (Contention Free Period): Luego del CAP se pueden asignar hasta

7 ranuras para dispositivos específicos. En este período cada dispositivo transmitirá (o recibirá) durante la ranura que se le ha asignado y no deberá competir por el medio. Éstas ranuras se denominan GTS (Guaranteed Time Slot).


ZigBee


Especificación

Conjunto de protocolos de alto nivel de comunicación inalámbrica para su utilización con radiodifusión de bajo consumo, basada en el estándar IEEE 802.15.4 de redes inalámbricas de área personal (wireless personal area network,WPAN). Su objetivo son las aplicaciones que requieren comunicaciones seguras con baja tasa de envío de datos y maximización de la vida útil de sus baterías.

Su uso principal está destinado a la domótica.


Características

• Bajo consumo• Baja tasa de datos• De 40 Kbps a 250 Kbps• Bajo costo• Fácil integración


Características

• Banda de frecuencia ISM(868 MHz en Europa, 915 en Estados Unidos y 2,4 GHz en resto del mundo )

• 16 canales en el rango de 2,4 GHz, AB de 5 MHz

• Se utiliza DSSS• Se utiliza BPSK y QPSK• Rangos de transmisión entre 10 y 75 metros• Potencia de salida 0 dBm(1 mW)


Capas

La capa física y la capa MAC son las definidas en 802.15.4ZigBee agrega dos capas de alto nivel:• Capa de red• Capa de aplicaciones


Capas


Capa de Red

Se encarga de:• Correcto uso de MAC• Interfaz para C.A.• Configura nuevos dispositivos• Nuevas redes• Ruteo


Capa de Red

Trama de capa de red:

Campo de control:


Capa de Aplicaciones

Esta compuesta por:• Subcapa de soporte a la aplicación (APS)• Objetos de dispositivos ZB (ZDO)• Objetos de aplicación


Capa de aplicaciones

APS:• Mantiene tablas para enlazar dos dispositivos• Reenvía mensajes • Mapeo de direcciones de IEEE (64 bits) a

direcciones de red (16 bits)• Fragmentación , ensamble, y transporte de

datos


Capa de aplicaciones

ZDO:• Define el tipo de dispositivo dentro de la red• Descubre disp. y redes y determina que

servicios les provee• Inicia/responde solicitudes de vínculos• Establece conexión segura


Dispositivos

1. Coordinador (ZC): Se encarga de controlar la red y los caminos que siguen los otros dispositivos para conectarse entre ellos


Dispositivos

2. Router (ZR): Interconecta dispositivos separados en la topología de la red, además de ofrecer un nivel de aplicación para la ejecución de código de usuario


Dispositivos

3. Dispositivo Final (ZED): Posee la funcionalidad necesaria para comunicarse con su nodo padre, pero no puede transmitir información destinada a otros dispositivos.


Dispositivos

Según funcionalidad:• De funcionalidad completa(FFD)• De funcionalidad reducida(RFD)


Comunicación

• Red formada por nodos• Utiliza los servicios APS • C.A. sigue diseño clásico


Comunicación

Servicios utilizables por los objetos de aplicación:El servicio de pares-clave-valor (key-value pair,

KPV) se utiliza para realizar la configuración, definiendo, solicitando o modificando valores de atributos de objetos por medio de una interfaz simple.

El servicio de mensajes está diseñado para ofrecer una aproximación general al tratamiento de información, sin necesidad de adaptar protocolos de aplicación y buscando evitar la sobrecarga que presenta KPV.


Comunicación

Dentro de un dispositivo puede haber hasta 240 objetos, con números entre 1 y 240. 0 se reserva para el interfaz de datos de ZDO y 255 para broadcast; el rango 241-254 se reserva para usos futuros


Comunicación

Descubrimiento de dispositivos:Se utiliza protocolo de aplicación compartido (formarto, tipo de mje., etc.) Estos se guardan en perfiles.Hay 2 maneras de descubrir dispositivos:• Conociendo dirección de red (Unicast)• Conociendo dirección IEEE (Broadcast)


Topología de Red

• Estrella: El coordinador se sitúa en el centro• Árbol: El coordinador es la raíz del árbol• Malla: Al menos uno de los nodos tendrá dos

conexiones


Seguridad

La seguridad está basada en claves de 128 bits. Estas nunca se deben transportar usando un canal inseguro, salvo en el momento que un dispositivo no configurado se une a la red.

Se apoya en el marco definido por IEEE 802.15.4

Todos los datos de las tramas del nivel de red deben de estar cifrados.


Seguridad

Se utiliza el modelo de confianza abierta: no hay tarea de separación criptográfica. Cualquier aplicación puede acceder a las demás capas. Debido a esto hay confianza entre las capas y aplicaciones dentro de un dispositivo.


Especificación

Es una especificación industrial para Redes Inalámbricas de Área Personal (WPAN) que posibilita la transmisión de voz y datos entre diferentes dispositivos mediante un enlace por radiofrecuencia en la banda ISM de los 2,4 GHz.Fue estandarizada en la IEEE 802.15.1

Fue diseñado especialmente para dispositivos de bajo consumo, que requieren corto alcance de emisión y basados en transceptores de bajo costo. Cada dispositivo posee una MAC propia de 48 bits.


Consideraciones

• Desarrollada en 1994, por Jaap Haartsen y

Mattisson Sven

• Empresas pioneras: Ericsson, IBM, Intel, Toshiba y

Nokia

• Se buscaba reemplazar al cable

• Utiliza tecnología de saltos en frecuencia

• Presenta versiones que admiten

retrocompatibilidad

• Existe el SIG (Special Interest Group), que dirige el

desarrollo de la tecnología.


Principales objetivos

• Facilitar las comunicaciones entre equipos móviles.

• Eliminar los cables y conectores entre éstos.• Ofrecer la posibilidad de crear pequeñas redes

inalámbricas y facilitar la sincronización de datos entre equipos personales.


Clases (Potencia)

Clase

Potencia máxima

permitida(mW)

Potencia máxima

permitida(dBm)

Alcance(aproximado)

Clase 1 100 mW 20 dBm ~30 metros

Clase 2 2.5 mW 4 dBm ~10-5 metros

Clase 3 1 mW 0 dBm ~1 metro


Versiones (Velocidad)

Versión Velocidad

Versión 1.2 1 Mbit/s





Principio de comunicación

Se trata de un protocolo de trasmisión de paquetes de datos, con una estructura del tipo Master- Slave. El maestro es quien inicia el intercambio de datos y que controla el acceso al canal. El esclavo, es el/los dispositivos que responden al maestro.Un dispositivo maestro se puede conectar simultáneamente con hasta 7 dispositivos esclavos activos, en una red denominada Piconet.


Piconet


Scatternet


Técnica FHSS

Utiliza la técnica FHSS, Espectro ensanchado por saltos de frecuencia, que consiste en dividir la banda de frecuencia de 2.4 - 2.48 GHz en 79 canales de 1 MHz de ancho cada uno y, después, transmitir la señal utilizando una secuencia de canales que sea conocida tanto para la estación emisora como para la receptora. Francia por ejemplo, usa la banda de 2.44 – 2.48 GHz, para solo 23 canales.


Técnica FHSS

Bluetooth está diseñado para operar en ambientes ruidosos, al cambiar de canales con una frecuencia de 1600 veces por segundo (obteniendo slots de 625 µseg), el estándar puede evitar la interferencia con otras señales de radio. Trasmisor y receptor, deben estar sincronizados para efectuar simultáneamente los cambios de frecuencia a los mismos canales, trasmitiendo un paquete de datos en cada ocasión


Ejemplo FHSS – 3 canales


Hardware

Compuesto por dos partes:• un dispositivo de radio, encargado de modular y transmitir la señal.• un controlador digital, compuesto por una CPU, un DSP llamado Link Controller.El LC se encarga del procesamiento de la banda base, del manejo de los protocolos ARQ y FEC de la capa física, de las funciones de transferencia, la codificación de audio y el cifrado de datos.La CPU del dispositivo se encarga de las instrucciones relacionadas con Bluetooth en el dispositivo anfitrión. Sobre la CPU corre un software denominado Link Manager cuya función es la de comunicarse con otros dispositivos por medio del protocolo LMP.


Hardware


Paquete Bluetooth


Paquete Bluetooth

Todos los datos que se envían a través del canal son fragmentados y enviados en paquetes. Hay diferentes tipos de paquetes según el número de slots que ocupan y dependiendo de si los enlaces son síncronos o asíncronos:- Enlaces asíncronos: La tasa de transmisión máxima es de 723 Kbps. El campo de datos es de longitud variable. Hay tres tipos de paquetes según quepan en 1, 3 o 5 slots.- Enlaces síncronos: El campo de datos de usuario es fijo. Soporta full-duplex con unas tasas de transmisión mucho menores de 64 Kbps en los dos sentidos. Sólo hay paquetes que caben en 1 slot.


Paquete Bluetooth

Los paquetes que ocupan 3 o 5 slots, son denominados multislots. Estos no utilizan saltos de frecuencia. Se envían por la misma frecuencia durante todos los slots que ocupe el paquete. Una vez finalizada la transmisión del paquete se cambia la frecuencia.


Paquete Bluetooth

Código de acceso (72 bits): . Es usado para sincronización, identificación y compensación. Todos los paquetes comunes que son enviados sobre el canal de la Piconet están precedidos del mismo código de acceso al canal. Tiene un preámbulo, patrón de 0 y 1 para sincronización, una palabra de sincronización y una cola, otro patrón de 0 y 1.Existen tres tipos diferentes de código de acceso o Access code:


Paquete Bluetooth

• Channel Access Code (CAC): identifica una Piconet. Se incluye en los paquetes intercambiados en el canal de una Piconet

• Device Access Code (DAC ): utilizado para procesos de señalización especiales.

• Inquiry Access Code (IAC ): utilizado para procesos de búsqueda de dispositivos. Se llamaráo IAC general cuando se quiere descubrir a

otras unidades Bluetooth dentro del rangoo IAC dedicado cuando se desea descubrir

unidades de un tipo específico


Paquete Bluetooth

Cabecera (54 bits):• Dirección : dirección temporal de 3, para

distinguir los dispositivos activos en una Piconet, siendo la dirección 000 la dirección broadcast.

• Tipo: tipo de paquete es enviado y slots que va a ocupar.

• Flujo: cuando esta en 0, notifica al emisor que el buffer del receptor está lleno y que debe de dejar de transmitir.

• ARQN: bit de reconocimiento de paquetes recibidos, ACK.

• SEQN: bit que se va invirtiendo para evitar retransmisiones en el receptor.

• HEC: CRC● Campo de datos (hasta 2746 bits)


Establecimiento de la Conexión

1. Modo pasivo2. Solicitud: Búsqueda de puntos de acceso3. Paginación: Sincronización con los puntos

de acceso4. Descubrimiento del servicio del punto de

acceso5. Creación de un canal con el punto de

acceso6. Emparejamiento mediante el PIN

(seguridad)7. Utilización de la red


Ataques

Bluebug: Bluebug es una vulnerabilidad causada por un error en la implementación de la pila de Bluetooth gracias al cual es posible conectarse al puerto serie RFCOMM del teléfono móvil y enviar comandos AT que serán ejecutados en el terminal GSM.

RFCOMM es la abreviatura del término inglés Radio Frequency Communication. El protocolo RFCOMM es un conjunto simple de protocolos de transporte, construido sobre el protocolo L2CAP; y que proporciona sesenta conexiones simultáneas para dispositivos bluetooth emulando puertos serie RS-232. la capa de Comandos AT deriva directamente del protocolo RFCOMM


Ataques

Es posible llevar a cabo dos tipos de ataque: • Ataque desprotegido: no requiere emparejamiento de dispositivos. Resulta transparente para el usuario que recibe el ataque, pues el atacante se limita a enviar comandos AT remotamente y el teléfono comprometido los ejecuta devolviendo la respuesta al emisor. • Ataque protegido: requiere saltarse los siguientes niveles de seguridad: - Requiere que los dispositivos se encuentren emparejados. - Requiere que el usuario víctima acepte la petición de transmisión entrante, aunque en ningún caso se especifica la naturaleza de la transmisión.


Preguntas?

1. ¿Qué es una WSN? 2. ¿Qué capas define 802.15.4? 3. ¿Cómo se compone una estructura

superframe?4. ¿Cúales son las capas específicas de zigbee?

¿Qué fúnciones cumplen?5. ¿Cómo se compone una red Bluetooth y qué

técnica usa para transmitir los datos?

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