Membangun Jaringan IoT yang Andal dengan IEEE 802.15.4 dan 6LoWPAN

Industrial Internet of Things didasarkan pada jaringan sensor/kontrol terdistribusi berskala besar yang dapat berjalan tanpa pengawasan selama berbulan-bulan hingga bertahun-tahun dengan konsumsi daya yang sangat rendah. Karakteristik perilaku jaringan jenis ini memerlukan semburan lalu lintas pesan yang sangat singkat dalam jarak pendek dengan menggunakan teknologi nirkabel, yang sering digambarkan sebagai jaringan area pribadi nirkabel berkecepatan rendah (LR-WPAN). Kami menjaga frame data tetap pendek untuk mengurangi kemungkinan interferensi radio yang memaksa perlunya transmisi ulang. Salah satu pendekatan LR-WPAN menggunakan standar IEEE 802.15.4. Hal ini menjelaskan lapisan fisik dan kontrol akses media yang sering digunakan dalam aplikasi kontrol dan otomasi industri yang disebut Supervisory Control and Data Acquisition (SCADA).

Gambar 1.IEEE 802.15.4 Format Bingkai

Dalam IoT, perangkat “edge” lokal, biasanya sensor, mengumpulkan data dan mengirimkannya ke pusat data – “cloud” – untuk diproses. Mendapatkan data ke cloud memerlukan komunikasi menggunakan tumpukan protokol IP standar. Hal ini dapat dilakukan dengan menghubungkan langsung perangkat edge melalui Internet ke pusat data — “model cloud”. Atau, kita dapat berkomunikasi dari perangkat edge ke titik pengumpulan yang dikenal sebagai gateway perbatasan agar data diteruskan dari sana ke pusat data — “model kabut”.

Artikel ini akan menjelaskan karakteristik jaringan IEEE 802.15.4, khususnya implementasi Internet Engineering Task Force (IETF) IPv6 melalui implementasi Low-power Wireless Personal Area Networks (6LoWPAN). Implementasi ini mendukung model cloud dan kabut.

Lapisan PHY IEEE 802.15.4

Keluarga standar IEEE 802 dibagi menjadi beberapa kelompok tugas termasuk 802.3 (Ethernet) dan 802.11 (Wi-Fi), serta 802.15 (Wireless PAN). Secara khusus, IEEE 802.15.4 (15.4 untuk singkatnya) adalah tanggung jawab Kelompok Tugas 4, yang bertanggung jawab atas berbagai karakteristik protokol termasuk spektrum RF dan lapisan fisik. Standar 15.4 telah diperluas untuk mencakup PHY identifikasi Frekuensi Radio (RFID), PHY ultra-wideband (UWB), dan juga sedang dibahas sebagai solusi yang mungkin untuk komunikasi mobil-ke-mobil dan mobil-ke-kekang.

802.15.4 hanya menangani lapisan fisik (PHY) dan kontrol akses media (MAC) — dalam model jaringan OSI, lapisan satu dan dua. Ini menyerahkan lapisan atas kepada pelaksana. Pada lapisan tiga ke atas, ada banyak sekali penawaran termasuk Zigbee, Z-Wave, Thread, dan 6LoWPAN. Masing-masing mengimplementasikan model protokol OSI lainnya untuk memberikan layanan seperti perutean dan penemuan serta API untuk aplikasi pengguna.

Gambar 2. Pilihan Topologi

Secara umum, 15.4 mendukung kecepatan transfer data pada 20 Kbit/s, 40 Kbit/s, 100 Kbit/s (segera), dan 250 Kbit/s. Kerangka dasar mengasumsikan jangkauan 10 meter pada 250 Kbit/s. Kecepatan data yang lebih rendah pun dapat dicapai untuk semakin membatasi konsumsi daya. Terlepas dari spesifikasi jangkauan 10 meter (32 kaki), pada pita ISM 2,4GHz, jangkauan umum yang dapat dicapai untuk radio IEEE 802.15.4 berada pada kisaran 100 kaki di dalam ruangan, dan 200 – 300 kaki di luar ruangan. Pada frekuensi sub-GHz, implementasi praktis protokol ini telah dibuktikan pada rentang lebih dari 6,5 km (4 mil) dengan antena yang sesuai pada pita ISM 900 MHz.

Pada lapisan fisik, IEEE 802.15.4 mengelola transceiver RF dan pemilihan saluran, serta fasilitas manajemen energi dan sinyal. Ada enam PHY yang saat ini ditentukan, bergantung pada rentang frekuensi dan performa data yang diperlukan. Empat di antaranya menggunakan teknik frekuensi hopping Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS). Spektrum penyebaran kicauan (CSS) digunakan pada pita frekuensi Ultra-Wide Band (UWB) dan 2450 MHz. Parallel Sequence Spread Spectrum (PSSS) hanya tersedia dengan teknik modulasi penguncian biner/amplitudo hybrid yang terdapat pada pita 868 MHz Eropa.

Ukuran frame untuk 15.4 adalah 133 byte termasuk PHY, MAC, dan payload data. Format frame ini dapat dilihat pada Gambar 1. Dengan menjaga frame tetap pendek, kita dapat membatasi jumlah waktu yang diperlukan untuk mengirimkannya sekaligus membatasi kemungkinan interferensi radio akibat pengoperasian normal peralatan industri.

Lapisan MAC IEEE 802.15.4

Lapisan MAC IEEE 802.15.4 (lapisan Model OSI dua — lapisan tautan data) bertanggung jawab untuk:

• Bergabung dan keluar dari PAN;
• Carrier Sense Multiple Access dengan Collision Prevention (CSMA-CA) untuk akses saluran;
• Transmisi Slot Waktu Terjamin (GTS);
• Membangun hubungan yang andal antara dua entitas MAC yang setara;
• Transmisi suar untuk koordinator;
• Sinkronisasi ke beacon.

Selain itu, lapisan MAC mendukung penggunaan enkripsi simetris menggunakan algoritma enkripsi AES-128. Terdapat juga opsi untuk hash berbasis SHA dan daftar kontrol akses untuk membatasi transfer informasi sensitif ke node atau tautan tertentu. Terakhir, MAC menghitung pemeriksaan kesegaran antar penerimaan frame untuk membantu meminimalkan potensi frame lama yang mungkin telah berjalan melalui jalur memutar agar tidak terlambat dikirimkan ke protokol lapisan atas.

Jenis Node dan Topologi Jaringan

Gambar 3. Kompresi IP Header dari IPv6 Header

IEEE 802.15.4 mengidentifikasi dua jenis node jaringan yang berbeda:perangkat dengan fungsi tereduksi (RFD) dan perangkat dengan fungsi penuh (FFD). FFD dapat berkomunikasi dengan FFD lain atau RFD dan bahkan dapat membuat jaringannya sendiri. Namun, RFD hanya dapat berkomunikasi dengan FFD. Ini menyiratkan hierarki yang mengarah ke dua kemungkinan topologi jaringan:topologi bintang atau topologi peer-to-peer seperti mesh. Ini digambarkan pada Gambar 2.

Topologi star adalah yang termudah dan paling murah untuk diterapkan, hanya memerlukan satu FFD. Perangkat lainnya dapat berupa RFD atau FFD, bergantung pada implementasinya. Kelemahan dari topologi star adalah koordinator mewakili satu titik kegagalan. Hal ini dapat mengakibatkan kegagalan total jaringan dan harus dihindari di semua aplikasi kecuali yang paling sederhana.

Penggunaan topologi mesh menyediakan jalur komunikasi ganda yang berlebihan untuk memastikan pengiriman pesan. Saat dijalankan dalam mode mesh, jaringan pada dasarnya adalah entitas ad hoc yang dapat mengatur dirinya sendiri. Oleh karena itu, konektivitas dapat dilanjutkan meskipun terjadi perubahan karakteristik propagasi RF seperti multi-jalur atau efek dari dedaunan. Penggunaan topologi mesh juga memungkinkan node bergerak, seperti yang ditemukan pada robotika industri. “Lossy mesh” adalah kondisi dimana tidak semua tautan dapat diandalkan, sehingga protokol perutean lapisan yang lebih tinggi digunakan untuk merutekan ulang lalu lintas pesan berdasarkan konektivitas pada titik waktu tertentu.

IPv6

Karena habisnya ruang alamat IPv4, terdapat minat yang besar untuk beralih ke IPv6, yang menyediakan lapisan tiga (jaringan) dan lapisan empat (transportasi) dan berada di atas lapisan MAC. Biasanya, IPv6 menggunakan header empat puluh byte dan menyediakan ruang alamat 128 bit, yang dapat menangani perkiraan terbesar sekalipun untuk perangkat yang terhubung dengan IoT.

Gambar 4. Border Router Raspberry Pi dengan Modul 6LoWPAN

Namun, jika digabungkan dengan overhead enkripsi AES-128, penggunaan header IPv6 berukuran default hanya akan menyisakan tiga puluh tiga byte untuk payload pengguna dalam frame. Kompresi header IP (IPHC) diperkenalkan untuk mengatasi masalah ini. Hal ini dapat mengurangi ukuran header IPv6 menjadi hanya sepuluh byte, termasuk perutean untuk traversal Internet. IPHC ini dapat dilihat pada Gambar 3.

Kombinasi IPv6, IPHC, dan TCP/UDP standar yang berada di atas lapisan 15.4 PHY dan MAC inilah yang dikenal sebagai 6LoWPAN. Jika digabungkan dengan penggunaan soket gaya POSIX, pengembang dapat melakukan pengiriman paket end-to-end di mana saja di dunia menggunakan protokol Internet normal.

Menerapkan 6LoWPAN untuk IoT

Ada banyak implementasi 6LoWPAN yang ada. Salah satunya adalah sub-GHz 6LoWPAN untuk infrastruktur pengukuran lanjutan (AMI) yang saat ini diterapkan pada meteran listrik untuk penggunaan perumahan. Meteran ini menyediakan sarana bagi utilitas untuk membaca dan mengendalikan penggunaan daya di seluruh jaringan listrik. Mereka mengandalkan fasilitas perutean lossy-mesh untuk memastikan pengiriman pengukuran meter terlepas dari efek multijalur atau atmosfer seperti hujan atau salju.

Ukuran kode 6LoWPAN sedang. Implementasi umumnya berukuran sekitar 30KB dan sering diimplementasikan langsung di radio dari perusahaan seperti Texas Instruments, Silicon Labs, dan lainnya. Pendekatan ini menyediakan antarmuka bergaya UART antara mikrokontroler sensor dan radio, sehingga memindahkan overhead protokol ke unit radio.

Alternatifnya, banyak sistem operasi seperti Linux, sudah mengimplementasikan 6LoWPAN di sejumlah platform radio. Hal ini mencakup penggunaan gateway perbatasan berbasis Linux untuk memberikan keamanan bagi perangkat edge yang menggunakan model kabut melalui kernel yang diperkeras, firewall generasi berikutnya, dan banyak lagi. Gerbang perbatasan juga dapat digunakan untuk menyediakan pemfilteran dan kompresi data guna mengurangi biaya komunikasi secara keseluruhan.

Karena 6LoWPAN kompatibel dengan protokol Internet normal, pengembang bebas memanfaatkan protokol tingkat yang lebih tinggi seperti MQTT, CoAP, dan HTTP untuk komunikasi dari aplikasi ke aplikasi. Router perbatasan yang berinteraksi dengan 6LoWPAN di sisi selatan dan IPv4 atau IPv6 standar di sisi utara dapat dengan mudah menyediakan terjemahan otomatis terjemahan alamat jaringan (NAT) dari format paket internal 6LoWPAN ke IPv6 standar atau melalui NAT64 ke IPv4 standar. Hal ini membuat pengalamatan perangkat edge sepenuhnya transparan bagi cloud dan pengembang. Border router berbasis Raspberry Pi dengan modul 6LoWPAN terpasang ditunjukkan pada Gambar 4.

Ringkasan

IoT adalah tentang konektivitas dan standar IEEE 802.15.4 menyediakan sarana yang ideal untuk mengimplementasikannya — operasi berdaya rendah melalui lossy mesh. Penggunaan 6LoWPAN di atas IEEE 802.15.4 menyediakan konektivitas yang aman dan transparan dengan cloud dan secara signifikan mengurangi beban pengembang dan perancang sistem dengan menyediakan protokol standar yang kompatibel dengan IP dan perpustakaan yang tersedia.

Artikel ini ditulis oleh Mike Anderson, CTO/Kepala Ilmuwan, The PTR Group (Ashburn, VA). Untuk informasi lebih lanjut, Klik Disini  .