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. Facultad de Ingeniería, UNMDP

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 Facultad de Ingeniería, UNMDP

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 Facultad de Ingeniería, UNMDP

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. Facultad de Ingeniería, UNMDP

IEEE 802.15: Redes Inalámbricas de Área Personal (WPAN) Subgrupos de trabajo: 1. Bluetooth 2. Coexistencia 3. WPAN de alta velocidad 4. WPAN de baja velocidad 5. Redes malla 6. Body Area Network (BAN) 7. Comunicaciones con luz visible Facultad de Ingeniería, UNMDP

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. Facultad de Ingeniería, UNMDP

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 Facultad de Ingeniería, UNMDP

Al menos un FFD como coordinador de red 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 Facultad de Ingeniería, UNMDP

Topologías Facultad de Ingeniería, UNMDP

Cluster tree Autoorganizable Autoreparable Multiples rutas Ventajas: Autoorganizable Autoreparable Multiples rutas Mayor alcance Facultad de Ingeniería, UNMDP

Características Habilitada Deshabilitada Hacia un coordinador Tres tipos de transmisión de datos: Utilización de Beacons Hacia un coordinador Desde un coordinador Entre pares Habilitada Deshabilitada Facultad de Ingeniería, UNMDP

Hacia un coordinador Red con beacons habilitadas Red sin beacons Facultad de Ingeniería, UNMDP

Desde un coordinador Red con beacons habilitadas Red sin beacons Facultad de Ingeniería, UNMDP

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 Facultad de Ingeniería, UNMDP

Capa Física Frecuencias soportadas: 868 MHz (Europe) 915 MHz (North America) 2400 MHz (worldwide) Facultad de Ingeniería, UNMDP

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. Facultad de Ingeniería, UNMDP

Canales Facultad de Ingeniería, UNMDP

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) Facultad de Ingeniería, UNMDP

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. Facultad de Ingeniería, UNMDP

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 Facultad de Ingeniería, UNMDP

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 Facultad de Ingeniería, UNMDP

Tabla de Comandos MAC Facultad de Ingeniería, UNMDP

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. Facultad de Ingeniería, UNMDP

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. Facultad de Ingeniería, UNMDP

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). Facultad de Ingeniería, UNMDP

ZigBee Facultad de Ingeniería, UNMDP

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. Facultad de Ingeniería, UNMDP

Características Bajo consumo Baja tasa de datos De 40 Kbps a 250 Kbps Bajo costo Fácil integración Facultad de Ingeniería, UNMDP

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) Facultad de Ingeniería, UNMDP

Capas La capa física y la capa MAC son las definidas en 802.15.4 ZigBee agrega dos capas de alto nivel: Capa de red Capa de aplicaciones Facultad de Ingeniería, UNMDP

Capas Facultad de Ingeniería, UNMDP

Capa de Red Se encarga de: Correcto uso de MAC Interfaz para C.A. Configura nuevos dispositivos Nuevas redes Ruteo Facultad de Ingeniería, UNMDP

Capa de Red Trama de capa de red: Campo de control: Facultad de Ingeniería, UNMDP

Capa de Aplicaciones Esta compuesta por: Subcapa de soporte a la aplicación (APS) Objetos de dispositivos ZB (ZDO) Objetos de aplicación Facultad de Ingeniería, UNMDP

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 Facultad de Ingeniería, UNMDP

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 Facultad de Ingeniería, UNMDP

Dispositivos Coordinador (ZC): Se encarga de controlar la red y los caminos que siguen los otros dispositivos para conectarse entre ellos Facultad de Ingeniería, UNMDP

Dispositivos 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 Facultad de Ingeniería, UNMDP

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

Dispositivos Según funcionalidad: De funcionalidad completa(FFD) De funcionalidad reducida(RFD) Facultad de Ingeniería, UNMDP

Comunicación Red formada por nodos Utiliza los servicios APS C.A. sigue diseño clásico Facultad de Ingeniería, UNMDP

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. Facultad de Ingeniería, UNMDP

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 Facultad de Ingeniería, UNMDP

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) Facultad de Ingeniería, UNMDP

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 Facultad de Ingeniería, UNMDP

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. Facultad de Ingeniería, UNMDP

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. Facultad de Ingeniería, UNMDP

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. Facultad de Ingeniería, UNMDP

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. Facultad de Ingeniería, UNMDP

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. Facultad de Ingeniería, UNMDP

Potencia máxima permitida (mW) Potencia máxima permitida (dBm) 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 Facultad de Ingeniería, UNMDP

Versiones (Velocidad) Versión Velocidad Versión 1.2 1 Mbit/s Versión 2.0 3 Mbit/s Versión 3.0 24 Mbit/s Versión 4.0 Facultad de Ingeniería, UNMDP

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. Facultad de Ingeniería, UNMDP

Piconet Facultad de Ingeniería, UNMDP

Scatternet Facultad de Ingeniería, UNMDP

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. Facultad de Ingeniería, UNMDP

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 Facultad de Ingeniería, UNMDP

Ejemplo FHSS – 3 canales Facultad de Ingeniería, UNMDP

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. Facultad de Ingeniería, UNMDP

Hardware Facultad de Ingeniería, UNMDP

Paquete Bluetooth Facultad de Ingeniería, UNMDP

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. Facultad de Ingeniería, UNMDP

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. Facultad de Ingeniería, UNMDP

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: Facultad de Ingeniería, UNMDP

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 llamará IAC general cuando se quiere descubrir a otras unidades Bluetooth dentro del rango IAC dedicado cuando se desea descubrir unidades de un tipo específico Facultad de Ingeniería, UNMDP

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) Facultad de Ingeniería, UNMDP

Establecimiento de la Conexión Modo pasivo Solicitud: Búsqueda de puntos de acceso Paginación: Sincronización con los puntos de acceso Descubrimiento del servicio del punto de acceso Creación de un canal con el punto de acceso Emparejamiento mediante el PIN (seguridad) Utilización de la red Facultad de Ingeniería, UNMDP

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 Facultad de Ingeniería, UNMDP

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. Facultad de Ingeniería, UNMDP

Preguntas? ¿Qué es una WSN? ¿Qué capas define 802.15.4? ¿Cómo se compone una estructura superframe? ¿Cúales son las capas específicas de zigbee? ¿Qué fúnciones cumplen? ¿Cómo se compone una red Bluetooth y qué técnica usa para transmitir los datos? Facultad de Ingeniería, UNMDP