96

66.. ZZ--WWAAVVEE MMRREEŽŽEE ((IITTUU--TT GG..99995599 SSTTAANNDDAARRDD))

Z-Wave tehnologija je vlasnička tehnologija, razvijena od strane danske firme Zensys, koju

je kasnije kupila firma Sigma Designs. Oni su vlasnici tehnologije i proizvode Z-Wave čipove. Z-

Wave alijansa osnovana je 2005. godine, čini je više od 450 kompanija, i zadužena je za

sertifikaciju proizvoda. Fizički i MAC sloj koji koristi Z-Wave su definisani ITU-T G.9959

standardom, dok informacije o višim slojevima nisu javno dostupne. Ovde izložene informacije o

mrežnom sloju Z-Wave tehnologije potiču iz istraživačke literature.

Slika 159. Z-Wave protokol stek

6.1. Fizički sloj

Standard ITU-T G.9959 pokriva uskopojasne radio mreže malog dometa, brzine R1 = 9.6

kb/s, R2 = 40 kb/s ili R3 = 100 kb/s. Opsezi predviđeni za rad ovih mreža su 868 MHz u Evropi,

odnosno 908 MHz u Americi. Ovi opsezi koriste se samo za neke uređaje potrošačke elektronike i

bežične telefone, ali ne i za WiFi i Zigbee, tako da je u ovom opsegu manje šuma.

6.1.1. Modulacija

U ITU-T G.9959 mrežama koristi se FSK i GFSK modulacija. Simbol koji se moduliše može

biti predstavljen nivoom NRZ (non-return-to-zero) ili Mančester kodom. Kod Mančester koda

dolazi do tranzicije sa jednog nivoa na drugi tokom trajanja simbola - Slika 160.

U slučaju kada je simbol predstavljen NRZ vrednošću amplitude, različiti nivoi signala

mapiraju se na različite frekvencije. Kod Mančester koda, logička nula predstavlja se prelaskom sa

niže na višu frekvenciju, dok se logička jedinica predstavlja prelaskom sa više na nižu frekvenciju.

Mančester kod koristi se samo kod najmanje brzine prenosa R1.

97

Slika 160. Mančester kod

6.1.2. Format okvira

Format okvira fizičkog sloja dat je na slici Slika 161.

PreambulaSOF

(Start of Frame) PPDU

EOF

(samo za R1)

Slika 161. Okvir fizičkog sloja

Preambula služi za sinhronizaciju. Čini je niz alternirajućih nula i jedinica.

Oznaka za početak okvira SOF (Start of Frame Delimiter) dugačka je 8 bita, i sastoji se od

četiri jedinice i četiri nule: 11110000. Ovi biti označavaju početak okvira nakon sinhronizacije.

Oznaka za kraj okvira EOF (End of Frame Delimiter) koristi se samo kod R1, i čini je 8

simbola konstantne amplitude (što ne označava ni jedinicu ni nulu u Mančester kodu) - Slika 162.

Slika 162. EOF oznaka za kraj okvira

6.2. MAC podsloj sloja veze

Funkcije MAC sloja definisane su ITU-T G.9959 standardom takođe.

6.2.1. Format okvira

Opšti oblik okvira MAC sloja predstavljen je na slici Slika 163. Polje HomeID definiše

mrežu (domen) u kojoj se MAC okvir prenosi. Identifikator izvorišnog i odredišnog čvora pripadaju

istom domenu. Ukupno je na raspolaganju 232 identifikatora, te je to i maksimalan mogući broj

uređaja u Z-Wave mreži. Polje Length označava dužinu podatka koji se šalje.

Polje za kontrolu okvira sadrži informacije o tome da li se očekuje potvrda prijema okvira

(ACK), da li okvir treba rutirati, koji je tip okvira (multicast, unicast, ACK, rutirani okvir),

98

informacije o snopu kojim se uređaj može probuditi (dug, kratak, fragmentiran, nije podržan, itd.),

kao i informaciju o broju sekvence.

32 8 16 8 8 variable 8/16

HomeIDSource

node ID

Frame

ControlLength

Destinaton

node IDPayload FCS

Slika 163. MAC format okvira

Multikast okvir ima format predstavljen na slici Slika 164. Umesto identifikacije odredišta,

ovaj okvir sadrži polje za kontrolu multikasta i multikast masku.

Polje za kontrolu multikasta sastoji se od početne adrese bloka čvorova za koje je multikast

poruka namenjena, i informacije o dužini maske. U maski se nalazi jedinica na mestu koje odgovara

indeksu čvora koji je u multikast grupi. Vrednost identifikatora čvorova iz multikast grupe računa

se sabiranjem početne adrese bloka sa indeksom bita na kojima je jedinica u multikast maski.

32 8 16 8 8 232 variable 8/16

HomeIDSource

node ID

Frame

ControlLength

Multicast

control

Multicast

bit mask Payload FCS

Slika 164. Multicast okvir

6.2.2. Režim rada uređaja

Uređaji u Z-Wave mreži mogu raditi u dva režima: u AL (Always Listening) režimu, uređaj

je stalno aktivan i može da prima podatke, dok je u FL (Frequently Listening) režimu uređaj

periodično u aktivnom stanju, tokom kog osluškuje saobraćaj i proverava da li treba da sačeka

prijem poruke.

Kako bi se FL uređaju signaliziralo da treba da ostane budan kako bi primio podatke, koristi

snop okvir (Beam Frame). Snop okviri šalju se jedan za drugim, više njih u okviru snopa.

Relevantne informacije su sadržane u HomeID polju MAC okvira - Slika 165. Tag 0x55 signalizira

da se radi o snop okviru. NodeID određuje uređaj kome je okvir namenjen, dok HomeID heš

omogućava da se u zoni u kojoj je aktivno više mreža one međusobno razlikuju.

8 8 8

Beam Tag

(0x55)Node ID

Home ID

hash

(optional)Home ID

Slika 165. HomeID polje snop okvira

FL uređaj koji se prepozna na osnovu identifikacije čvora i mreže ostaće budan da primi

ostatak okvira. Ako nije adresiran, FL uređaj se može vratiti u hibernaciju. Pri svakom buđenju, FL

uređaj mora ostati dovoljno dugo aktivan, kako bi primio sve snop okvire

Snop okviri mogu se slati u okviru kontinualnog ili fragmentiranog snopa. Kod kontinualnog

snopa, okviri se šalju jedan za drugim tokom određenog perioda. Snop može biti dugačak (do 1160

ms) ili kratak (do 300 ms), i za njegov prenos se koristi brzina R2. Kod fragmentiranog snopa

smenjuju se periodi pauze i periodi u kojima se grupa snop okvira šalje jedan za drugim (fragment

snopa) – Slika 166. Za prenos fragmentiranog snopa koristi se brzina R3.

99

Slika 166. Fragmentiran snop

6.2.3. Pristup medijumu i slanje podataka

Uređaj koji želi da šalje podatke proverava prvo da li je kanal slobodan.Ako kanal nije

slobodan, uređaj se povlači na slučajno odabran period iz intervala koji je definisan standardom.

Priliko slanja podatka, signalizira se u okviru MAC okvira da li se očekuje potvrda prijema ACK.

Ako se ACK očekuje, a izostane, automatski se vrši retransmisija. U slučaju da određen broj

retransmisija propadne, zaključuje se da postoji problem sa konekcijom, i MAC sloj signalizira

višim slojevima da prenos nije uspeo.

6.3. Mrežni sloj

6.3.1. Tipovi uređaja u mreži

Sa stanovišta funkcionalnosti vezanih za dodavanje uređaja u mrežu i prenos podataka kroz

mrežu, Z-Wave razlikuje tri tipa uređaja: kontroler (master), rutirajući uređaj (routing slave) i

krajnji uređaj (slave).

Kontroler može da upravlja drugim uređajima. On ima ili fabrički postavljen HomeID, ili se

njegov HomeID generiše pri resetu uređaja. Takođe, NodeID mu je fabrički postavljen (obično je

0x01). Kontroler sadrži informacije o topologiji mreže, na osnovu kojih može da odredi putanju do

svih čvorova u mreži.

Rutirajući i krajnji uređaji nemaju fabrički ugrađene HomeID i NodeID vrednosti, već ih

dobijaju od kontrolera. Oni slušaju kontroler uređaj i ne mogu kontrolisati ostale uređaje u mreži.

Rutirajući uređaj ima informaciju o delu mrežne topologije (dobija je od kontrolera mreže, na

zahtev, i kešira). Krajnji uređaj ne sadrži nikakve informacije o topologiji mreže, i može samo

primati poruke i odgovoriti onome ko mu je poruku poslao. Obično su prenosivi uređaji u routing

slave modu rada, dok uređaji čija je pozicija fiksirana mogu biti slave (dimeri, utičnice i sl.).

6.3.2. Formiranje mreže

Mrežu može formirati samo kontroler uređaj, jer on ima ugrađen identifikator mreže

HomeID. U procesu priključivanja u mrežu, uređaji dobijaju isti HomeID kao i kontroler, a

kontroler im dodeljuje i identifikator čvora NodeID u svojoj mreži. U slučaju da uređaj sa

100

ugrađenim HomeID (kontroler) pristupa mreži drugog kontrolera, on takođe dobija HomeID

primarnog kontrolera.

Slika 167. Dodavanje uređaja u mrežu

6.3.3. Rutiranje u Z-Wave mreži

Z-Wave ne zahteva postojanje direktne vidljivosti između čvorova koji komuniciraju, već je

moguće prosleđivanje podataka putem čvorova repetitora. Maksimalan broj repetitora na putanji je

4.

Slika 168. Rutiranje u Z-Wave mreži

Koristi se rutiranje po putanji koju specificira izvor (source routing). Kontroler određuje

kompletnu putanju pre slanja podatka. Bira se najkraća putanja između dva uređaja (ona sa

101

najmanje skokova). Putanja se smešta u zaglavlje paketa, a repetitori samo prosleđuju paket na

osnovu informacija o putanji koje on sadrži, bez preračunavanja putanje.

6.3.4. Formiranje liste suseda

Prilikom uključivanja uređaja u mrežu nekog kontrolera, kontroler dobija informacije o

susdima tog uređaja. Kontroler održava listu suseda za sve čvorove, i na osnovu nje preračunava

putanje u mreži. Na slici Slika 169 dat je primer mreže i odgovarajuće liste suseda.

Slika 169. Lista suseda

Informacije o topologiji mreže mogu se razmenjivati posebnim porukama iz sistemske

komandne klase. Kontroler može zatražiti od uređaja listu njegovih suseda, incirati proveru te liste i

sl. Uređaj od kontrolera može zatražiti putanju do drugog uređaja i sačuvati je u kešu - Slika 170.

Slika 170. Razmena informacija o topologiji mreže

102

6.3.5. Format okvira

Okvir mrežnog sloja ima oblik predstavljen na slici Slika 171. Zaglavlje MAC sloja sadrži

informaciju o tome da je okvir rutiran, a zaglavlje mrežnog sloja sadrži informacije o putanju.

Slika 171. Format okvira mrežnog sloja

Polje SR Type određuje tip okvira, tj. da li su u pitanju podaci, ACK ili NACK poruka. Polje

SR Length specificira dužinu putanje, dok indeks skoka Hop Index označava trenutni indeks čvora

na putanji. Zatim slede identifikatori svih čvorova na putanji okvira.

Čvor koji prepozna svoj ID na trenutno indeksiranoj poziciji u putanji prima okvir,

inkrementira indeks i ponovo preračunava zaštitnu sumu. Zatim usmerava podatke ka sledećem

čvoru u putanji. Ukoliko neki čvor primi okvir sa indeksom skoka jednakim dužini putanje, on

proverava da li je podatak zaista njemu namenje, tj. da li je njegov ID u MAC zaglavlju na mestu

odredišta.

6.3.6. Potvrda prijema i kontrola greške

Prijem podatka potvrđuje se slanjem ACK okvira, po istoj putanji sa koje je okvir primljen,

uz dekrementiranje indeksa – Slika 172.

Slika 172. Potvrda prjema

103

Ako se prenos podatka pokuša tri puta bez uspeha, šalje se NACK okvir kako bi se prijavila

greška: U NACK okviru šalje se indeks skoka koji nije uspeo - Slika 173.

Slika 173. Prijava greške

6.3.7. Promena topologije mreže

Ažuriranje informacija o topologiji mreže zahteva vreme i troši resurse mreže, kao i bateriju.

Zato se ono obično ne vrši automatski. Kompletno ažuriranje informacija o topologiji može se

izvršiti na zahtev korisnika, tj. na zahtev sa aplikativnog sloja.

Informacije o topologiji mreže razmenjuju se samo između centralnog kontrolera i uređaja

koji se uključuju u mrežu. Krajnji uređaji koji se uključuju šalju kontroleru listu svojih suseda.

Sekundarni kontroleri koji se priključuju mreži dobijaju kopiju liste suseda koju primarni kontroler

ima u tom trenutku. Međutim, dalje promene liste suseda u primarnom kontroleru nisu automatski

vidljive ostalim kontrolerima u mreži.

Takođe, uređaji u mreži su obično prenosivi, tako da mogu menjati mesto, a samim tim i

svoje susede. U tom slučaju, uređaji mogu postati nedostupni, i može doći do problema u slanju

poruka do njih. Kada komunikacija sa nekim uređajem ne uspe, kontroler stavlja taj uređaj u listu

čvorova koji su nedostupni. Prva uspešno poslata poruka vraća uređaj u listu dostupnih. Kontroler

nikada ne briše uređaj iz mreže ako to nije eksplicitno zahtevao korisnik.

Dodatni problem u održavanju topologije mreže ažurnom predstavlja činjenica da kontroleri

mogu biti statički ili prenosivi uređaji. Prenosivi kontroleri se napajaju iz baterije i zato rade u FL

režimu. Ako je primarni kontroler FL uređaj, on može biti u hibernaciji u trenutku kada se neki

uređaj dodaje u mrežu, ili kada od njega traži informacije o putanji do nekog drugog uređaja. Sa

druge strane, statički kontroleri obično rade u AL režimu, tako da mogu uvek registrovati promene

u mrežnoj topologiji i davati informacije o raspoloživim putanjama. Međutim, fiksna pozicija

statičkog kontrolera može biti problem prilikom priključivanja uređaja u mrežu, u slučajevima kada

se uređaji nalaze izvan dometa.

Problem održavanja informacija o topologiji mreže i putanjama stalno ažurnim rešava se

primenom SUC (Static Update Controller) i SIS (Static ID Server) kontrolera.

104

i) Održavanje tabele rutiranja

SUC kontroler čuva informacije o svim putanjama u mreži, i odgovara na upite uređaja koji

traže putanju do određenog čvora. Ovaj uređaj je statički kontroler i stalno je aktivan. Tabelu

rutiranja inicijalno prima od prenosivog primarnog kontrolera i distribuira je ostalim sekundarnim

kontrolerima - Slika 174. Dalje dodavanje uređaja u mrežu primarni kontroler prijavljuje SUC

kontroleru, tako da se tabela rutiranja održava ažurnom i u primarnom kontroleru i u SUC

kontroleru. Ostali uređaji u mreži nove informacije dobijaju od SUC kontrolera na zahtev - Slika

175

Slika 174. Priključivanje SUC kontrolera

Slika 175.Ažuriranje tabele rutiranja

105

ii) Priključivanje uređaja

SIS server omogućava centralizovanu dodelu identifikatora uređaja (Node ID) uređajima

koji se uključuju u mrežu. On održava listu slobodnih vrednosti za identifikatore uređaja u mreži.

Zahvaljujući prisustvu SIS servera, i sekundarni kontroleri mogu dodavati uređaje - Slika 176. Na

ovaj način povećava se domet mreže. Problem može nastati ako se SIS server pokvari, jer se mora

cela mreža ponovo konfigurisati.

Slika 176. Dodavanje uređaja u mreži sa SIS serverom

iii) Promena mesta uređaja

Uređaj koji promeni mesto registrovaće da je došlo do promene topologije samo ako je

rutirajući i pokuša slanje. Krajnji uređaji neće primetiti da su izgubili konekciju sa roditeljem u

mreži.

Uređaj koji je izgubio konekciju šalje poziv u pomoć (cry for help). Poziv u pomoć se šalje

na broadcast adresu. Ako neki rutirajući uređaj u dometu pomerenog uređaja primi ovu poruku, on

će je proslediti do SUC kontrolera. Na osnovu primljene poruke, SUC kontroler ažurira tabelu

suseda i preračunava nove putanje. Međutim, ako u dometu pomerenog uređaja nema nekog

rutirajućeg uređaja, niko neće čuti poziv u pomoć, i uređaj će ostati nedostupan. Kao što je već

rečeno, uređaj neće automatski biti i uklonjen iz mreže, već samo obeležen kao nedostupan

(prilikom prvog sledećeg pokušaja slanja ka njemu). Uklanjanje uređaja iz mreže mora zatražiti

korisnik, sa aplikativnog sloja.