Причины появления ячеистых сетей и их основные преимущества перед другими топологиями сетей для интернета вещей было описано ранее. Рассмотрим более подробно 2 наиболее распространённые ячеистые сети на текущий момент — 6LoWPAN и ZigBee.
Начать рассматривать данные протоколы стоит с сетевой модели OSI/ISO для наглядного понимания отличий. Как видно на рисунке, 6LoWPAN находится между 2 и 3 уровнями (канальный-сетевой). В то время как ZigBee располагается c 3 по 6 (сетевой-представительский). В этом заключаются основные отличия, однако, это далеко не все аспекты.

ZigBee (также можно встретить название ZigZag like a Bee).

Сеть ZigBee обеспечивает несколько путей передачи данных от устройства к устройству (также как и Интернет) и тем самым устраняет единую точку отказа. Если узел временно выключается или же удаляется из сети на постоянной основе, пакеты данных ZigBee могут «прыгать зиг-загами» через узлы сети к месту назначения словно пчёлы. Основное предназначение ZigBee-сетей — простые сети управления с достаточно большим количеством простых устройств, которые периодически отправляют небольшие пакеты от датчиков, чтобы регулировать свет, электродвигатели и другое оборудование.

Преимущества:

• Альянс
  • Альянс состоит из множества участников, определяющих все слои в публично доступных спецификациях,
  • поставщики стека и производители продукта должны пройти процесс сертификации,
  • гарантированная совместимость между продуктами,
  • устройства могут взаимодействовать между собой «из коробки».
• Ячеистая маршрутизация
  • Маршрутизации AODV позволяет любому устройству общаться с любым другим устройством в сети,
  • надежные и масштабируемые сети, 100+ узлов с использованием маршрутизации много к одному,
  • самовосстановление сети без единой точки отказа.
• Глобальный Стандарт Беспроводной Связи
  • снижение затрат на продвижение, т.к. стандарт ZigBee является признанным и принятым во всех регионах мира,
  • ZigBee построен поверх IEEE802.15.4 и использует частоту 2.4 ГГц,
  • физический уровень может быть сертифицирован для любого региона в мире,
  • сокращение затрат на разработку, т.к. один дизайн (аппаратный и программный) может быть использован в любом регионе мира.

6LoWPAN (IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Network).

Основная идея перенести широко распространённый и открытые стандарты на базе IP на сети и тем самым получить достаточно большую и простую совместимость с текущими сетевыми решениями. В тоже время 6 версия стандарта IP позволит объединить практически не ограниченное количество устройств в сети и там самым обеспечить доступ к устройствам интернета вещей.

Преимущества:

• Открытые стандарты IP
  • используются такие открытые и распространные стандарты, как TCP, UDP, HTTP, COAP, MQTT, websockets определённые IETF,
  • используется стандартная адресация IP между всеми узлами,
  • не требуется шлюз, как отдельное устройство. Роутер подключает сеть 6LoWPAN к традиционным IP-сетям (интернету)
• Ячеистая маршрутизация
  • маршрутизация «один ко многим» и «многие к одному»
  • надёжные и масштабируемые сети, 50+ узлов
  • самовосстановление,
  • гибкость в настройке, например, соединение между устройствами может оптимизироваться по критериям минимизации длины пути (уменьшения количества прыжков) или же максимального качества соединения.
• Поддержка множества стандартов физического уровня
  • свобода выбора частотного диапазона и физического уровня,
  • может быть использована через несколько распространённым платформ связи (например, Ethernet/Wi-Fi/802.15.4/Sub-1GHz ISM),
  • взаимодействие на уровне IP.

Маршрутизация и организация сети

ZigBee и 6LoWPAN продвигают различные подходы к построению сетей. В значительной степени это является следствием выбранной модели сети. А в частности задействованных уровней OSI/ISO. Т.к. ZigBee задействует больше уровней, то это решение получается сложнее и больше.Также возникают проблемы при , это приходится реализовывать через дополнительные уровни абстракции (устройства, сервисы). В то время как 6LoWPAN решает одну конкретную задачу (адаптация 2 и 3 уровня для ячеистых сетей), оставляя для реализации остальных компонентов сети другие инструменты. Тем самым значительно упрощается разработка и запуск сети на 6LoWPAN. В частности снижается порог входа для тех, кто имеет опыт работы с текущими традиционными сетями, а также упрощается интеграция между ними. Т.к. по большей части можно использовать их же и они будут в значительной степени прозрачны.

Типы устройств ZigBee

• Координатор ZigBee (C — Coordinator)
  • Запускает сеть,
  • осуществляет маршрутизацию пакетов в сети,
  • управляет безопасностью в сети,
  • устанавливает соответствие между роутерами и конечными устройствами.
  • Пример устройства: шлюз.
• Роутер ZigBee (R — Router)
  • Осуществляет маршрутизацию пакетов в сети,
  • устанавливает соответствие между роутерами и конечными устройствами.
  • Пример устройства: светильник.
• Конечное устройство ZigBee (E — End Device)
  • Находится в режиме сна большую часть времени
  • Может работать от батарейного питания
  • Не осуществляет маршрутизацию
  • Пример: датчик

Типы устройств 6LoWPAN

• Граничный роутер (аналог «моста») (Edge Router)
  • роутер IPv6 соединяет сеть 6LoWPAN с другими IP сетями,
  • может реализовать трансляцию адресов IPv4 — IPv6 NAT64.
• Роутер (Router)
  • управляет проходящими через него потоками данных (аналог «IP маршуртизатора»),
  • может находиться в режиме сне, если используется режим radio duty cycling и уровень протокола это позволяет.
• Хост (Host)
  • только получает/передаёт данные, не занимается маршрутизацией,
  • может находиться в режиме сне, если уровень протокола это позволяет (устройство может быть не доступно в течении некоторого времени).

ZigBee поддерживает концепцию родитель-ребёнок.
Ребёнок должен быть конечным устройством, Родитель должен быть роутером или координатором. Дети не нагружены никакой работой по передаче данных, поэтому могут находиться в режиме сна. Родители постоянно бодрствуют и накапливают пакеты в очереди для ассоциированных с ними детей, до тех пор пока последние не проснутся и не запросят их. Конечные устройства посылают запросы родителям после пробуждения для получения пакетов из своей очереди.

Маршрутизация 6LoWPAN

• Определена IETF: RPL,
• используется проактивный протокол маршрутизации любой-к-любому (узел-к-узлу)
  • При этом оптимизирован и для соединений многие-к-одному
• RPL автоматически формирует граф маршрута от корневого узла,
• пакет передаётся согласно графу, метрика маршрута динамически обновляется,
• определяется несколько вариантов, и из них выбирается оптимальный. Для этого используется объектная функция в RPL:
  • of0: количество прыжков,
  • of1: ЕТХ,
• режим с хранением (storing mode) и без хранения (non-storing mode)
  • режим хранения: все узлы хранят адреса своих дочерних узлов,
  • режим без хранения: корневой узел знает полный маршрут ко всем узлам, полный маршрут включается в каждый пакет.

Выход в сеть (интернет), шлюзы
Для подключения устройства интернета вещей непосредственно к самому интернету требуется реализовать шлюз. В зависимости от типа протокола существует ряд особенностей на этом этапе. Рассмотрим их подробнее.

ZigBee

• ZigBee не имеет родной поддержки IP, поэтому необходимо дополнительно использовать специализированный шлюз,
• т.к. все устройства ZigBee должны быть сертифицированы, то и шлюз должен быть также сертифицирован для поддержки устройств от всех производителей.

6LoWPAN

• Т.к. устройства 6LoWPAN взаимодействуют на уровне IP, то шлюз должен только передавать данные между канальными уровнями 6LoWPAN и Ethernet/Wi-Fi (MAC),
• прикладной уровень может быть прозрачным для шлюза, как следствие гораздо более простая реализация шлюза,
• возможно применение NAT64 для подключения между IPv6 и IPv4 сетями

Кроме непосредственно организации сети стандарты ZigBee и 6LoWPAN влияют также и применяемые протоколы на прикладном уровне.

Прикладной уровень ZigBee

Альянс ZigBee определяет профили приложений, ориентированных на различные рынки. Самый популярный профиль и наиболее близкий к 6LoWPAN — «домашняя автоматизация». Домашняя автоматизация определила стандарт на типы устройств для управления домом:

• датчики температуры/влажности,
• термостаты,
• датчики присутствия,
• датчики окна/двери,
• жалюзи,
• дверные замки,
• светильники,
• выключатели…

В спецификации определены сертификационные тесты для,  гарантирующие, что устройства будут взаимодействовать между собой.

Прикладной уровень 6LoWPAN значительно проще, т.к.

•  6LoWPAN определяет только уровень адаптации между сетевым и канальным уровнями, любое приложение построенное на TCP или UDP может быть использовано.
  • наиболее распространены протоколы CoAP, MQTT, HTTP.
• Т.к. 6LoWPAN имеет родной поддержку IP, профили приложения не требуются. Конечное устройство подключается напрямую к провайдеру сервисов IoT, и работает по его стандарту (убирается дополнительный уровень абстракции).

Другие аспекты

У ZigBee и 6LoWPAN явно прослеживается различный подход не только к организации сети, но и к проводимым процедурам, как следствие. Это в частности относится к сертификации устройств и продвижении их на рынке.

Немного статистики о сертификации Zigbee:

• в альянс ZigBee входят более 400 компаний из разных отраслей и рынков,
• стандартны разрабатываются уже на протяжении более 10 лет.
• фокусные применения: умный дом, сетевое освещение, коммунальные услуги и автоматизации розничной торговли
• уже сертифицировано более 1000 устройств, что упрощает запуск и интеграцию новых устройств в существующих совместимых экосистемах,
• сертификация профиля ZigBee требуется для применения логотипа ZigBee на устройствах,
• стоимость:
  • членство в Альянсе Zigbee              $3000
  • сертификация профиля Zigbee      $3000

Сертификация 6LoWPAN

• Т.к. 6LoWPAN это открытый стандарт, то не существует специального альянса для него, однако, существует несколько отдельных альянсов использующих уровень 6LoWPAN (между IP и IEEE802.15.4) для сертификации своих устройств:
  • IPSO (IP for Smart Objects)
  • Thread Group
  • Open Internet Consortium (OIC)
  • AllSeen Alliance
• взаимодействие на уровне IP (фактически промышленный и бытовой стандарт),
• т.к. стандарт открыт и бесплатен, но платы за него нет, но она может быть включена одним из альянсов реализующих свою надстройку поверх 6LoWPAN.

Как видно из проведённого анализа данные стандарты применяют различные подходы при построении сетей. Как следствие возникают как ряд преимуществ, так и ряд сложностей и недостатков в зависимости от выбранного подхода. Вопрос  выбора того или иного стандарта необходимо решать в зависимости от текущей задачи, имеющихся ресурсов и опыта эксплуатации.