Granite River Labs, GRL
Stanislas Charles
Zigbee는 강력하고 에너지 효율적인 무선 통신 플랫폼으로, 다양한 네트워크 토폴로지를 통해 디바이스를 쉽게 연결할 수 있어 홈 오토메이션, 산업 제어 시스템 및 기타 다양한 애플리케이션에 적합합니다. Zigbee 네트워크 디바이스 호환성에 대한 이해를 돕기 위해 Zigbee 네트워크 토폴로지의 다양한 역할과 디바이스가 Zigbee 네트워크에 연결하는 프로세스에 대해 자세히 살펴보겠습니다.
Zigbee network topology 구성 요소
유연성과 확장성을 고려하여 설계된 Zigbee 네트워크는 애플리케이션 요구 사항에 따라 다양한 형태와 크기를 가질 수 있습니다. Zigbee 네트워크 내의 역할은 CSA(Connectivity Standards Alliance)에 의해 다음과 같이 정의됩니다.
1. 코디네이터 (PAN Coordinator)
Zigbee 네트워크의 핵심으로서 하나의 Zigbee 네트워크에는 오직 하나의 코디네이터만 있을 수 있습니다. 코디네이터는 프로세스를 시작하고 매개변수, 보안 설정 및 라우팅 테이블 설정을 담당합니다. 네트워크에 연결된 장치 간의 통신도 코디네이터를 통해 촉진됩니다.
2. 라우터 (Router)
라우터는 장치 간에 데이터 패킷을 전달하여 네트워크 적용 범위를 확장합니다. 이러한 확장은 메시 네트워크를 생성하는 데 도움이 되며, 연결된 장치가 여러 경로를 통해 통신하여 안정성과 적용 범위를 높일 수 있습니다. 즉, 라우터는 데이터 전송의 중개자 역할을 하여 네트워크 안정성과 탄력성을 유지하는 데 도움을 줍니다.
3. 최종 디바이스 (End Device)
최종 장치는 일반적으로 배터리로 작동되므로 리소스가 제한되어 있고 최소한의 전력만 소비합니다. 이들은 데이터 전송 및 수신 이외의 주요 역할을 수행하지 않으며 대신 라우팅 및 네트워크 관리 작업을 위해 라우터 또는 코디네이터에 의존합니다.
그림1 : Zigbee 네트워크 토폴로지
Zigbee 네트워크 연결: 패킷 교환 (The packet exchange)
패킷 교환과 관련된 다음 프로세스는 새 디바이스가 기존 지그비 네트워크에 참여하고자 할 때마다 시작됩니다:.
Step 1: 장치 검색 (Device Discovery)
- 채널 스캐닝: 프로세스는 새 장치가 여러 Zigbee 채널(주파수)을 스캐닝하여 인근 Zigbee 네트워크를 검색하는 것으로 시작됩니다. Zigbee는 2.4GHz ISM(산업, 과학 및 의료) 대역의 여러 채널에서 작동하며 새 장치는 대상 Zigbee 네트워크가 어느 채널에서 작동하는지 확인해야 합니다.
- 비콘 프레임 수신: 장치는 코디네이터 장치가 전송한 비콘 프레임을 수신합니다. 이러한 비콘 프레임에는 PAN ID(개인 영역 네트워크 식별자), 채널 번호 및 확장 PAN ID를 포함한 중요한 정보가 포함되어 있습니다. 확장 PAN ID는 Zigbee 네트워크를 고유하게 식별합니다.
- 네트워크 선택: 장치가 다른 네트워크로부터 비콘 프레임을 수신하면 해당 기준과 일치하는 PAN ID 및 확장 PAN ID를 가진 네트워크를 선택합니다. 이 선택은 네트워크 가용성 및 보안 설정과 같은 요소를 기반으로 합니다.
Step 2: 연결 요청 (Association Request)
- 장치 초기화: 대상 Zigbee 네트워크를 선택한 후 새 장치는 연결 요청 패킷을 생성하여 연결 프로세스를 초기화합니다.
- 연결 요청 패킷 내용: 연결 요청 패킷에는 다음과 같은 필수 정보가 포함됩니다.
- 장치를 고유하게 식별하는 장치의 64비트 IEEE 주소
- 네트워크 내에서 역할을 지정하는 장치의 기능 (최종 장치 또는 라우터)
- 해당되는 경우 장치의 원하는 PAN ID를 요청
- 현재 선택한 채널과 다른 경우 작동하려는 채널
- 전송: 새 장치는 연결 요청 패킷을 대상 Zigbee 네트워크의 코디네이터에 보냅니다.
Step 3: 코디네이터 응답 (Coordinator Response)
- 연결 요청 처리: 연결 요청 패킷을 수신하면 코디네이터는 이를 처리하여 장치의 네트워크 가입 요청을 수락할지 거부할지 결정합니다.
- 연관 응답 패킷: 코디네이터가 요청을 수락하면 중요한 세부 정보가 포함된 연관 응답 패킷을 생성합니다.
- 결합 장치에 할당된 16비트 짧은 주소. 이 짧은 주소는 네트워크 내 주소 지정에 사용.
- 연결 요청의 결과(성공 또는 실패)를 나타내는 상태 코드.
- 네트워크 보안 설정 및 키(보안이 활성화된 경우).
- 전송: 코디네이터는 연결 응답 패킷을 새 장치로 다시 보냅니다.
Step 4: 네트워크 통합 (Network Integration)
- 장치 초기화: 연결 응답 패킷을 수신하면 합류 장치는 자신을 초기화하여 공식적으로 Zigbee 네트워크의 일부가 됩니다.
- 짧은 주소 할당: 장치는 향후 네트워크 내 통신을 위해 할당된 짧은 주소를 사용합니다. 이 짧은 주소는 라우팅 및 주소 지정 목적에 필수적입니다.
- 역할 할당: 장치는 기능에 따라 네트워크 내에서 엔드 디바이스 또는
네트워크 내 라우터의 역할을 맡습니다. - 네트워크 내의 라우터: 일반적으로 최종 장치는 리소스의 제약을 받으며 라우터에 라우팅을 의존하는 반면, 라우터는 데이터 라우팅을 지원하고 네트워크 범위를 확장합니다.
Step 5: 라우팅 테이블 업데이트 (Updating Routing Tables)
- 라우팅 테이블 업데이트: 라우터가 네트워크에 합류하는 경우 코디네이터와 기존 라우터는 라우팅 테이블을 업데이트합니다.
- 메시 네트워크 구축: Zigbee 네트워크는 메시 토폴로지를 사용하는 경우가 많습니다. 이는 장치가 여러 경로를 통해 통신할 수 있어 신뢰성이 향상된다는 의미입니다. 업데이트된 라우팅 테이블은 데이터가 네트워크를 통해 효율적으로 라우팅될 수 있도록 보장합니다.
Step 6: 보안 설정 (Security Establishment)
- 키 교환: 보안은 Zigbee 네트워크에서 가장 중요한 문제입니다. 네트워크에 가입한 후 장치는 암호화 키를 사용하여 보안 통신 채널을 설정합니다. 이러한 키는 데이터를 암호화하고 해독하는 데 필수적입니다.
- Trust Center 역할: Trust Center(종종 코디네이터)는 키 관리에서 중요한 역할을 합니다. 암호화 키 교환을 감독하고 인증된 장치만 네트워크에 액세스할 수 있도록 합니다.
- 보안 조치: 보안 메커니즘에는 네트워크 내 통신을 보호하기 위한 사전 공유 키, 보안 인증서 또는 기타 인증 방법의 교환이 포함되어 도청 및 무단 액세스를 방지합니다.
그림 2: 디바이스 연결을 허용하는 Zigbee 3.0 네트워크 다이어그램
1: network layer
2: application support sublayer
Zigbee의 네트워크 토폴로지는 다재다능하고 적응력이 뛰어나 다양한 애플리케이션에 적합합니다. 코디네이터, 라우터, 엔드 디바이스의 역할은 네트워크의 안정성과 확장성에 기여합니다. 새로운 장치가 Zigbee 네트워크에 연결하려고 하면 신중하게 조정된 패킷 교환 프로세스를 거쳐 기존 네트워크에 원활하게 통합됩니다. 이를 통해 Zigbee 네트워크는 안정적일 뿐만 아니라 보안도 보장되므로 IoT 및 홈 자동화 애플리케이션에 이상적인 선택이 될 수 있습니다.
About the author
Stanislas Charles
무선 및 RF 테스트 분야에서 7년 이상의 경험을 가진 Charles는 Bluetooth, Zigbee, Thread, Matter와 같은 다양한 프로토콜 분야의 전문가로서 항상 고객의 Matter 및 Thread 테스트 요건에 대한 질문과 문제 해결을 지원합니다.
