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MiWi P2P Wireless Protocol
Familia Propiedad de Microchip Technology Inc.
Función Protocolo inalámbrico en LR-WPAN
Ubicación en la pila de protocolos
Aplicación Interfaz MiApp
Red MiWi P2P
Físico Interfaz MiMAC
Estándares
IEEE 802.15.4

MiWi™ P2P Wireless Protocol es un protocolo para redes de comunicaciones inalámbricas, de área personal, de bajo coste y con baja tasa de transmisión (LR-WPAN). Es uno de los protocolos soportados por el entorno de desarrollo MiWi DE del fabricante Microchip Technology Inc. Se caracteriza por su sencillez y flexibilidad para desarrollarse en entornos limitados.

Descripción general[editar]

MiWi es una tecnología desarrollada en el año 2006, una implementación del estándar IEEE 802.15.4, de código abierto y perteneciente al fabricante Microchip. Este estándar de redes inalámbricas está orientado a redes de tipo LR-WPAN, es decir, redes pequeñas de área personal de baja tasa de transmisión de datos, comunicación entre nodos cercanos y pocos requerimientos para su infraestructura. La pila de capas del entorno MiWi se caracteriza por sus dos interfaces: MiMAC, que controla el acceso al medio permitiendo únicamente trabajar con componentes Microchip, y MiApp, que permite la comunicación con los protocolos inalámbricos propietarios, en los que se encuentra el protocolo MiWi P2P.

La demanda de nuevas aplicaciones inalámbricas está en aumento y esta nueva tecnología proporciona, de forma sencilla, diversos servicios reduciendo considerablemente los costes.

El protocolo inalámbrico MiWi P2P es una de las vertientes de la tecnología MiWi de Microchip. Presenta algunas diferencias con el protocolo MiWi en cuanto a una mejor flexibilidad y comprensión de su código, conservando sus características principales. Está programado a nivel de capas lo que hace aumentar su entendimiento. Es una alteración del estándar IEEE 802.15.4 en la que se garantiza, con una configuración sencilla, una comunicación fiable. Dicha configuración cuenta con un gran abanico de características que ofrecen una cómoda aclimatación a las necesidades del usuario. MiWi P2P modifica la interfaz MiMAC para facilitar el proceso de establecimiento y negociación de la comunicación (handshaking). Entre sus características podemos encontrar que solo funciona sobre el espectro de 2.4GHz con microchips PIC18, PIC24, dsPIC33, plataformas PIC32 y compiladores C18, C30 y C32 del fabricante Microchip, está limitado a 1024 el número de nodos, a 4 el número de saltos y el coordinador solo puede controlar 127 dispositivos a la vez, en la comunicación uno de los dispositivos de los extremos puede estar en estado de reposo (no soporta redes baliza), utiliza una exploración activa para detectar las conexiones existentes, soporta topologías en estrella o peer-to-peer y carece de mecanismos de enrutamiento, ya que se define directamente por el alcance de radio y no por una solución multisalto.

Tipos de dispositivos[editar]

Los dispositivos de una red MiWi P2P pueden ser de dos tipos, dependiendo de su funcionalidad:Full Function Devices (FFD) con funcionalidad completa, alimentación continua y método directo de recepción de datos, y Reduced Function Devices (RFD) con funcionalidad reducida, alimentación mediante batería, y método basado en sondeo para la recepción de datos. El coordinador de la red será siempre único y de tipo FFD. Los dispositivos que nos encontramos en esta red pueden tener los siguientes roles:

  • Coordinador del PAN (Personal Area Network): Funcionalidad FFD. Primero se inicia y después espera para la conexión. Es el encargado de crear la red y gestionar los identificadores de los dispositivos terminales. Funciones similares a las de un enrutador.
  • Dispositivos terminales: Funcionalidad FFD o RFD. Se inicia después de que el coordinador del PAN haya establecido la conexión. Pueden estar dedicados a asuntos de control, pudiendo actuar, en algunos casos, como enrutador creando una red más escalable (tipo FFD) o, configurados de una manera más simple, dedicados a asuntos de monitorización y escaneo de datos (tipo RFD), los cuales solo pueden asociarse a un dispositivo FFD.

Tipos de topologías[editar]

El protocolo MiWi P2P permite dos tipos definidos para su topología: en estrella y punto a punto.

Topología en estrella
  • Topología en estrella: Esta configuración tiene un coordinador de la Red de Área Personal (PAN) centralizado, de funcionalidad FFD, que será capaz de comunicarse con todos los dispositivos finales y se encargará tanto de iniciar las comunicaciones como de aceptar las conexiones entre los distintos dispositivos. Los dispositivos finales que se unen a la red, con funcionalidades FFD o RFD, no pueden comunicarse entre ellos directamente, solo lo podrán hacer a través del coordinador del PAN, que tendrá la responsabilidad de reenviar los datos por la red al destinatario correcto. Esta configuración es muy adecuada para una red de sensores donde los distintos sensores envíen sus datos al coordinador y este los procese adecuadamente a cada caso.
Topología peer-to-peer
  • Topología punto a punto (peer-to-peer): También configurado con un coordinador del PAN, tipo FFD, capaz de iniciar las comunicaciones de los dispositivos finales. No obstante, en este caso los dispositivos terminales, que también pueden ser de tipo FFD o RFD, no tienen, todos, la necesidad de comunicarse con el coordinador del PAN para establecer una conexión. Sin embargo, los dispositivos finales solo podrán comunicarse directamente entre sí, sí al menos uno de ellos tiene la funcionalidad FFD. Este dispositivo trabajara como si se tratara de un coordinador del PAN. Por lo tanto un dispositivo final FDD podrá tener varias conexiones al mismo tiempo mientras que los RFDs solo tendrán una y no podrán comunicarse entre ellos directamente. Esta configuración es adecuada para redes donde la carga de información sea más elevada.


Tipos de redes[editar]

Las redes bajo el estándar IEEE 802.15.4 aceptan dos tipos de redes: Con baliza y sin baliza. Las redes con balizas (beacon networks) se distinguen en que los dispositivos finales solo pueden trasmitir datos durante una ranura de tiempo previamente asignada por el coordinador de la red, que será el encargado, mediante tramas de baliza, de sincronizar la circulación de las tramas de datos. Esto permite que el consumo de energía general se reduzca, ya que en los intervalos en los que un dispositivo no este transmitiendo este se encontrara apagado. En cambio, en las redes sin baliza (non-beacon networks) cualquier dispositivo puede transmitir mientras no sobrepase el umbral de energía predefinido en la red, es decir que el canal no este ocupado. MiWi permite hacer esta comprobación de diferentes formas, midiendo los niveles de energía de la capa física o haciendo un sondeo activo para comprobar que canal o canales están disponibles o tienen una buena calidad de señal. MiWi también es capaz de cambiar un canal asignado de manera activa si encuentra otro canal más aconsejable. En este caso el consumo de energía será mayor debido a que todos los dispositivos pueden transmitir en cualquier momento. Este tipo de redes está orientado a redes que tengan poca información que transmitir. El protocolo MiWi P2P trabaja sobre redes sin baliza.


Mensajes MiWi P2P[editar]

Transmisión y recepción de mensajes[editar]

En MiWi P2P existen dos maneras de transmitir los paquetes. En modo broadcast, en el que se envía el paquete a todos los dispositivos de la red que entren en su rango de radio y no requiere ACKs de respuesta, o en modo unicast, donde la trama que enviemos solo tiene una dirección de destino y, en este caso, requiere confirmación del destinatario.

Transmisión de datos pendientes

El protocolo permite tener dispositivos en modo reposo en la red. Cuando uno de estos nodos despierta, es capaz de realizar una petición al coordinador para saber si han llegado datos destinados a él, mientras se encontraba en el estado de reposo. A este tipo de mensajes se les llama mensaje indirecto.

Negociación (handshaking)[editar]

MiWi P2P modifica el proceso de negociación del estándar IEEE 802.15.4 haciéndolo más sencillo. Reduce a 2 el número de mensajes intercambiados entre los dispositivos mientras que en el estándar utiliza 5 (suprime los mensajes baliza).

Primero, el dispositivo que pretende conectarse a la red, envía un mensaje (tipo broadcast) de petición de la conexión peer-to-peer a todos los dispositivos que entren en su rango de radio. Después alguno de estos dispositivos le responde con un mensaje de confirmación de conexión si tiene los recursos necesarios, finalizando el proceso de negociación.

Solo los dispositivos de tipo FFD son capaces de dar acceso a los dispositivos que pretendan conectarse a la red. Ellos son los encargados de reservar el canal y de escuchar las peticiones de los demás dispositivos. Si esta petición la realiza un dispositivo RFD, este aceptara la conexión del primer nodo FFD que le responda, mientras que los dispositivos FFD pueden mantener varias conexiones a la vez.

El proceso de desconexión es igual de sencillo. Independientemente del dispositivo que quiera desconectarse la negociación será en 2 pasos. El dispositivo pide la desconexión de la red y el coordinador le envía su correspondiente asentimiento.

Comandos MiWi P2P[editar]

Los dispositivos de una red bajo el protocolo MiWi P2P utilizan los siguientes comandos para negociar la comunicación:

Negociación de canal
  • P2P Connection Request (Solicitud de conexión P2P): Puede generarse de dos formas. Broadcast, para buscar una conexión a cualquier nodo de la red que entre en su rango de radio. Unicast, para conectarse a un nodo especifico de la red. MiWi tiene la capacidad para deshabilitar dispositivos de la red, por lo que las solicitudes de conexión de estos nodos no serán aceptadas.
  • P2P Connection Response (Respuesta de conexión P2P): Contestación a una solicitud de conexión P2P. Finaliza el proceso de conexión permitiendo la comunicación entre los dispositivos a través de la red.
  • Data Request (Petición de datos pendientes): Mensaje que envían los dispositivos que se encontraban en estado de reposo y que al despertar preguntan a la red si existen datos destinados a él (Mensajes indirectos).
  • Channel Hopping (Salto de canal): Solicitud de un dispositivo para cambiar su canal de conexión a la red debido a motivos de escalabilidad, reparto de tráfico y flexibilidad.
  • P2P Connection Removal Request (Solicitud de fin de conexión P2P): Desconecta la comunicación entre dos dispositivos
  • P2P Connection Removal Response (Respuesta de fin de conexión P2P): Confirma la desconexión de la comunicación, solicitada previamente con el mensaje P2P Connection Removal Request, entre los dos dispositivos finales.

Formato de los mensajes[editar]

El protocolo MiWi P2P acepta mensajes de la capa de red en formato corto o en formato largo, dependiendo de cómo se de la dirección de destino, aunque normalmente se utiliza el modo de formato largo para intercambiar los mensajes (formato corto para mensajes de difusión). Este formato es un subconjunto de los mensajes que utilizan la especificación IEEE 802.15.4 Podemos ver sus diferentes campos en la siguiente tabla:

Formato de los mensajes MiWi P2P
2 1 2 2-8 0-2 8 Variable 2
Control de la trama Número de secuencia PAN ID de destino Dirección de destino PAN ID de origen Dirección de origen Payload Secuencia de comprobación de trama
  • Control de la trama (2 Bytes): En estos dos bytes se indicaran las capacidades y características de tendrá la trama:
    1. Tipo de Trama (3 bits): Las tramas pueden ser de tres tipos: de datos (001), de reconocimiento (010) o de comando (011).
    2. Seguridad habilitada (1 bit): Trama encriptada o no encriptada.
    3. Trama pendiente (1 bit): Solo utilizado por tramas de reconocimiento para saber si se ha reconocido una petición de datos de un dispositivo RFD.
    4. ACK requerido (1 bit): necesidad de recibir o no el paquete ACK.
    5. Intra PAN (1 bit): indica si el mensaje está dentro de la PAN actual. A 0 para las comunicaciones entre diferentes PAN.
    6. Reservado (3 bits)
    7. Modo de la dirección de destino (2 bits): Modo de dirección corta, 16 bits (10) y modo de dirección larga, 64 bits (11).
    8. Reservado (3 bits)
    9. Modo de la dirección de origen (2 bits): Modo de dirección corta, 16 bits (10) y modo de dirección larga, 64 bits (11).
  • Número de secuencia (1 Byte): Inicialmente se le asigna un número aleatorio y se incrementa cada vez que se mandan paquetes de datos o comandos.
  • PAN ID de origen y destino (2 Bytes cada una): identificación del PAN de origen y destino. El PAN ID define un grupo de nodos próximos entre sí.
  • Dirección de origen y destino (2 bytes cada una): dirección única, asignada por el fabricante, de 16 o 64 bits de los dispositivos origen y destino. La dirección de la fuente se tiene que dar siempre en formato largo (64 bits).
  • Payload (Variable): datos de tamaño variable que nos llegan de la capa de aplicación.
  • Secuencia de comprobación de la trama (2 Bytes): Comprobación de errores durante la transmisión del mensaje.

Características de MiWi P2P[editar]

Interfaces de la capa de red[editar]

  • Interfaz con la capa de aplicación: MiWi P2P utiliza la interfaz MiApp para comunicarse con las aplicaciones. A través de esta interfaz se configuraran las características de los usuarios (topología, roles, recursos requeridos, etc.).
  • Interfaz con la capa física: MiWi P2P utiliza la interfaz MiMAC para comunicarse con la capa física. En ella se definen las características del envió de la información. MiWi P2P utiliza el protocolo CSMA/CA no ranurado, que consiste en el envió de los datos en el instante en el que el canal quede libre.

Dispositivos en estado de reposo[editar]

Una de las características más importantes, y que diferencia al protocolo MiWi P2P de los demás, es su capacidad de cambiar el estado de los dispositivos que no están transmitiendo información a estado de reposo. Esto nos será de gran ayuda, ya que, al trabajar en entornos limitados, podremos ahorrar mucha energía y recursos en los enlaces de la red.

Se pueden dar varias formas de asignar este estado. Por su tiempo de inactividad o, simplemente, la red necesita, en un instante determinado, que un dispositivo se apague. Esta notificación la realiza el nodo FFD que esté conectado al dispositivo final. El dispositivo que ha sido apagado puede volver a despertarse, tras una acción por parte del dispositivo o tras la finalización de un intervalo predefinido. Si existen mensajes destinados al dispositivo dormido el nodo FFD conectado a él lo almacenara hasta que despierte (mensajes indirectos).

Sondeo de la red[editar]

MiWi P2P nos permite escanear el estado de la red. Utilizado para registrar la calidad de los canales en un momento determinado y así poder elegir el que más nos convenga. También se puede utilizar para reconocer otras redes a las que tengamos alcance por lo que nos da aún más escalabilidad. Este sondeo lo podremos realizar de dos formas diferentes:

  • Escaneo activo: Los dispositivos comprueban las redes a las que tienen posibilidad de conectarse y el estado y calidad de sus canales. Información muy útil cuando un dispositivo quiere conectarse a una red por primera vez.
  • Escaneo de energía: Los dispositivos realizan una comprobación de los niveles de energía de sus canales. Con esta información el dispositivo elegirá el canal que más alto nivel de energía le garantice.

Reparto de enlaces[editar]

MiWi P2P es capaz de cambiar un enlace asignado a una comunicación a otro sin tener que realizar de nuevo el proceso de negociación del canal. Esta característica es de gran utilidad. La red (un dispositivo FFD) puede cerciorarse de que un canal no está en buen estado o no cumple con los requisitos de la comunicación y cambiarlo a otro que si lo haga, sin que los dispositivos finales noten una degradación en su comunicación. El dispositivo que realice este cambio de canal se encargara de trasmitírselo a los demás.

Seguridad[editar]

Las redes inalámbricas de bajo coste tienen una alta cuota de problemas relacionados con la seguridad informática, por lo que es un aspecto al que se le tiene que prestar especial interés. Para reducir estos problemas o, por lo menos, hacerles frente MiWi P2P ofrece soluciones. Garantiza la confidencialidad, autenticación e integridad de sus comunicaciones utilizando criptografía de clave simétrica (privada entre los dispositivos que se comunican), pre-asignada por la aplicación.

Escenarios y aplicaciones [editar]

MiWi P2P, al trabajar en redes LR-WPAN, se ajusta a escenarios en los que las redes sean pequeñas, no tengan muchos dispositivos, que estos estén cercanos entre sí y no requieran muchos recursos.

Se podría implementar en aplicaciones como: conexión de periféricos, medición de parámetros mediante sensores, control remoto de elementos tecnológicos en entornos pequeños (luces, música, aire acondicionado), identificación de parámetros asignados (cámaras de seguridad), etc.

Véase también[editar]

Referencias[editar]

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