面向國防應用的安全和可靠無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )

　　各種呈競爭態(tài)勢的 IEEE 802.15.4 解決方案以這樣一種方式來(lái)利用互連節點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )，即O可通過(guò)不同的路徑傳送數據包，以提高傳輸的可靠性。Dust Networks 產(chǎn)品在傳統的網(wǎng)格配置基礎上做了改進(jìn)，并率先運用了一種時(shí)間同步化通道跳頻 (TSCH) 網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，該協(xié)議已經(jīng)成為諸如 IEC62591 (WirelessHART) 和 IEEE 802.15.4E 等主要無(wú)線(xiàn)網(wǎng)格標準的基礎。ZigBee Pro 提供了一種替代方案，但其不能在末端節點(diǎn)上支持完整的網(wǎng)格實(shí)施方案，而且 CSMA (載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)) 技術(shù)的使用必然導致數據包沖突，因為消息在同一個(gè)時(shí)域中競爭。隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )規模的擴大，這將成為一個(gè)日益嚴重的問(wèn)題，而且由于節點(diǎn)在一個(gè)隨機延遲周期之后必須重新嘗試消息傳送，所以會(huì )造成能量的浪費。ZigBee Pro 并非專(zhuān)為在所有節點(diǎn)上實(shí)現超低功耗而優(yōu)化，而且稍后我們將會(huì )看到，被稱(chēng)為“Snap”和“Digi-Mesh”(ZigBee Pro 的變種) 的替代解決方案雖然試圖克服這一問(wèn)題，但無(wú)法與 SmartMesh IP 解決方案的性能或安全性相匹敵。

　　Dust Networks 解決方案

　　SmartMesh 網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)自形成的多跳節點(diǎn)網(wǎng)格和一個(gè)網(wǎng)絡(luò )管理器組成，前者被稱(chēng)為“微塵”(mote)，負責收集和轉發(fā)數據;后者則用于監視和管理網(wǎng)絡(luò )性能和安全性，并與主機應用程序交換數據。

　　SmartMesh 微塵和管理器是完整的嵌入式無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )解決方案。它們把基于 Dust Networks Eterna^® 片上系統技術(shù)的硬件與一個(gè)時(shí)間同步通道跳頻鏈路層及完整的網(wǎng)絡(luò )軟件相組合，以在最嚴苛的 RF 環(huán)境中提供 >99.999% 的數據可靠性，并為網(wǎng)絡(luò )中的每個(gè)節點(diǎn) (包括路由節點(diǎn)) 提供 10 年以上的電池壽命。

　　低功耗

　　在理想的情況下，無(wú)線(xiàn)傳感器不應要求外部饋電，從而實(shí)現“即撕即貼型”安裝的概念。SmartMesh IP 采用 7.5ms 的集中管理預定義時(shí)隙，以實(shí)現節點(diǎn)之間數據包通信的同步。時(shí)隙根據應用的帶寬要求進(jìn)行分配，但一個(gè) >1% 的占空比是常見(jiàn)的。節點(diǎn)僅在預定的時(shí)間喚醒，因而提供了超低的功耗。路由節點(diǎn)消耗的平均電流通常 < 50ìA，故可依靠?jì)晒?AA 鋰電池運行 5~10 年。

　　由于路由節點(diǎn)在接收模式中連續供電 (因而需要線(xiàn)路功率級別)，所以ZigBee Pro 方案的功耗較高。Snap 和 Digi-Mesh 雖然提供了低功耗路由器，但依賴(lài)于 IEEE 802.15.4 標準里的 “信標” 特性，此時(shí)是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)入睡眠狀態(tài)和被喚醒，從而導致嚴重的帶寬限制。

　　安全性

　　SmartMesh 網(wǎng)絡(luò )中的所有數據包都在每一層上進(jìn)行鑒定，并實(shí)施端到端加密。在鏈路層上，采用一個(gè)運行時(shí)間密鑰和一個(gè)基于時(shí)間的計數器在每一跳上對數據包進(jìn)行鑒定。此外，還采用運行時(shí)間會(huì )話(huà)密鑰和一個(gè)共享計數器對數據包實(shí)施鑒定和端到端加密。這些鑒定層共同提供了針對重放攻擊和中間人攻擊的防護作用。

　　利用一種基于會(huì )話(huà)的 128 位 AES 對稱(chēng)密鑰加密為數據包載荷提供了竊聽(tīng)保護。新的節點(diǎn)最初采用一個(gè)特殊的連接密鑰，然后使用一個(gè)隨機數發(fā)生器將多個(gè)密鑰分配至該新節點(diǎn)。利用多個(gè)此類(lèi)加密密鑰，一個(gè)節點(diǎn)的妥協(xié)折衷就不會(huì )危及網(wǎng)絡(luò )其他節點(diǎn)的安全性。SmartMesh 的安全性大大強于 Snap 和 Digi-Mesh 解決方案，后兩者都只為整個(gè)網(wǎng)絡(luò )采用了單一的加密密鑰。

　　可靠性

　　Dust Networks SmartMesh IP™ 協(xié)議采用 16 通道 FHSS (跳頻擴頻) 實(shí)現了時(shí)隙同步消息傳送與頻率分集的組合，通?？商峁?>99.999% 的數據可靠性。每對節點(diǎn)采用一個(gè) 16 通道的偽隨機序列，這里，通道的使用由網(wǎng)絡(luò )管理器來(lái)分配以避免干擾相鄰的節點(diǎn)。FHSS 不僅實(shí)際上使帶寬增加了 16 倍，而且還最大限度地提高了消息傳遞的機會(huì )，即使當大多數頻段皆被 RF 干擾所阻塞的時(shí)候也不例外。相比之下，ZigBee Pro 在任何時(shí)間點(diǎn)上都使整個(gè)網(wǎng)絡(luò )在單一頻道上運作，因而使其容易遭受多徑衰落的不良影響。

　　結論

　　Dust Networks SmartMesh IP 產(chǎn)品系列«Ø¥ß¦b IEEE 802.15.4 LR-WPAN 標準¤W，以超低功耗全面實(shí)現¤F自愈、自?xún)?yōu)化時(shí)間同步網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò )。

　　通過(guò)將時(shí)間同步時(shí)隙與跳頻和強加密組合起來(lái)，就能實(shí)現一個(gè)消息傳遞可靠性 >99.999% 的安全無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，從而令其成為有線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的一種現實(shí)的替代方案。

　　對于下一代軍用設備基礎設施中的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )而言，SmartMesh IP 產(chǎn)品有可能形成其技術(shù)平臺的基礎，并在節省成本、縮短構建時(shí)間和改善運作靈活性方面提供巨大的潛力。