面向國防應用的安全和可靠無線傳感器網絡
各種呈競爭態勢的 IEEE 802.15.4 解決方案以這樣一種方式來利用互連節點網絡,即O可通過不同的路徑傳送數據包,以提高傳輸的可靠性。Dust Networks 產品在傳統的網格配置基礎上做了改進,并率先運用了一種時間同步化通道跳頻 (TSCH) 網絡協議,該協議已經成為諸如 IEC62591 (WirelessHART) 和 IEEE 802.15.4E 等主要無線網格標準的基礎。ZigBee Pro 提供了一種替代方案,但其不能在末端節點上支持完整的網格實施方案,而且 CSMA (載波偵聽多路訪問) 技術的使用必然導致數據包沖突,因為消息在同一個時域中競爭。隨著網絡規模的擴大,這將成為一個日益嚴重的問題,而且由于節點在一個隨機延遲周期之后必須重新嘗試消息傳送,所以會造成能量的浪費。ZigBee Pro 并非專為在所有節點上實現超低功耗而優化,而且稍后我們將會看到,被稱為“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題,但無法與 SmartMesh IP 解決方案的性能或安全性相匹敵。
本文引用地址:http://www.104case.com/article/170154.htmDust Networks 解決方案
SmartMesh 網絡由一個自形成的多跳節點網格和一個網絡管理器組成,前者被稱為“微塵”(mote),負責收集和轉發數據;后者則用于監視和管理網絡性能和安全性,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線傳感器網絡解決方案。它們把基于 Dust Networks Eterna® 片上系統技術的硬件與一個時間同步通道跳頻鏈路層及完整的網絡軟件相組合,以在最嚴苛的 RF 環境中提供 >99.999% 的數據可靠性,并為網絡中的每個節點 (包括路由節點) 提供 10 年以上的電池壽命。
低功耗
在理想的情況下,無線傳感器不應要求外部饋電,從而實現“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隙,以實現節點之間數據包通信的同步。時隙根據應用的帶寬要求進行分配,但一個 >1% 的占空比是常見的。節點僅在預定的時間喚醒,因而提供了超低的功耗。路由節點消耗的平均電流通常 < 50ìA,故可依靠兩節 AA 鋰電池運行 5~10 年。
由于路由節點在接收模式中連續供電 (因而需要線路功率級別),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,但依賴于 IEEE 802.15.4 標準里的 “信標” 特性,此時是整個網絡進入睡眠狀態和被喚醒,從而導致嚴重的帶寬限制。
安全性
SmartMesh 網絡中的所有數據包都在每一層上進行鑒定,并實施端到端加密。在鏈路層上,采用一個運行時間密鑰和一個基于時間的計數器在每一跳上對數據包進行鑒定。此外,還采用運行時間會話密鑰和一個共享計數器對數據包實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。
利用一種基于會話的 128 位 AES 對稱密鑰加密為數據包載荷提供了竊聽保護。新的節點最初采用一個特殊的連接密鑰,然后使用一個隨機數發生器將多個密鑰分配至該新節點。利用多個此類加密密鑰,一個節點的妥協折衷就不會危及網絡其他節點的安全性。SmartMesh 的安全性大大強于 Snap 和 Digi-Mesh 解決方案,后兩者都只為整個網絡采用了單一的加密密鑰。
可靠性
Dust Networks SmartMesh IP™ 協議采用 16 通道 FHSS (跳頻擴頻) 實現了時隙同步消息傳送與頻率分集的組合,通常可提供 >99.999% 的數據可靠性。每對節點采用一個 16 通道的偽隨機序列,這里,通道的使用由網絡管理器來分配以避免干擾相鄰的節點。FHSS 不僅實際上使帶寬增加了 16 倍,而且還最大限度地提高了消息傳遞的機會,即使當大多數頻段皆被 RF 干擾所阻塞的時候也不例外。相比之下,ZigBee Pro 在任何時間點上都使整個網絡在單一頻道上運作,因而使其容易遭受多徑衰落的不良影響。
結論
Dust Networks SmartMesh IP 產品系列«Ø¥ß¦b IEEE 802.15.4 LR-WPAN 標準¤W,以超低功耗全面實現¤F自愈、自優化時間同步網格網絡。
通過將時間同步時隙與跳頻和強加密組合起來,就能實現一個消息傳遞可靠性 >99.999% 的安全無線網絡,從而令其成為有線傳感器網絡的一種現實的替代方案。
對于下一代軍用設備基礎設施中的無線傳感器網絡而言,SmartMesh IP 產品有可能形成其技術平臺的基礎,并在節省成本、縮短構建時間和改善運作靈活性方面提供巨大的潛力。
傳感器相關文章:傳感器工作原理
風速傳感器相關文章:風速傳感器原理
評論