面向國(guó)防應(yīng)用的安全和可靠無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　各種呈競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)的 IEEE 802.15.4 解決方案以這樣一種方式來利用互連節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，即O可通過不同的路徑傳送數(shù)據(jù)包，以提高傳輸?shù)目煽啃?。Dust Networks 產(chǎn)品在傳統(tǒng)的網(wǎng)格配置基礎(chǔ)上做了改進(jìn)，并率先運(yùn)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 等主要無線網(wǎng)格標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。ZigBee Pro 提供了一種替代方案，但其不能在末端節(jié)點(diǎn)上支持完整的網(wǎng)格實(shí)施方案，而且 CSMA (載波偵聽多路訪問) 技術(shù)的使用必然導(dǎo)致數(shù)據(jù)包沖突，因?yàn)橄⒃谕粋€(gè)時(shí)域中競(jìng)爭(zhēng)。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，這將成為一個(gè)日益嚴(yán)重的問題，而且由于節(jié)點(diǎn)在一個(gè)隨機(jī)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(fèi)。ZigBee Pro 并非專為在所有節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)超低功耗而優(yōu)化，而且稍后我們將會(huì)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。

　　Dust Networks 解決方案

　　SmartMesh 網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)自形成的多跳節(jié)點(diǎn)網(wǎng)格和一個(gè)網(wǎng)絡(luò)管理器組成，前者被稱為“微塵”(mote)，負(fù)責(zé)收集和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù);后者則用于監(jiān)視和管理網(wǎng)絡(luò)性能和安全性，并與主機(jī)應(yīng)用程序交換數(shù)據(jù)。

　　SmartMesh 微塵和管理器是完整的嵌入式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)解決方案。它們把基于 Dust Networks Eterna^® 片上系統(tǒng)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(yán)苛的 RF 環(huán)境中提供 >99.999% 的數(shù)據(jù)可靠性，并為網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn) (包括路由節(jié)點(diǎn)) 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(yīng)要求外部饋電，從而實(shí)現(xiàn)“即撕即貼型”安裝的概念。SmartMesh IP 采用 7.5ms 的集中管理預(yù)定義時(shí)隙，以實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)包通信的同步。時(shí)隙根據(jù)應(yīng)用的帶寬要求進(jìn)行分配，但一個(gè) >1% 的占空比是常見的。節(jié)點(diǎn)僅在預(yù)定的時(shí)間喚醒，因而提供了超低的功耗。路由節(jié)點(diǎn)消耗的平均電流通常 < 50ìA，故可依靠?jī)晒?jié) AA 鋰電池運(yùn)行 5~10 年。

　　由于路由節(jié)點(diǎn)在接收模式中連續(xù)供電 (因而需要線路功率級(jí)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(biāo)準(zhǔn)里的 “信標(biāo)” 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(dǎo)致嚴(yán)重的帶寬限制。

　　安全性

　　SmartMesh 網(wǎng)絡(luò)中的所有數(shù)據(jù)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(yùn)行時(shí)間密鑰和一個(gè)基于時(shí)間的計(jì)數(shù)器在每一跳上對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行鑒定。此外，還采用運(yùn)行時(shí)間會(huì)話密鑰和一個(gè)共享計(jì)數(shù)器對(duì)數(shù)據(jù)包實(shí)施鑒定和端到端加密。這些鑒定層共同提供了針對(duì)重放攻擊和中間人攻擊的防護(hù)作用。

　　利用一種基于會(huì)話的 128 位 AES 對(duì)稱密鑰加密為數(shù)據(jù)包載荷提供了竊聽保護(hù)。新的節(jié)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(jī)數(shù)發(fā)生器將多個(gè)密鑰分配至該新節(jié)點(diǎn)。利用多個(gè)此類加密密鑰，一個(gè)節(jié)點(diǎn)的妥協(xié)折衷就不會(huì)危及網(wǎng)絡(luò)其他節(jié)點(diǎn)的安全性。SmartMesh 的安全性大大強(qiáng)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(kuò)頻) 實(shí)現(xiàn)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(shù)據(jù)可靠性。每對(duì)節(jié)點(diǎn)采用一個(gè) 16 通道的偽隨機(jī)序列，這里，通道的使用由網(wǎng)絡(luò)管理器來分配以避免干擾相鄰的節(jié)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(jī)會(huì)，即使當(dāng)大多數(shù)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(yùn)作，因而使其容易遭受多徑衰落的不良影響。

　　結(jié)論

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

　　通過將時(shí)間同步時(shí)隙與跳頻和強(qiáng)加密組合起來，就能實(shí)現(xiàn)一個(gè)消息傳遞可靠性 >99.999% 的安全無線網(wǎng)絡(luò)，從而令其成為有線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一種現(xiàn)實(shí)的替代方案。

　　對(duì)于下一代軍用設(shè)備基礎(chǔ)設(shè)施中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)而言，SmartMesh IP 產(chǎn)品有可能形成其技術(shù)平臺(tái)的基礎(chǔ)，并在節(jié)省成本、縮短構(gòu)建時(shí)間和改善運(yùn)作靈活性方面提供巨大的潛力。