一種密集網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)對點(diǎn)可靠無線通信策略

張志友 ，陳德富

（1.南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京210046；2.浙江工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，浙江 杭州310023）

在無線通信中，眾多節(jié)點(diǎn)共用無線信道，節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)會(huì)被其一跳范圍內(nèi)的鄰居偵聽到。若某節(jié)點(diǎn)接收到了其鄰居節(jié)點(diǎn)發(fā)往其他節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，則其發(fā)生了串音干擾[1]。若網(wǎng)絡(luò)密度較高，節(jié)點(diǎn)的鄰居眾多，這種串音干擾將會(huì)非常嚴(yán)重。串音發(fā)生后，接收節(jié)點(diǎn)在不必要時(shí)打開無線模塊，從而浪費(fèi)了能量，這對一些電池供電的節(jié)點(diǎn)至關(guān)重要。更糟糕的是發(fā)送方的數(shù)據(jù)被非目的節(jié)點(diǎn)獲取，會(huì)給系統(tǒng)帶來潛在危險(xiǎn)。例如在一個(gè)無線遙控器和門鎖的應(yīng)用中，若某個(gè)遙控器的開門數(shù)據(jù)被其他節(jié)點(diǎn)誤聽，則會(huì)發(fā)生諸如一個(gè)遙控器打開多個(gè)門這樣的事故。

然而，在無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，固定的點(diǎn)對點(diǎn)通信是一種常見的應(yīng)用形式。比如在無線門鎖、酒店門卡管理等應(yīng)用中，門鎖節(jié)點(diǎn)只與對應(yīng)的、固定的門卡節(jié)點(diǎn)通信。這些應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)并不需要像網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)那樣維護(hù)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌\(yùn)行復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。但是節(jié)點(diǎn)通常密集部署，節(jié)點(diǎn)對之間通信的可靠性保證卻至關(guān)重要。因而在密集無線網(wǎng)絡(luò)中，如何保證點(diǎn)對點(diǎn)通信的可靠性是一個(gè)重要的問題。

1 策略設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的密集無線網(wǎng)絡(luò)通信中，使用TDMA的方式管理節(jié)點(diǎn)對被驗(yàn)證是一種較為可靠的策略[2]。不同的節(jié)點(diǎn)在不同的時(shí)間占用信道，只要時(shí)隙分配策略保證兩跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點(diǎn)不分配到重疊時(shí)隙，這種方式就能夠有效地避免鄰居節(jié)點(diǎn)之間的干擾。但是這種策略實(shí)施的一個(gè)關(guān)鍵前提是需要保持節(jié)點(diǎn)之間的時(shí)間同步。然而在密集網(wǎng)絡(luò)中，保持全局時(shí)間同步是項(xiàng)龐大的工程，其開銷甚至?xí)h(yuǎn)超過網(wǎng)絡(luò)實(shí)際業(yè)務(wù)量[3]。因而設(shè)計(jì)一種非時(shí)間同步的、高可靠性的通信策略是點(diǎn)對點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)，尤其節(jié)點(diǎn)密集的點(diǎn)對點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)是首先需要關(guān)注的焦點(diǎn)。

本文設(shè)計(jì)了一種簡單易行、非時(shí)間同步、可靠性高的通信策略。該策略中，需要通信的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間首先執(zhí)行配對操作，配對完成后會(huì)獲得隨機(jī)地址、信道以及獨(dú)立的通信密鑰。節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)時(shí)打開地址過濾功能，節(jié)點(diǎn)收發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)通過配對時(shí)產(chǎn)生的密鑰加密。這樣的策略可以保證地址不相同的節(jié)點(diǎn)不會(huì)串音，相同地址不同信道的節(jié)點(diǎn)也不會(huì)串音，相同地址相同信道但是不同密鑰的節(jié)點(diǎn)不能正確解密數(shù)據(jù)，保證了通信極高的可靠性。

2 可靠通信策略設(shè)計(jì)

2.1 節(jié)點(diǎn)配對

節(jié)點(diǎn)配對是維護(hù)可靠性通信的最基本步驟，后續(xù)可靠策略能夠?qū)嵤┑那疤崾窃诠?jié)點(diǎn)配對時(shí)產(chǎn)生的隨機(jī)地址、信道以及密鑰。記通信雙方分別為Host和Client節(jié)點(diǎn)，設(shè)計(jì)了可靠的3次握手配對策略如下[4]。

(1)上電后Host節(jié)點(diǎn)首先打開廣播地址接收，然后進(jìn)入配對模式，輪詢各個(gè)信道并等待接收Client的配對信息。

(2)Client節(jié)點(diǎn)選擇一個(gè)隨機(jī)信道并廣播配對包，然后轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)并等待Host的確認(rèn)信息。若在規(guī)定時(shí)間內(nèi)信道上無應(yīng)答，則再次廣播配對包，直至最大配對次數(shù)滿。

(3)Host在某個(gè)信道接收到配對信息后，首先記錄下該信道作為雙方通信的信道，然后產(chǎn)生一組隨機(jī)密鑰和雙方的地址信息，接著記錄下分配給自身的地址并寫入地址寄存器，最后將通信密鑰和Client地址搭載進(jìn)確認(rèn)包并回復(fù)給Client節(jié)點(diǎn)。

(4)Client節(jié)點(diǎn)接收到確認(rèn)包后，記錄下雙方通信的密鑰和預(yù)分配的地址，然后回復(fù)密鑰確認(rèn)包到Host并標(biāo)記自身為已配對狀態(tài)。

(5)Host接收到Client的密鑰確認(rèn)包后標(biāo)記自身為已配對狀態(tài)。

正常通信過程中，只有處于配對狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)才可以響應(yīng)數(shù)據(jù)收發(fā)操作。若節(jié)點(diǎn)在一段時(shí)間內(nèi)未接收到任何數(shù)據(jù)則標(biāo)記自身為未配對狀態(tài)，從而提醒使用者再次發(fā)起配對。節(jié)點(diǎn)的配對流程如圖1所示。

2.2 地址過濾

在配對時(shí)，Host節(jié)點(diǎn)生成了一組地址并回復(fù)給Client節(jié)點(diǎn)。這兩個(gè)地址分別作為通信雙方的物理地址。發(fā)送節(jié)點(diǎn)在發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)首先填寫接收方地址信息到數(shù)據(jù)幀包頭。處于接收狀態(tài)的節(jié)點(diǎn)打開地址過濾功能，這樣節(jié)點(diǎn)的射頻部分接收到信道上的數(shù)據(jù)后，硬件上會(huì)自動(dòng)校驗(yàn)數(shù)據(jù)包的目的地址是否是自身。若不是，則不接收后續(xù)數(shù)據(jù)且不產(chǎn)生中斷，從而有效避免了非感興趣數(shù)據(jù)的接收。

2.3 數(shù)據(jù)加密

加密是一種有效防止數(shù)據(jù)泄露的手段。所謂加密，是通過編碼的方式將簡單明了的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成晦澀難懂的其他格式。這樣即使該信息被截獲，截獲者也很難從加密后的亂碼中得到有用信息，但是被授權(quán)的信息獲取者卻可以通過密鑰將所得到的內(nèi)容還原后得到其中的信息[5]。

圖1 節(jié)點(diǎn)配對流程

Host節(jié)點(diǎn)在配對時(shí)產(chǎn)生了一組隨機(jī)密鑰，并通過確認(rèn)包告知Client節(jié)點(diǎn)。發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)前依據(jù)配對時(shí)獲得的密鑰對有效數(shù)據(jù)進(jìn)行加密操作，接收方在收到數(shù)據(jù)后首先解密該數(shù)據(jù)包，若數(shù)據(jù)包不是發(fā)給自身，則自己存儲(chǔ)的密鑰與該數(shù)據(jù)包不能正確匹配，解密后不能得到校驗(yàn)正確的數(shù)據(jù)包，從而拋棄該分組避免產(chǎn)生干擾。

3 實(shí)施及驗(yàn)證

為了驗(yàn)證通信策略的性能，設(shè)計(jì)了基于CC1110的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)并在節(jié)點(diǎn)上實(shí)施了本文提出的通信策略。CC1110是集成了8051控制器和射頻模塊的芯片，其支持地址過濾及多達(dá)256個(gè)通信信道，支持產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù)，支持 AES-128加/解密算法[6]。節(jié)點(diǎn)在配對時(shí) Host節(jié)點(diǎn)發(fā)送的確認(rèn)包以及Client發(fā)送的確認(rèn)包格式如表1所示，節(jié)點(diǎn)邏輯功能組織如圖2所示。

表1 Host和Client發(fā)送的配對確認(rèn)包格式

將設(shè)計(jì)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)用于某公租房項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)公租房門卡的集中管理。200節(jié)點(diǎn)的現(xiàn)場運(yùn)行3個(gè)月內(nèi)未發(fā)生門卡和門鎖混開的現(xiàn)象，運(yùn)行結(jié)果表明該策略能夠保證密集網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)之間通信的可靠性，節(jié)點(diǎn)不會(huì)串聽非配對節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，關(guān)鍵數(shù)據(jù)不會(huì)被截獲。但是節(jié)點(diǎn)在配對時(shí)使用了全信道廣播輪詢的方式，因而會(huì)產(chǎn)生誤配對現(xiàn)象，需要在配對時(shí)確保鄰居節(jié)點(diǎn)關(guān)閉廣播信道。

[1]劉明，伍燕平，郭方銘.無線傳感器網(wǎng)中基于時(shí)隙輪循的串音控制策略[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2008，21(6)：1043-1046.

圖2 節(jié)點(diǎn)邏輯功能組織

[2]李獻(xiàn)昌，劉凱，張軍.S-TDMA協(xié)議點(diǎn)到點(diǎn)通信的仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19(13)：3076-3084.

[3]熊宛星，薛開平，洪佩琳.密集傳感器網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)構(gòu)化地址分配方法[J].小型微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，2013，34(6)：1221-1225.

[4]張洪輝，黎海文，高春海，等.面向小型全自動(dòng)生化分析儀的同步可靠的 UART通信[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2010，36(1)：128-131.

[5]王海科，范伊紅，廉飛宇，等.AES加密算法在不停車收費(fèi)系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)測量與控制，2006，14(1)：95-97.

[6]陶維維，劉映杰，習(xí)振華，等.基于 CC1110的無線樓宇溫度采集系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2012，31(1)：19-22.