一種密集網(wǎng)絡(luò)中點對點可靠無線通信策略

張志友 ，陳德富

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

在無線通信中，眾多節(jié)點共用無線信道，節(jié)點的數(shù)據(jù)會被其一跳范圍內(nèi)的鄰居偵聽到。若某節(jié)點接收到了其鄰居節(jié)點發(fā)往其他節(jié)點的數(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)點的鄰居眾多，這種串音干擾將會非常嚴重。串音發(fā)生后，接收節(jié)點在不必要時打開無線模塊，從而浪費了能量，這對一些電池供電的節(jié)點至關(guān)重要。更糟糕的是發(fā)送方的數(shù)據(jù)被非目的節(jié)點獲取，會給系統(tǒng)帶來潛在危險。例如在一個無線遙控器和門鎖的應(yīng)用中，若某個遙控器的開門數(shù)據(jù)被其他節(jié)點誤聽，則會發(fā)生諸如一個遙控器打開多個門這樣的事故。

然而，在無線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中，固定的點對點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)點只與對應(yīng)的、固定的門卡節(jié)點通信。這些應(yīng)用中，節(jié)點并不需要像網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)那樣維護復雜的網(wǎng)絡(luò)拓撲，運行復雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。但是節(jié)點通常密集部署，節(jié)點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，如何保證點對點通信的可靠性是一個重要的問題。

1 策略設(shè)計

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)點對被驗證是一種較為可靠的策略[2]。不同的節(jié)點在不同的時間占用信道，只要時隙分配策略保證兩跳范圍內(nèi)的鄰居節(jié)點不分配到重疊時隙，這種方式就能夠有效地避免鄰居節(jié)點之間的干擾。但是這種策略實施的一個關(guān)鍵前提是需要保持節(jié)點之間的時間同步。然而在密集網(wǎng)絡(luò)中，保持全局時間同步是項龐大的工程，其開銷甚至會遠超過網(wǎng)絡(luò)實際業(yè)務(wù)量[3]。因而設(shè)計一種非時間同步的、高可靠性的通信策略是點對點通信網(wǎng)絡(luò)，尤其節(jié)點密集的點對點通信網(wǎng)絡(luò)是首先需要關(guān)注的焦點。

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

2 可靠通信策略設(shè)計

2.1 節(jié)點配對

節(jié)點配對是維護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)點配對時產(chǎn)生的隨機地址、信道以及密鑰。記通信雙方分別為Host和Client節(jié)點，設(shè)計了可靠的3次握手配對策略如下[4]。

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

(2)Client節(jié)點選擇一個隨機信道并廣播配對包，然后轉(zhuǎn)入接收狀態(tài)并等待Host的確認信息。若在規(guī)定時間內(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地址搭載進確認包并回復給Client節(jié)點。

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

(5)Host接收到Client的密鑰確認包后標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)點才可以響應(yīng)數(shù)據(jù)收發(fā)操作。若節(jié)點在一段時間內(nèi)未接收到任何數(shù)據(jù)則標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)點的配對流程如圖1所示。

2.2 地址過濾

在配對時，Host節(jié)點生成了一組地址并回復給Client節(jié)點。這兩個地址分別作為通信雙方的物理地址。發(fā)送節(jié)點在發(fā)送數(shù)據(jù)時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)點打開地址過濾功能，這樣節(jié)點的射頻部分接收到信道上的數(shù)據(jù)后，硬件上會自動校驗數(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)點配對流程

Host節(jié)點在配對時產(chǎn)生了一組隨機密鑰，并通過確認包告知Client節(jié)點。發(fā)送方在發(fā)送數(shù)據(jù)前依據(jù)配對時獲得的密鑰對有效數(shù)據(jù)進行加密操作，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正確的數(shù)據(jù)包，從而拋棄該分組避免產(chǎn)生干擾。

3 實施及驗證

為了驗證通信策略的性能，設(shè)計了基于CC1110的無線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點并在節(jié)點上實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256個通信信道，支持產(chǎn)生偽隨機數(shù)，支持 AES-128加/解密算法[6]。節(jié)點在配對時 Host節(jié)點發(fā)送的確認包以及Client發(fā)送的確認包格式如表1所示，節(jié)點邏輯功能組織如圖2所示。

表1 Host和Client發(fā)送的配對確認包格式

將設(shè)計的節(jié)點應(yīng)用于某公租房項目，實現(xiàn)公租房門卡的集中管理。200節(jié)點的現(xiàn)場運行3個月內(nèi)未發(fā)生門卡和門鎖混開的現(xiàn)象，運行結(jié)果表明該策略能夠保證密集網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點之間通信的可靠性，節(jié)點不會串聽非配對節(jié)點的數(shù)據(jù)，關(guān)鍵數(shù)據(jù)不會被截獲。但是節(jié)點在配對時使用了全信道廣播輪詢的方式，因而會產(chǎn)生誤配對現(xiàn)象，需要在配對時確保鄰居節(jié)點關(guān)閉廣播信道。

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

圖2 節(jié)點邏輯功能組織

[2]李獻昌，劉凱，張軍.S-TDMA協(xié)議點到點通信的仿真研究[J].系統(tǒng)仿真學報，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].小型微型計算機系統(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?？疲兑良t，廉飛宇，等.AES加密算法在不停車收費系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計算機測量與控制，2006，14(1)：95-97.

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