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使用平安运用TLS1.2和椭圆曲线加密

人气:宣布工夫:2018-07-09 16:55
择要:ZigBee IP是第一个针对基于网际网路通讯协议第六版(IPv6)的全无线网状网路操持计划的开放规范,它为控制低功耗、低资本设置装备摆设提供无缝网际网路保持,并可在单一控制网路中保持几十种...

  过去15年来,科技公司不断探究为无线感测器网路和其他需要应用网际网路的可衔接设置装备摆设开辟运用网际网路协议(IP)的软体操持计划。近几年,所出现最可行的IP软体操持计划之一,是2013年3月由ZigBee同盟宣布的ZigBee IP标准。ZigBee IP是第一个针对基于网际网路通讯协议第六版(IPv6)的全无线网状网路操持计划的开放规范,它为控制低功耗、低资本设置装备摆设提供无缝网际网路保持,并可在单一控制网路中保持几十种分歧的设置装备摆设。

  ZigBee IP设计次要在援助ZigBee Smart Energy IP协议堆叠。本文讨论无线感测器网路IP操持计划的演化,以及新ZigBee Smart Energy IP协议堆叠的运用。

  感测器网路首重低功耗设计

  自20世纪90年月前期,感测器网路曾经成为研讨和实行的次要课题,其采用可搜集和发送资料的巨大伶俐设置装备摆设去提拔结构性监督、增强动力服从或添加作物产量的网路使用远景已毋须多说。建构感测器网路的根底本领包罗:

  .低功耗和高效无线电本领

  让典范设置装备摆设具有几年的电池寿命,并为无法透过电池或主电源供电的其他设置装备摆设提供动力搜集的功用。

  .牢靠的网状网路和协议

  用以完成无人值班的长期运转。

  .合适的使用协议

  容许设置装备摆设之间透过商定的资料款式停止资讯交换,援助自主运转。

  2003年宣布的IEEE 802.15.4规范以及2004年出现的满意规范要求的商用无线电收发器,为低功耗无线通讯提供基本。从当时起,IEEE规范曾经在2006、2011年取得扩展和改良。随着15.4e和15.4g修订版本的宣布,商用无线电收发器供给商曾经成功高涨他们射频(RF)元件近一半功耗,并预期在下一代元件出现时功率可再次减半。

  牢靠的网路通讯协议开辟和效能验证需要较长的时光。公有网状网路通讯协议堆叠,比方EmberZNet或许来自Berkeley的TinyOS,曾经宣布相容15.4规范的无线晶片。虽然这些协议堆叠被运用并取得进一步开辟,但是市场的开展和扩张依赖基于规范操持计划去完成互通性,以及能否可以从多个推销管道失掉采用该本领的公司产物。ZigBee同盟是近来几年为无线网状网路提供规范操持计划的多数构造之一。

  使用协议是网状网路中最初被开辟的专案。这些协议依赖共同的言语,使来自分歧制造商的设置装备摆设可以停止无缝通讯。在设置装备摆设之间开辟一种公用言语,须竞争敌手之间互相相助并达成分歧的资料通报协议和举动。凑合产物互相依赖的公司,比方消费灯具产物的公司和消费调光器和开关的公司,自在市场机制可急忙进使用协议的达成。但是,在其他范围,比方家居主动化或贸易楼宇,自在市场机制能够无法到达急忙进竞争敌手协同任务、一致使用协议的目标。

  ZigBee PRO提拔牢靠/互通性

  ZigBee规范开辟是感测器网路和楼宇主动化市场扩展的一局部。在21世纪初,ZigBee同盟不绝专注于开辟网状网路的规范、安全性和使用协议。ZigBee同盟成员和布置的波动开展带来协议和牢靠性的提拔,终极推进2007年ZigBee PRO标准和2008年Smart Energy Profile宣布。Smart Energy市场要求设置装备摆设具有牢靠性和互通性,这是由于制造和布置电表的公司盼望可以与家庭中的其他设置装备摆设停止通讯,但他们并不想拥有或维护家中的这些设置装备摆设。只要在规范路由和使用协议以及牢靠安全性方面达成分歧,才能真正成为一个可以承受的操持计划。

  ZigBee PRO是针对设置装备摆设之间的通讯来开辟和最佳化。该协议从IEEE 802.15.4 MAC/PHY(ZigBee网路和服务层)开端停止规范化,不绝到整个使用层。相干设置装备摆设可以参加网路,与其他设置装备摆设配对,并可在没有零碎管理员或网路零碎管理员人工干涉下运转。协议和资料通报格外针对小型资料(由于15.4仅援助最大127个位元组的封包)和电池供电的设置装备摆设停止最佳化,这使得业界更能完成无所不在的感测和控制网路。拥有成百上千设置装备摆设的网路曾经被成功布置并延续运转。这些网路中范围较大的,包罗位于瑞典哥德堡的计量回程网路,其包括275,000个设置装备摆设,以及位于拉斯维加斯Aria旅店的室内主动化和控制零碎,其包括75,000多个ZigBee PRO设置装备摆设。随着这些网路的成功布置,ZigBee本领曾经完成援助大范围感测和控制网路牢靠运转且无需人工干涉或援助的目的。

  随着网路使用的扩展,更广泛的网际网路保持成为一些公司开辟网状网路操持计划的紧张目的。但是,ZigBee PRO网路并非针对Web服务或网际网路通讯而最佳化。现有的定址和协议不克不及与运用中的IP规范相婚配,以是为供电受限和小影象体设置装备摆设而最佳化设计的通讯和解码协议,将不得不为在Web页面或伶俐手机上表现资料而停止转换。伶俐闸道的开辟是为提供其保持和转换,但是任何时分当一个新的设置装备摆设或许规范被开辟出来,这些伶俐闸道就必需晋级。

  满意感测器网路使用需求 IETF宣布6LoWPAN规范

  在ZigBee同盟生长的同时,网际网路工程义务组(IETF)建立几多任务组,以评价这些感测和控制网路。随着网际网路通讯协议第四版(IPv4)位址的疾速耗尽,IPv6定址联合其他现有IP协议凑合低功耗感测和控制网路来说好像是一个天然的公道选择。但是,现有IP协议通常基于更长的封包大小和更高数据速率网路,这急忙使人们开端存眷怎样在15.4网路上运转规范IP协议。许多公司留意到这个题目并要求IETF开端调度IETF协议,以使它们妥当低功耗感测和控制网路。

  凑合IPv6,主要义务是操持封包大小题目。IPv6设置装备摆设必需援助最低为1,280位元组的封包,但是15.4网路只能提供最多127个位元组的封包。别的,运用较大的封包对那些电池供电的设置装备摆设有间接的影响。因而IETF建立了一个任务组,并于2007年宣布6LoWPAN规范(RFC 4944)。该规范为完成在15.4网路上传输IP封包提供一些紧张服务。最紧张的是,它紧缩IP封包头部以防止在15.4子网上发送不用要的重复资讯。它也为不妥当在单个15.4封包中传输的IP封包提供了非常高效的分段和重组机制。该规范并未操持网路牢靠性和使用协议的需求,但是它完成在15.4设置装备摆设上成功传输IP封包的紧张一步。

  IETF也启动一个任务组为低功耗和消耗网路(Lossy Network)评价合适的路由式通讯协议,使之可以用于感测器和控制网路。评价效果是现有IETF协议不妥当这些网路,需要开辟新的协议(见Draft-ietf-roll-protocols-survey-07)。基于这个结论,IETF ROLL任务组在2012年终以RFC6550方式宣布RPL。RPL为这些低功耗网路提供根底的路由服务。其他规范IP协议(比方运用者资料元协议(UDP)和传输控制协议(TCP))资料可以在802.15.4网路上运转而毋须任何窜改。运用传输层安全性(TLS)或资料包传输层安全性(DTLS)的安全机制也曾经被宣布。IETF如今曾经拥有效于感测和控制网路的根底协议,但是使用协议也是需求的,以便容许设置装备摆设之间停止通讯。

  在开辟Smart Energy 2协议历程中,ZigBee同盟与Wi-Fi和HomePlug同盟停止相助,该协议设计次要在援助多种实体层,包罗802.15.4、Wi-Fi和电力线通讯(PLC),它运用6LoWPAN和RPL做为规范使用协议,可用于动力计量、破费、订价、疏散式天生与控制。Smart Energy 2规范于2013年宣布,曾经为低功耗感测和控制网路运转制定一整套包罗使用层在内的基于IP的协议。

  ZigBee IP用以验证互通性

  在IETF为15.4网路开辟规范协议的同时,属于ZigBee同盟成员的公司以为需要开辟一套基于ZigBee的IP协议堆叠,以配合IETF的高兴,并开辟出更细致和明白的规范。别的,ZigBee IP协议堆叠将可以提供一种测试和认证机制以验证设置装备摆设之间的互通性。IEEE或IETF开辟的规范通常包罗许多可选的举动和功用。这些选项提供可扩展性,并能够会在某些规范用处上运用到。

  但是,一切选项的实施将带来更大的代码量和冗杂度,终极能够招致设置装备摆设之间的互通性题目。ZigBee IP规范运用和参考IEEE和IETF的规范,但是明白定义运用到的特定选项。举动战争安项目也更加明白细致,因而设置装备摆设的最小举动功用可以确定。

  ZigBee同盟在2008年开端基于IP的Smart Energy协议堆叠的开辟,停止一系列测试活动以验证标准、测试完成,并确保完成初始堆叠的互通性。2013年终宣布ZigBee Smart Energy IP协议堆叠,如今可以从包罗Silicon Labs(Ember ZigBee硬体和软体操持计划提供商)在内的多个公司失掉。

  ZigBee Smart Energy IP协议堆叠规则需要对6LoWPAN封包头停止紧缩和分段。RPL路由采用非贮存形式,网路路由到一个会合器,会合器运用源路由资讯发送封包到网路中的设置装备摆设。规范服务创造采用mDNS协议完成,因而设置装备摆设可以创造网路中其他设置装备摆设上相应的服务。MAC级的安全来自15.4,使用级的安全能被用于加密封包负载。网路存取因素验证(PANA)协议用于网路的存取控制,使用安全运用TLS1.2和椭圆曲线加密。使用中可运用UDP和TCP封包协议。

  ZigBee Smart Energy IP协议堆叠,如图1所示,是第一个基于规范宣布的,它联合IEEE和IETF的相干规范构成一套由众多公司和晶片供给商援助的可认证和可交互操纵的规范。在规范宣布后,曾经有五家公司完成协议堆叠认证。

解密ZigBee IP标准:智能动力传感网络更牢靠

图1Smart Energy 2和ZigBee IP协议堆叠

  运用ZigBee IP的设置装备摆设基本

  ZigBee Smart Energy IP和ZigBee Smart Energy 2使用标准如今曾经可以用于低资本和低功耗15.4无线设置装备摆设,这些设置装备摆设通常具有整合的微控制器(MCU)、256KB Flash和32KB RAM。半导体公司提供一个基本,设置装备摆设制造商对这个基本停止客制化,为他们的设置装备摆设添加自身特定的使用举动。上面是一些Smart Energy设置装备摆设中运用ZigBee IP时的罕见选择,包括设置装备摆设援助的功用集(计量、需求回应、资料通报等)、安全等级、功用集的URI结构、资料的存取举动、运用XML资料或运用EXI停止紧缩、对事故或十分的处理。

  这些设计选择终极发生对使用中ZigBee Smart Energy IP协议堆叠的一个设置装备摆设。然后,为了完成整个设置装备摆设,必需提供客户特别的使用举动和资料。比方,虽然半导体供给商的基本将为电表消耗资料提供音讯和资料结构,但是开辟职员必需运用来自特定设置装备摆设的真实电表资料添补这些资料结构,由于凑合每一个供给商来说资料贮存和管理本领是多变的。图2表现由开辟职员处理的设计选择和由无线IC供给商提供的设计选择。

解密ZigBee IP标准:智能动力传感网络更牢靠

图2开辟职员处理和晶片供给商提供的设计元素

  一旦开辟职员在基本上停止根底的选择,代码就可以被编译、下载,并运用桌面临象和网路侦错器(比方Silicon Labs的Ember AppBuilder和Desktop Network Analyzer)停止除错。这些工具既能提供特定设置装备摆设举动检视图,也能追踪网路上的封包,并确保合适的传输和回应。

  ZigBee IP与感测器和控制网路

  ZigBee Smart Energy IP协议堆叠的设计目的是为援助多达三十个设置装备摆设的伶俐动力提供牢靠的小型家居网路。进一步最佳化倾向包罗扩展至数百或数千台设置装备摆设的网路和进步电池寿命。

  Smart Energy 2使用标准包罗ZigBee IP协议堆叠的运用。由于这种使用需要与网际网路伺服器和服务停止通讯,因而Smart Energy 2也采用TCP和超笔墨传输协议(HTTP)。这些协议曾经在网际网路上运转几10年,但是面对来自低功耗设置装备摆设电池寿命的应战,其具有更大的封包尺寸,而且需要对峙延续衔接。某些最佳化很复杂,比方运用UDP代替TCP,采用束缚使用协议(CoAP)代替HTTP去增加资料负担。

  感测器网路通常是大型资料搜集网路,透过RPL路由到中央节点是合适的。但是,控制网路也有经常大量点对点资料传输的须要,因而须进一步任务来最佳化路由。别的,许多疏散式网路需要更高的牢靠性,因而,不盼望出现单点毛病,比方安全伺服器或RPL中央节点。因而,这种网路架构需要运用更多疏散式零碎,而不是现在这些援助的协议。

  感测器通常也包括大量电池供电的设置装备摆设。加长电池寿命的最佳化协议需要更短封包并只管即便增加音讯发送的频率,这通常意味着搭载XML的TCP和HTTP不妥当做为候选协议。运用新款式的紧缩封包头(比方CoAP)是一种更妥当电池供电型设置装备摆设的好步伐。

  经过最佳化,我们可以扩展示有的ZigBee Smart Energy IP协议堆叠,以构成更大的感测器网路。减小封包大小和添加可用频宽而失掉的电池寿命最佳化,终极无益于感测器网路的可扩展性和牢靠性。

标签:ZigBee,Wi-Fi,传感网

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