面向国防应用的安全和可靠无线传感器网络

SmartMesh 网络由一个自形成的多跳节点网格和一个网络管理器组成，前者被称为"微尘"(mote)，负责收集和转发数据；后者则用于监视和管理网络性能和安全性，并与主机应用程序交换数据。

SmartMesh 微尘和管理器是完整的嵌入式无线传感器网络解决方案。它们把基于 Dust Networks Eterna® 片上系统技术的硬件与一个时间同步通道跳频链路层及完整的网络软件相组合，以在最严苛的 RF 环境中提供 >99.999% 的数据可靠性，并为网络中的每个节点 (包括路由节点) 提供 10 年以上的电池寿命。

低功耗

在理想的情况下，无线传感器不应要求外部馈电，从而实现"即撕即贴型"安装的概念。SmartMesh IP 采用 7.5ms 的集中管理预定义时隙，以实现节点之间数据包通信的同步。时隙根据应用的带宽要求进行分配，但一个 >1% 的占空比是常见的。节点仅在预定的时间唤醒，因而提供了超低的功耗。路由节点消耗的平均电流通常 < 50μA，故可依靠两节 AA 锂电池运行 5~10 年。

由于路由节点在接收模式中连续供电 (因而需要线路功率级别)，所以ZigBee Pro 方案的功耗较高。Snap 和 Digi-Mesh 虽然提供了低功耗路由器，但依赖于 IEEE 802.15.4 标准里的 "信标" 特性，此时是整个网络进入睡眠状态和被唤醒，从而导致严重的带宽限制。

安全性

SmartMesh 网络中的所有数据包都在每一层上进行鉴定，并实施端到端加密。在链路层上，采用一个运行时间密钥和一个基于时间的计数器在每一跳上对数据包进行鉴定。此外，还采用运行时间会话密钥和一个共享计数器对数据包实施鉴定和端到端加密。这些鉴定层共同提供了针对重放攻击和中间人攻击的防护作用。

利用一种基于会话的 128 位 AES 对称密钥加密为数据包载荷提供了窃听保护。新的节点最初采用一个特殊的连接密钥，然后使用一个随机数发生器将多个密钥分配至该新节点。利用多个此类加密密钥，一个节点的妥协折衷就不会危及网络其他节点的安全性。SmartMesh 的安全性大大强于 Snap 和 Digi-Mesh 解决方案，后两者都只为整个网络采用了单一的加密密钥。

可靠性

Dust Networks SmartMesh IP™ 协议采用 16 通道 FHSS (跳频扩频) 实现了时隙同步消息传送与频率分集的组合，通常可提供 >99.999% 的数据可靠性。每对节点采用一个 16 通道的伪随机序列，这里，通道的使用由网络管理器来分配以避免干扰相邻的节点。FHSS 不仅实际上使带宽增加了 16 倍，而且还最大限度地提高了消息传递的机会，即使当大多数频段皆被 RF 干扰所阻塞的时候也不例外。相比之下，ZigBee Pro 在任何时间点上都使整个网络在单一频道上运作，因而使其容易遭受多径衰落的不良影响。

结论

Dust Networks SmartMesh IP 产品系列建立在 IEEE 802.15.4 LR-WPAN 标准上，以超低功耗全面实现了自愈、自优化时间同步网格网络。

通过将时间同步时隙与跳频和强加密组合起来，就能实现一个消息传递可靠性 >99.999% 的安全无线网络，从而令其成为有线传感器网络的一种现实的替代方案。

对于下一代军用设备基础设施中的无线传感器网络而言，SmartMesh IP 产品有可能形成其技术平台的基础，并在节省成本、缩短构建时间和改善运作灵活性方面提供巨大的潜力。

如需了解更多信息，请登录 www.linear.com.cn/dust。