孟凡勇,孟立凡

(中北大學(xué)電子測試技術(shù)國家重點實驗室,太原 030051)

與有線技術(shù)的可靠穩(wěn)定相比,無線技術(shù)在一些地理條件復(fù)雜、線路架設(shè)困難的場合顯出了優(yōu)勢。工作在免許可證的ISM頻段射頻通信,由于其成本低、安裝方便、功耗低等優(yōu)點,已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于汽車電子、安全認(rèn)證、智能傳感網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)傳輸控制等方面[1]。良好的通信協(xié)議設(shè)計是無線系統(tǒng)可靠通信的前提,因GPRS傳輸是基于 TCP/IP的網(wǎng)絡(luò)傳輸,需要利用Internet來完成通信任務(wù),在享受低成本無線通信技術(shù)的同時,系統(tǒng)的安全性也面臨一些威脅。

1 遠(yuǎn)程無線傳輸系統(tǒng)設(shè)計方案

1.1 系統(tǒng)通信層次結(jié)構(gòu)設(shè)計

多數(shù)的射頻技術(shù)只適合短距離的通信,在要求遠(yuǎn)距離通信時常采用中繼的辦法,無形中增加了系統(tǒng)的硬件成本及軟件設(shè)計難度?；谝陨蠁栴},本系統(tǒng)將射頻通信與適合遠(yuǎn)距離無線傳輸?shù)腉PRS技術(shù)進行融合,提出一種適合于遠(yuǎn)距離傳輸?shù)臒o線通信系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用的是2層通信結(jié)構(gòu)設(shè)計：射頻通信部分與GPRS通信部分。底層多個51單片機(含射頻芯片)構(gòu)成無線傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集節(jié)點,并將采集的數(shù)據(jù)信息傳送給基站?；驹O(shè)有的GPRS DTU無線接入Internet,進一步將底層的數(shù)據(jù)及報警信息傳送給遠(yuǎn)程監(jiān)測服務(wù)器(PC機),或用短消息傳送給手機終端。

1.2 系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到系統(tǒng)的性能、可靠性及功耗,底層射頻通信網(wǎng)絡(luò)要選擇合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這也是無線通信協(xié)議設(shè)計的基礎(chǔ)。目前在無線領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、星-網(wǎng)混合結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)。星型網(wǎng)絡(luò)是一個單跳系統(tǒng),網(wǎng)絡(luò)中所有無線節(jié)點都與基站進行雙向通信,各節(jié)點間并不通信[2-3]。星型網(wǎng)絡(luò)較其他2種網(wǎng)絡(luò)具有整體功耗最低、容易移動、易于擴展等優(yōu)點,但是節(jié)點與基站間的通信距離取決于單個節(jié)點的無線信號覆蓋范圍。由于本系統(tǒng)設(shè)計的初衷是為溫室環(huán)境數(shù)據(jù)采集而設(shè)計,環(huán)境面積不大,完全在nRF905的通信范圍內(nèi),所以采用星型網(wǎng)絡(luò)最為實用。圖1給出了系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框架。

1.3 關(guān)鍵器件選型

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖

本設(shè)計中,基站的控制器選用S3C44B0X芯片,它是基于ARM7TDMI內(nèi)核的32位高速處理器,具有高性能、高實時性、低功耗、同比價格低等特點。GPRS模塊選用華為公司的GTM900-C,內(nèi)嵌 TCP/IP、PPP撥號協(xié)議,節(jié)省了開發(fā)時間。加上通用的RS-232接口和豐富的AT指令集,就可以完成可靠的數(shù)據(jù)通信。射頻模塊選用nRF905模塊,采用SPI總線與微控制器通信,有2種工作模式(發(fā)送模式與接收模式)和2種節(jié)能模式(掉電模式和待機模式)。它可以工作在免許可證的433/868/915 MHz開放ISM頻段;最高工作速率為50 kb/s,高效GFSK調(diào)制,抗干擾能力強;多頻道技術(shù),滿足多點通信與跳頻的通信需要;內(nèi)置硬件CRC檢錯(循環(huán)冗余碼校驗),發(fā)送/接收方式均有載波匹配和地址匹配檢測,可靠性強;低功耗,1.9～3.6 V工作,待機模式下狀態(tài)僅為2.5 μ A。

2 射頻網(wǎng)絡(luò)的通信協(xié)議設(shè)計

系統(tǒng)主體是由1個基站和多個節(jié)點(從站)構(gòu)成的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)。這是一種多點對點的通信模式,從站和基站之間進行有效的、協(xié)調(diào)的無線通信,需要采取相應(yīng)的措施來實現(xiàn)。另外,對于通信中可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)錯誤,需要采取相應(yīng)措施來預(yù)防與糾正[4]。

2.1 節(jié)點多址接入設(shè)計(介質(zhì)訪問控制)

該射頻網(wǎng)絡(luò)是多點對1點的通信系統(tǒng),首先要解決的是通信中節(jié)點多址接入沖突的問題。為保證射頻網(wǎng)絡(luò)通信的暢通,要求各節(jié)點在網(wǎng)絡(luò)中有唯一的地址,并且在1個時刻只允許有1個節(jié)點和基站進行點對點的通信,所以該系統(tǒng)是點對點通信系統(tǒng)的延伸。

本文借鑒了隨機競爭協(xié)議中適合無線通信網(wǎng)絡(luò)的CSMA/CA(載波偵聽多點接入/沖突避免)協(xié)議來解決多址接入的問題。具體實現(xiàn)為：在節(jié)點欲與基站通信前,先進行載波檢測,當(dāng)檢測到信道忙時,重新檢測,當(dāng)檢測到信道空閑時并不立即發(fā)送數(shù)據(jù),而是通過“二進制指數(shù)退避算法”隨機延遲一段退避時間,若信道仍空閑則發(fā)送數(shù)據(jù),因為此時可能有多個節(jié)點正在等待頻道空閑,易于發(fā)生沖突。由于每個節(jié)點采用的隨機時間不同,這樣能將沖突發(fā)生的概率降到最低[5]。

2.2 隱藏節(jié)點問題

隱藏節(jié)點是關(guān)系無線網(wǎng)絡(luò)性能的重要問題,它是由于節(jié)點通信距離有限而產(chǎn)生的。如圖2所示,各虛線圈代表各自節(jié)點的信號輻射范圍,A、B節(jié)點均在基站的信號范圍內(nèi),所以A、B均可以與基站進行通信。若某時刻A節(jié)點正向基站傳送數(shù)據(jù),由于A節(jié)點在B節(jié)點的信號輻射范圍之外,B節(jié)點檢測不到A節(jié)點正在與基站進行通信,誤認(rèn)為信道空閑,也向基站發(fā)送數(shù)據(jù),于是A、B節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)就在基站接收時發(fā)生了沖突。隱藏節(jié)點會造成系統(tǒng)時隙資源的無序爭用和浪費,增加數(shù)據(jù)碰撞的概率,嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的吞吐量,增大了數(shù)據(jù)傳輸延遲。

圖2 隱藏節(jié)點示意圖

本文解決隱藏節(jié)點問題借鑒了IEEE 802.11協(xié)議中關(guān)于隱藏節(jié)點的解決辦法,即在整個通信過程中采用握手信號。本系統(tǒng)在節(jié)點與基站的1個通信周期過程中設(shè)置如下握手機制[6]：

RTS,請求發(fā)送命令幀。當(dāng)節(jié)點有數(shù)據(jù)向基站發(fā)送時,先通過競爭的方法獲得信道使用權(quán),然后向基站發(fā)送RTS命令幀,請求與基站連接。

CTS,允許發(fā)送命令幀?；臼盏?個節(jié)點的 RTS請求后,若此時沒有其他節(jié)點與其通信,則向該節(jié)點發(fā)送CTS命令幀,通知對方發(fā)送數(shù)據(jù)。

DATA,欲發(fā)送的數(shù)據(jù)幀。若節(jié)點收到基站發(fā)送的CTS后,開始向基站發(fā)送數(shù)據(jù)幀;若節(jié)點在規(guī)定時間內(nèi)沒有收到CTS信號則認(rèn)為發(fā)生沖突,重新發(fā)送RTS信號。

ACK,接收確認(rèn)幀。基站收DATA幀完畢后便向?qū)Ψ焦?jié)點發(fā)送ACK幀告知其發(fā)送的數(shù)據(jù)已經(jīng)收妥,使節(jié)點進行下一周期的通信過程。

握手機制有效解決了隱藏節(jié)點問題。

2.3 射頻通信網(wǎng)絡(luò)幀結(jié)構(gòu)設(shè)計

幀結(jié)構(gòu)規(guī)定了數(shù)據(jù)通信的格式,是網(wǎng)絡(luò)通信的基本單元。本系統(tǒng)為星型系統(tǒng),各節(jié)點只能與基站通信,互相之間不能通信。根據(jù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)信息的類型將幀類型分為握手命令幀(RTS/CTS/ACK)與有效數(shù)據(jù)幀(DATA),下面將分別介紹。

握手命令幀結(jié)構(gòu)如下：

幀頭 節(jié)點地址號地址號 幀類型 命令碼 頻道基站序號 幀尾 CRC校驗碼

幀頭：用于防止后面的有用數(shù)據(jù)被干擾。在數(shù)據(jù)收發(fā)過程中,有時由于硬件來不及處理數(shù)據(jù),會造成數(shù)據(jù)的開始幾位錯誤,所以必須加上幀頭。nRF905在收發(fā)模式下會自動處理字頭,所以幀頭可以不必自己設(shè)計,本文將幀頭部分省去。

節(jié)點地址號：欲與基站通信連接的節(jié)點的地址代號,基站根據(jù)此地址號從節(jié)點地址數(shù)組中判斷節(jié)點地址。本系統(tǒng)應(yīng)用環(huán)境為面積不大的溫室,所以設(shè)為2字節(jié),序號范圍為0～255,系統(tǒng)可以根據(jù)自身容量進行擴展。

基站地址號。本文主要研究的是溫室網(wǎng)路,其基站地址是唯一的,如果是大型的溫室群監(jiān)測系統(tǒng),基站地址可以擴展,這里設(shè)為2字節(jié),序號范圍為0～255。

幀類型。握手命令幀用0xFA表示,數(shù)據(jù)幀用 0xFB表示,占1字節(jié)。

命令碼：表明該幀發(fā)送的是什么握手信號,占1字節(jié)。RTS信號用0xEF表示,CTS信號用0xFE表示,ACK信號用0xBF表示。

頻道序號：用于跳頻通信,該序號作為DATA幀頻道數(shù)組中的索引,本系統(tǒng)采用433 M Hz頻段中的4個頻道進行通信,其中3個頻道用于DATA幀通信,所以占3位即可滿足要求。

幀尾：幀結(jié)束標(biāo)志,用0xFF表示。

CRC校驗碼：循環(huán)冗余校驗,本系統(tǒng)為8位校驗,由nRF905自動完成。

數(shù)據(jù)(DATA)幀的結(jié)構(gòu)如下所示：

幀頭 節(jié)點地址號地址號 幀類型 順序位 重組位 有效基站數(shù)據(jù)幀 幀尾 CRC校驗碼

其中,幀頭與CRC校驗碼由nRF905自動完成,節(jié)點與基站地址號、幀類型、幀尾設(shè)置與握手命令幀結(jié)構(gòu)相同。下面對不同設(shè)計部分進行說明。

順序位：用于標(biāo)志發(fā)送有效數(shù)據(jù)幀的先后順序,避免1個數(shù)據(jù)幀重復(fù)被基站收到,也方便有效數(shù)據(jù)幀重組。因為nRF905一次最多能發(fā)送32字節(jié)數(shù)據(jù),所以當(dāng)節(jié)點欲發(fā)送的有效數(shù)據(jù)較多時,需要分拆后發(fā)送,基站接收后將有效數(shù)據(jù)幀重組。順序位只需占用1位,0與1交替填充。

重組位：表示數(shù)據(jù)幀是否還有后續(xù)幀,占用1位,1表示還有后續(xù)幀,0表示為1條信息的最后1幀。

2.4 差錯重傳與跳頻機制設(shè)計

本系統(tǒng)配置nRF905為8位CRC校驗,發(fā)送數(shù)據(jù)前CRC校驗字節(jié)的生成及接收后對數(shù)據(jù)的CRC校驗均由nRF905硬件自動完成。如果傳輸過程中數(shù)據(jù)因干擾出錯,基站接收后會因為校驗錯誤而丟棄數(shù)據(jù),不會向節(jié)點回傳ACK應(yīng)答信息。針對這一問題,本系統(tǒng)采用了數(shù)據(jù)重發(fā)機制。節(jié)點在設(shè)置的時間內(nèi)收不到ACK應(yīng)答信息,則認(rèn)為傳送數(shù)據(jù)失敗,進行重發(fā)。系統(tǒng)最高重發(fā)次數(shù)為3,若發(fā)送3次數(shù)據(jù)幀仍不能接收到基站的ACK應(yīng)答幀,則放棄本次通信,并在下次通信過程中進行跳頻通信。

環(huán)境中有與系統(tǒng)通信頻道相同或相近的電磁波時,可能會產(chǎn)生干擾,增大系統(tǒng)通信誤碼率。由于干擾在一定時間內(nèi)只存于某個頻道,采用跳頻機制可以很好地解決這一問題。nRF905可以工作在433/868/915 M Hz三個頻段,每個頻段又提供了29個頻道,相鄰頻道相差0.1 M Hz,并且在SPI串行接口指令中nRF905為實現(xiàn)快速跳頻提供了2字節(jié)專門指令CC(CHANNEL-CONFIG),格式如下[7]：

1000(4位)PA_PWR(2位)HFREQ_PLL(1位)CH_NO(9位)

nRF905的工作頻道計算公式為

本系統(tǒng)HFREQ_PLL取0,工作于433 MHz頻段,由公式可知該頻段范圍為422.4～473.5 M Hz。系統(tǒng)采用其中的430/450/460/470 M Hz四個頻道,對應(yīng)CH_NO取值為 76/276/376/476。其中頻道 430M Hz用于傳輸RTS/CTS握手信息幀,450/460/470 MHz三個頻道用于傳輸DATA幀及ACK應(yīng)答幀。基站接收到節(jié)點發(fā)送的RTS請求幀中包含頻道序號信息,向節(jié)點回發(fā)CTS應(yīng)答幀后基站便跳入RTS幀中指定的頻道,等待數(shù)據(jù)的到來。節(jié)點收到CTS幀后也跳入相應(yīng)頻道,然后向基站傳送數(shù)據(jù)。如果節(jié)點沒有收到基站的ACK確認(rèn)幀,則在當(dāng)前頻道重新發(fā)送數(shù)據(jù)。若發(fā)送3次基站均無應(yīng)答,則節(jié)點放棄此次通信,并在下個通信周期修改RTS幀中的頻道序號,進行跳頻。頻道序號修改按照雙方約定好的450 MHz→460 MHz→470 MHz→450 MHz頻道順序進行跳轉(zhuǎn)。

3 GPRS與Internet連接的安全隱患

GPRS網(wǎng)絡(luò)接入系統(tǒng)在建設(shè)初期就考慮到應(yīng)該適應(yīng)未來各種業(yè)務(wù)的發(fā)展需要,具有良好的適應(yīng)性和可擴展性,從而成為能承載多種業(yè)務(wù)的平臺。其中對通信的安全性也有一些策略。GPRS通信系統(tǒng)的安全策略主要包括防止非授權(quán)的服務(wù)使用、使用身份驗證和數(shù)據(jù)加密技術(shù),使移動用戶終端能夠安全方便地進行數(shù)據(jù)傳輸。在GPRS綜合接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中,只要用戶妥善保管自己的SIM卡(防止SIM卡被復(fù)制和盜用),并且GPRS綜合接入系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理完善,用戶的個人信息和數(shù)據(jù)的安全就可以受到很好的保護[8]。雖然GPRS自身有很好的安全性,但當(dāng)GPRS與易受攻擊的Internet網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)時,將會受到外部網(wǎng)絡(luò)的安全威脅。Internet的安全隱患主要包括網(wǎng)絡(luò)安全性(非法用戶侵入服務(wù)器)和信息交換安全性(竊取或篡改數(shù)據(jù)信息)[9]。

4 GPRS通信的安全性策略

GPRS若想通過Internet安全傳送數(shù)據(jù),光靠自身的安全機制還不夠,針對Internet的安全威脅必須采取有效的安全機制。因為GPRS DTU作為客戶端,只對已知的IP(或域名)發(fā)起連接,除非在域名方式下域名解析受到攻擊,否則GPRS DTU不會和非法的服務(wù)器發(fā)生TCP連接。所以,GPRS DTU基本上不會遭到攻擊。而后臺服務(wù)器是通過實體物理通道與Internet連接的,所以其收到攻擊的可能性較大。本系統(tǒng)針對以上問題提出了一種簡單實用的安全機制方案。

4.1 數(shù)據(jù)DES算法加密及握手機制

為了防止冒充GPRS DTU發(fā)起連接并向服務(wù)器發(fā)送偽造的數(shù)據(jù)以及竊取數(shù)據(jù),本系統(tǒng)為雙方通信設(shè)置了握手協(xié)議,并采用對稱密碼體制的DES算法對握手信息進行加密。

首先,服務(wù)器偵聽網(wǎng)絡(luò),當(dāng)偵聽到GPRS DTU發(fā)起建立連接后,便向GPRS DTU發(fā)送確認(rèn)幀進行握手,其實質(zhì)是包含服務(wù)器IP地址及服務(wù)端口號信息的經(jīng)DES算法加密的密文。GPRS DTU經(jīng)之前雙方約定的密鑰解密后還原得到服務(wù)器IP及地址信息,并判斷是否為目標(biāo)服務(wù)器,判斷正確則向服務(wù)器發(fā)送應(yīng)答幀確認(rèn)握手,其實質(zhì)是包含SIM卡序列號及手機號信息且經(jīng)DES算法加密的密文。服務(wù)器解密后判斷其合法性,如果合法則雙方握手成功,服務(wù)器發(fā)送1個啟用命令,GPRS DTU收到后便可以進行數(shù)據(jù)收發(fā),數(shù)據(jù)均需DES算法加密。如果是非法的DTU響應(yīng),服務(wù)器斷開其TCP連接。本系統(tǒng)的初衷是為溫室監(jiān)控而設(shè)計,系統(tǒng)較小且數(shù)據(jù)量也不大,采用DES算法加密及握手機制便能很好地保證系統(tǒng)的通信安全。

4.2 VPN專線及防火墻技術(shù)

對于企業(yè)用戶,如果要求系統(tǒng)數(shù)據(jù)安全性極高,可以采用VPN專線(虛擬專用網(wǎng)絡(luò))。VPN的核心就是利用公共Internet網(wǎng)絡(luò)建立一個臨時、安全、穩(wěn)定的連接。VPN主要采用隧道技術(shù)、加解密技術(shù)、密鑰管理技術(shù)和使用者與設(shè)備身份認(rèn)證技術(shù)[10]。目前國內(nèi)外硬件VPN產(chǎn)品已經(jīng)相對比較成熟了,并且費用不高,對企業(yè)用戶來說性價比極高。

為進一步提高企業(yè)內(nèi)網(wǎng)的安全性,防止非法入侵,可以在外網(wǎng)與企業(yè)內(nèi)網(wǎng)之間安裝防火墻。防火墻的具體實現(xiàn)形式有IP過濾器、安全IP隧道、代理服務(wù)器、Socks服務(wù)器4種。本系統(tǒng)可以采用IP過濾器形式的防火墻,它能夠?qū)nternet和內(nèi)網(wǎng)之間的IP數(shù)據(jù)包進行通/斷控制。根據(jù)服務(wù)器及GPRS DTU之間的IP數(shù)據(jù)包的收發(fā)方IP地址、TCP端口號、流動方向來決定IP數(shù)據(jù)包的通過或丟棄。

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