摘  要： 在無線通信中，尤其在節(jié)點密集的網(wǎng)絡(luò)中,，由于通信范圍內(nèi)鄰居眾多,，節(jié)點之間極易發(fā)生串音，不僅浪費了接收節(jié)點的能耗,，甚至有可能因為數(shù)據(jù)誤聽而引發(fā)系統(tǒng)錯誤,。為了提高節(jié)點通信的可靠性，提出了一種基于節(jié)點配對,、地址過濾和AES加密的多信道可靠通信策略,。基于200節(jié)點的項目運(yùn)行表明,，該策略穩(wěn)定可靠,，配對后節(jié)點之間不會產(chǎn)生串音和數(shù)據(jù)誤傳。
關(guān)鍵詞： 串音,；配對,；加密；地址過濾,；多信道

    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(yán)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(hù)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，運(yùn)行復(fù)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?xí)h(yuǎn)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(jī)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(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)點配對時產(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,，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(jìn)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(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(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,。
    (4)Client節(jié)點接收到確認(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(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(fù)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(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]。
    Host節(jié)點在配對時產(chǎn)生了一組隨機(jī)密鑰,，并通過確認(rèn)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(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(dá)256個通信信道，支持產(chǎn)生偽隨機(jī)數(shù),，支持AES-128加/解密算法[6],。節(jié)點在配對時Host節(jié)點發(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)點邏輯功能組織如圖2所示,。

    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(yùn)行3個月內(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,。
參考文獻(xiàn)
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