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解读专有网络:物联网应用的重要跳板

2014-08-07  来源:中关村在线  作者:

随着物联网的持续发展,专有的“机器到机器”的网络将发挥更大的作用。

在大部分时间里,互联网主要用于连接人们和应用程序。现在,半导体技术的进步让我们可以将强大的处理器和网络接口嵌入到日常物品中,而这又推动着物联网(IoT)的发展,在物联网中,对象互相进行通信,并通过互联网受到控制。同时,专有的“机器到机器”的网络技术为很多IoT应用提供了最后一块跳板,由于每个应用都不同,并没有任何单一的网络技术或协议可以支持所有应用。

下面让我们看看三种具有不同特性的专有网络如何满足IoT产生的特定要求。这三种网络都是无线网络,并且支持有限的距离。不过,它们的应用不同,每个网络协议也不同,用以满足这些特殊要求。

IEEE 802.11p

汽车制造商以及美国运输部目前正在制定一套标准用于让汽车进行互相通信,从而减少公路交通事故。

其目标是,基于这些标准的设备最终将安装在每辆汽车、卡车、公共汽车和摩托车中,这些标准被称为车辆对车辆(V2V)和车辆对基础设施(V2I)通信。IEEE 802.11p或者 汽车无线接入技术(WAVE,Wireless Access in Vehicular Environments)是这个项目的重要组成部分。

通过使用WAVE,每辆车会每秒播报10次其位置、速度和行驶方向,附近的车辆和路边基础设施将会接收这些广播。车辆内安装的计算机会利用这些收到的信息对驾驶员生成警报,或者采取行动来防止意外事故。

虽然802.11p是基于数百万Wi-Fi设备所使用的IEEE 802.11标准,但它运行在不同的环境,有着不同的设计挑战。802.11p必须在车辆之间建立通信,而车辆可能非常靠近。我们知道,广泛使用的802.11版本(例如802.11n)需要站点来交换数据包以连接到特定接入点(AP),根据其独特的基本服务集标识(BSSID)来识别。而这个802.11p标识定义了一个外卡BSSID,所以不需要初始的数据包交换。每辆车不需要与附近的车辆建立连接,就可以发送其位置、速度和方向,并在收到数据时就对数据进行处理。

由于确定位置、速度和方向并不需要大量数据,所以对于WAVE,并不需要高数据传输速率。但是,附近建筑物和大型卡车及公共汽车的反射造成的数据丢失带来了挑战。因此,WAVE设计师使用10MHz带宽信道(比其他802.11版本更窄的信道)来减少对反射的灵敏度。

安全是V2V项目的主要问题,因为存在攻击者发送错误信息的潜在风险。为此,IEEE 1609定义了用来保护数据的管理和安全操作。根据该标准,车辆和相应的基础设施因素通过公钥基础设施获取证书来实现安全的操作。同时,其他研究也仍在继续。这些研究主题包括:设法建立保护来抵御分布式拒绝服务攻击,以及评估如何阻止攻击者访问基础设施和车辆。其他问题包括加强证书颁发机构的能力,因为这些机构支持着数百万的车辆和路边基础设施因素来支持V2V和V2I。

ZigBee网络

ZigBee联盟协议被设计用来创建覆盖大面积的低功耗网络。功耗是一个关键问题,因为很多ZigBee设备由电池供电。ZigBee设备通过构建节点网络来满足功耗目标。

其应用包括在家里以及商业和工业建筑内监测和控制温度以及照明。其他应用包括在医院、工厂和学校追踪便携式设备的位置。对于环境监控及追踪设备定期发送少量数据这类的应用来说,并不需要高数据传输速率,但由于设备通常分散在很大范围,经常更换电池会大大降低网络的价值。

在非常低功率的应用中,网络中相邻设备之间的距离可能只有10米。ZigBee网络可以运行在2.4GHz频段、915MHz或868MHz频段。在2.4GHz最大数据传输速率为256Kbps,在更小频段有着更小的速率。ZigBee支持AES-128标准的加密,提供多种密钥分布方法。

ZigBee网络可以包含数千个节点,信息通过节点在网络中传递。我们没有必要在网络的所有成员的传输范围内都部署单个节点,ZigBee设备可以形成星形或者网状网络。网状网络是自我配置和自我修复的,所以单个节点的损失并不会影响整个网络。在终端节点相距太远而无法与邻近节点通信的网络,ZigBee路由器可以用来扩展网络。

由于其应用的性质,ZigBee和802.11p网络有所不同。而与802.11p应用相同的是,ZigBee应用不需要很高的数据传输速率,但ZigBee应用不需要快速连接设置,因为ZigBee节点通常会在较长时间内保持连接。而IEEE 802.11p应用则不需要构建网络的能力。每辆车都可以接入交流发电机产生的电能,并且车辆彼此通信的时间较短,以防止创建持久的网络。

ZigBee网络中的安全要求没有802.11p网络那么严格,因为所有设备都属于同一家企业,并都由这家企业进行配置。静态密钥能为大多数应用提供足够的安全性。

ZigBee联盟成立于2002年,主要负责维护和更新标准。该联盟成员包含数百家公司,包括组件制造商,例如Analog Devices和Texas Instruments;网络设备供应商包括思科和华为;以及ZigBee产品的最终用户,例如Kroger和Pacific Gas及Electric。

蓝牙

蓝牙被设计用于与802.11p或ZigBee非常不同的应用,但与二者一样,它是无线的,并可以作为IoT的最后一块跳板。它最初被设计用来消除连接耳机和手机之间的电线。蓝牙不需要支持802.11p的1000米范围或者ZigBee网络的范围,目前的蓝牙标准规定了100米最大距离,其用例扩展到可携带设备,例如医疗设备,或者消除在房间内部署扬声器电线的需要。

与802.11p和ZigBee不同,对于蓝牙,我们不需要连接大量设备。蓝牙网络最多只能连接8台设备,其中一台作为控制器,其余七台受其控制。

IoT将通过专有网络技术连接很多其他设备类型。802.11p、ZigBee和Bluetooth只是用来部署IoT的部分网络,但它们显示了其设计者如何修改现有技术或者发明新的技术来满足特定的应用需求的。

关键词:ZigBee 物联网 专有网络 IEEE

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