用於在網狀網絡中提供安全數據傳送的方法

2023-05-21 12:03:16 2

專利名稱：用於在網狀網絡中提供安全數據傳送的方法
技術領域：
本發明涉及網絡中數據的傳送。更具體而言，它涉及在網絡中使
用多跳(multi-hop)傳送來安全傳送數據。
背景技術：
與有線網絡相比，無線網絡具有許多優點，而對網絡節點之間通 信的管理對無線網絡的成功很重要。在包括大量節點的網絡中，通常 兩個節點不在對方的傳輸範圍內，因此，這兩個節點之間的數據傳送 涉及許多以多跳傳送轉發該數據的中間節點。在EP 0637152中，描 述了用於在大型網絡中的源節點與目的地節點之間多跳傳送數據的許 多算法。
多跳傳送具體涉及包括低功率設備的網絡，所述低功率設備具有 低發射功率和小型天線，因此限制了設備的通信範圍。這種網絡對於 在智能住宅中連接電子設備的網絡具有特殊的關聯性，其中，住宅設 備連接的電子設備可以彼此以及與用戶進4亍通信。例如，電水箱、火 災報警器和門鎖全都可以連結到網絡位標器(coordinator)，而網 絡位標器接著通過網際網路連接遠程地點中的用戶。涉及包括大量低功 率節點的短程網絡的其他示例是商業和軍事通信。這些網絡中的設備 可以依靠標準的非可充電的電池來運行，所述電池很便宜且具有長久 的電池壽命，以使網絡能維持下去。多跳傳送在這種網絡中涉及許多 問題。首先，可以在網絡的每個節點竊聽數據，而使用增強安全性的 加密技術導致增大數據的傳輸量，且發送和接收的節點都需要更多的 處理能力。附加處理導致功耗增大，其在低功率網絡中未必是適宜的。 複雜的加密技術還導致養護費用更加高昂以及節點設備更加昂貴。而 且，加密密鑰必須以某種方式傳送給目的地節點，而密鑰如果通過要 求其轉發消息的每個節點轉發，則安全性受到損害。

發明內容
本發明設法解決這些問題。根據本發明，提供一種在網絡的源節點與目的地節點之間傳輸包 括有序數據部分序列的方法，該方法包括從多個不同的路由中給每個 數據部分分配路由，並基於分配的路由和順序在特定的時間傳輸每個 數據部分，從而在目的地節點按照有序的序列接收這些數據部分。
因此，不必使用加密，且數據部分可以按次序接收。因此，可以 使用較少的處理能力把消息一同送回。而且，網絡中可以竊聽完整消 息的唯一位置就在目的地節點的精確位置。
而且，在本發明的一個實施例中，給來自有序序列開端的數據部 分分配比來自有序序列結尾的數據部分更長的路由。因此，降低了消 息的總傳輸時間。
此外，根據本發明，提供一種適於在包括多個節點的無線網絡中 使用的設備，所述節點用於通過網絡向目的地節點傳輸包括序列有序 數據部分的消息，所述設備包括傳輸裝置，用於基於分配的路由和順 序，沿分配給數據部分的不同路由和在不同的時間傳輸每一數據部 分，從而在目的地節點按照有序的序列接收數據部分。


現將通過示例參照附圖更加詳細地描述本發明實施例，其中
圖1是適用於無線網絡的低功率設備的示意圖2是適於無線網絡的低功率設備的另一示意圖3例示了圖l和圖2所示設備中的協議層；
圖4例示了根據本發明一個實施例的在無線網絡節點之間發送的
數據單元的結構；
圖5例示了在網絡兩個節點之間傳輸數據的不同路由；圖6示出了列出網絡兩個節點之間可能路由的數據表的示例；
圖7示出了列出消息的多個數據部分、與每個部分和每個數據部
分的傳輸時間相關聯的路由數據的數據表實例；
圖8是示出了根據圖7中數據的每個數據部分的傳輸時間和到達
時間的圖表；
圖9示出了列出消息的多個數據部分、與每個數據部分和每個數 據部分的傳輸時間相關聯的路由數據的數據表的另一示例；
圖IO是示出了根據圖9中數據的每個數據部分的傳輸時間和到
達時間的圖表；以及
圖11例示了本發明一個實施例中的在網絡兩個節點之間傳輸數 據的不同路由。
具體實施例方式
參照圖1，示出了提供用於在短程網絡中進行通信的節點的設備 1。該節點可以連接到住宅中使用的機頂盒，用於控制將電子設備連 在一起的短程網絡，或者可以是短程網絡用戶攜帶的便攜設備的一部 分。設備1包括用於發射和接收射頻信號3的短程收發機2、中央處 理單元4、內存(ROM) 5、存儲器(RAM) 6和用於與其他節點進行同 步的內部時鐘7。在一個實施例中，設備l還包括用於與用戶進行通 信的輸入設備8和顯示器9。設備還連接電池(未示出)。網絡需要 至少一個節點充當網絡位標器。用戶可以使用輸入設備8和顯示器9 與網絡位標器進行通信，籍此控制網絡。可替換地，用戶可以使用移 動電話或Bluetooth (藍牙)設備與網絡位標器進行通信。因此，在 替換實施例中，位標器不必包括輸入設備8和顯示器9。
設備l可以用作網絡位標器。網絡位標器可以擁有與網絡的另一 個節點相比增強的功能。例如，網絡位標器需要更多的內存和存儲器， 以便設置網絡、初始化連接於網絡且存儲網絡中每個節點的有關信息 的設備。參照圖2，示出了未充當網絡位標器的設備的示例。設備IO 包括用於接收和發射射頻信號3的短程收發機11、中央處理單元12、 內存(ROM) 13、存儲器(RAM) 14和時鐘15。然而，處理單元12可 以具有比設備l的處理單元4低的處理能力，而且設備10的內存13 和存儲器14小於設備1的內存5和存儲器6。因此，設備10可以具 有比設備l低的功耗，從而其元件可以更便宜。根據本發明，設備l 和設備10在網狀網絡中進行通信，即，每個設備，I或IO，可以與 傳輸範圍內的另一設備，10或l，直接進行通信。
優選地，設備10和設備1兼容ZigBee標準。然而，這些設備還 可以兼容其他的標準，例如HomeRF、藍牙和IEEE 802. llx。根據ZigBee 標準，可以無線連接255個設備來形成一個網絡，不過可以使用多個 ZigBee網絡來無線連接更多的設備。設備可以工作在2. 4GHZ、 915MHz 和/或868MHz的射頻頻帶，分別支持250千比特/秒(kbps ) 、 40 kbps
和20 kbps的原始數據傳輸速率，具有一般10-75米之間的傳輸範 圍。然而，為了降低節點的造價，傳輸範圍可以在2~5米之間。ZigBee 標準的概要可以經由www. zigbee. org的全球資訊網獲取，或從ZigBee聯 盟(Bishop Range, 22694 Bishop Drive, Suite 275， San Ramon, CA 94583， USA)中獲取。
在本發明的一個實施例中，設備1和設備IO是根據ZigBee標準 進行操作的ZigBee設備。ZigBee設備的協議層結構如圖3所示。設 備根據基於為短程低功率設備開發的IEEE 802. 15. 4標準的協議來工 作。此標準包括控制設備間通信的物理(PHY)層16。 PHY協議定義 了在設備之間發送的數據的整體結構，其也稱為物理層協議數據單元 (PPDU)，如圖4所示。PPDU包括通過MAC協議層17定義的MAC (媒 體訪問控制)協議數據單元。Mac協議層17定義了在數據單元中傳輸 的數據類型，並提供加密算法。根據ZigBee標準，協議堆棧還包括 網絡(NWK)層18和應用支持(APS)層19。 NWK層18包括用於以下 方面的協i義建立網絡、加入和離開網絡、啟用位才示器分配i殳備的網 絡地址、將幀路由到它們的預定目的地、以及對輸出幀施加安全措施 和去除輸入幀的安全措施。MAC層17處理單跳傳送的安全性，而網絡 層18處理多跳傳送的安全性。應用支持層19控制確定哪些其他的設 備工作在設備的個人工作空間且基於它們的業務和需求用於將兩個或 更多的設備匹配在一起的能力。最後一層即應用層20，允許製造商定 義應用對象和實現才艮據ZigBee描述的應用說明的應用。應用層還包 括負責定義網絡節點的角色的ZigBee設備對象，即，網絡中哪個節 點是位標器，哪些節點是端節點。
數據優選按照圖4所示的物理層協議數據單元(PPDU)在網絡節 點之間發送。PPDU包括同步報頭，其包括前同步碼21和幀間隔符22。 前同步碼是一串1和0，用於報告消息已經開始傳輸。幀間隔符22宣 布消息的開始。物理報頭包括規定剩餘消息長度的欄位23。數據單元 的剩餘字節由MAC協議數據單元24中的MAC協議17來定義。它包括 報頭、有效負載和註腳。報頭包括幀控制欄位25,用於規定幀和控制 數據的類型。存在四種幀信標幀、數據幀、確認幀和MAC命令幀。 本發明使用數據幀在源節點與目的地節點之間傳輸數據。MAC報頭還 包括數據序列號26，用於檢查例如響應或命令引用了序列消息中的哪
個消息。確認幀始終具有與正在確認接收的幀相同的數據序列號。MAG 報頭還包括分別規定消息的源節點和目的地節點的64位地址的源地 址欄位27和目的地地址欄位28。可以使用更短的16位ZigBee地址， 以便降低傳輸的數據量。Mac註腳包括用於錯誤校驗的幀校驗序列。 最後，MAC有效負載包括實際數據31。在本發明的一個實施例中，MAC
有效負載單元還具有數據報頭，用於規定與數據單元相關聯的路由 數據29;以及控制數據30，用於規定與傳輸數據相關聯的附加數據。 下面將更詳細地論述欄位29和欄位30。
參照圖5，示出了具有位標器節點與節點a-e的網狀網絡，其中， 位標器節點包括設備l，節點a-e包括設備IO、 33~38。網絡中的節 點通過常規方法定期檢查到其他節點的距離。這些節點還向位標器傳 輸與到其鄰居的距離有關的信息，而位標器存儲有關網絡中相鄰節點
之間距離的信息。如果位標器是即將向目的地節點(d)傳送的消息 的源(s )，則位標器使用網絡層協議18來發現執行節點s與節點d 之間消息路由的算法。根據常規方法的示例，它應該記下目的地節點 的Z i gBee地址，根據MAC層協議17和網絡層協議18加密該消息， 向所有相鄰的設備傳輸該消息。與源節點(s)直接通信的節點接收 該消息，並檢查目的地地址28。如果設備知道到目的地節點的路由， 它們就向所有的相鄰設備傳輸該消息，並向源節點回送確認消息。可 替換地，可以開發源路由，其中，位標器鑑於每個路由的傳輸時間
(time-of-flight)和每個節點的數據速率能力，分析所有可能的路 由，找出最合適的路由，並將路由欄位29歸入規定該路由中包含的 節點的地址的數據報頭。沿該路由的節點檢查數據路由欄位，並將數 據轉發給沿該路由的下一節點。
根據本發明，位標器使用存儲的距離數據來確定到目的地路由的 多個可能路由，並計算數據沿每個具體路由從源節點到目的地節點的 傳輸時間。圖5示出了源節點s和目的地節點d之間的五個不同路由 A-E，其中每個路由A-E用時依次變長。然後位標器將消息排列成有 序的數據部分序列，這樣標記每個數據部分的順序，即可以一起送回
(put back)消息，給每一數據部分分配路由，將數據部分連同路由 數據29 —起添加給MAC數據幀的MAC有效負載31，並在正確的時間 傳輸每個數據單元，從而數據部分按照正確的順序出現在目的地節點。通過使用此方法，不需要加密，因為竊聽者能夠按照正確的順序 接收完整消息的唯一地方就是目的地設備的精確位置。因此，在目的 地節點幾乎不需要處理。大部分處理可以在控制器完成，而目的地設 備可以具有降低的功能和處理能力。
圖6示出了網絡中每一選定路由A-E的細節。大量的不同路由意 味著增強了安全性，因為如果每個數據部分採用不同的路由，則通過 竊聽足夠的數據來理解該消息是更加困難的。而且，兩個節點之間所 用路由的選擇可以針對每個消息進行更新，使得竊聽消息愈發困難。 圖6中的表存儲在控制器的RAM中。第一列39列出了每個路由的標 識數據，第二列40列出了沿該路由發送數據要花費的時間。 一般網 絡平均兩個節點之間的傳輸時間為幾個毫秒。由於沿該路由的節點只 是轉發數據，所以每個節點給數據增加了微乎其微的傳輸時間的系統 開銷。最快與最慢路由之間的延遲可以小於100ns。列40中的值僅僅 出於直觀的目的，並以納秒為單位給出。第三列41列出了位於每個 路由中的網絡節點。分配給每個部分的路由可以隨機選擇，或根據優 選算法來選擇。
圖7示出了列出以下內容的數據表行42，為所有的部分；行43， 為給它們分配的路由；以及行44，為傳輸時間。這樣計算傳輸時間， 即這些部分按照正確的順序到達目的地節點。例如，連續的數據部分 到達目的地節點之間的時間周期，被選擇為至少4ns。為了降低發送 全套數據部分需要花費的時間，首先發送沿最長路由發送的數據部 分，而最後發送沿最短路由發送的數據部分。在圖7的示例中，路由 被隨機分配，在有序的數據部分序列中的第二部分即數據部分II，被 分配了最長的路由E。如果數據部分II的傳輸時間被定義為Ons，則 數據部分II就會在3090ns到達目的地節點。數據部分I是有序的數 據部分序列中的第一數據部分，需要在數據部分II之前至少4ns到 達目的地節點。因此，它需要在3086 ns到達。數據部分I已被分配 了時間花費3050ns的路由C。因此，數據部分I需要在36 ns被傳輸。
採用類似的分析來計算部分ni、 IV和V的傳輸時間。
在發送消息之前，每個數據部分的順序可以包括在數據報頭中的 數據控制欄位30中，從而接收設備可以檢查數據部分是按照正確的 順序被接收的。列41中規定的路由被歸入路由數據欄位29。因此，
接收數據部分的每個節點檢查目的地地址欄位，而且，如果目的地地
址不對應於該節點的地址，則它查閱路由數據29並將數據單元轉發 給沿該路由的下一節點。
圖8例示了根據圖7中數據的每個數據部分的傳輸時間和到達時 間。為了說明實際的傳輸時間而斷開時間軸，時間軸同時還具有在數 據傳輸和接收時刻時的高時間分辨。該圖表表示按照正確的順序在目 的地節點接收這些數據部分。還從圖8中顯示的是，首先發送沿最慢 路由E發送的數據部分II，而最後發送沿最快路由A發送的數據部分 IV。在此示例中，在首先傳輸的數據部分的傳輸與所有數據部分已被 接收時的時間之間的時間是3000102ns，而如果所有的部分沿最短路 由發送，則它將是3000030ns。因此，與如果所有的數據部分同時沿 最短路徑發送相比，消息被延遲72 ns。
此時間延遲可以被進一步降低，如果根據數據部分在有序數據部 分序列中的順序給它們分配路由的話。因為有序數據部分序列中的第 一個數據部分應該是在目的地節點接收的第一個數據部分，所以可以
用最長的路由發送第一個數據部分來降低時間延遲。來自有序序列結 尾的數據部分可以沿依次縮短的路由傳輸。圖9和圖IO例示了根據 此算法發送不同數據部分時它們的傳輸和到達時間。延遲的實際時間 將是最慢的部分到達需要花費的時間，如圖10所示。
圖ll還示出了網絡兩個節點之間的許多路由，其中，消息的源 節點或目的地源都不是位標器。源節點包括類似於設備10的設備35， 而目的地節點包括設備IO。根據本發明的一個實施例，設備35從位 標器即設備1請求路由信息。位標器向設備35發送包括圖9所示的 表的信號45。源節點將消息排列為數據的五個部分，並根據在從位標 器接收的表中所包含的路由信息傳輸每個數據部分。可替換地，位標 器可以向源節點只發送圖6所示的表，如果源節點具有計算每個數據 部分的傳輸時間以及分配有關路由的足夠處理能力的話。
根據本發明的方法和設備能被使用的示例涉及節點附著到建築物 中的照明開關、門鎖和電子器具的辦公建築物。網絡的位標節點可以 附著到這建築物中央位置的設備上。在建築物工作的人這樣配置她的 個人設備35，即當她早晨進入建築物時，她辦公室的門被開啟，電燈 被打開。同樣地，當她離開建築物時，她辦公室的門被鎖上，電燈被
關掉。因此，她的便攜設備需要向她辦公室的門所附著的節點發送安 全口令，以便使門鎖上/開啟。因此，當辦公室人員進入建築物的大 門時，消息被傳輸到網絡的位標器，請求便攜節點與辦公室門所附著
的節點之間的路由信息。位標器向便攜設備35發送更新的路由信息。 可以在工作人員改變其最後工作位置時改變網絡節點在建築物中的位 置，繼而路由信息可以改變。便攜設備35沿路由A~E向辦公室門所 連接的目的地節點IO發送口令和指令。節點IO按照正確的順序接收 這些部分，並讀取口令和指令。因此，當用戶到達他的辦公室時，門 #1開啟，電燈被打開。
本發明實施例的示例只是意味著說明本發明而非進行限制。可以 在所有各種專門網絡中採用本發明，而設備不需要根據ZigBee標準 來工作。
雖然權利要求在本申請中被明確表達為特徵的特定組合，但是應 該理解，本發明公開的範圍包括任何新穎特徵，或在此明確或隱含公 開的特徵的任何新穎組合，或特徵的歸納，而不論它是否與如任一權 利要求中目前所要求的相同的發明有關，並且不論它是否緩解了與本 發明所解決的相同的任何或全部技術問題。本申請在此聲明在本申 請或從其導出的任何進一步的申請的提交期間，新的權利要求可以被 明確表達成這種特徵和/或這種特徵的組合。
權利要求
1.一種在網絡的源節點(s)和目的地節點(d)之間傳輸包括有序數據部分序列(I-V)的消息的方法，所述方法包括向每個數據部分(I-V)分配多個不同路由(A-E)中的一個路由；以及基於分配的路由和順序在特定的時間傳輸每個數據部分(I-V)，從而在目的地節點(d)按照有序的序列接收這些數據部分。
2. 權利要求l的方法，還包括源節點(s)未處於目的地節點(d) 的傳輸範圍內，並且每個路由(A-E)包括至少一個用於轉發數據部 分的節點(a-c、 e-g)。
3. 權利要求2的方法，其中，所述數據部分包括規定了沿路由 (a-c、 e-g)的至少一個節點的地址的路由數據(29)。
4. 權利要求3的方法，還包括每個沿所述路由的至少一個節點 (a-c、 e-g)接收數據部分(I-V)，檢查與數據部分相關聯的所述路由數據(29),並向所述路由數據指示的下一節點轉發所述部分。
5. 權利要求4或5的方法，其中，數據部分和路由數據被包含 在媒體存取控制的數據幀(25-32 )中。
6. 前述任一權利要求的方法，其中，每個路由(A-E)通過考慮 到有關網絡節點之間距離的信息來選擇。
7. 前述任一權利要求的方法，其中，網絡具有位標器節點(1)， 而所述位標器在位標器節點的存儲器(6)中存儲了關於網絡節點之 間《巨離的信息。
8. 權利要求7的方法，其中，存儲在網絡位標器的所述信息響 應於網絡節點位置的變化而進行變化。
9. 權利要求7或8的方法，其中，所述源節點(s)不是網絡位 標器，源節點(s)請求從網絡位標器(1)向目的地節點(d)的路 由數據，並且位標器向源節點發送路由數據。
10. 權利要求9的方法，其中，路由數據包括多個源節點與目的 地節點之間的可用路由以及數據沿多個路由(39、 40、 41)中每個路 由的傳輸時間。
11. 權利要求10的方法，其中，路由數據還包括有關哪個路由 被分配給每個數據部分以及何時傳輸數據部分(42、 43、 44)中的每 個數據部分的信息。
12. 任何前述權利要求的方法，其中，首先傳輸分配了最長路由 的數據部分。
13. 任何前述權利要求的方法，其中，最後傳輸分配了最短路由 的數據部分。
14. 根據任何前述權利要求的方法，其中，路由根據數據部分在 有序的序列中的所述順序被分配給數據部分。
15. 根據權利要求14的方法，其中，給來自有序序列開端的數 據部分分配比來自有序序列結尾的數據部分更長的路由。
16. 根據任何前述權利要求的方法，其中，數據使用IEEE 802. 15. 4 的協議(16、 17)發送。
17. 根據任何前述權利要求的方法，其中，數據使用ZigBee標 準發送。
18. —種適於在包括多個節點的無線網絡中使用的設備(l、 10)， 所述節點用於通過網絡向目的地節點(d)傳輸包括有序的數據部分 序列(I-V)的消息，所述設備包括傳輸裝置(2、 11)，用於基於所述路由和順序沿不同的路由(A-E) 和在不同的時間傳輸每個數據部分(I-V)，從而在目的地節點(d) 按照有序的序列接收數據部分(i-v)。
19. 如權利要求18中的設備(1、 10)，還具有存儲裝置(6、 14)，用於儲存有關網絡各個節點之間距離的數據；計算裝置(4、 12)，用於計算沿網絡的源節點與目的地節點之間多個路由的傳輸時間；以及選擇裝置(4、 12)，用於為每個所述數據部分選擇路由；其中， 計算裝置還被配置成這樣計算每個數據部分的傳輸時間，即所述部分按照有序的序列達到目的地節點。
20. 根據權利要求18或19的設備(1、 10)，其中，所述設備 是ZigBee設備或藍牙設備。
21. 根據權利要求18或19的設備(1、 10)，其中，所述設備 根據IEEE 802. 15. 4的標準來工作。
22. —種包括如權利要求18-22中任一權利要求所要求的多個 節點的網絡。
23. 如權利要求22中的網絡，其包括網狀網絡。
24. 如權利要求22或23中的網絡，其中，所述多個節點包括位 標節點，用於在被請求時給其他節點提供路由信息。
全文摘要
網狀網絡包括多個數據節點(a-g，e)，其被配置成將數據直接傳送給傳輸範圍內所有的其他網絡節點(a-g，e)。本發明提供了一種使安全數據從一個節點向另一個節點傳送的方法。每個節點已經測量了到其鄰居的準確傳輸時間，並且此信息已被提供給位標器節點(1)或被提供給傳輸節點(s)。傳輸節點(s)可以確定沿若干通過網狀網的不同路由(A-E)的傳輸時間。這樣切割即將傳輸的數據，即首先發送採用最長路由(E)的數據，而最後發送採用最短路由(A)的數據。在接收端，數據按照重新安排的時間準確到達，因此不必採取解碼。這樣的好處在於，即使發送端(s)受到監控，數據(I-V)在其傳輸時就已經被分割，並且在接收端(d)，數據不能被翻譯，除非共同位於相同的接收點，因為那是數據在準確的時間同步瞬間到達的唯一地方。
文檔編號H04L29/06GK101099344SQ200580008467
公開日2008年1月2日 申請日期2005年3月2日 優先權日2004年3月17日
發明者A·S·利奇 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司