第２＂００ ７签旁期 年１２月 计算机技术与发展 ∞ⅣｌＰＵＴＥＲ ＴＥＣＨＮＯＬ（ＸｊＹ ＡＮＤ Ｉ）ＥＶＥＩ
．ＯＰＭＥＮＴ Ｖｏ１．１７ Ｎｏ．１２ Ｄｅｃ． ２００７
增强安全性的ＩＥＥＥ８０２．１ ５．４协议研究
杨剑，杨铭熙，李腊元
（武汉理工大学计算机科学与技术学院，湖北武汉４３００７０）
摘要：ＩＥＥＥ ８０２．１５．４标准因其低速率、低成本、低功耗、高质量，被认为是无线传感器网络和无线个人域网络的理想实 现技术。简要介绍了无线传感器网络及其主要特点和问题，及无线传感器网络的安全需求。提出了增强安全性的 ＩＥＥＥＳ０２．１５．４协议ＳＥ—ＩＥＥＥＢ０２．１５．４研究，其中使用公钥加密算法ＥＣＣ来实现ＩＥＥＥ８０２．１５．４协议的数字签名。最后 采用ＮＳ一２平台对其进行仿真，并进行了性能和安全性的分析。 关键词：无线传感器网络；ＩＥＥＥ８０２．１５．４；仿真；ＥＧＣ；安全 中图分类号：１］Ｐ３９３．Ｏ８ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—６２９Ｘ（２００７）１２—０１３６一Ｏ４
Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｓｅｃｕｒｉｔｙ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ＩＥＥＥ８０２．１５．４ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ
ＹＡＮＧ Ｊｉａｎ，ＹＡＮＧ Ｍｉｎｇ，ｘｉ，ＬＩ Ｌａ—ｙｕａｎ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．，ＷＩＩｈａｎ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｔｅｃｈ．，Ｗｕｈａｎ ４３００７０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ｌｏｗ ｒａｔｅ，ｌｏｗ ｃｏｓｔ，ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｑｔｍｌｉｔｙ，ＩＥＥＥ ８０２．１５．４ ｓｔａｎｄａｒｄ ｉｓ ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ ｔｏ ｂｅ ｔｈｅ ｉｄｅａｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｏ ｉｍｐｌｅｎａｅｎｔ ｗｉｔｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋｓ ａｎｄ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｐｅｒｓｏｎａｌ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ａｔ ｆｉｒｓｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｓ ａｎｄ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｏｆ ｗｉｔｌｅｓｓ Ｓｅｒｌｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｔｈｅｎ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｄｅｍａｎｄｓ ｏｆ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｌ￣ｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ．Ａｎｄ ｔｈｅｎ ｐｒｏｐｏｓｅ ａ ｎｅｗ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｅｎｈａｎｃｅｄ ＩＥＥＥ８０２．１５．４ ｐｒｏｔｏｃｏ１．Ｉｎ ｔｈｅ ｎｅｗ ｐｒｏｔｏｃｏｌ，Ｕｓｅ ＥＣＣ ｔｏ ｒｅａｌ￣ｅ ｄｉｇｉｔａｌ ｓｉｇｎａｔｕｒｅ，ｗｈｉｃｈ ｅｎｅｒｙｐｔｉｏｎ ｋｅｙ ｉｓ ｓｍａｌ１． ｅｒ ｔｈａｎ ＲＳＡ．Ａｔ ｌａｓｔ ａｄｏｐｔ ＮＳ一２ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｔｏ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅｍ ａｎｄ ｍａｋｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ；ＩＥＥＥ８０２．１５．４：ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ＥＣＣ；ｓｅｃｕｒｉｔｙ
802.15.4协议简介
IEEE802.15.4 简介
原⽂资料：
概述：
为什么选择802.15.4？
LR-WPAN的⼯业化标准；
基于DSSS传输，可以与WLAN共存；GTS⽤于实时应⽤；
提供安全机制。
与蓝⽛、WLAN的对⽐
802.15.4（zigbee)802.15.1（蓝⽛）802.11（WLAN)⼯作频段2.4GHz/868MHz/915MHz2.4GHz2.4G 5G峰值速率259kb/s720kb/s450Mb/s调制⽅式DSSSFHSSDSSS,OFDM覆盖范围10~75m<10m100m拓扑结构星型、点对点、簇树及混合点对点主从AC-AP,胖AP，MESH实时特效否是是接⼊⽅式CSMA/CA轮询-答复CSMA/CA纠错机制差错检测/重传前向纠错差错检测/重传业务范围数据数据+语⾳多种
802.15.4的结构
应⽤层、⽹络层、MAC层、PHY
802.15.4的主要特征
低速率（250/40/20 kb/s）、短距离、低功耗、低内存、低价、星型/点对点/簇树拓扑结构，CSMA/CA 信道接⼊、动态设备地址
PHY 概述
PHY的职责
Activation and deactivation of the radio transceiver
ED(Energy Detection) within the current channel
LQI(Link Quality Indication) for received packets
CCA(Clear Channel Assessment) for CSMA/CA
Channel frequency selection
Data transimssion and reception
PHY Packet Fields
Preamble 32bits
Start of packet Delimiter 8bits
Phy Header 8 bitsPSDU 0~1016bits
802.15.4协议规范（物理层）
802.15.4协议规范（物理层）
IEEE802.15.4-2003协议规范规定了⼀个MAC层和两个PHY层。802.15.4的主要协议框架如图所⽰。这边只介绍物理层。
802.15.4协议架构
1．协议概述
在LR WPAN（⽆线个⼈区域⽹）中，存在两种不同类型的设备，⼀种是完整功能设备（FFD），⼀种是简化功能设备（RFD）。FFD可以同时和多个RFD或FFD进⾏通信，所以常作为协调器，⽽RFD只能和⼀个FFD进⾏通信。⼀个⽹络中⾄少有⼀个FFD作为PAN 主协调器。LR WPAN⽹络中根据不同需要有两种⽹络拓扑结构：星型拓扑结构和对等拓扑结构。星型拓扑结构由⼀个叫做PAN主协调器的中央控制器和多个从设备组成，主协调器必须是⼀个具有完整功能的设备，从设备可以是FFD也可以是RFD。在对等拓扑结构中，每⼀个设备都可以与在⽆线通信范围内的其他任何设备进⾏通信，任何⼀个设备都可以定义为PAN 主协调器。⽆论是星型拓扑还是对等拓扑⽹络结构。每⼀个独⽴的PAN都以⼀个标识符以确保唯⼀性。在设备发起连接时，可采⽤64位的长地址，只有在连接成功时，系统分配了PAN的标识符后，才能采⽤16位的短地址码进⾏连接。
在LR WPAN中，允许有选择性的使⽤超帧结构，超帧的格式由主协调器来定义，它分为16个⼤⼩相等的时隙，其中第⼀个时隙为PAN的信标帧。任何从设备如果想在两个信标之间的竞争接⼊期间（CAP）进⾏通信，则需要使⽤具有时隙和免冲突载波检测多路接⼊（CSMA CA）机制同其他设备进⾏竞争通信。
在⼀些特殊情况下，可采⽤PAN主协调器的超帧中的⼀部分来完成这些特殊要求。这部分称为保护时隙（GTS）。多个保护时隙构成⼀个免竞争时期（CFP），但最多可分配7个GTS。因为有⾜够的CAP空间保证为其他⽹络设备和其他希望加⼊⽹络的新设备提供竞争接⼊的机会。有⽆GTS的超帧结构分别如下所⽰。time
ieee15.4标准
IEEE 802.15.4标准是一种针对低速、低功耗无线个人局域网（WPAN）的通信技术标准。它主要应用于物联网、传感器网络、工业自动化等领域，为这些领域提供了一种低成本、低功耗、低速率的无线通信解决方案。
IEEE 802.15.4标准的核心特性包括低功耗、低数据速率、低成本和简单的网络拓扑结构。这些特性使得它非常适合于需要长时间运行、节点分布广泛、通信距离较短的应用场景。在物联网中，大量的传感器和执行器需要长时间运行，而且它们通常需要距离较近的通信。IEEE 802.15.4标准正是为这样的场景而设计的。
在IEEE 802.15.4标准中，定义了两种工作模式，非信标模式和信标模式。非信标模式下的设备可以在任何时间进行通信，而信标模式下的设备则需要按照信标的时间进行通信。这种灵活的工作模式设计，使得IEEE 802.15.4标准可以适应不同的应用场景，既可以满足实时性要求较高的应用，也可以满足对功耗要求较高的应用。
IEEE 802.15.4标准还定义了多种物理层和介质访问控制层的选择，包括2.4GHz频段和868/915MHz频段的物理层，以及CSMA/CA和时间分割多址访问的介质访问控制层。这种灵活的选择机制，使得IEEE 802.15.4标准可以在不同的频段和不同的环境中工作，从而更好地适应不同的应用场景。
除了上述核心特性外，IEEE 802.15.4标准还定义了网络拓扑结构、数据格式、安全机制等内容，为用户提供了完整的通信解决方案。用户可以根据自己的需求选择合适的网络拓扑结构，可以灵活地定义数据格式，还可以根据需要启用安全机制，保护通信内容的机密性和完整性。
总的来说，IEEE 802.15.4标准是一种非常适合于物联网、传感器网络、工业自动化等领域的无线通信技术标准。它的低功耗、低成本、灵活的工作模式和丰富的功能特性，使得它可以满足不同应用场景的需求，为各种设备之间的无线通信提供了可靠的解决方案。随着物联网、传感器网络等应用的不断发展，IEEE 802.15.4标准必将发挥越来越重要的作用，成为这些领域中的重要技术基础。
