Mit der rasanten Entwicklung der Informationstechnologie nimmt die Abhängigkeit der Übertragung privater und geschäftlicher Daten von drahtlosen Kommunikationsnetzen deutlich zu, und damit steigt auch die Aufmerksamkeit für Sicherheitsfragen des Kommunikationssystems selbst rapide an. Wie in Abbildung 1 dargestellt, basiert der Informationssicherheitsmechanismus des traditionellen Kommunikationssystems auf dem 7-Schichten-Protokoll der Open System Interconnection (OSI) und ist auf der Netzwerkschicht sowie den darüber liegenden Schichten etabliert. Seine Kerntechnologie ist der Schlüsselverschlüsselungsmechanismus. Voraussetzung ist, dass die zugrunde liegende physikalische Schicht des Protokolls reibungslose und fehlerfreie Übertragungsverbindungen bereitstellt; dennoch haben Fragen der Informationssicherheit auf der physikalischen Ebene bislang nicht genügend Beachtung gefunden. Aufgrund der Offenheit und Vielseitigkeit der Übertragungsumgebung für elektromagnetische Signale kann jedoch jeder Dritte mit geeigneter Ausrüstung innerhalb der effektiven Reichweite der Sendeleistung unbemerkt auf das Netzwerk zugreifen, um Informationen anderer Personen zu stehlen, was die Privatsphäre und Sicherheit der drahtlosen Kommunikation ernsthaft gefährdet und eine enorme Bedrohung darstellt. Angesichts der Geschwindigkeit der drahtlosen Datenübertragung, der Diversifizierung drahtloser Dienste und der Ausweitung drahtloser Anwendungen lassen sich die durch Informationsdiebstahl verursachten Schäden und Verluste nur schwer abschätzen. Daher sind die Probleme der Informationssicherheit auf der physikalischen Ebene bei drahtlosen Kommunikationsnetzen im Vergleich zu kabelgebundenen Netzwerken, deren physikalische Übertragungsmedien relativ geschlossen sind, gravierender, und Forschung sowie Verbesserungen in diesem Bereich sind dringend erforderlich.
Einführung in Sternnetzwerke
Bei einer Sterntopologie ist jeder Knoten im Netzwerk über eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung mit einem zentralen Knoten verbunden, und der zentrale Knoten leitet die Informationen an den Zielknoten weiter. Die Stern-Netzwerktopologie ist in der folgenden Abbildung dargestellt:
1. Damit zwei beliebige Knoten im Sternnetzwerk miteinander kommunizieren können, müssen sie vom zentralen Knoten gesteuert werden. Daher hat der zentrale Knoten drei Hauptfunktionen:
(1) Wenn die Station, die eine Kommunikation benötigt, eine Kommunikationsanfrage sendet, prüft die Steuerung, ob der zentrale Knoten über einen freien Kanal verfügt und ob das angerufene Gerät im Ruhezustand ist, und ermittelt so, ob eine physikalische Verbindung zwischen den beiden Parteien hergestellt werden kann;
(2) Dieser Kanal muss während des Kommunikationsvorgangs zwischen den beiden Geräten aufrechterhalten werden, um die Zuverlässigkeit der Datenübertragung zu gewährleisten;
(3) Wenn die Kommunikation abgeschlossen ist oder fehlgeschlagen ist und eine Trennung erforderlich ist, sollte die zentrale Vermittlungsstelle in der Lage sein, den oben genannten Kanal zu entfernen.
Im Vergleich zu einem Ringnetz, bei dem der Ausfall eines Knotens zum Stillstand des gesamten Netzwerks führt und es schwierig ist, Fehler an den Verzweigungsknoten zu lokalisieren, ermöglicht ein Sternnetz eine zentralisierte Steuerung, da die Kommunikation zwischen den Endknoten über den zentralen Knoten laufen muss. Aufgrund dieser Eigenschaft bietet es zudem Vorteile wie einfache Wartung und Sicherheit. Wenn ein Endknoten aufgrund eines Ausfalls ausfällt, hat dies keine Auswirkungen auf die Kommunikation zwischen anderen Endnutzern. Die Netzwerkverzögerung ist gering und die Systemzuverlässigkeit hoch.
2. Die wichtigsten Vorteile der Sterntopologie sind
(1) Einfache Verwaltung und Wartung. Da die gesamte Datenkommunikation über den zentralen Knoten läuft, kann dieser den gesamten Kommunikationsstatus erfassen.
(2) Erweiterung um Knoten, einfache Struktur und einfache Verlagerung. Im Vergleich zu anderen Netzwerktopologien lässt sich die Sterntopologie leicht verwalten und warten. Bei der Erweiterung um einen Knoten muss lediglich eine Verbindung zum zentralen Knotengerät hergestellt werden, und es kommt nicht wie bei einem Ringnetzwerk zu einer “Auswirkung auf das gesamte System”.
(3) Einfache Fehlerdiagnose und -isolierung. Da jeder Endknoten mit dem zentralen Knoten verbunden ist, lässt sich jeder Knoten bequem vom zentralen Knoten aus testen, und es ist zudem einfach, den fehlerhaften Knoten vom System zu trennen.
Da Sternnetzwerke die oben genannten Vorteile bieten, haben sie sich zu einer der am häufigsten verwendeten und bevorzugten Netzwerktopologien entwickelt. Allerdings stellt die Vermeidung von Kommunikationskonflikten zwischen mehreren Knoten in einem Sternnetzwerk mittlerweile das wichtigste Problem dar.
Sternförmige Vernetzungsmethode
In der Sterntopologie interagieren der zentrale Knoten und der Endknoten hauptsächlich auf die folgenden zwei gängigen Arten, um Kommunikationskonflikte zwischen den Knoten wirksam zu vermeiden. Zum einen handelt es sich um den aktiven Abfragemodus, zum anderen um den passiven Zeitscheibenmodus. Die Einführung und der Vergleich dieser beiden Netzwerkverfahren stellen sich wie folgt dar:
1. Aktives Abfrageverfahren
Im aktiven Abfrage-Modus verfügt jeder Endknoten über eine eigene eindeutige ID-Nummer. Der zentrale Knoten fragt die Endknoten nacheinander entsprechend ihrer ID-Nummer aktiv ab, ob Daten zu senden sind. Verfügt ein Endknoten über Daten, die an den zentralen Knoten gesendet werden sollen, beginnt der zentrale Knoten mit der Verarbeitung der empfangenen Daten. Die folgende Abbildung zeigt ein schematisches Diagramm des aktiven Abfrageverfahrens:
Vorteil
(1) Endknoten unterliegen keinen zeitlichen Beschränkungen und sind flexibler;
(2) Wenn die Interaktion zwischen dem Endknoten und dem zentralen Knoten nur selten stattfindet, gibt es theoretisch keine Vorgaben hinsichtlich der Länge und der Dauer der übertragenen Daten;
(3) Das Netzwerk weist eine hohe Stabilität auf. Das passive Zeitscheibenverfahren stellt höhere Anforderungen an die Konsistenz der Quarzoszillatoren der einzelnen Knoten, während das aktive Abfrageverfahren die Kommunikation der einzelnen Knoten auch bei geringfügigen Abweichungen des Quarzoszillators nicht beeinträchtigt; ;
(4) Die Programmstruktur ist einfacher, übersichtlicher und leichter verständlich als bei der passiven Zeitscheibenmethode;
Mangel
(1) Wenn ein Endknoten kontinuierlich Daten sendet, wirkt sich dies unmittelbar auf die Kommunikation zwischen anderen Endknoten und dem zentralen Knoten aus, was dazu führen kann, dass andere Endknoten nicht mehr normal mit dem zentralen Knoten kommunizieren können.
(2) Da der Endknoten nicht über die Funktion verfügt, Daten aktiv zu senden, muss er vom zentralen Knoten abgefragt werden, bevor er Daten senden kann. Daher kann ein Endknoten, der noch nicht abgefragt wurde, Daten nicht sofort senden, selbst wenn er über Daten verfügt. .
(3) Je mehr Endknoten sich im Netzwerk befinden, desto länger dauert es, bis der zentrale Knoten die Endknoten einmal abgefragt hat, und desto größer ist die Netzwerkverzögerung.
2. Passives Zeitscheibenverfahren
„Passiver Zeitschlitz“ bedeutet, dass der zentrale Knoten regelmäßig die Zeit aller Endknoten im Netzwerk synchronisiert. Ein Endknoten kann Daten nur innerhalb seines eigenen Zeitschlitzes senden, der nicht länger sein darf als die vom System zugewiesene Zeit. Es muss sichergestellt werden, dass die Aufgabe innerhalb der dafür erforderlichen Zeit ausgeführt wird. Wenn der Zeitpunkt gekommen ist, können Sie die auszuführende Aufgabe eingeben.
Vorteil
(1) Die Kommunikationseffizienz des passiven Zeitschlitzverfahrens ist höher, da die Zeit eingespart wird, die beim aktiven Abfrageverfahren für die Abfrage durch den zentralen Knoten benötigt wird. Da das aktive Abfrageverfahren erfordert, dass der zentrale Knoten während der Kommunikation die Endknoten der Reihe nach anhand ihrer ID-Nummer abfragt, um sicherzustellen, dass die Daten der einzelnen Knoten nicht miteinander in Konflikt stehen und die Zuverlässigkeit des Netzwerks gewährleistet ist, ist der Abfragevorgang jedoch aus Sicht der Datenübertragung “ungültig”, wenn keine gültigen Daten ausgetauscht werden.
(2) Die Zeitscheibe jedes Endknotens kann festgelegt werden, was eine größere Flexibilität bietet;
(3) Aufgrund des Zeitscheibenmechanismus sind die einzelnen Endknoten voneinander unabhängig, wodurch der Datenaustausch geordneter verläuft;
Mangel
(1) Beim Schreiben eines Programms muss die Zeitscheibe sinnvoll festgelegt werden, und die Zeit, die jedem Endknoten für die Interaktion mit dem zentralen Knoten zur Verfügung steht, ist relativ streng begrenzt. Eine zu kurze Zeitscheibe führt zu zu vielen Unterbrechungen und Taskwechseln, was die CPU-Effizienz verringert; eine zu lange Zeitscheibe kann zu einer schlechten Reaktion auf Interaktionsanfragen der Endknoten führen;
(2) Der zentrale Knoten muss regelmäßig Synchronisationsbefehle senden, um zu verhindern, dass die Zeitangaben der einzelnen Knoten aufgrund von Abweichungen der Quarzoszillatoren zwischen den Endknoten nicht mehr synchron sind. Wenn der zentrale Knoten keine Synchronisationsbefehle sendet, kann dies zu Zeitfensterverwechslungen, Datenübertragungsfehlern oder sogar zu einem Netzwerkausfall führen.
(3) Die Daten jedes Endknotens können nur innerhalb seines eigenen Zeitschlitzes gesendet werden. Werden die Daten nicht innerhalb des festgelegten Zeitschlitzes gesendet, kann der Knoten nur warten, bis der nächste Zeitschlitz beginnt, um mit dem Senden fortzufahren.
Im Allgemeinen eignet sich das aktive Abfrageverfahren für Situationen, in denen die Echtzeitanforderungen nicht hoch sind und das Datenübertragungsvolumen jeweils groß ist. Das passive Zeitscheibenverfahren eignet sich eher für Situationen, in denen die Echtzeitanforderungen hoch sind und das Datenübertragungsvolumen gering ist.
Weiterführende Literatur:
Wyner schlug 1975 das WTC-I-Modell vor. Im WTC-I-Modell empfangen der rechtmäßige Empfänger und der illegale passive Lauscher gleichzeitig die vom Sender gesendeten Daten. Wie in Abbildung 2 dargestellt, gilt unter der Annahme, dass die Kanalqualität des illegalen passiven Abhörers schlechter ist als die des Hauptkanals – das heißt, die Kanäle der rechtmäßigen Kommunikationspartner müssen qualitativ überlegen sein –, ohne auf gemeinsame Schlüssel zurückzugreifen, die Übertragungsrate die sichere Kapazität nicht überschreitet. Unter dieser Voraussetzung lässt sich durch ein geeignetes Sicherheitscodierungsschema eine vollkommen geheime Kommunikation erreichen. Darüber hinaus erfordert die von Maurer befürwortete Technologie der schlüsselgestützten sicheren Übertragung auf der physikalischen Ebene die Generierung von Schlüsseln auf der Grundlage von Kanalcharakteristika. Obwohl sie das Problem der Schlüsselverteilung und -verwaltung lösen kann, muss sie dennoch mit Verschlüsselungstechnologie der oberen Schichten kombiniert werden, um eine sichere Kommunikation zu erreichen. Es handelt sich um eine Art schichtübergreifende sichere Kommunikationstechnologie. [0004] ZigBee ist ein Protokoll für lokale Netzwerke mit geringem Stromverbrauch, das auf dem IEEE 802.15.4-Standard basiert. Die ZigBee-Technologie ist eine drahtlose Kommunikationstechnologie für kurze Entfernungen und geringen Stromverbrauch. Sie zeichnet sich durch kurze Reichweite, geringe Komplexität, Selbstorganisation, geringen Stromverbrauch und niedrige Datenrate aus. Sie eignet sich vor allem für den Einsatz in den Bereichen Automatisierung und Fernsteuerung und lässt sich in verschiedene Geräte integrieren. Die ZigBee-Technologie verfügt über leistungsstarke Netzwerkfunktionen und kann Stern-, Baum- und Maschennetzwerke bilden. Je nach den tatsächlichen Projektanforderungen kann die geeignete Netzwerkstruktur ausgewählt werden. Wie in Abbildung 3 dargestellt, werden bei Verwendung einer Sterntopologie (z. B. bei einem drahtlosen Smart-Home-System oder einem drahtlosen intelligenten landwirtschaftlichen Überwachungssystem) alle Verbindungen zwischen gewöhnlichen Endknoten (z. B. intelligenten drahtlosen Endgeräten) und einem zentralen Steuerknoten (z. B. einem drahtlosen intelligenten Gateway) hergestellt; der zentrale Steuerknoten wird als PAN-Koordinator bezeichnet.Der zentrale Steuerknoten ist die Hauptsteuerung des gesamten ZigBee-Netzwerks und zugleich der
Es handelt sich um eine Brücke für die interne Netzwerkkommunikation. Sie verfügt über eine große Speicherkapazität und hohe Rechenleistung und kann über eine stabile Stromversorgung über einen langen Zeitraum mit Strom versorgt werden. Zwischen dem Endknoten und dem zentralen Steuerknoten kann eine Datenübertragung in beide Richtungen (Uplink und Downlink) erfolgen. Sie zeichnet sich durch geringe Kosten, geringen Speicherplatzbedarf und geringe Rechenleistung aus und wird mit Batterien betrieben. Die Endknoten können lediglich die gesammelten relevanten Informationen an den zentralen Steuerknoten senden oder die vom zentralen Steuerknoten gesendeten Steuerinformationen empfangen. Ist eine Datenübertragung zwischen Endknoten erforderlich, muss diese über den zentralen Steuerknoten weitergeleitet werden. [0005] Es ist ersichtlich, dass der zentrale Steuerknoten und die Endknoten des ZigBee-Netzwerks typische “asymmetrische” Eigenschaften hinsichtlich der Bereitstellung von Ressourcen (wie Speicherplatz, Rechenleistung und Energie) aufweisen. Es wird eine zentralisierte Kommunikationssteuerungsstrategie angewendet, und die gesamte Kommunikation wird von einem zentralen Knoten gesteuert. Zwischen dem Endknoten und dem zentralen Steuerknoten besteht eine bidirektionale Kommunikation. Im Allgemeinen wird die Kommunikationsverbindung vom Endknoten zum zentralen Steuerknoten als Uplink bezeichnet; die Kommunikationsverbindung vom zentralen Steuerknoten zum Endknoten wird als Downlink bezeichnet.
Schlüsselwörter: Server mit serieller Schnittstelle
