物联网技术导论（第2版21世纪高等学校物联网专业规划教材）

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第5章物联网通信技术 可靠通信是物联网的主要特征。物联网感知节点的多样性，决定了物联网通信方式的多样性。本章讲述物联网的主要通信技术，包括近距离无线通信技术、移动通信技术、卫星通信技术和以太网技术等。 5.1近距离无线通信技术 近距离无线通信技术是实现无线局域网、无线个人局域网中节点、设备组网的常用通信技术，用于将传感器、RFID以及手机等移动感知设备的感知数据进行数据汇聚，并通过网关传输到上层网络中。近距离无线通信技术通常有WiFi、蓝牙和ZigBee技术。 5.1.1WiFi技术 无线保真WiFi(Wireless Fidelity)技术是一种将PC、笔记本电脑、移动手持设备(如PDA、手机)等终端以无线方式互相连接的短距离无线电通信技术，由WiFi联盟于1999年发布。WiFi联盟最初为无线以太网相容联盟WECA(Wireless Ethernet Compatibility Alliance)，因此，WiFi技术又称无线相容性认证技术。 1. WiFi采用的协议标准 WiFi联盟主要针对移动设备，规范了基于IEEE 802.11协议的数据连接技术，用以支持包括本地无线局域网(Wireless Local Area Networks，WLAN)、个人局域网(Personal Area Networks，PAN)在内的网络。因此，WiFi常用的协议标准为： (1) 工作于2.4GHz频段，数据传输速率最高可达11Mb/s的IEEE 802.11b标准； (2) 工作于5GHz频段，数据传输速率最高可达54Mb/s的IEEE 802.11a标准； (3) 工作于2.4GHz频段，数据传输速率最高可达54Mb/s的IEEE 802.11g标准； (4) 工作于2.4GHz/5GHz频段，数据传输速率最高可达450Mb/s的IEEE 802.11n标准。 2. WiFi特点 与其他短距离通信技术相比，WiFi技术具有以下特点： (1) 覆盖范围广。开放性区域的通信距离通常可达305m，封闭性区域的通信距离通常在76~122m。特别是基于智能天线技术的IEEE 802.11n标准，可将覆盖范围扩大到10km2。 (2) 传输速率快。基于不同的IEEE 802.11标准，传输速率可从11Mb/s到450Mb/s。 (3) 建网成本低，使用便捷。通过在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”(HotSpot)，即无线接入点AP(Access Point)，任意具备无线接入网卡的设备均可利用WiFi技术实现网络访问。目前，WiFi技术在全球拥有超过7亿用户和超过750万个WiFi热点。 (4) 更健康、更安全。WiFi技术采用IEEE 802.11标准，实际发射功率约为60~70mW，与200mW~1W的手机发射功率相比,幅射更小，更加安全。 3. WiFi组网技术 利用WiFi技术组建的网络，称为无线LAN。无线LAN有两种模式。一种是没有接入点的Ad Hoc模式： 它利用WiFi技术实现设备间的连接，通常用在掌上游戏机、数字相机和其他电子设备上以实现数据的相互传输； 另一种是接入点模式： 它利用无线路由器作为访问接入点，具有无线网卡的台式机、笔记本电脑以及具有WiFi接口的手机均可作为无线终端接入，形成一个由无线终端与接入点组成的无线局域网络，如图51所示。后一种模式较常用，通常和ADSL、小区宽带等技术相结合，实现无线终端的互联网访问。 图51基于接入点模式的WiFi组网示意图 在接入点模式中，WiFi的设置至少需要一个接入点和一个或一个以上的终端。接入点每100ms将服务集标识SSID(Service Set Identifier)经由信号台(beacons)分组广播一次，beacons分组的传输速率是1Mb/s，并且长度很短，所以这个广播动作对网络性能的影响不大。因为WiFi规定的最低传输速率是1Mb/s，所以可确保所有的WiFi终端都能收到这个SSID广播分组。基于收到的SSID分组，终端可以自主决定连接对应的访问点。同样，用户也可以预先设置要连接访问点的SSID。 4. WiFi的安全技术 任何终端在接入到WiFi所组成的无线局域网之前需要进行身份认证。IEEE 802.11b标准定义了开放式和共享密钥式两种身份认证方法。身份认证必须在每个终端上进行设置，并且这些设置应该与通信的所有访问点相匹配。认证过程包括两个通信步骤： (1) 请求认证的站点STA向AP发送一个含有本站身份的认证请求帧； (2) AP接收到请求后，向STA返回一个认证结果，如果认证成功，则返回该AP的SSID。 下面介绍IEEE 802.11共享密钥认证方式。共享密钥认证方式以有线等价保密WEP(Wired Equivalent Privacy)为基础，认证过程基于请求—应答模式，具体步骤如下： (1) 请求认证的站点STA向AP发送认证请求。 (2) AP接收到该认证请求后，向STA返回128字节的认证消息作为请求的验证。此验证消息由WEP的伪随机数生成器产生，包括认证算法标识、认证事务序列号、认证状态码和认证算法依赖信息四部分。如果认证不成功，则表明认证失败，整个认证结束。 (3) 请求认证的STA收到认证消息后，使用共享密钥k对认证消息中的认证算法依赖信息进行加密，并将所得的密文以及认证算法标识、认证事物序列号组成认证消息发送给AP。 (4) AP接收到STA返回的认证消息后，使用共享密钥k解密认证算法依赖信息，并将解密结果与早先发送的验证帧数据比对。如果比对成功，AP向STA发送一个包含“成功”状态码的认证结果，则认证成功； 如果比对失败，AP向STA发送一个包含“失败”状态码的认证结果，则认证失败。 在这里，WEP协议是IEEE 802.11协议1999年的版本中所规定的，用于在IEEE 802.11的认证和加密中保护无线通信信息。在IEEE 802.11系列标准中，802.11b和802.11g也采用WEP加密协议。WEP的核心加密算法是RC4序列密码算法。WEP采用对称加密机制，数据的加密和解密使用相同的密钥和算法。WEP支持64位和128位加密。对于64位加密，加密密钥为10个十六进制字符加密或5个ASCII字符。对于128位加密，加密密钥为26个十六进制字符或13个ASCII字符。WEP依赖通信双方共享的密钥来保护所传的加密数据帧。 采用RC4算法的WEP加密过程下： (1) 计算明文消息M的完整性校验值，由原始明文消息和完整性校验值组成新的明文消息P。 (2) 使用私密密钥k和随机选择的一个24位的初始向量IV作为随机密钥生成种子，通过RC4随机密钥生成算法，生成一个64位密钥，作为通信密钥，将密钥和明文消息P进行异或运算生成密文。 (3) 将生成的密文和初始向量IV一起发送给接收方。 在实际应用中，RC4算法目前广泛采用104位密钥以代替40位密钥，以提高安全性。与加密过程对应，WEP解密过程为： (1) 从接收到的数据报中提取出初始向量IV和密文； (2) 将初始向量IV和私密密钥k送入采用RC4算法的伪随机数发生器得到解密密钥； (3) 将解密密钥与密文进行异或运算得到明文和它的CRC校验和ICV； (4) 对得到的明文采用相同的CRC表达式计算校验和ICV，比较两个CRC结果，如果相等，说明接收的协议数据正确，否则丢弃数据。 《物联网技术导论（第2版）》基于物联网的应用视角，深入浅出地阐述了物联网的基本原理，介绍了物联网的体系结构、物联网的关键技术和物联网的典型应用。