摘  要： 在无线通信中，尤其在节点密集的网络中，由于通信范围内邻居众多，节点之间极易发生串音，不仅浪费了接收节点的能耗，甚至有可能因为数据误听而引发系统错误。为了提高节点通信的可靠性，提出了一种基于节点配对、地址过滤和AES加密的多信道可靠通信策略。基于200节点的项目运行表明，该策略稳定可靠，配对后节点之间不会产生串音和数据误传。
关键词： 串音；配对；加密；地址过滤；多信道

    在无线通信中，众多节点共用无线信道，节点的数据会被其一跳范围内的邻居侦听到。若某节点接收到了其邻居节点发往其他节点的数据，则其发生了串音干扰[1]。若网络密度较高，节点的邻居众多，这种串音干扰将会非常严重。串音发生后，接收节点在不必要时打开无线模块，从而浪费了能量，这对一些电池供电的节点至关重要。更糟糕的是发送方的数据被非目的节点获取，会给系统带来潜在危险。例如在一个无线遥控器和门锁的应用中，若某个遥控器的开门数据被其他节点误听，则会发生诸如一个遥控器打开多个门这样的事故。
    然而，在无线网络的应用中，固定的点对点通信是一种常见的应用形式。比如在无线门锁、酒店门卡管理等应用中，门锁节点只与对应的、固定的门卡节点通信。这些应用中，节点并不需要像网状网络那样维护复杂的网络拓扑，运行复杂的网络协议。但是节点通常密集部署，节点对之间通信的可靠性保证却至关重要。因而在密集无线网络中，如何保证点对点通信的可靠性是一个重要的问题。
1 策略设计
    传统的密集无线网络通信中，使用TDMA的方式管理节点对被验证是一种较为可靠的策略[2]。不同的节点在不同的时间占用信道，只要时隙分配策略保证两跳范围内的邻居节点不分配到重叠时隙，这种方式就能够有效地避免邻居节点之间的干扰。但是这种策略实施的一个关键前提是需要保持节点之间的时间同步。然而在密集网络中，保持全局时间同步是项庞大的工程，其开销甚至会远超过网络实际业务量[3]。因而设计一种非时间同步的、高可靠性的通信策略是点对点通信网络，尤其节点密集的点对点通信网络是首先需要关注的焦点。
    本文设计了一种简单易行、非时间同步、可靠性高的通信策略。该策略中，需要通信的两个节点之间首先执行配对操作，配对完成后会获得随机地址、信道以及独立的通信密钥。节点接收数据时打开地址过滤功能，节点收发数据时通过配对时产生的密钥加密。这样的策略可以保证地址不相同的节点不会串音，相同地址不同信道的节点也不会串音，相同地址相同信道但是不同密钥的节点不能正确解密数据，保证了通信极高的可靠性。
2 可靠通信策略设计
2.1 节点配对
    节点配对是维护可靠性通信的最基本步骤，后续可靠策略能够实施的前提是在节点配对时产生的随机地址、信道以及密钥。记通信双方分别为Host和Client节点，设计了可靠的3次握手配对策略如下[4]。
    (1)上电后Host节点首先打开广播地址接收，然后进入配对模式，轮询各个信道并等待接收Client的配对信息。
    (2)Client节点选择一个随机信道并广播配对包，然后转入接收状态并等待Host的确认信息。若在规定时间内信道上无应答，则再次广播配对包，直至最大配对次数满。
    (3)Host在某个信道接收到配对信息后，首先记录下该信道作为双方通信的信道，然后产生一组随机密钥和双方的地址信息，接着记录下分配给自身的地址并写入地址寄存器，最后将通信密钥和Client地址搭载进确认包并回复给Client节点。
    (4)Client节点接收到确认包后，记录下双方通信的密钥和预分配的地址，然后回复密钥确认包到Host并标记自身为已配对状态。
    (5)Host接收到Client的密钥确认包后标记自身为已配对状态。
    正常通信过程中，只有处于配对状态的节点才可以响应数据收发操作。若节点在一段时间内未接收到任何数据则标记自身为未配对状态，从而提醒使用者再次发起配对。节点的配对流程如图1所示。

2.2 地址过滤
    在配对时，Host节点生成了一组地址并回复给Client节点。这两个地址分别作为通信双方的物理地址。发送节点在发送数据时首先填写接收方地址信息到数据帧包头。处于接收状态的节点打开地址过滤功能，这样节点的射频部分接收到信道上的数据后，硬件上会自动校验数据包的目的地址是否是自身。若不是，则不接收后续数据且不产生中断，从而有效避免了非感兴趣数据的接收。
2.3 数据加密
    加密是一种有效防止数据泄露的手段。所谓加密，是通过编码的方式将简单明了的数据进行转换，转换成晦涩难懂的其他格式。这样即使该信息被截获，截获者也很难从加密后的乱码中得到有用信息，但是被授权的信息获取者却可以通过密钥将所得到的内容还原后得到其中的信息[5]。
    Host节点在配对时产生了一组随机密钥，并通过确认包告知Client节点。发送方在发送数据前依据配对时获得的密钥对有效数据进行加密操作，接收方在收到数据后首先解密该数据包，若数据包不是发给自身，则自己存储的密钥与该数据包不能正确匹配，解密后不能得到校验正确的数据包，从而抛弃该分组避免产生干扰。
3 实施及验证
    为了验证通信策略的性能，设计了基于CC1110的无线网络节点并在节点上实施了本文提出的通信策略。CC1110是集成了8051控制器和射频模块的芯片，其支持地址过滤及多达256个通信信道，支持产生伪随机数，支持AES-128加/解密算法[6]。节点在配对时Host节点发送的确认包以及Client发送的确认包格式如表1所示，节点逻辑功能组织如图2所示。

    将设计的节点应用于某公租房项目，实现公租房门卡的集中管理。200节点的现场运行3个月内未发生门卡和门锁混开的现象，运行结果表明该策略能够保证密集网络中节点之间通信的可靠性，节点不会串听非配对节点的数据，关键数据不会被截获。但是节点在配对时使用了全信道广播轮询的方式，因而会产生误配对现象，需要在配对时确保邻居节点关闭广播信道。
参考文献
[1] 刘明，伍燕平，郭方铭.无线传感器网中基于时隙轮循的串音控制策略[J].传感技术学报，2008，21(6)：1043-1046.
[2] 李献昌，刘凯，张军.S-TDMA协议点到点通信的仿真研究[J].系统仿真学报，2007，19(13)：3076-3084.
[3] 熊宛星，薛开平，洪佩琳.密集传感器网络中的结构化地址分配方法[J].小型微型计算机系统，2013，34(6)：1221-1225.
[4] 张洪辉，黎海文，高春海，等.面向小型全自动生化分析仪的同步可靠的UART通信[J].电子技术应用，2010，36(1)：128-131.
[5] 王海科，范伊红，廉飞宇，等.AES加密算法在不停车收费系统中的应用[J].计算机测量与控制，2006，14(1)：95-97.
[6] 陶维维，刘映杰，习振华，等.基于CC1110的无线楼宇温度采集系统[J].微型机与应用，2012，31(1)：19-22.