摘? 要: 針對(duì)基于IEEE802.15.4a的工業(yè)無(wú)線傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)嗅探器的研究和實(shí)現(xiàn),從分析嗅探器原理，介紹了IEEE802.15.4a協(xié)議，詳細(xì)描述了嗅探器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)中對(duì)數(shù)據(jù)包的捕獲和過(guò)濾過(guò)程。給出了針對(duì)4種不同過(guò)濾設(shè)置條件所對(duì)應(yīng)的類定義，可根據(jù)用戶要求對(duì)指定類型、特定站點(diǎn)或設(shè)定時(shí)間段及包含熱點(diǎn)關(guān)鍵字的數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲過(guò)濾，動(dòng)態(tài)顯示網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)狀況。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，本嗅探器完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主動(dòng)偵聽(tīng)監(jiān)控。
關(guān)鍵詞: IEEE802.15.4a； 嗅探器； 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)； 包捕獲； 切普擴(kuò)頻
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工業(yè)過(guò)程及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中，對(duì)于一些禁止使用通信電纜（如超凈或真空封閉的房間）或者很難使用電纜（如高速旋轉(zhuǎn)的設(shè)備、強(qiáng)腐蝕惡劣環(huán)境）的場(chǎng)合，其通信過(guò)程是很難或甚至是無(wú)法用普通的有線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的，但可以采用無(wú)線通信技術(shù)來(lái)組建現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連通信網(wǎng)絡(luò)。
IEEE802.15.4a是基于切普擴(kuò)頻(CSS)的無(wú)線短距離傳輸技術(shù)，特別適合于對(duì)抗干擾性能要求很高的工業(yè)無(wú)線（傳感器）監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，其在2007年7月成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)后引起了多家研究單位的重視，有了許多研究和應(yīng)用實(shí)例。
網(wǎng)絡(luò)嗅探技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)管理和監(jiān)測(cè)中的一項(xiàng)重要技術(shù)。它是通過(guò)捕獲并分析數(shù)據(jù)報(bào)文，獲取實(shí)時(shí)有效的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，以方便對(duì)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況進(jìn)行分析和管理。網(wǎng)絡(luò)嗅探技術(shù)在有線網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)和管理中已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用[1]。但基于IEEE802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)無(wú)線監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)嗅探器的設(shè)計(jì)在國(guó)內(nèi)外尚不多見(jiàn)。鑒于此，本文闡述了嗅探器的工作原理，并簡(jiǎn)要介紹了IEEE802.15.4a協(xié)議,以及一種針對(duì)該協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)無(wú)線傳感器監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)嗅探器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)包的捕獲和過(guò)濾過(guò)程及其對(duì)應(yīng)的類定義、嗅探器的用戶界面設(shè)計(jì),對(duì)本嗅探器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主動(dòng)偵聽(tīng)監(jiān)控。
1 嗅探器原理
網(wǎng)絡(luò)嗅探是指捕獲在網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)姆獍畔⒉?duì)其進(jìn)行譯碼和分析，從而獲取網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)、數(shù)據(jù)流動(dòng)情況以及網(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)等信息，以方便找到網(wǎng)絡(luò)的潛在問(wèn)題等。
在共享式有線網(wǎng)絡(luò)中，同一網(wǎng)段上的所有網(wǎng)絡(luò)接口都有接收物理媒體上傳輸所有數(shù)據(jù)的能力。網(wǎng)卡將根據(jù)所設(shè)置的接收模式進(jìn)行接收。通常情況下，網(wǎng)絡(luò)接口只接收與自身地址相匹配的幀和廣播幀。如將接收模式設(shè)置為混雜(Promiscuous)模式，則網(wǎng)卡能夠接收到總線上的所有數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)共享式網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)聽(tīng)[2]。而對(duì)交換式有線網(wǎng)絡(luò)的偵聽(tīng)則是在普通的偵聽(tīng)上輔以一定的欺騙方法，以擴(kuò)展的中間人監(jiān)聽(tīng)的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)[3]。
對(duì)于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，所有的無(wú)線站點(diǎn)都能夠監(jiān)聽(tīng)到目標(biāo)工作頻段內(nèi)所有符合目標(biāo)物理層協(xié)議的無(wú)線信號(hào)。即使站點(diǎn)對(duì)于非廣播包、非組播包且目的地址與接收站點(diǎn)地址不匹配包都丟棄,而只要將無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)置為射頻監(jiān)聽(tīng)模式(RF-MON Mode)都可以接收所有包，以實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)嗅探[4]。
2 監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議
目前成熟的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)MAC協(xié)議中，使用較多的是S-MAC與CSMA協(xié)議。IEEE802.15.4a的MAC層使用CSMA，物理層使用CSS(Chirp Spread Spectrum),即寬帶線性調(diào)頻擴(kuò)頻，又簡(jiǎn)稱切普擴(kuò)頻。
CSS是新一代短距離無(wú)線數(shù)字傳輸技術(shù)，已被IEEE 802.15.4a任務(wù)組選定為基準(zhǔn)物理層標(biāo)準(zhǔn)。其每一位傳輸所需功耗是IEEE802.11b的1/6、藍(lán)牙的1/60。其數(shù)據(jù)傳送速率最高可達(dá)到2 Mb/s，室外視距達(dá)900 m，接收靈敏度為-92 dBm/Mb/s。CSS綜合了FSK、PSK和ASK 3種方法的優(yōu)點(diǎn)，能十分有效地抑制工業(yè)環(huán)境中的各種噪音和多徑漫射，并且在擁擠的ISM(Industrial Scientific Medical)頻段與其他現(xiàn)有的信號(hào)互不影響，用于實(shí)時(shí)精準(zhǔn)位置和感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)。簡(jiǎn)單地說(shuō)，CSS技術(shù)加上IEEE802.15.4的MAC協(xié)議和組網(wǎng)規(guī)則就構(gòu)成了改進(jìn)的IEEE802.15.4a，特別適合在工業(yè)自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層控制網(wǎng)絡(luò)使用。
3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
嗅探器的系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。其中微控制器采用Atmel公司的ATmega128L。它采用低功耗CMOS工藝，基于RISC結(jié)構(gòu)，具有片內(nèi)128 KB的程序存儲(chǔ)器 (Flash)、4 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(SRAM)和4 KB的EEPROM；有8個(gè)10位ADC通道、2個(gè)8位和2個(gè)16位硬件定時(shí)/計(jì)數(shù)器、8個(gè)PWM通道，具有可編程看門(mén)狗定時(shí)器和片上振蕩器、片上模擬比較器、JTAG、UART、SPI、I2C總線等接口。ATmega128L可在多種不同模式下工作，除了正常操作模式外，還具有6種不同等級(jí)的低能耗操作模式，適合于低能耗的應(yīng)用場(chǎng)合。
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為了與PC機(jī)的串口相聯(lián)，使用了MAXIM公司的串行收發(fā)芯片MAX3232CSE來(lái)完成RS232電平到TTL電平的轉(zhuǎn)換。
無(wú)線通信芯片采用德國(guó)NanoTron公司的NA1TR8，該芯片符合最新IEEE802.15.4a標(biāo)準(zhǔn)，其內(nèi)部集成1個(gè)可編程控制器，該控制器又分為2個(gè)部分：一個(gè)是基帶控制器(baseband controller)，功能有幀的產(chǎn)生、錯(cuò)誤糾正、解包/封包等；另一個(gè)是MAC控制器，主要作用是控制介質(zhì)訪問(wèn)控制，如CSMA/CA、TDMA等。NA1TR8的Memory在邏輯上有1 024 B的編址空間，這1 024 B由兩部分組成：一個(gè)是128 B的寄存器，該寄存器依據(jù)編址為0x7F的索引寄存器低2位的不同設(shè)置，在地址空間中被映射成4個(gè)128 B的地址空間；另一個(gè)是512 B的基帶RAM(Baseband memory，BBRAM),由Segment0、Segment1、Segment2、Segment3組成，每個(gè)Segment占用128 B。此RAM根據(jù)不同的設(shè)計(jì)需要可以設(shè)置成4種不同的配置模式： Auto/Duplex、Auto/Simplex、Transparent/Duplex、Transparent/Simplex。這4種配置模式各有優(yōu)劣，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求作出選擇。
嗅探器的主要功能是接收數(shù)據(jù)而不是發(fā)送數(shù)據(jù)。鑒于此，監(jiān)測(cè)儀的BBRAM的配置采用Auto/Simplex模式，此模式下的BBRAM配置如圖2所示。
在Auto/Simplex模式下，Segment0、Segment1被保留下來(lái)專用于存儲(chǔ)MAC幀頭、加密/解密、站點(diǎn)地址、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)等信息。Segment2、Segment3用于發(fā)送和接收時(shí)共享Buffer。針對(duì)嗅探器BBRAM的配置，可以將Segment2、Segment3都用于數(shù)據(jù)的接收。
4 數(shù)據(jù)包捕獲過(guò)濾
4.1 IEEE802.15.4a中的數(shù)據(jù)幀格式
物理層及MAC層的數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。物理層由4個(gè)域組成，分別是前：導(dǎo)碼，其作用是自動(dòng)增益控制校驗(yàn)及位同步；同步字段，其作用是幀同步；MAC幀域及尾字符域，其作用是尾部與幀間間隔的分隔符。
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MAC層有6種幀格式，分別是數(shù)據(jù)幀(Data)、應(yīng)答幀(Ack)、廣播幀（Brdcast）、時(shí)間信標(biāo)幀(TimeB)、請(qǐng)求發(fā)送幀(Req2S)、清除發(fā)送幀(Clr2S)。依據(jù)上述不同的6種幀格式，MACFrame包含10個(gè)域，每個(gè)域的詳細(xì)功能描述可參見(jiàn)芯片NA1TR8的相關(guān)文檔，這里不再贅述。
4.2 數(shù)據(jù)包捕獲
對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)，首先必須對(duì)目標(biāo)偵聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)中符合物理層通信協(xié)議的數(shù)據(jù)包進(jìn)行捕獲。這是對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控分析的基礎(chǔ)。在這里首先需要取消監(jiān)聽(tīng)站點(diǎn)的地址匹配，并設(shè)置為監(jiān)聽(tīng)模式，使其可以監(jiān)聽(tīng)到所有其他站點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)。再將接收的有效協(xié)議數(shù)據(jù)單元傳送至PC機(jī)串口。當(dāng)串口監(jiān)視進(jìn)程CSerialPort::CommThread( )監(jiān)測(cè)到串口有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，發(fā)送WM_COMM_RXCHAR消息給主框架窗口，由響應(yīng)函數(shù)CMainFrame::OnComm( )對(duì)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的判斷處理。而數(shù)據(jù)包則定義了一個(gè)普通類，其具體定義如下：
class CPacket
{
public:
?? ?……
?void GetReceiveTime( ); //獲取高精度時(shí)間
CString m_pTime; ??//數(shù)據(jù)捕獲時(shí)間
CString m_pPacket; ?//數(shù)據(jù)包的十六進(jìn)制代碼
CString m_pData; ??//傳感數(shù)據(jù)
CString m_pPacketNum; ?//傳感數(shù)據(jù)包順序號(hào)
CString m_pNetNum; ?//網(wǎng)絡(luò)群號(hào)
CString m_pSendAdd; ?//數(shù)據(jù)包源地址
CString m_pToAdd; ?//數(shù)據(jù)包目的地址
CString m_pType; ??//數(shù)據(jù)包類型
CString m_pLength; ?//數(shù)據(jù)包總長(zhǎng)度
……
};
其中,GetReceiveTime( )對(duì)普通的CTime類進(jìn)行了擴(kuò)展，提高了時(shí)間的精度，為數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析處理和網(wǎng)絡(luò)管理提供了很好的時(shí)間記錄。本設(shè)計(jì)中使用了絕對(duì)時(shí)間戳。這樣，當(dāng)知道某事件發(fā)生的大概時(shí)間時(shí)，可以快速找到詳細(xì)的數(shù)據(jù)包解析以及對(duì)應(yīng)的源碼。
4.3 數(shù)據(jù)包過(guò)濾
嗅探器在默認(rèn)情況下會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中所有包進(jìn)行捕獲。但實(shí)際的監(jiān)聽(tīng)過(guò)程中捕獲包的數(shù)量是相當(dāng)巨大的，而且通常需要關(guān)注采集的只是具有某些特定特征的包。這就需要對(duì)捕獲的數(shù)據(jù)包按照要求進(jìn)行過(guò)濾，且顯示結(jié)果。
過(guò)濾條件的設(shè)定主要分為如下4類：數(shù)據(jù)包的類型，收發(fā)地址，時(shí)間，關(guān)鍵字。
詳細(xì)的參數(shù)設(shè)置界面如圖4所示。其具體過(guò)濾功能由COutputBar::OutFilter( )函數(shù)實(shí)現(xiàn)。過(guò)濾條件的設(shè)置可在數(shù)據(jù)監(jiān)聽(tīng)前預(yù)設(shè)也可在監(jiān)聽(tīng)過(guò)程中及時(shí)按需修改。
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5 用戶界面設(shè)計(jì)
嗅探器在WM_CREATE消息處理函數(shù)CMainFrame::OnCreate（）中創(chuàng)建了2個(gè)子控件窗口，將整個(gè)主窗口分為數(shù)據(jù)分析和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控2個(gè)區(qū)，如圖5所示。捕獲數(shù)據(jù)在嗅探器客戶端的顯示由COutputBar::ShowNetworkMessage（）實(shí)現(xiàn)。其中，一區(qū)的上部為解碼區(qū)，給出了數(shù)據(jù)包的收發(fā)時(shí)間、地址、類型、具體的傳感數(shù)據(jù)等詳細(xì)分析信息；一區(qū)的下部顯示了對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)包的原始十六進(jìn)制編碼。而二區(qū)則以圖形化的方式顯示了整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的拓樸狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。
以對(duì)令牌傳遞的監(jiān)控為例，從圖6所示的嗅探器解碼區(qū)所顯示的詳細(xì)分析信息可以看到，令牌在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳遞的一個(gè)過(guò)程：包70、71表明站點(diǎn)5傳送完數(shù)據(jù)后將令牌傳送至主站點(diǎn)；而包72中主站點(diǎn)將令牌傳給站點(diǎn)6；包73則是站點(diǎn)6獲得令牌并進(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸；最終，從包74、75中可看出，站點(diǎn)5再次獲得令牌并傳輸了數(shù)據(jù)。
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從嗅探器的運(yùn)行結(jié)果可看出，嗅探器能夠捕獲無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，并對(duì)其過(guò)濾分析，提供了整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的圖形化監(jiān)控等功能，而且未被原網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)，也沒(méi)有對(duì)其運(yùn)行造成影響，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)IEEE802.15.4a無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的主動(dòng)偵聽(tīng)監(jiān)控。
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