Resumen técnico del Protocolo de Malla Sincronizada (TSMP)

Introducción

El TSMP (Time Synchronized Mesh Protocol) es un protocolo de red que constituye la base de una red de sensores inalámbricos fiable y de muy bajo consumo. Las Redes de Sensores Inalámbricos (WSN) son redes autoorganizadas y multisaltos de nodos sensores inalámbricos que se utilizan para vigilar y controlar fenómenos físicos. Las aplicaciones típicas de las WSN son la automatización de procesos industriales, el control de la climatización de edificios comerciales y las alarmas de seguridad.

El TSMP proporciona redundancia y conmutación por error en el tiempo, la frecuencia y el espacio para garantizar una fiabilidad muy alta, incluso en los entornos radioeléctricos más difíciles. El TSMP también proporciona la inteligencia para el enrutamiento de malla autoorganizado y autocurativo. El resultado es una red que se instala fácilmente sin necesidad de conocimientos inalámbricos especializados, se adapta automáticamente a los retos imprevistos y puede ampliarse según las necesidades sin necesidad de una planificación sofisticada.

Hay cinco componentes clave del TSMP que contribuyen a la fiabilidad de la red de extremo a extremo, a la simplicidad de la instalación y a la eficiencia energética.

  • Comunicación sincronizada en el tiempo
  • Salto de frecuencia
  • Unión automática de nodos y formación de redes
  • Enrutamiento de malla totalmente redundante
  • Transferencia segura de mensajes

Este libro blanco ofrece una visión general de las soluciones de las WSN y describe el TSMP con suficiente detalle como para que el lector técnico se haga una idea completa de las capacidades del protocolo.

Redes de sensores inalámbricos

Red de Sensores Inalámbricos (WSN) es un término utilizado para describir una clase emergente de productos de comunicación integrados que proporcionan conexiones inalámbricas redundantes y tolerantes a fallos entre sensores, actuadores y controladores. Las WSN se despliegan para proporcionar acceso a activos o instrumentos que antes se consideraban inaccesibles debido a barreras físicas o económicas.

Por definición literal, WSN es un término que puede aplicarse a cualquier instrumento conectado de forma inalámbrica (incluso un mando de garaje). En la práctica, la etiqueta WSN se utiliza para describir productos que ofrecen un rendimiento superior al de las soluciones tradicionales punto a punto, sobre todo en términos de tolerancia a los fallos, consumo de energía y coste de instalación.

Desafíos inalámbricos

Aunque la tecnología inalámbrica ofrece ventajas evidentes en términos de coste y flexibilidad, también conlleva una serie de retos. En concreto, los enlaces de radiocomunicación punto a punto son notoriamente variables e imprevisibles. Un enlace que es fuerte hoy puede ser débil mañana debido a las condiciones del entorno, a nuevos obstáculos, a interferencias imprevistas y a un sinfín de otros factores. Estos factores pueden resumirse en tres modos de fallo principales: las interferencias de radiofrecuencia, los cambios en el entorno físico que bloquean los enlaces de comunicación y la pérdida de nodos individuales.

  • Interferencias de RFla pequeña porción del espectro electromagnético dedicada a los dispositivos de comunicación inalámbricos de uso general está saturada de tráfico de redes WiFi, teléfonos inalámbricos, escáneres de códigos de barras y otros innumerables dispositivos que pueden interferir en las comunicaciones. Como no hay forma de predecir qué interferencias habrá en una instalación en un lugar, una frecuencia y un momento determinados, una red fiable debe ser capaz de sortear esas interferencias en todo momento.
  • Caminos bloqueadoscuando una red se despliega por primera vez, las rutas inalámbricas se establecen entre los dispositivos en función del entorno de radiofrecuencia inmediato y de los vecinos disponibles. A diferencia de las redes cableadas, estas variables cambian con frecuencia; las rutas pueden bloquearse posteriormente por nuevos equipos, por el reposicionamiento de tabiques, por camiones de reparto o por cambios muy pequeños en la posición de los dispositivos. Para garantizar la fiabilidad a lo largo de toda la vida de la red, y no sólo en las primeras semanas tras la instalación, estos bloqueos deben resolverse continuamente de forma transparente y automática.
  • Pérdida de nodospérdida de nodos: La pérdida de nodos es una cuestión importante a tener en cuenta en las redes de sensores inalámbricas. Aunque los fallos de los nodos debidos al mal funcionamiento de los semiconductores o del hardware son poco frecuentes, los nodos pueden dañarse, destruirse o eliminarse durante la vida de la red. Además, las subidas de tensión, los apagones o las caídas de tensión pueden hacer que los nodos fallen, a menos que tengan una fuente de alimentación independiente. La fiabilidad de extremo a extremo requiere una inteligencia de red que evite la pérdida de un solo nodo.

Cada uno de estos problemas hará caer un enlace inalámbrico punto a punto. Sin embargo, con una arquitectura de red diseñada para protegerse de estos problemas, la red puede aislar los puntos individuales de fallo y eliminar o mitigar su impacto, permitiendo que la red en su conjunto mantenga una fiabilidad de extremo a extremo muy alta a pesar de los fallos locales. Del mismo modo, una arquitectura de red inalámbrica bien diseñada se adaptará sin problemas a los entornos cambiantes, permitiendo un funcionamiento a largo plazo con un mantenimiento sin intervención.

Las WSN pretenden superar estos retos aplicando una inteligencia autoorganizada y autorreparadora para adaptarse continuamente a condiciones imprevisibles. El objetivo de la tecnología WSN es proporcionar una fiabilidad y previsibilidad extremadamente altas durante años sin necesidad de que los expertos en tecnología inalámbrica realicen ajustes constantes.

El protocolo de malla sincronizada en el tiempo (TSMP) proporciona un mecanismo para la inteligencia de las WSN. Al definir cómo un nodo inalámbrico utiliza el espectro radioeléctrico, se une a una red, establece la redundancia y se comunica con sus vecinos, el TSMP proporciona una base sólida para las aplicaciones de las WSN.

Resumen del TSMP

El TSMP es un protocolo de acceso a los medios y a la red diseñado específicamente para redes fiables de bajo consumo y bajo ancho de banda. Las implementaciones actuales de TSMP funcionan en la banda ISM de 2,4 GHz en radios IEEE 802.15.4 y en la banda ISM de 900 MHz en radios propietarias. La Tabla 1 muestra los elementos del TSMP en la pila de la red inalámbrica estándar y en la pila de la red OSI.

El TSMP es un protocolo basado en paquetes, en el que cada transmisión contiene un solo paquete y los acuses de recibo (ACK) se generan cuando un paquete se ha recibido inalterado y completo. Existen mecanismos para transportar paquetes a través de una red de varios saltos de la forma más eficaz y fiable posible. Todas las mediciones de fiabilidad y eficiencia se realizan por paquetes.

Tabla 1. Mapeo del TSMP a los modelos de pila de protocolos comunes
Pila TSMPBatería inalámbrica estándarPila OSI
AplicaciónAplicaciónAplicación
PresentaciónPresentaciónPresentación
SesiónSesiónSesión
TSMPRedTransporte
Red
Acceso a los medios de comunicaciónEnlace de datos
FísicaFísicaFísica

Estructura de los paquetes

Los paquetes TSMP constan de una cabecera, una carga útil y un remolque. Los paquetes contienen campos que identifican el nodo emisor, definen el destino, garantizan la transferencia segura de los mensajes y proporcionan información sobre la fiabilidad y la calidad del servicio. En este artículo, hablaremos de la implementación de TSMP en radios IEEE 802.15.4. La norma 802.15.4 especifica un tamaño máximo de paquete de 127 B, el TSMP reserva 47 B para el funcionamiento, dejando 80 B para la carga útil. Para una descripción completa de la estructura de los paquetes del TSMP, consulta el Apéndice A.

Tabla 2. Estructura del paquete TSMP

MAC
Cabecera

NET
Cabecera
Carga útilAPP
MIC
MAC
MIC
FCS

El TSMP también define varios tipos de paquetes. Estos tipos de paquetes permiten funciones específicas dentro de la red. Algunos tipos de paquetes tienen prioridad sobre otros; algunos permiten un túnel transparente mientras que otros requieren un análisis de los paquetes en cada salto de la ruta.

Definiciones

En los siguientes apartados se utilizan varios términos. No son comunes y pueden no ser familiares para el lector.

Nodo TSMP : un dispositivo inalámbrico que ejecute el TSMP
Red TSMP : una red de nodos TSMP
Ruta de acceso : una conexión bidireccional de un solo salto entre dos nodos TSMP. Piensa en ello como una línea trazada entre dos nodos para evocar la conectividad.
Enlace: un canal de comunicación dirigido entre dos nodos TSMP. Hay varios enlaces por camino. Los enlaces son direccionales y pueden añadirse/quitarse de una ruta para aumentar/disminuir el ancho de banda disponible.
Ruta: Una serie de caminos que conectan un nodo de origen con un nodo de destino. En una red de malla, una ruta suele constar de varios saltos.
Nodo padre : un nodo que está un salto más cerca del destino que el nodo de referencia. Los nodos padre llevan los datos de los nodos hijo.
Nodo hijo : un nodo que está un salto más lejos del destino que el nodo de referencia. Los nodos hijos pasan datos a los nodos padres.
Malla : una red con enrutamiento totalmente redundante para todos los nodos
Estrella : una red con rutas no redundantes entre los nodos finales y un router central

Un dispositivo inalámbrico con un microprocesador integrado que ejecuta el TSMP se llama Nodo TSMP. Una red de nodos TSMP conectados por caminos es una Red TSMP. Una red TSMP forma una topología de malla en la que los datos viajan por rutas desde un origen (normalmente un sensor) hasta un destino (normalmente una pasarela).

Componentes del TSMP

En las páginas siguientes, se presenta en detalle cada componente clave del TSMP. Después de leer esta sección, un lector técnico debería tener una buena idea de cómo funciona un nodo TSMP y cómo se comporta una red TSMP.

El PGST consta de cinco componentes clave:

  • Comunicación sincronizada en el tiempo
  • Salto de frecuencia
  • Unión automática de nodos y formación de redes
  • Enrutamiento de malla totalmente redundante
  • Transferencia segura de mensajes

Comunicación sincronizada en el tiempo

Toda la comunicación de nodo a nodo en una red TSMP se realiza dentro de una ventana de tiempo específica. La comunicación sincronizada, comúnmente conocida como acceso múltiple por división de tiempo (TDMA), es una técnica probada que proporciona un transporte de datos inalámbrico fiable y eficaz. A diferencia de los sistemas cableados, en los que los nodos pueden estar conectados directamente por un cable (medio) dedicado, excluyendo a los vecinos, en un sistema inalámbrico todos los dispositivos que se encuentran dentro del alcance de los demás deben compartir el mismo medio. Hay otros mecanismos de control de acceso a los medios (MAC), como CSMA, CDMA y TDMA. El TSMP se basa en el TDMA.

Franjas horarias y marcos

En el TSMP, cada ventana de comunicación se llama franja horaria. Una serie de franjas horarias constituye una trama, que se repite durante toda la vida de la red. La longitud de la trama se cuenta en franjas horarias y es un parámetro configurable; de este modo se establece una frecuencia de actualización determinada para la red. Una longitud de trama más corta aumenta la frecuencia de refresco, lo que aumenta el ancho de banda efectivo y el consumo de energía. A la inversa, una mayor longitud de fotogramas disminuye la frecuencia de refresco, lo que reduce el ancho de banda y el consumo de energía. Un nodo TSMP puede participar en varias tramas al mismo tiempo, lo que le permite tener efectivamente varias frecuencias de refresco para diferentes tareas. El concepto de ranuras y marcos se ilustra en la figura 1.

Figura 1: Ranuras y tramas TSMP.

Sincronización

La sincronización temporal es una parte esencial de cualquier sistema TDMA. Todos los nodos deben compartir un sentido común del tiempo para saber exactamente cuándo hablar, escuchar o dormir. Esto es especialmente crítico en las aplicaciones de baja energía, como las WSN, en las que la energía de la batería es a menudo la única opción y el cambio de la batería puede ser costoso y llevar mucho tiempo. A diferencia de las estrategias de "etiquetado" utilizadas por otras implementaciones de WSN, TSMP no comienza cada trama con una etiqueta de sincronización. Las estrategias de balizamiento pueden requerir largas ventanas de escucha que consumen energía. En cambio, los nodos del TSMP mantienen un sentido preciso del tiempo e intercambian información de desplazamiento con sus vecinos para garantizar la alineación. Estos valores de compensación se transmiten en mensajes ACK estándar y no suponen un coste de energía adicional ni una sobrecarga.

Una noción común de temporización permite muchas virtudes dentro de la red: el ancho de banda puede preasignarse para garantizar una transmisión altamente fiable y libre de autointerferencias; los nodos transmisores pueden cambiar efectivamente de frecuencia con cada transmisión y el nodo receptor puede seguir el ritmo; el ancho de banda puede añadirse y eliminarse a voluntad de forma muy predecible y ordenada para adaptarse a los picos de tráfico; y muchas más.

Ciclo de servicio

Es importante tener en cuenta que los nodos TSMP sólo están activos en tres estados: 1) enviando un mensaje a un vecino, 2) escuchando la conversación de un vecino, y 3) interactuando con un sensor o procesador integrado. Durante el resto del tiempo, el nodo está dormido y consume muy poca energía. En un dispositivo inalámbrico, la mayor parte (normalmente >95%) del presupuesto total de energía lo consume la radio. Para conseguir un bajo consumo de energía, está claro que hay que minimizar el tiempo de uso de la radio. El TDMA es muy eficaz en este sentido. Las franjas horarias se miden en milisegundos y, en las aplicaciones típicas de las WSN, esto conduce a un ciclo de trabajo inferior al 1% para todos los nodos de la red (incluidos los que retransmiten mensajes para los vecinos). Como todos los nodos (incluidos los que suelen llamarse "routers") pueden estar sometidos a ciclos de trabajo agresivos, el TDMA es la única solución práctica para una red totalmente alimentada por baterías.

Salto de frecuencia

Además de trocear los medios inalámbricos en el tiempo, el TSMP también los trocea en frecuencia. Esto proporciona una robusta tolerancia a las interferencias de RF comunes, así como un aumento significativo del ancho de banda efectivo. Conocido comúnmente como espectro ensanchado por salto de frecuencia (FHSS), el salto de múltiples frecuencias es una forma probada de evitar las interferencias y superar los retos de la RF con agilidad, en lugar de con fuerza bruta.

Otra técnica para superar los retos de la RF es el espectro ensanchado de secuencia directa (DSSS). El DSSS ofrece unos pocos dB de ganancia de codificación y una cierta mejora en el desvanecimiento multitrayecto. Aunque es beneficioso, el DSSS no es suficiente para las interferencias habituales dentro de la banda, como el Wi-Fi, las radios bidireccionales o incluso el Bluetooth (véase la figura 2). Hay que tener en cuenta que una combinación de FHSS y DSSS proporciona tanto rechazo de interferencias (FHSS) como ganancia de codificación (DSSS).

La otra técnica para superar las interferencias es aumentar la potencia de la radio, lo que equivale a "subir el volumen" Aunque suele ser eficaz, subir el volumen de las radios 802.15.4 acaba con la vida de la batería y no es una solución ideal para las WSN de baja potencia.

Figura 2. Salto de frecuencia frente a DSSS en redes 802.15.4 (Fuente: Dust Networks).

Secuencia de saltos

Cuando se une a una red, un nodo TSMP (llamado nodo C) descubre los vecinos disponibles y establece comunicación con al menos dos nodos ya presentes en la red, llamados padres A y padres B (más información sobre esto en las siguientes secciones). Durante este proceso, el nodo C recibirá información de sincronización y una secuencia de salto de frecuencia de los padres A y B. La norma 802.15.4 especifica 16 canales de frecuencia distintos en la banda ISM de 2,4000-2,4835 MHz, así que utilicemos 16 como número. La secuencia de saltos es una secuencia pseudoaleatoria de todos los canales disponibles. Por ejemplo, la secuencia podría ser: 4,15,9,7,13,2,16,8,1,etc. El nodo C recibe un punto de partida distinto en la secuencia de cada uno de sus padres, y cuando un nuevo nodo se une a él, da a su vez un punto de partida distinto a ese nuevo nodo hijo. De este modo, se garantiza que cada conexión de pares esté en un canal diferente durante cada franja horaria, lo que permite un amplio uso del ancho de banda disponible en un lugar determinado.

Figura 3. Los nodos A y B son los padres del nodo C.

En funcionamiento, cada transmisión de nodo a nodo (digamos CA) está en una frecuencia diferente a la de la transmisión anterior. Y si se bloquea una transmisión, la siguiente será a un padre alternativo (CB) en una frecuencia diferente. El resultado es sencillo pero extremadamente resistente a las típicas interferencias de radiofrecuencia.

Efectos de ancho de banda y escalabilidad

Como ocurre con la mayoría de los mecanismos de comunicación, el aumento del número de canales distintos incrementa proporcionalmente el rendimiento del sistema. En el caso del TSMP, el uso de FHSS además de la radio 802.15.4 aumenta efectivamente el ancho de banda 16 veces. Esto se debe a que dos pares de nodos que se comunican en frecuencias diferentes no interferirán entre sí, aunque estén en el mismo rango. Por el contrario, para las aplicaciones de baja velocidad de datos, esto significa que aunque la mayor parte de la banda esté bloqueada por interferencias de radiofrecuencia, los mensajes seguirán encontrando un canal libre y llegarán. En ambos casos, el efecto del FHSS es aumentar en gran medida la fiabilidad del sistema.

Combinando la división de la frecuencia y el tiempo en un solo mapa se obtiene la siguiente matriz. Cada columna vertical es una franja horaria y cada fila horizontal es una frecuencia. Cada celda (caja) es una oportunidad de comunicación única para un par de nodos TSMP.

Figura 4: Matriz de frecuencia/tiempo.

Por ejemplo, una implementación de TSMP en radios 802.15.4 con 60 timeslots por segundo proporciona :

16 canales x 60 espacios de tiempo/segundo = 960 transmisiones/segundo

Suponiendo una carga útil de 80 B, el ancho de banda efectivo total es :

960 transmisiones/segundo x 80 B/transmisión = 76,8 KB/segundo

Como la escalabilidad de los sistemas inalámbricos se rige principalmente por el acceso al medio, cuanto más eficiente sea el protocolo de acceso al medio, más escalable será la red. Un protocolo TDMA de salto de frecuencia es una forma muy eficiente de coordinar las comunicaciones de los nodos. Se ha demostrado que más de 1000 nodos TSMP pueden operar entre sí en el mismo espacio radioeléctrico sin que ello afecte a la fiabilidad de extremo a extremo. En cambio, las redes densas de nodos que utilizan protocolos basados en colisiones, como el CSMA (Carrier Sense Multiple Access), suelen sufrir colisiones en cascada y fallos en la red.

Unión automática de nodos y formación de redes

Un atributo clave de una red TSMP es su capacidad de autoorganización. De hecho, ésta es una de las principales razones por las que existen las redes de malla. Cada nodo TSMP tiene la inteligencia necesaria para descubrir a sus vecinos, medir la intensidad de la señal de radiofrecuencia, adquirir información sobre la temporización y el salto de frecuencia, y luego establecer rutas y enlaces con sus vecinos.

A efectos de esta discusión, es importante señalar que todos los nodos del TSMP son nodos de red de malla totalmente capaces. En el TSMP no existe el concepto de función reducida, ni de nodos sensores no encaminados, ni de nodos finales. Cada nodo TSMP tiene la capacidad de enrutar el tráfico de sus vecinos según los requisitos de conectividad de RF y/o rendimiento de la red. Durante el tiempo de vida de una instalación, puede ocurrir que un nodo se incorpore como nodo final, se convierta en nodo de encaminamiento debido a las condiciones cambiantes de la RF, y vuelva a ser nodo final. Este tipo de comportamiento no es infrecuente en las redes de malla y debe producirse automáticamente para garantizar la fiabilidad de la red a largo plazo.

Unir un nodo

En esta sección describiremos cómo un nodo TSMP se une a una red establecida. Una red establecida es simplemente un conjunto de nodos que comparten un ID de red y una contraseña y que están sincronizados entre sí. Una red suele estar sembrada por un nodo de entrada que sirve de maestro de sincronización y transmite la información de configuración a todos los demás nodos de la red.

Además de las franjas de tiempo que transportan los mensajes de la aplicación a través de la red, hay otras franjas de tiempo dedicadas a la configuración de la red, al descubrimiento de los vecinos y a la escucha de nuevas solicitudes de adhesión. Al igual que las demás franjas horarias, se sincronizan con una frecuencia de actualización definida por la longitud de la trama. Además, cuando los nodos de la red se comunican entre sí, incluyen códigos especiales en los mensajes que anuncian parámetros clave de la red, como la longitud de la trama, las franjas de escucha abiertas y su frecuencia, el ID de la red y la hora actual. Cuando un nodo TSMP se enciende o se reinicia, comienza a escuchar estos códigos.

Aquí tienes una máquina de estados simplificada de un nodo troncal:

  • Escucha la frecuencia A durante un periodo, escucha la frecuencia B, escucha la frecuencia C,...
  • Escucha a un vecino y se fija en la información de sincronización, luego escucha sólo al principio de cada ranura para determinar si hay un mensaje que recibir, reduciendo así el consumo de energía.
  • Escucha esta frecuencia durante un periodo. Durante este periodo, el nodo construye una lista de vecinos. Esta lista contiene los nodos dentro del rango de radio que han transmitido durante el periodo en esta frecuencia.
  • Informa de la lista de vecinos con RSSI.
  • Elige un vecino y envía una solicitud de afiliación.
  • Recibe una orden de activación del nodo vecino y establece enlaces.

Todos los mensajes TSMP están encriptados e incluyen un ID de red. El identificador de red se utiliza para enlazar los nodos de una red, lo que permite que varias redes TSMP operen en el mismo espacio radioeléctrico sin riesgo de compartir datos o desviar mensajes. Si una mota oye un nodo cuyo ID de red no coincide con el suyo, no empezará a unirse a él, sino que seguirá escuchando de forma no sincronizada hasta que oiga el ID correcto. También hay una clave de unión que se utiliza para encriptar los mensajes. Si la mota tiene la clave de unión equivocada, su solicitud de unión no será aceptada por el nodo padre, la mota perderá su tiempo y volverá a la escucha no sincronizada.

Enrutamiento de malla totalmente redundante

El enrutamiento redundante es esencial en los entornos de RF del mundo real. Las condiciones cambian drásticamente con el tiempo debido a las condiciones meteorológicas, los sistemas de radiofrecuencia nuevos o desconocidos, los equipos en movimiento y la densidad de población. Si a esto le añadimos la total imprevisibilidad de la ubicación de los nodos, las prácticas de los instaladores y las futuras ampliaciones o reasignaciones de la red, queda claro el panorama de los retos de fiabilidad de la radiofrecuencia. Una topología totalmente mallada con unión y curación automática de nodos permite que la red mantenga la fiabilidad y la previsibilidad a largo plazo a pesar de estos retos. Como el agua que fluye cuesta abajo, sólo las redes de malla completa autoorganizadas pueden encontrar y utilizar las rutas más estables a través de la topología de nodos disponible.

El enrutamiento totalmente redundante requiere tanto diversidad espacial (intentar otra ruta) como temporal (volver a intentarlo más tarde). El TSMP cubre la diversidad espacial permitiendo que cada nodo descubra varios posibles nodos padres y se enlace con dos o más. La diversidad temporal se gestiona mediante los mecanismos de reintento y de recuperación.

Diversidad espacial - Enrutamiento redundante

Como ya hemos dicho, todos los nodos del TSMP son nodos router. Se trata de un avance fundamental respecto a las arquitecturas en estrella o híbridas estrella-malla. Una topología de malla completa es la única forma de adaptarse a las condiciones cambiantes. Una red totalmente mallada o "plana" (sin el concepto de nodo superior o inferior) no depende de routers, estaciones base o agregadores especiales, y no requiere la experiencia inalámbrica ni las habilidades de instalación de otras soluciones. No es necesario estudiar, diseñar y, en última instancia, construir conexiones punto a punto. Cuando se instala una malla completa, todos los nodos conectados forman una antena gigante para que se unan otros nodos. Esto permite realizar instalaciones extremadamente rápidas y robustas. Además, si hay que ampliar una red instalada, sólo una red de malla completa puede acomodar nuevos nodos de forma elegante, confiando en que los nodos de borde asuman automáticamente las funciones de enrutamiento. Ten en cuenta que en algunas aplicaciones (en las que la energía es muy valiosa), puede ser conveniente que un nodo final siga siendo un nodo final y se niegue selectivamente a asumir funciones de encaminamiento. El TSMP admite este tipo de personalización mediante parámetros configurables.

Figura 5: Topologías de red.

Cada nodo TSMP mantiene su propia lista de vecinos. Esta lista de vecinos incluye los nodos padre e hijo. Un nodo puede tener tantos padres como sea necesario (este es un parámetro configurable). Por ejemplo, un nodo concreto de alto valor puede tener cuatro padres para garantizar la máxima fiabilidad. A la inversa, un nodo de bajo valor puede configurarse para adquirir sólo un padre para reservar ancho de banda para otro tráfico.

Un elemento clave de la capacidad de malla completa de TSMP es el ciclo de servicio eficiente de los nodos del router. Como un router puede mantener un ciclo de trabajo inferior al 1%, puede ser alimentado como un nodo final. Esta paridad de dispositivos significa que la instalación y la puesta en marcha no necesitan tener en cuenta el tipo de dispositivo, la fuente de alimentación, etc.

Diversidad de tiempos: reintentos y conmutación por error

Una vez establecido el enlace, el TSMP proporciona mecanismos de comunicación para garantizar un funcionamiento fiable. Como ya se ha dicho, la transmisión de un mensaje de nodo a nodo tiene lugar en un intervalo de tiempo en una frecuencia. En un intervalo de tiempo, se envía un mensaje, el nodo emisor pasa al modo de recepción y espera un acuse de recibo (ACK). Si el ACK no llega en la ranura, el nodo emisor lo intenta de nuevo en la siguiente ranura disponible. Suele ser a otro padre y siempre con una frecuencia diferente. Del mismo modo, si se recibe un NACK (un mensaje que indica que el paquete esperado no se ha recibido correctamente), el nodo emisor volverá a intentarlo en la siguiente ranura disponible. Los NACK se generan de varias maneras: suma de comprobación inválida (FCS), código de integridad del mensaje inválido (MIC), o el nodo receptor tiene la cola de mensajes llena.

Cada nodo emisor lleva la cuenta de los ACKs y NACKs perdidos. Si no se acusa recibo de un determinado número de transmisiones, el emisor considera que la ruta no es válida e inicia la comunicación con el siguiente nodo disponible en su lista de vecinos.

Transferencia segura de mensajes

La transferencia segura de mensajes se basa en tres pilares: encriptación, autenticación e integridad. La encriptación impide que la información del mensaje sea leída por otras partes. La autenticación garantiza que el remitente es el remitente. La integridad garantiza que el mensaje se ha entregado sin alteraciones. El TSMP proporciona mecanismos para cada una de estas funciones. Es interesante observar que el salto de frecuencia proporciona un cierto nivel de seguridad en sí mismo. Debido a la secuencia de saltos pseudoaleatorios que mantiene cada par de nodos, si un receptor de snooping ha escuchado con éxito una transmisión, sólo tiene una posibilidad entre 16 (para radios 802.15.4) de escuchar la siguiente transmisión.

Codificación

El TSMP utiliza un cifrado estándar de clave simétrica de 128 bits para garantizar la confidencialidad de extremo a extremo de la carga útil del paquete. Los nodos que comparten claves se comunican encriptando los mensajes con el modo de encriptación CTR. Como todos los nodos están sincronizados en el tiempo, se utilizan marcas de tiempo únicas para generar nonce no repetitivos (números utilizados una vez) como vectores de encriptación.

Autenticación

Mientras que la encriptación asegura la confidencialidad de los mensajes, la autenticación es necesaria para garantizar la identidad de la fuente. Para garantizar que cada paquete de una red TSMP sea generado por un nodo autorizado, TSMP utiliza direcciones de origen de los paquetes protegidas por códigos de integridad de los mensajes (MIC) de 32 bits. Cada paquete lleva dos MIC para garantizar la autenticación: la autenticación de la dirección de origen de extremo a extremo, garantizada por el MIC de la capa de red, y la autenticación de la dirección de origen de nodo a nodo, garantizada por el MIC de la capa MAC. La autenticación de la capa MAC es especialmente importante para proteger los ACK.

Integridad

Los mismos códigos de integridad de los mensajes (MIC) de 32 bits que autentifican la dirección del nodo emisor se utilizan también para garantizar la integridad del contenido. Cualquier falsificación del mensaje invalidaría los MIC y sería inmediatamente reconocible por el nodo receptor.

Conclusión

La fiabilidad del protocolo TSMP se ha demostrado en los últimos tres años en despliegues de red difíciles. Los sencillos pero potentes conceptos de diversidad de tiempo, frecuencia y espacio proporcionan un protocolo de red extremadamente robusto que resiste los retos de los entornos comerciales e industriales del mundo real. La inteligencia autoorganizada y autorreparadora incorporada reduce radicalmente la complejidad de la instalación y garantiza un comportamiento predecible a largo plazo. Todos los productos de Dust Networks están construidos sobre la base del TSMP. Dust Networks está trabajando actualmente con las principales organizaciones para normalizar los componentes básicos del TSMP.

Apéndice: Estructura del paquete TSMP

Figura 6. Estructura del paquete TSMP

Sección del paquete Descripción
Preámbulo PHYPreámbulo, delimitador de inicio de trama y longitud
Cabecera MACInformación de direccionamiento y sincronización de saltos
NET HeaderInformación de direccionamiento y encaminamiento de extremo a extremo
Carga útil de la aplicaciónCarga útil de la aplicación encriptada, depende del tipo de paquete
APP MIC-32Código de integridad de los mensajes de extremo a extremo para los datos de la aplicación y
nonce (32 bits).
MAC MIC-32Código de integridad de los mensajes por paquete y por salto (32
bits)
FCS-16Suma de comprobación de la trama para todo el paquete (16 bits) según 802.15.4

Detalles del paquete

Preámbulo PHY

El preámbulo PHY se utiliza para realizar la sincronización de RF entre radios y para definir la longitud del paquete, tal como se especifica en la norma IEEE 802.15.4.

Cabecera MAC

La cabecera MAC contiene los campos necesarios para la entrega de paquetes por saltos, así como información de sincronización para la sincronización de los moteles. La cabecera MAC incluye :

  • Las direcciones de origen y destino del salto actual
  • Identificador de red
  • Información sobre la sincronización y el trunking

NET Header

La cabecera de red contiene los campos necesarios para la entrega de extremo a extremo de los paquetes en la red TSMP. La cabecera de NET incluye los archivos :

  • Las direcciones de origen y destino de los nodos comunicantes
  • Prioridad de los paquetes
  • Información sobre la ruta

Carga útil de la aplicación

La carga útil de la aplicación es una parte del paquete de tamaño variable que contiene la carga útil real de comandos y/o datos de detección. La carga útil se envía siempre de extremo a extremo y se cifra con una clave de 128 bits.

APP MIC-32

El APP MIC-32 es un código de integridad del mensaje que se utiliza para la autentificación de la carga útil de extremo a extremo. Esta APP MIC garantiza que el paquete no se altere mientras se enruta de nodo a nodo.

MAC MIC-32

El MAC MIC-32 es un código de integridad del mensaje que se utiliza por saltos. Este campo es recalculado por el emisor antes de enviarlo por radio. La MAC MIC garantiza que no se puedan inyectar paquetes ilegales en la red y que los paquetes no puedan ser reconocidos falsamente.

FCS-16

Cada paquete contiene el campo de suma de comprobación FCS-16, tal como se especifica en 802.15.4. Este campo garantiza que los paquetes corruptos no sean procesados por las palabras comunicantes.

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