Introduzione al protocollo WirelessHART
Standard WirelessHART
La specifica di comunicazione WirelessHART è stata ufficialmente riconosciuta dalla Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) nel settembre 2008 ed è diventata lo standard internazionale IEC per le comunicazioni wireless industriali (IEC 62591). È in grado di soddisfare i requisiti dell'industria di processo in termini di affidabilità, immunità alle interferenze, sicurezza in tempo reale, flessibilità di rete e compatibilità nelle applicazioni industriali.
Le reti WirelessHART supportano un'ampia varietà di dispositivi di numerosi produttori, e i prodotti dovrebbero essere classificati in 5 diverse tipologie:
Figura 1 Tipi di dispositivi di rete WirelessHART
• Apparecchiature da campo: apparecchiature di base che realizzano funzioni di rilevamento o di esecuzione in loco;
• Adattatore: si collega ai dispositivi di campo HART esistenti per abilitare le funzionalità di comunicazione wireless;
• Gateway: consente la comunicazione tra le applicazioni host e i dispositivi che fanno parte della rete wireless;
• Responsabile di rete: si occupa della configurazione della rete, dell'organizzazione della comunicazione tra i dispositivi di rete, della gestione delle tabelle di routing e del monitoraggio e della segnalazione dello stato di salute della rete wireless;
• Dispositivi portatili: utilizzati per configurare, manutenere o controllare gli impianti.
Livello di protocollo
Lo stack di protocolli WirelessHART segue l'architettura del modello di protocollo OSI a 7 livelli, che comprende il livello fisico, il livello di collegamento, il livello di rete, il livello di trasporto e il livello applicativo.
Livello fisico
Il livello fisico WirelessHART è fondamentalmente un livello fisico basato sullo standard IEEE 802.15.4-2006 DSSS a 2,4 GHz. Questo livello definisce le caratteristiche RF come il diagramma di radiazione, l'intensità del segnale e la sensibilità del dispositivo. WirelessHART opera nella banda di frequenza ISM libera da 2400 a 2483,5 MHz e la sua velocità di trasmissione dati può raggiungere i 250 kbit/s. Questa banda di frequenza è suddivisa in 16 canali, numerati da 11 a 26. La spaziatura di frequenza tra due canali adiacenti è di 5 MHz.
Livello di collegamento dati
Una caratteristica distintiva dello standard WirelessHART è il livello di collegamento dati basato sulla sincronizzazione temporale. L'intervallo di tempo di comunicazione del livello di collegamento dati WirelessHART è rigorosamente definito a 10 ms e la tecnologia TDMA viene utilizzata per supportare la prevenzione delle collisioni e la comunicazione deterministica.
Livello di rete e livello di trasporto
Il livello di rete e il livello di trasporto lavorano insieme per fornire una comunicazione sicura e affidabile per i dispositivi di rete. Per supportare la struttura di rete Mesh, ogni dispositivo WirelessHART deve inoltrare i dati agli altri dispositivi.
Livello applicativo
Il livello applicativo è il livello superiore dello standard WirelessHART, che definisce vari comandi, risposte, tipi di dati e report di stato dei dispositivi. Nello standard WirelessHART, la comunicazione tra dispositivi e gateway si basa su comandi e risposte. Il livello applicativo è responsabile dell'analisi del contenuto del messaggio, dell'estrazione del numero del comando, dell'esecuzione del comando specificato e della generazione di una risposta.
Architettura di sicurezza
La rete WirelessHART è un sistema di rete sicuro. Sia il livello MAC che il livello di rete di WirelessHART forniscono servizi di sicurezza. Il livello MAC utilizza una combinazione di controllo di ridondanza ciclica (CRC) e codice di integrità del messaggio (MIC) per fornire servizi di integrità dei dati hop-to-hop. Sia il mittente che il destinatario utilizzano la modalità CCM e l'algoritmo di crittografia a blocchi AES-128 per generare e verificare il MIC. Il livello di rete impiega diverse chiavi per fornire crittografia end-to-end e servizi di integrità dei dati. Il sistema di sicurezza WirelessHART definisce quattro chiavi:
• In assenza di una chiave di rete, la chiave pubblica viene utilizzata per generare il MIC del livello MAC.
• La chiave di rete è condivisa da tutti i dispositivi di rete e viene utilizzata da questi ultimi per generare i MIC a livello MAC.
• La chiave di accesso alla rete è univoca per ogni dispositivo di rete. Quando un dispositivo si connette alla rete, la chiave di accesso viene utilizzata dall'amministratore di rete per autenticare il nuovo dispositivo che richiede l'accesso alla rete.
• Le chiavi di sessione vengono create dal gestore di rete. Una chiave di sessione è univoca per la connessione end-to-end tra due dispositivi di rete e viene utilizzata per fornire servizi di crittografia end-to-end e integrità dei dati. Le chiavi di sessione possono essere ulteriormente suddivise in chiavi unicast e chiavi broadcast.
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