Abkürzungsverzeichnis. 1 Einleitung 1. 2 Einführung in drahtlose Sensor-/Aktor-Netzwerke 5

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1 Inhaltsverzeichnis Abkürzungsverzeichnis XIII 1 Einleitung 1 2 Einführung in drahtlose Sensor-/Aktor-Netzwerke 5 3 Grundlagen Übertragungstechnik Signalausbreitung Theoretische Reichweiten Pfadverlust (Path Loss) und Reichweite Antennenlänge Antennen A./2-Dipolantennen A/4-Monopolantennen Chip-bzw. Keramikantennen Gesetzliche Richtlinien Europäische Richtlinien Internationale Richtlinien 18 4 Sicherheit und Zuverlässigkeit in WSN Gefahren für die Sicherheit (Security) und die Zuverlässigkeit (Reliability) der Daten und der Datenübertragung in einem WSN Sicherheitsmechanismen in IEEE und ZigBee-Netzen Überprüfung der Datenintegität in IEEE und ZigBee-Netzen Verschlüsselung der Daten in IEEE und ZigBee-Netzen Zuverlässigkeit in IEEE und ZigBee-Netzen Authentifizierung in ZigBee-Netzwerken Single Point of Failure 25 VII

2 VIII Inhaltsverzeichnis 5 Hardware für ZigBee Komponenten Verfügbare ZigBee-Hard wäre Schnittstellen und Bussysteme von Mikrocontrollern Sensoren und Aktoren EEEE /ZigBee und Reichweite Erhöhung der Reichweite 33 6 Aufbau von programmierbaren Sensor-Funkmodulen Auswahl des ZigBit-Moduls Grundschaltung eines Funkmoduls mit dem Atmel ZigBit Chip ATZB-24-A Programmierinterfaces Programmierinterface JTAG1CE Programmierinterface AVRISPmkll Fotowiderstand an einen ADC-Eingang des Zigbit Moduls anschließen LEDs an die universellen digitale Ein-/Ausgänge (GPIOs) des Zigbit-Moduls anschließen I 2 C-Schnittstelle Beispiel einer Kommunikation mit einem Temperatursensor LM Verbindung eines Funkmoduls mit dem PC über eine UART-USB Schnittstelle UART-USB Schnittstelle mit dem CP2102EK Evaluation Kit UART-USB-Schnittstelle mit dem FTDI FT232-Chip Energiebedarf der ZigBit-Module 56 7 AVR Studio, WinAVR, BitCloud, WSNDemo Installation AVR Studio, WinAVR, BitCloud WSNDemo Kompilieren der Anwendung WSNDemo Übertragen der erstellten Images auf die Funkmodule Inbetriebnahme der Beispielanwendung WSNMonitor Hinzufügen weiterer Funkmodule zum Netzwerk Fuse- und Lockbits von Mikrocontrollern Die Fusebits des Atmega Die Lockbits des Atmega IEEE Einleitung Komponenten und Netzwerktopologien Grundstruktur 86

3 Inhaltsverzeichnis IX 9 IEEE PHY-Schicht Konstanten und Variablen der PHY-Schicht (PHY-PIB) Servicedienste und zugehörige Primitiven der PHY-Schicht PHY Data Service Physical Layer Management Entity (PLME) Modulation und Frequenzen Digitale Phasenmodulation Binary Phase-Shift Keying (BPSK) Offset Quadrature Phase-Shift Keying (O-QPSK) Symboldauer Frequenz-und Modulationswahl PHY-Frame IEEE MAC-Schicht Konstanten und Variablen der MAC-Schicht (MAC-PIB) Funktionsweise von IEEE Netzen Adressierung Die Bildung eines IEEE Netzes Zugriffssteuerung auf den Funkkanal CSMA-CA ALOHA Superframes Steuerung von garantierten Zeitslots (GTS) Zeitabstand zwischen zwei Frames Datenübertragung Datenübertragung ohne Superframesunterstützung Datenübertragung mit Superframesunterstützung Servicedienste und zugehörige Primitiven der MAC-Schicht MAC-Datendienst (MCPS) MAC-Managementdienst (MLME) MAC-Frame Allgemeine MAC-Framestruktur Datenframe Kommandoframe Beaconframe ACK-Frame Sicherheit Sicherheitsstufen Authentifizierung mittels CBC-MAC Verschlüsselung durch das CTR-Verfahren Anwendung des CCM*-Verfahren im IEEE Standard AES-Algorithmus 152

4 X Inhaltsverzeichnis Der Schlüssel Das MAC-Frame mit aktivierten Sicherheitsfunktionen Sicherheitsrelevante MAC-Variablen Beispielrechnung für das CCM*-Verfahren Atmel IEEE MAC-Stack Aufbau des Atmel IEEE MAC-Stack Installation und Verzeichnisstruktur des Atmel MAC-Stack Anpassen des MAC-Stacks an ein eigenes Board Beispielanwendung eines einfachen Netzwerks Beispielanwendung zum Sniffen von Datenverkehr Taskverarbeitung und Callback-Funktionen Anwendung einer blinkenden LED Textausgabe über die UART-Schnittstelle Beitritt in ein PAN Senden von Daten Aufbau eines PANs und Empfang von Daten durch den PAN-Koordinator Ansteuern des Analog-Digital-Wandler (ADC) und Ermittlung der Batteriespannung IEEE Sniffer mit iiracoli und Wireshark Installation von Python und dem Modul pyserial Installation von Wireshark Die jiracoli-sniffersoftware Wireshark ZigBee Einleitung ZigBee-Architektur Komponenten und Netzwerktopologien ZigBee-Netzwerkschicht Konstanten und Variablen der Netzwerkschicht (NIB) Netzaufbau Adressierung Verfahren zur verteilten Adresszuweisung Zufälliges Adressvergabeverfahren Routing Pfadkosten Routing entlang des Assoziationsbaums Routing mittels Routingtabellen Broadcastnachrichten 240

5 Inhaltsverzeichnis XI Routing zu Gruppen (Multicast Routing) Many-To-One- und Senderrouting Periodische Beacons (Superfiramestruktur) Die Servicedienste und Primitiven der Netzwerkschicht Network Layer Data Entity (NLDE) Network Layer Management Entity (NLME) NWK-Frame Allgemeine NWK-Framestruktur NWK-Datenframe NWK-Kommandoframe Beispiel NWK-Frame ZigBee-Anwendungsschicht Anwendungsunterstützungsschicht(APS) Konstanten und Variablen der APS-Schicht (AIB) Adressierung mittels Endpunkten Adressierung von Gruppen Binding Zuverlässige Datenübertragung Fragmentierung Servicedienste und zugehörige Primitiven der APS-Schicht APS-Frame Cluster und Profile Cluster Profile ZigBee Device Objekt (ZDO) Deskriptoren ZigBee Device Profil (ZDP) Knotenmanagement Ermittlung von Geräten und Diensten (Discovery) Bindingmanagement ZigBee-Sicherheit Sicherheitsstufen Framestruktur mit aktivierter Sicherheit Schlüssel Trustcenter Sicherheitsdienste der APS-Schicht Schlüsselanfrage (APSME-REQUEST-KEY) Schlüsseltransport (APSME-TRANSPORT-KEY) Wechsel des aktiven Netzwerkschlüssels (APSME-SWITCH-KEY) 342

6 XII Inhaltsverzeichnis Generieren eines Linkschlüssels für eine End-zu-End- Verbindung (APSME-ESTABLISH-KEY) Trustcenter über den Status der Funkmodule informieren (APSME-UPDATE-DEVICE) Funkmodul aus dem Netzwerk entfernen (APSME-REMOVE-DEVICE) Gegenseitige Authentifizierung zweier Funkmodule (APSME-AUTHENTICATE) Tunneln von APS-Kommandoframes des Trustcenters Festlegen von Berechtigungen zum Ausführen von Diensten Hashing Hashfunktion Matyas-Meyer-Oseas HMAC.* Atmel BitCloud Aufbau des BitCloud-Stack BitCloud Taskmanager Anwendung einer blinkenden LED Portierung an ein eigenes Funkmodul Blink-Anwendung als Zustandsautomat Ausgabe über die UART-Schnittstelle Ein UART-Manager bei größeren Ausgabenmengen Datenempfang über die UART-Schnittstelle Programmierung eines ZigBee-Funknetzwerks Der Aufbau eines Netzwerks und die Einstellung der Parameter Datenübertragung I 2 C-Bus und Temperatursensor LM Ein Fotowiderstand an einem ATD-Wandler 400 Übersetzungswörterbuch Deutsch-Englisch 403 Definition und Kurzerklärungen von Begriffen 407 Literatur 411 Sachverzeichnis 415