摘? 要: 針對基于IEEE802.15.4a的工業無線傳感器監控網絡嗅探器的研究和實現,從分析嗅探器原理，介紹了IEEE802.15.4a協議，詳細描述了嗅探器的系統結構及設計中對數據包的捕獲和過濾過程。給出了針對4種不同過濾設置條件所對應的類定義，可根據用戶要求對指定類型、特定站點或設定時間段及包含熱點關鍵字的數據進行捕獲過濾，動態顯示網絡的實時狀況。經過試驗，本嗅探器完全達到了設計要求，實現了對無線傳感器網絡的主動偵聽監控。
關鍵詞: IEEE802.15.4a； 嗅探器； 無線傳感器網絡； 包捕獲； 切普擴頻
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工業過程及生產現場環境中，對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（如高速旋轉的設備、強腐蝕惡劣環境）的場合，其通信過程是很難或甚至是無法用普通的有線網絡實現的，但可以采用無線通信技術來組建現場設備互連通信網絡。
IEEE802.15.4a是基于切普擴頻(CSS)的無線短距離傳輸技術，特別適合于對抗干擾性能要求很高的工業無線（傳感器）監控網絡，其在2007年7月成為國際標準后引起了多家研究單位的重視，有了許多研究和應用實例。
網絡嗅探技術是網絡管理和監測中的一項重要技術。它是通過捕獲并分析數據報文，獲取實時有效的網絡狀態信息，以方便對網絡的運行狀況進行分析和管理。網絡嗅探技術在有線網絡的維護和管理中已經得到了廣泛應用[1]。但基于IEEE802.15.4a標準的工業無線監控網絡嗅探器的設計在國內外尚不多見。鑒于此，本文闡述了嗅探器的工作原理，并簡要介紹了IEEE802.15.4a協議,以及一種針對該協議標準的工業無線傳感器監控網絡嗅探器的系統結構、數據包的捕獲和過濾過程及其對應的類定義、嗅探器的用戶界面設計,對本嗅探器進行了實驗驗證，實現了對無線傳感器網絡的主動偵聽監控。
1 嗅探器原理
網絡嗅探是指捕獲在網絡中傳輸的封包信息并對其進行譯碼和分析，從而獲取網絡的狀態、數據流動情況以及網絡上傳輸的數據等信息，以方便找到網絡的潛在問題等。
在共享式有線網絡中，同一網段上的所有網絡接口都有接收物理媒體上傳輸所有數據的能力。網卡將根據所設置的接收模式進行接收。通常情況下，網絡接口只接收與自身地址相匹配的幀和廣播幀。如將接收模式設置為混雜(Promiscuous)模式，則網卡能夠接收到總線上的所有數據，從而實現對共享式網絡的監聽[2]。而對交換式有線網絡的偵聽則是在普通的偵聽上輔以一定的欺騙方法，以擴展的中間人監聽的方式來實現[3]。
對于無線網絡，所有的無線站點都能夠監聽到目標工作頻段內所有符合目標物理層協議的無線信號。即使站點對于非廣播包、非組播包且目的地址與接收站點地址不匹配包都丟棄,而只要將無線網絡接口設置為射頻監聽模式(RF-MON Mode)都可以接收所有包，以實現無線網絡嗅探[4]。
2 監控網絡MAC協議
目前成熟的無線傳感器網絡MAC協議中，使用較多的是S-MAC與CSMA協議。IEEE802.15.4a的MAC層使用CSMA，物理層使用CSS(Chirp Spread Spectrum),即寬帶線性調頻擴頻，又簡稱切普擴頻。
CSS是新一代短距離無線數字傳輸技術，已被IEEE 802.15.4a任務組選定為基準物理層標準。其每一位傳輸所需功耗是IEEE802.11b的1/6、藍牙的1/60。其數據傳送速率最高可達到2 Mb/s，室外視距達900 m，接收靈敏度為-92 dBm/Mb/s。CSS綜合了FSK、PSK和ASK 3種方法的優點，能十分有效地抑制工業環境中的各種噪音和多徑漫射，并且在擁擠的ISM(Industrial Scientific Medical)頻段與其他現有的信號互不影響，用于實時精準位置和感應網絡。簡單地說，CSS技術加上IEEE802.15.4的MAC協議和組網規則就構成了改進的IEEE802.15.4a，特別適合在工業自動化現場設備層控制網絡使用。
3 系統硬件結構
嗅探器的系統硬件結構如圖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結構，具有片內128 KB的程序存儲器 (Flash)、4 KB的數據存儲器(SRAM)和4 KB的EEPROM；有8個10位ADC通道、2個8位和2個16位硬件定時/計數器、8個PWM通道，具有可編程看門狗定時器和片上振蕩器、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種不同等級的低能耗操作模式，適合于低能耗的應用場合。
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為了與PC機的串口相聯，使用了MAXIM公司的串行收發芯片MAX3232CSE來完成RS232電平到TTL電平的轉換。
無線通信芯片采用德國NanoTron公司的NA1TR8，該芯片符合最新IEEE802.15.4a標準，其內部集成1個可編程控制器，該控制器又分為2個部分：一個是基帶控制器(baseband controller)，功能有幀的產生、錯誤糾正、解包/封包等；另一個是MAC控制器，主要作用是控制介質訪問控制，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：一個是128 B的寄存器，該寄存器依據編址為0x7F的索引寄存器低2位的不同設置，在地址空間中被映射成4個128 B的地址空間；另一個是512 B的基帶RAM(Baseband memory，BBRAM),由Segment0、Segment1、Segment2、Segment3組成，每個Segment占用128 B。此RAM根據不同的設計需要可以設置成4種不同的配置模式： Auto/Duplex、Auto/Simplex、Transparent/Duplex、Transparent/Simplex。這4種配置模式各有優劣，需要根據具體的應用需求作出選擇。
嗅探器的主要功能是接收數據而不是發送數據。鑒于此，監測儀的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被保留下來專用于存儲MAC幀頭、加密/解密、站點地址、實時時鐘(RTC)等信息。Segment2、Segment3用于發送和接收時共享Buffer。針對嗅探器BBRAM的配置，可以將Segment2、Segment3都用于數據的接收。
4 數據包捕獲過濾
4.1 IEEE802.15.4a中的數據幀格式
物理層及MAC層的數據幀格式如圖3所示。物理層由4個域組成，分別是前：導碼，其作用是自動增益控制校驗及位同步；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，分別是數據幀(Data)、應答幀(Ack)、廣播幀（Brdcast）、時間信標幀(TimeB)、請求發送幀(Req2S)、清除發送幀(Clr2S)。依據上述不同的6種幀格式，MACFrame包含10個域，每個域的詳細功能描述可參見芯片NA1TR8的相關文檔，這里不再贅述。
4.2 數據包捕獲
對無線網絡進行監聽，首先必須對目標偵聽網絡中符合物理層通信協議的數據包進行捕獲。這是對網絡進行監控分析的基礎。在這里首先需要取消監聽站點的地址匹配，并設置為監聽模式，使其可以監聽到所有其他站點發送的數據。再將接收的有效協議數據單元傳送至PC機串口。當串口監視進程CSerialPort::CommThread( )監測到串口有數據到達時，發送WM_COMM_RXCHAR消息給主框架窗口，由響應函數CMainFrame::OnComm( )對收到的數據進行初步的判斷處理。而數據包則定義了一個普通類，其具體定義如下：
class CPacket
{
public:
?? ?……
?void GetReceiveTime( ); //獲取高精度時間
CString m_pTime; ??//數據捕獲時間
CString m_pPacket; ?//數據包的十六進制代碼
CString m_pData; ??//傳感數據
CString m_pPacketNum; ?//傳感數據包順序號
CString m_pNetNum; ?//網絡群號
CString m_pSendAdd; ?//數據包源地址
CString m_pToAdd; ?//數據包目的地址
CString m_pType; ??//數據包類型
CString m_pLength; ?//數據包總長度
……
};
其中,GetReceiveTime( )對普通的CTime類進行了擴展，提高了時間的精度，為數據的進一步分析處理和網絡管理提供了很好的時間記錄。本設計中使用了絕對時間戳。這樣，當知道某事件發生的大概時間時，可以快速找到詳細的數據包解析以及對應的源碼。
4.3 數據包過濾
嗅探器在默認情況下會對網絡中所有包進行捕獲。但實際的監聽過程中捕獲包的數量是相當巨大的，而且通常需要關注采集的只是具有某些特定特征的包。這就需要對捕獲的數據包按照要求進行過濾，且顯示結果。
過濾條件的設定主要分為如下4類：數據包的類型，收發地址，時間，關鍵字。
詳細的參數設置界面如圖4所示。其具體過濾功能由COutputBar::OutFilter( )函數實現。過濾條件的設置可在數據監聽前預設也可在監聽過程中及時按需修改。
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5 用戶界面設計
嗅探器在WM_CREATE消息處理函數CMainFrame::OnCreate（）中創建了2個子控件窗口，將整個主窗口分為數據分析和網絡監控2個區，如圖5所示。捕獲數據在嗅探器客戶端的顯示由COutputBar::ShowNetworkMessage（）實現。其中，一區的上部為解碼區，給出了數據包的收發時間、地址、類型、具體的傳感數據等詳細分析信息；一區的下部顯示了對應數據包的原始十六進制編碼。而二區則以圖形化的方式顯示了整個無線網絡的拓樸狀態，以實現對整個網絡的實時監控。
以對令牌傳遞的監控為例，從圖6所示的嗅探器解碼區所顯示的詳細分析信息可以看到，令牌在網絡內傳遞的一個過程：包70、71表明站點5傳送完數據后將令牌傳送至主站點；而包72中主站點將令牌傳給站點6；包73則是站點6獲得令牌并進行了數據傳輸；最終，從包74、75中可看出，站點5再次獲得令牌并傳輸了數據。
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從嗅探器的運行結果可看出，嗅探器能夠捕獲無線傳感器網絡中的數據，并對其過濾分析，提供了整個無線網絡的圖形化監控等功能，而且未被原網絡發現，也沒有對其運行造成影響，最終實現了對IEEE802.15.4a無線傳感器網絡的主動偵聽監控。
參考文獻
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