智能电路环境下ZigBee技术及其安全性研究

0 引言
 

智能电路是以物理电路为基础，集成了先进的传感量测技术、网络技术、通信技术、分析决策技术、自动控制技术与能源动力技术的新型现代化电路。智能电路具有坚强、自愈、兼容、经济、集成和优化等特征，能够实现对电路所有设备的状态进行监测和控制，实现自适应和自愈以及发电、输配电和用电之间的优化平衡，使得电力系统更加清洁、高效、安全、可靠。

ZigBee 是一种低功率、低传输速率、短距离的无线通信技术，它基于面向无线传感器网络的标准IEEE 802.15.4,可以被广泛运用于工业控制、建筑自动化、家庭自动化、卫生保健和远程控制等领域。在电力系统自动化中，ZigBee技术可运用于远程抄表、电力系统监控、电力参数量测等方面，ZigBee技术可以提高电力系统监控的效率以及系统的可靠性。

在众多应用中，对无线传感器网络的安全性有着很高的要求，安全问题是限制无线传感器网络发展的重要因素之一。同样，将ZigBee技术应用于智能电路时，必须要考虑到其安全性问题。

1 ZigBee 技术

ZigBee 是一种新型无线通信技术，其依据IEEE 802.15.4标准，在成百上千个微小的传感器之间相互协调实现通信，这些传感器所需的能量较少，通信以单跳的方式进行，以无线电波为载体将数据从一个传感器传到另一个传感器，具有非常高的通信效率。ZigBee技术具有低功率、低传输速率、低时延、自组织、网络容量大、高安全性等特点，比较适合于承载数据流量较小的业务，目前ZigBee技术主要被应用于自动控制、传感和远程控制领域。

一个基于ZigBee技术的无线传感器网络定义了两种类型的设备：全功能设备(FFD)和简化功能设备(RFD)。ZigBee的全功能设备又称为主设备，可以与网络中任何类型的设备进行通信，承担网络协调者的工作，这类设备主要包括ZigBee协调器、ZigBee路由和部分ZigBee终端;简化功能设备又称为从设备，不能作为网络协调者，只能与主设备进行通信，这类设备主要为ZigBee终端。ZigBee协调器在网络中可作为汇聚节点，它具有比网络中其他节点更强大的功能，在一个ZigBee网络中只允许有一个ZigBee协调器，作为网络的主控节点，其主要负责启动和配置网络;ZigBee路由器是一种支持关联的设备，主要负责路由发现、消息转发，一个网络中可以包含多个ZigBee路由器，它们能够将消息转发到其他设备之上，通过连接其他节点可以扩展网络覆盖范围。ZigBee终端设备需通过ZigBee协调器或ZigBee路由器连接到网络之中，可以执行相关的功能，并将数据通过网络传输到需要与之通信的设备，但是任何节点都不能通过ZigBee终端设备接入到网络之中。

ZigBee共支持三种类型的自组织无线网络，分别为星型网络、网状型网络和簇型网络，各类型网络的示意图如图1所示。

2 ZigBee 技术在智能电路中的应用场景

在智能电路中，ZigBee技术可以用于远程抄表、家域网、电力资产管理和电力设施监测与定位等诸多领域，其中家域网是一个典型的应用场景。家域网(Home Area Network,HAN)是智能电路中高级量测体系(AMI)的组成部分。AMI是一个用于量测、采集、存储、分析和处理用户用电信息的完整网络系统，主要由安装在用户端的智能电表、家域网、电力公司端的数据管理系统和它们之间的通信系统组成.AMI将用户和临近的电力公司相连，被认为是将智能电路概念实体化的第一步。HAN网关和数据中心之间的通信网络可以使用电力通信线(PLC)、数字微波通信、SDH 光纤、ASON 网络、GPRS/CDMA、卫星通信或其他通信方式。

但作为智能电路的"最后一英里",ZigBee无线通信技术可以被用于构建一个完整的AMI系统。

通过ZigBee技术，智能电表、能源网关和其他家用电器被紧密连接起来，建立起家庭中的一个能源管理系统。智能电路的AMI中基于ZigBee技术的HAN的特征和优点如下：提供需求响应和载荷控制的能力;为分时计价提供机制;为家庭用户和电力公司提供可靠的信息连接;提供实时用能信息;允许分项量测中电表与电表之间的通信;为整个家庭环境提供远程监控。这些特征和优点不仅可以降低电路的峰值载荷，而且能够帮助家庭用户合理决策自己的用能情况。

3 ZigBee 安全技术

3.1 ZigBee安全架构

ZigBee 技术基于IEEE 802.15.4无线标准，IEEE 802.15.4 标准定义了两个层次，物理层(PHY)和媒体接入控制层(MAC)。ZigBee在这两层的基础上又定义了网络层(NWK)和应用层(APL)。物理层提供基本的无线通信能力，媒体接入控制层为设备之间提供可靠的、单跳的通信链接服务，ZigBee网络层为不同网络拓扑结构提供所需要的路由服务和多跳通信功能。

ZigBee的应用层包含了一个应用支持子层(APS)，一个ZigBee 设备对象(ZDO)和应用。ZDO 负责对整个设备进行管理，应用支持子层提供了服务ZDO 和ZigBee 应用的基础。媒体接入控制层、网络层和应用支持子层负责其各自层面上数据的安全传输，应用支持子层提供安全关系的建立和维护的服务，ZDO负责对安全策略和设别的安全配置进行管理。ZigBee 的安全架构如图2所示。

3.1.1 媒体接入控制层安全

媒体接入控制子层的数据帧共有四种类型：命令帧、信标帧、确认帧和数据帧，使用AES算法保证这些数据帧的保密性、完整性和可靠性。MAC帧头的字节可表明此MAC帧是否加密，每个密钥只能用于为一个数据包进行加密。为了保证数据的完整性，MAC层计算帧头和载荷的数据用于产生一个长度为4 B,8 B或16 B的消息完整性编码。同时，每个MAC 帧的帧头有一个帧号用于防止帧被丢失或重传。密钥的建立、安全操作模式的选择和处理过程的控制等在更高的层中进行解决。