Introducción al protocolo WirelessHART
Estándar WirelessHART
La especificación de comunicación WirelessHART fue reconocida oficialmente por la Comisión Electrotécnica Internacional (IEC) en septiembre de 2008 y se convirtió en el estándar internacional de la IEC para comunicaciones inalámbricas industriales (IEC 62591). Cumple con los requisitos de la industria de procesos en cuanto a confiabilidad, resistencia a las interferencias y seguridad, flexibilidad de red y compatibilidad en aplicaciones de fábrica en tiempo real.
Las redes WirelessHART admiten una amplia variedad de dispositivos de numerosos fabricantes, y los productos deben clasificarse en 5 tipos de productos diferentes:
Figura 1. Tipos de dispositivos de red WirelessHART.
• Equipo de campo: equipo básico que permite realizar funciones de detección o ejecución in situ;
• Adaptador: Conéctelo a los dispositivos de campo HART existentes para habilitar las capacidades de comunicación inalámbrica;
• Puerta de enlace: permite la comunicación entre las aplicaciones anfitrionas y los dispositivos que son miembros de la red inalámbrica;
• Administrador de red: Responsable de la configuración de la red, la organización de la comunicación entre los dispositivos de red, la gestión de las tablas de enrutamiento y la supervisión e informe del estado de la red inalámbrica;
• Dispositivos portátiles: se utilizan para configurar, mantener o controlar los activos de la planta.
capa de protocolo
La pila de protocolos WirelessHART sigue la arquitectura del modelo de protocolo OSI de 7 capas, que incluye la capa física, la capa de enlace, la capa de red, la capa de transporte y la capa de aplicación.
capa física
La capa física de WirelessHART se basa en el estándar IEEE 802.15.4-2006 DSSS de 2,4 GHz. Esta capa define características de radiofrecuencia como el patrón de señal, la intensidad de la señal y la sensibilidad del dispositivo. WirelessHART opera en la banda de frecuencia ISM libre de 2400 a 2483,5 MHz, y su velocidad de transmisión de datos puede alcanzar los 250 kbit/s. Esta banda de frecuencia se divide en 16 canales, numerados del 11 al 26. El espaciado entre canales adyacentes es de 5 MHz.
capa de enlace de datos
Una característica distintiva del estándar WirelessHART es la capa de enlace de datos basada en la sincronización horaria. La ranura de tiempo de comunicación de la capa de enlace de datos de WirelessHART está estrictamente definida en 10 ms, y se utiliza la tecnología TDMA para admitir la prevención de colisiones y la comunicación determinista.
Capa de red y capa de transporte
La capa de red y la capa de transporte trabajan conjuntamente para proporcionar una comunicación segura y fiable a los dispositivos de red. Para que la estructura de red Mesh funcione correctamente, cada dispositivo WirelessHART debe reenviar datos a los demás dispositivos.
Capa de aplicación
La capa de aplicación es la capa superior del estándar WirelessHART, que define diversos comandos, respuestas, tipos de datos e informes de estado para los dispositivos. En el estándar WirelessHART, la comunicación entre dispositivos y pasarelas se basa en comandos y respuestas. La capa de aplicación se encarga de analizar el contenido del mensaje, extraer el número de comando, ejecutar el comando especificado y generar una respuesta.
Arquitectura de seguridad
La red WirelessHART es un sistema de red seguro. Tanto la capa MAC como la capa de red de WirelessHART proporcionan servicios de seguridad. La capa MAC utiliza una combinación de verificación de redundancia cíclica (CRC) y código de integridad de mensajes (MIC) para proporcionar servicios de integridad de datos de salto a salto. Tanto el emisor como el receptor utilizan el modo CCM y el algoritmo de cifrado de bloques AES-128 para generar y verificar el MIC. La capa de red emplea varias claves para proporcionar servicios de cifrado de extremo a extremo e integridad de datos. El sistema de seguridad WirelessHART define cuatro claves:
• Cuando no existe una clave de red, se utiliza la clave pública para generar el MIC de la capa MAC.
• La clave de red es compartida por todos los dispositivos de red y utilizada por estos para generar códigos MIC en la capa MAC.
• La clave de acceso a la red es única para cada dispositivo de red. Cuando un dispositivo se une a la red, el administrador de red utiliza la clave de acceso para autenticar al nuevo dispositivo que solicita acceso a la red.
• Las claves de sesión son creadas por el administrador de red. Cada clave de sesión es única para la conexión de extremo a extremo entre dos dispositivos de red y se utiliza para proporcionar servicios de cifrado e integridad de datos de extremo a extremo. Las claves de sesión se pueden clasificar en claves unicast y claves broadcast.
Productos de la serie WirelessHART
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