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 IEC para comunicaciones inalámbricas industriales (IEC 62591). Cumple con los requisitos de la industria de procesos en cuanto a fiabilidad, antiinterferencias y antiinterferencias en aplicaciones de fábrica en tiempo real, así como con los requisitos de seguridad, flexibilidad de red y compatibilidad.
Las redes WirelessHART admiten una amplia variedad de dispositivos de numerosos fabricantes, y los productos deben clasificarse en cinco tipos de productos diferentes:
Figura 1 Tipos de dispositivos de red WirelessHART
• Equipo de campo: equipo básico que realiza funciones de detección o ejecución en sitio;
• Adaptador: se conecta a dispositivos de campo HART existentes para habilitar capacidades de comunicación inalámbrica;
• Puerta de enlace: permite la comunicación entre aplicaciones host y dispositivos que son miembros de la red inalámbrica;
• Administrador de red: responsable de la configuración de la red, organizar la comunicación entre los dispositivos de red, administrar las tablas de enrutamiento y monitorear e informar el 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.
Figura 2 Comparación entre el modelo de protocolo OSI de 7 capas y la estructura del protocolo WirelessHART
Capa física
La capa física de WirelessHART se basa básicamente en el estándar IEEE 802.15.4-2006 DSSS de 2,4 GHz. Esta capa define características de RF como el patrón de señal, la intensidad de la señal y la sensibilidad del dispositivo. WirelessHART funciona 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. La separación de frecuencia entre dos 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 sincronización temporal. El intervalo de tiempo de comunicación de la capa de enlace de datos WirelessHART está estrictamente definido en 10 ms, y se utiliza tecnología TDMA para facilitar 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 juntas para proporcionar una comunicación segura y confiable para los dispositivos de red. Para soportar la estructura de red en malla, cada dispositivo WirelessHART debe reenviar datos a otros 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 de los dispositivos. En el estándar WirelessHART, la comunicación entre dispositivos y puertas de enlace 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 comprobación de redundancia cíclica (CRC) y código de integridad del mensaje (MIC) para proporcionar servicios de integridad de datos salto a salto. Tanto el emisor como el receptor utilizan el modo CCM y el algoritmo de cifrado por bloques AES-128 para generar y verificar el MIC. La capa de red emplea diversas claves para proporcionar servicios de cifrado de extremo a extremo e integridad de datos. El sistema de seguridad WirelessHART define cuatro claves:
• Cuando no hay 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 MIC en la capa MAC.
• La clave de acceso a la red es única para cada dispositivo. Cuando un dispositivo se une a la red, el administrador de red la utiliza para autenticar al nuevo dispositivo que solicita acceso.
• El administrador de red crea las claves de sesión. Una 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 de extremo a extremo e integridad de datos. Las claves de sesión se pueden dividir en claves de unidifusión y claves de difusión.
Productos de la serie WirelessHART
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