Introdução ao protocolo WirelessHART
Padrão WirelessHART
A especificação de comunicação WirelessHART foi oficialmente reconhecida pela Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) em setembro de 2008 e tornou-se o padrão internacional IEC para comunicação sem fio industrial (IEC 62591). Ela atende aos requisitos da indústria de processos em termos de confiabilidade, resistência a interferências e segurança em aplicações de fábrica em tempo real, além de flexibilidade de rede e compatibilidade.
As redes WirelessHART suportam uma ampla variedade de dispositivos de diversos fabricantes, e os produtos devem ser classificados em 5 tipos diferentes:
Figura 1. Tipos de dispositivos de rede WirelessHART
• Equipamento de campo: equipamento básico que realiza funções de sensoriamento ou execução no local;
• Adaptador: Conecte-se a dispositivos de campo HART existentes para habilitar recursos de comunicação sem fio;
• Gateway: permite a comunicação entre aplicações host e dispositivos que são membros da rede sem fio;
• Gerente de rede: Responsável pela configuração da rede, organização da comunicação entre dispositivos de rede, gerenciamento de tabelas de roteamento e monitoramento e geração de relatórios sobre o estado da rede sem fio;
• Dispositivos portáteis: usados para configurar, manter ou controlar ativos da planta.
Camada de protocolo
A pilha de protocolos WirelessHART segue a arquitetura do modelo de protocolo OSI de 7 camadas, incluindo as camadas física, de enlace, de rede, de transporte e de aplicação.
Figura 2. Comparação entre o modelo de protocolo OSI de 7 camadas e a estrutura do protocolo WirelessHART.
Camada física
A camada física do WirelessHART é basicamente baseada no padrão IEEE 802.15.4-2006 DSSS de 2,4 GHz. Essa camada define características de radiofrequência como padrão de sinal, intensidade do sinal e sensibilidade do dispositivo. O WirelessHART opera na banda de frequência ISM livre de 2400 a 2483,5 MHz, e sua taxa de transmissão de dados pode chegar a 250 kbit/s. Essa banda de frequência é dividida em 16 canais, numerados de 11 a 26. O espaçamento entre dois canais adjacentes é de 5 MHz.
Camada de enlace de dados
Uma característica distintiva do padrão WirelessHART é a camada de enlace de dados baseada em sincronização de tempo. O intervalo de tempo de comunicação da camada de enlace de dados WirelessHART é estritamente definido como 10 ms, e a tecnologia TDMA é usada para suportar a prevenção de colisões e a comunicação determinística.
Camada de rede e camada de transporte
As camadas de rede e de transporte trabalham em conjunto para fornecer comunicação segura e confiável para dispositivos de rede. Para suportar a estrutura de rede Mesh, cada dispositivo WirelessHART precisa encaminhar dados para os outros dispositivos.
Camada de aplicação
A camada de aplicação é a camada superior do padrão WirelessHART, responsável por definir vários comandos, respostas, tipos de dados e relatórios de status dos dispositivos. No padrão WirelessHART, a comunicação entre dispositivos e gateways é baseada em comandos e respostas. A camada de aplicação é responsável por analisar o conteúdo da mensagem, extrair o número do comando, executar o comando especificado e gerar uma resposta.
Arquitetura de segurança
A rede WirelessHART é um sistema de rede seguro. Tanto a camada MAC quanto a camada de rede do WirelessHART fornecem serviços de segurança. A camada MAC utiliza uma combinação de verificação de redundância cíclica (CRC) e código de integridade de mensagem (MIC) para fornecer serviços de integridade de dados de salto a salto. Tanto o remetente quanto o destinatário utilizam o modo CCM e o algoritmo de criptografia de bloco AES-128 para gerar e verificar o MIC. A camada de rede emprega diversas chaves para fornecer criptografia de ponta a ponta e serviços de integridade de dados. O sistema de segurança WirelessHART define quatro chaves:
• Quando não há chave de rede, a chave pública é usada para gerar o MIC da camada MAC.
• A chave de rede é compartilhada por todos os dispositivos de rede e usada por eles para gerar MICs na camada MAC.
• A chave de acesso à rede é exclusiva para cada dispositivo de rede. Quando um dispositivo se conecta à rede, a chave de acesso é usada pelo administrador da rede para autenticar o novo dispositivo que solicita acesso à rede.
• As chaves de sessão são criadas pelo administrador de rede. Uma chave de sessão é exclusiva da conexão de ponta a ponta entre dois dispositivos de rede e é usada para fornecer criptografia de ponta a ponta e serviços de integridade de dados. As chaves de sessão podem ser subdivididas em chaves unicast e chaves broadcast.
Produtos da série WirelessHART
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