Der drahtlose Standard für die Prozessautomation

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Mesh-Routing

Der Begriff „Mesh” beschreibt eine vermaschte Topologie des Netzwerks und bedeutet, dass jedes Gerät mit jedem beliebigen anderen Gerät kommunizieren kann, das sich in Reichweite befindet.

Dies hat zweierlei Konsequenzen: Zum einen vergrößert sich die Netzreichweite mit jedem Gerät, da jedes auch als Router fungieren und somit Daten von der Quelle bis zum endgültigen Ziel weiterleiten kann. In einem Mesh-Netzwerk benötigen Instrumente keinen direkten Übertragungsweg zum Gateway des Netzwerks. Jedes WirelessHART-Feldinstrument ist in der Lage, die Nachricht anderer Instrumente auf einer Route weiterzuleiten, die sicherstellt, dass die Nachricht bei ihrem endgültigen Ziel-Gateway eintrifft.

Weit wichtiger ist jedoch die Steigerung der Zuverlässigkeit. Mesh-Netzwerke bieten redundante Kommunikationswege und sorgen dadurch für ein hohes Maß an Zuverlässigkeit, das selbst durch eine direkte Sichtverbindung jedes einzelnen Instruments zum Gateway nicht erreicht werden könnte. Das Mesh-Netzwerk kann sich an wechselnde Kommunikations- und andere Umgebungsbedingungen anpassen, um einen zuverlässigen Kommunikationsweg zum Gateway zu ermitteln.

Das Prinzip ist dabei ähnlich zu der Art und Weise, wie Datenpakete sich durch das Internet bewegen, d.h. die Daten springen von Gerät zu Gerät, bis sie am endgültigen Ziel ankommen. WirelessHART-Netzwerke sind selbstheilend: Sie sind selbst dann noch betriebsfähig, wenn ein Knoten ausfällt oder eine Verbindung gestört ist. Dies gewährleistet normalerweise eine sehr hohe Zuverlässigkeit des Netzwerks, da es häufig mehr als nur einen Verbindungsweg zwischen einer Quelle und einem Ziel gibt.

Sicherheit

WirelessHART verfügt über mehrere Sicherheitsmechanismen, die auf verschiedenen Ebenen integriert sind: Verschlüsselung, Datenintegrität, Authentifizierung und Robustheit gegen Denial-of-Service-Angriffe.

Wie bei jeder anderen Wireless-Technologie auch sind über Funk übermittelte Daten abhöranfällig gegenüber jedem, auf sich dem Ausbreitungsweg befindet. Daher wird die gesamte Kommunikation in einem WirelessHART-Netzwerk auf Basis des Algorithmus AES (Advanced Encryption Standard) verschlüsselt. Dieser Algorithmus ist öffentlich zugänglich und so sicher, dass er von der NSA, der Nationalen Sicherheitsbehörde der USA, zur Verschlüsselung streng geheimer Informationen der US-Regierung zugelassen ist.

Zur Ver- und Entschlüsselung von Nachrichten verwenden WirelessHART-Geräte Codierschlüssel mit 128 Bit Länge. AES ist ein symmetrischer Algorithmus, d.h. derselbe Schlüssel, der zur Datenverschlüsselung verwendet wurde, wird auch zu ihrer Entschlüsselung eingesetzt. Die Verwaltung und Vergabe des Schlüssels ist Aufgabe eines Security-Managers. Man unterscheidet hierbei drei verschiedene Schlüssel: Join Key, Session Key und Network Key. Letzterer dient zur Verschlüsselung von Broadcast-Nachrichten, die jedes Gerät im Netzwerk erhalten soll. Join Keys werden von Feldgeräten als eine Form von Passwort genutzt, um sich zu authentifizieren und am WirelessHART-Netzwerk anzumelden. Jedes Gerät baut eine Ende-zu-Ende-Sitzung mit dem Gateway auf, die über einen Session Key verschlüsselt wird. Dadurch können Daten nur von den Endpunkten (entweder Gateway oder Feldgerät) entschlüsselt werden; andere Instrumente, die als Router fungieren, können die Nutzdaten der Nachrichten nicht einsehen. Session Keys besitzen nur eine kurze Lebensdauer und werden häufig geändert, um Brute-Force-Angriffe zu vermeiden.

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