JP7317339B2 - ワイヤレスメッシュネットワーク - Google Patents

Description

本出願は、一般に、無線メッシュネットワークに関する。

無線メッシュネットワーク（ＷＭＮ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｍｅｓｈ ｎｅｔｗｏｒｋ）１００は、例えば、送信範囲、周波数チャネルの使用などに応じて、互いに通信することができる複数の、場合によっては数百または数千またはそれ以上の無線ノード１０２、１０４によって形成される。無線メッシュネットワーク１００は、他のネットワーク、例えばインターネット１０８、へのゲートウェイの一部であり得る１つ以上のシンクノード１０６を有し得る。

図１は、静無線環境になく、ノードの一部が移動、出現、または消滅するワイヤレスメッシュネットワーク１００の一例を示す。したがって、例示的なメッシュネットワーク１００は、自己組織化型であり、すべてのノード１０２、１０４は、独立して決定を行うことができるが、ネットワーク１００およびそのデータ配信機能をサポートする。

無線メッシュネットワーク１００の一例は、データを生成するセンサデバイス１０２、１０４によって形成される無線センサネットワーク（ＷＳＮ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｅｎｓｏｒ ｎｅｔｗｏｒｋ）である。各センサ装置１０２、１０４は、データをシンクノード１０６に向けて配信するために使用される１つ以上の無線機を備えることができる。たとえ単一のセンサ無線機がシンクノード１０６に直接到達することができない場合でも、センサ無線ノード１０２、１０４の間に形成された無線メッシュネットワーク１００がそれに対処する。各無線ノード１０２、１０４で実施されるルーティングプロトコルは、シンクノード１０６への道を選択する。同様に、複数の無線ホップを介して、シンクノード１０６からノード１０２、１０４へ、またはノード１０２、１０４間で配信されるデータがあってもよい。

典型的に、無線メッシュネットワーク１００は、バッテリのような制限されたエネルギー資源を有するノード１０２、１０４によって形成されてもよく、一方、他のノード１０２、１０４は、商用電源であってもよい。バッテリ作動ノード１０２、１０４は、必要以上にバッテリを消耗させないために、非常に短時間でそれらの動作を制限する必要がある。ワイヤレスメッシュネットワーク１００では、無線ノード１０２、１０４は、互いに同期される必要があるというこの手段がある。同期および媒体アクセス制御（ＭＡＣ：Ｍｅｄｉｕｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ）通信プロトコルを使用して、ノード１０２、１０４は、それらのトランシーバをいつスイッチオンすべきかを知る。

さらに、バッテリ作動ノード１０２、１０４の送信電力は、目標とする隣接ノード１０２、１０４に到達するのに十分な送信電力のみを使用するように最適化されるべきである。これは、ノード１０２、１０４のバッテリを節約するだけでなく、無線メッシュネットワーク１００における無線干渉を制限する。商用電源ノード１０２、１０４は、主として受信モードで、常にそれらの無線をオンに維持することができる。

無線メッシュネットワーク１００は、クラスタ１１０に編成されてもよい。この手段は、クラスタ１１０１内の、クラスタヘッド１０２と呼ばれる少なくとも１つのノード１０２がクラスタメンバー１０４間の時刻同期および周波数チャンネル調整を維持する責任を負うということである。少なくともヘッドノード１０２は、クラスタメンバー１０４のデータを転送するためにルーティングノードの役割を果たすことができるが、残りのノード１０４は、ルーティングを行わなくてもよい。送信電力は、クラスタ１１０内で動作するように調整される。各クラスタヘッドノード１０２は、データを前方にルーティングできるように、少なくとも１つの他のクラスタ１１０のメンバーである必要がある。さらに、典型的には、クラスタヘッド１０２のみが、データをクラスタ１１０からシンクノード１０６に向かう途中の次のクラスタ１１０に送信する。

本発明の１つの目的は、ＡＥＳベースの暗号化のための一意の初期化ベクトルを提供することによって安全な暗号化を保証する、無線メッシュネットワークのための暗号化方法を提供することである。さらに、この方法は、ルーティングを変更することを可能にし、各パケットヘッダにおいて完全なＩＶを送信することを回避することを可能にする。

本発明の１つの目的は、独立請求項によるワイヤレスメッシュネットワーク、装置、方法、コンピュータプログラム、およびコンピュータ可読媒体によって達成される。

一実施形態は、第１のノードと、少なくとも１つの第２のノードとを備える無線メッシュネットワーク（無線メッシュネットワーク）（システム）である。第１のノードは、少なくとも１つの第２のノードに双方向メッシュ通信を提供するように構成される。第１のノードは、ビーコンを周期的にブロードキャストするように構成される。少なくとも１つの第２のノードは、データフレームを第１のノードに送信するように構成される。データフレームは、少なくとも、ビーコンに含まれる第１のノード特有のスーパーフレームカウンタ（ＳＦＣ）、送信側ノード固有フレームカウンタ（ＳＮＳＣ）、および送信側の識別子から構成される初期化ベクトル（ＩＶ）によって暗号化される。

一実施形態は、無線メッシュネットワークのための暗号化方法である。この方法は、第１のノードによって、初期化された第１のノード固有のＳＦＣをビーコンに含めるステップと、第１のノードによって、ビーコンを定期的にブロードキャストするステップと、少なくとも１つの第２のノードによって、ビーコンを受信するステップとを含む。この方法は、少なくとも１つの第２のノードによって、少なくとも、ビーコンから取得されたＳＦＣからのＩＶ、ＳＮＳＣ、および送信側の識別子を構成するステップと、少なくとも１つの第２のノードによって、第１のノードに送信されるべきデータフレームを暗号化するためにＩＶを使用するステップとをさらに含む。

１つの実施形態は、無線メッシュネットワークのための装置（機器）である。この装置は、マイクロコントローラユニットと、無線トランシーバと、を備える。装置は、無線トランシーバによって、第１のノード装置への双方向メッシュ通信を提供し、無線トランシーバによって、第１のノード装置からブロードキャストされたビーコンを受信し、無線トランシーバによって、データフレームを第１のノード装置に送信するように構成される。装置は、少なくとも、ビーコンに含まれる第１のノード固有ＳＦＣと、ＳＮＳＣと、送信側のＩＤとから構成されるＩＶによってデータフレームを暗号化する。

一実施形態は、無線メッシュネットワークにおけるデバイスの暗号化方法である。この方法は、無線トランシーバによって、双方向メッシュ通信を第１のノードデバイスに提供するステップと、無線トランシーバによって、ブロードキャストされたビーコンを第１のノードデバイスから受信するステップと、無線トランシーバによって、データフレームを第１のノードデバイスに送信するステップと、を含む。前記方法は、さらに、マイクロコントローラユニットによって、少なくとも、ビーコンに含まれる第１のノード固有ＳＦＣ、ＳＮＳＣ、および送信者の識別子からＩＶを構成するステップと、マイクロコントローラユニットによって、ＩＶによってデータを暗号化するステップと、を含む。

１つの実施形態は、ワイヤレスメッシュネットワーク内の装置（コンピュータ）で実行されるとき、その装置（コンピュータ）によって暗号化するためのコンピュータプログラムである。プログラムは、無線トランシーバによって、第１のノードデバイスへの双方向メッシュ通信を提供するための通信コードと、無線トランシーバによって、第１のヘッドノードデバイスからブロードキャストされたビーコンを受信するための受信コードと、無線トランシーバによって、データフレームを第１のノードデバイスに送信するための送信コードと、を含む。このプログラムは、さらに、マイクロコントローラユニットによって、少なくとも、ビーコンに含まれる第１のノード固有ＳＦＣ、ＳＮＳＣ、および送信者のＩＤからＩＶを構成するための構成コードと、マイクロコントローラユニットによって、ＩＶによってデータを暗号化するための暗号化コードと、を含む。

一実施形態は、ワイヤレスメッシュネットワーク内の装置で実行されるときに、その装置によって暗号化するためのコンピュータプログラムを備える有形不揮発性コンピュータ可読媒体である。プログラムは、無線トランシーバによって、第１のノードデバイスへの双方向メッシュ通信を提供するための通信コードと、無線トランシーバによって、第１のノードデバイスからブロードキャストされたビーコンを受信するための受信コードと、無線トランシーバによって、データフレームを第１のノードデバイスに送信するための送信コードとを含む。このプログラムは、さらに、マイクロコントローラユニットによって、少なくとも、ビーコンに含まれる第１のノード固有のＳＦＣ、ＳＮＳＣ、および送信者のＩＤからのＩＶを構成するための構成コードと、マイクロコントローラユニットによって、ＩＶによってデータを暗号化するための暗号化コードと、を含む。

さらなる実施形態は、従属請求項に開示される。

実施形態は、以下の図を参照して提示される。
図１は、ワイヤレスメッシュネットワークの例を示す。 図２は、クラスタビーコンのデータフレームフォーマットの例を示す。 図３は、データフレームフォーマットの例を示す。 図４は、メッシュ対応ノードデバイスハードウェアアーキテクチャの例を示す。

図１は、少なくとも１つのクラスタ１１０を含むワイヤレスメッシュネットワークシステム１００を示す。

ＷＭＮ１００は、例えば、ＷＳＮであり、例えば、５ＧＨｚ、２．４ＧＨｚ、８６８ＭＨｚ、８７０ＭＨｚ、および９１５ＭＨｚの無免許周波数帯域を使用する無線システム用に設計されているが、これらに限定されない。同様に、ｌｉｎｃｅｎｓｅｄ ｓｐｅｃｔｒｕｍまたはＳｈａｒｅｄ Ｌｉｃｅｎｓｅｄ Ａｃｃｅｓｓ（ＬＳＡ）スペクトルでの動作をサポートすることができる。

ＷＭＮ１００の各クラスタ１１０は、ヘッド（第１の）ノード装置１０２と、少なくとも１つのメンバー（第２の）ノード（サブノード）装置１０４とを備え、メンバー（第２の）ノード（サブノード）装置１０４は、例えば、図面のように、１、２、３、４、５以上のノード１０４を備えることができる。

さらに、ＷＭＮ１００は、メンバーノード１０４なしにヘッドノード１０２を有することができる。これは、可能な新しいノードが既存のＷＭＮ１００を見つけることを可能にするＷＭＮ１００のエッジにおいて特に重要であり得る。

あるいは、ＷＭＮ１００のすべてのノードがヘッドノード１０２として動作し、他の任意のノードがそのために送信することを可能にするクラスタビーコン（メッセージ）を送信することができる。

したがって、ノードの一部だけがヘッドノード１０２として動作する動作は、ＷＭＮ１００の最適化である。

ヘッドノード１０２は、少なくとも１つのメンバーノード１０４に双方向メッシュデータ通信を提供し、その逆も同様である。

ヘッドノード１０２は、少なくとも１つのクラスタ内の少なくとも１つのメンバーノード１０４と、少なくとも１つのクラスタ１１０の外側のＷＭＮ１００のゲートウェイ装置（シンクノード）１０６または他のヘッドノード１０２と通信する。

代替的に、ＷＭＮ１００は、ヘッドノード（クラスタヘッド）１０２として動作する単一のシンクノード１０６のみを備えることができ、他のノードは、それに接続され、シンクノード１０６に接続されたノードは、メンバーノード１０４として機能し、したがって、１つのクラスタ１１０を形成する。しかしながら、典型的なセンサネットワークは、ノード１０４、１０６間の広範な距離および限定された無線範囲のために、すべてのノード１０４がシンクノード１０６と直接通信することができないようなものであり、ノード１０４とシンク１０６との間のマルチホップ通信が必要であり、好ましい実施形態の利点が明らかになる。

ヘッドノード１０２は、クラスタビーコンまたは任意の他のブロードキャストメッセージを周期的にブロードキャストし、ヘッドノード１０２およびメンバーノード１０４は、互いにデータフレームのフォーマットで双方向にデータを送信するように構成される。

セキュリティは、通信の信頼および通信のデータが正しいことを保証するために、ＷＭＮ１００の最も重要な特徴の１つ。全体的なエンドツーエンドセキュリティは、認証、鍵管理、不正変更防止装置の提供などのいくつかの態様を含む。

ＷＭＮ１００は、特定の暗号化方法を利用する場合、データをシングルエンドノード１０２、１０４からＷＭＮ１００のシンクノード１０６に向けてルーティングすることができる。１つの可能な暗号化方法は、例えば、暗号化のためにＣＴＲモードをカウンタし、完全性保護のためにＣＭＡＣをカウンタするＡＥＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ）である。

暗号化は、任意のブロック暗号方法に基づく任意のストリーム暗号に基づくことができ、これはまた、例えば、Ｅｌｉｐｔｉｃ－ｃｕｒｖｅ ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ（ＥＣＣ）、Ｄａｔａ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ（ＤＥＳ）、Ｔｒｉｐｌｅ Ｄａｔａ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ（ＤＥＳ５）とすることができる。

暗号化（通信）方法は、認証方法または鍵配布方法を考慮せず、むしろ、事前要求は、各ノード１０２、１０４が暗号化のための有効な鍵を有することである。事前に設置された鍵、供給された鍵材料、または他の方法のような任意の鍵配布方法が、この方法で可能であろう。

暗号化方法は、ＡＥＳの暗号化保護においてノンスとして使用される初期化ベクトル（ＩＶ：Ｉｎｉｔｉａｌｉｚａｔｉｏｎ Ｖｅｃｔｏｒ）を更新し、維持することを含む。ＡＥＳは、項ＩＶを使用するが、他の暗号化方法では、この目的のためにより一般的な項ノンスを使用することができる。

通信中のデータフレームは、クラスタビーコンに含まれる少なくともヘッドノード特定スーパーフレームカウンタ（ＳＦＣ）および送信側ノード特定フレームカウンタ（ＳＮＳＣ）から構成されるＩＶの手段によって暗号化される。

ＳＦＣは、クラスタビーコンにおいてＳＦＣを送信し始めるときに、ヘッドノード１０２によって初期化される。ＳＦＣを初期化する１つの可能な方法は、ハッシュとして使用されるＡＥＳ－１２８の入力データについて以下の情報に基づいて乱数を生成することである。

ハッシュのための入力データは、ヘッドノード１０２の固有のプロセッサＩＤ、装置の無線ネットワークアドレス、および真の乱数発生器からなる。

これは、特に装置（ノード１０２、１０４）における動作を開始するときに、ＳＦＣを送信する異なるヘッドノード１０２がＳＦＣを異なる値に初期化することを可能にする。

図２は、クラスタビーコンメッセージのデータフレームフォーマットの例を示し、図３は、データメッセージのデータフレームフォーマットの一例を示す。

クラスタビーコンは、メッセージがＳＦＣを含む場合、ＷＭＮ１００内の任意の他のブロードキャストメッセージ（データメッセージ）によって置き換えることができる。

ＩＶは、ＳＦＣ、ネットワーク無線アドレス、送信元アドレス、およびＳＮＳＣに分割され、ネットワーク無線および送信元アドレスがＳＦＣおよびＳＮＳＣと共にＩＶを構成するために使用されることが容易に分かる。

クラスタ１１０のヘッドノード１０２は、ＳＦＣ値をランダムに初期化することによってＳＦＣを作成するので、ＳＦＣは、ランダムに初期化された、例えば８バイトのカウンタであり、各ヘッドノード１０２によって個々に独立して維持される。

ヘッドノード１０２は、ブロードキャストされたクラスタビーコンフレームにＳＦＣを含め、周期的にクラスタビーコンを送信する。ＳＦＣは、このスーパーフレーム中に使用されるＩＶの半分を形成する。クラスタヘッド１０２は、クラスタビーコンにおいてＳＦＣを再送信する前に、ＳＦＣをインクリメントする。ＳＦＣの周期的な送信は、スーパーフレーム期間として見ることができる。ＳＦＣは、１だけインクリメントされ得るか、またはインクリメンションは、任意の線形演算であり得る。あるいは、ヘッドノード１０２は、次のクラスタビーコンを送信する前に、ＳＦＣを新しいランダム値に初期化する。しかし、このような場合、各メンバーノード１０４は、常に最新のクラスタビーコンメッセージを受信しなければならない。したがって、メンバーノード１０４は、クラスタビーコンを受信することによってＳＦＣを取得する。

さらに、各メンバーノード１０４は、ヘッドノード１０２からＳＦＣを受信した後、ＳＦＣを維持する。これにより、ノード１０４は、以前のクラスタビーコンメッセージを受信していなくても、データを送信することができる。これは、クラスタヘッド動作において可能であり、ＳＦＣは新しいＳＦＣを送信する前に所定の値だけインクリメントされる。

ネットワーク無線アドレス（ネットワークＩＤ）（例えば３バイト）がＩＶで使用され、ＷＭＮ１００の一部であるすべてのノード１０２、１０４に知られている。この情報は、例えば、ＷＭＮ１００のネットワークプロビジョニング証明書を含むノードの構成から得ることができる。

さらに、ネットワーク無線アドレスは、パケットの宛先受信機アドレスでハッシュ化されるまたは単純Ｘｏｒとすることができる。これは、意図された受信ノード１０２、１０４のみがパケットを正しく解読できるので、追加のセキュリティ対策を提供し、単一のノード１０２、１０４が異なるヘッドノード送信をヒアリングする同じＳＦＣ値を使用するという理論上の問題を回避する。これは、各ノード１０２、１０４がＷＭＮ１００に固有のＩＤを有し、ネットワークＩＤを有するＸｏｒが異なるシーケンスを与えることにより達成される。当然ながら、異なるネットワーク１００は、異なる鍵を使用するので、同じＩＶの利用は問題ではない。

さらに、送信者を識別する例えば３バイトの送信者アドレス（送信者ＩＤ）（送信者を識別する）が送信者ノード１０２、１０４によってＩＶに含まれ、送信者ノード１０２、１０４は、図３で示されるような平文として全ての送信されたフレームに含まれる。

例えば、２バイトのＳＮＳＣは、ノード１０２、１０４によって送信される各データメッセージの一部であり、プレーンテキストとして送信され、送信フレーム毎に増加する。さらに、暗号化されたブロードキャストメッセージにおいて、ＳＮＳＣ値は、オーバーヘッドを回避するために、ゼロまたは事前設定された値に設定され得る。

ＳＮＳＣは、メッセージ解読に必要なＩＶの最下位バイトを直接与える２バイトカウンタである。関与するすべてのノード１０２、１０４は、スーパーフレームが開始するときにＳＮＳＣをリセットすることができる。リセットは、ＳＮＳＣをゼロまたは任意の他の初期値に設定することができる。ＩＶの一意性を保証するために、送信者は、同じＳＦＣで同じＳＮＳＣを２回使用しないものとする。ヘッドノード１０２は、以前のＳＦＣ送信およびノード１０４がＳＮＳＣ空間を使い果たしてからいくつかのメンバーノード１０４が多数のフレームを有することを検出することができる。そのような場合、ヘッドノード１０２は、メンバーノード１０４がＳＮＳＣを初期化し、再び固有のＩＶを有することを可能にする新しいＳＦＣ値とともに、通常の周期外のクラスタビーコンを送信することができる。

ノード１０２、１０４が送信されるべきメッセージを作成するとき、それは、最初に、平文としてメッセージに対する初期ＳＮＳＣを含む。その後、メッセージは、暗号化され、内部ＳＮＳＣが増加する。受信ノード１０２、１０４において、ＳＮＳＣおよび送信ノードｉｄは、メッセージから選ばれ、ＩＶを解読するために使用される。

したがって、ヘッドノード１０２がＳＦＣをブロードキャストする前にクラスタビーコンのフレームに含めてクラスタビーコンを送信する場合、クラスタビーコンを受信する任意のノード１０４が固有のＩＶを使用することによって、暗号化されたパケットをヘッドノード１０２に送信することができる状況につながる。

ノード１０４は、受信したＳＦＣ、ネットワークアドレス、自身のアドレス、およびＳＮＳＣから構成されるＩＶを使用することによって、暗号化されたフレームをクラスタノード１０２に送信することができる。複数のネットワークビーコンをヒアリングすることができるノード１０２、１０４は、単に複数のＳＦＣを維持することができるので、どのクラスタ１１０がこのフレームを受信すべきかをフレームごとに決定することができる。これは、送信者ノード１０４による複数のヘッドノード１０２へのルーティングのパケットごとの決定を可能にする。さらに、データパケットは、完全性保護のためのＭＩＣを含むので、フレームを受信する任意のノードはあたかもノードが正しいＩＶを使用していないかのように、そのデータフレームを受信すべきかどうかを判定することができ、ＭＩＣ計算は失敗する。

また、ヘッドノード１０２は、ＳＦＣをデータパケットに沿ってメンバーノード１０４に送信し、データフレームに埋め込むことが可能である。これは、内蔵型データフレームをもたらし、次いで、そのデータフレームは、クラスタ１１０で使用されるＳＦＣを事前に知ることなく、クラスタ１１０の外部で受信することができる。

さらに、メンバーノード１０４がクラスタビーコンをミスした場合、またはクラスタヘッド１０２が例えばＬＢＴ（Ｌｉｓｔｅｎ－Ｂｅｆｏｒｅ－Ｔａｌｋ）防止により、クラスタビーコンを送信することを許可されない（禁止される）場合、ノード１０４は、前のクラスタビーコンで使用された値から、すなわち前の情報から、次に使用されるＳＦＣ値を予測することができる。したがって、ノードは、クラスタヘッド１０２にデータを送信することができる。

さらに、ＳＦＣ情報は、ＷＭＮ１００内の他のヘッドノード１０２に配信され、クラスタ１１０のヘッドノード１０２に到達しない。

ＩＶ構造は、ＩＶがネットワーク固有であり、送信側ノード固有であるため、メッセージごとに一意性を提供する。さらに、ＩＶは、上記で提示したネットワークアドレスと受信者アドレスとの間の追加のＸｏｒ手順によって、送信者および受信者固有にすることができる。

さらに、ＩＶ構造は、ＩＶがＳＮＳＣのためにスーパーフレーム内で繰り返すことができないような構造である。

さらに、ＩＶ構造は、スーパーフレームごとに１回だけ増加する６４ビットのランダムに初期化されたＳＦＣを有する。

さらに、ＩＶ構造は、パケットのオーバーヘッドが最小化されることを可能にする。これは、クラスタビーコンフレームおよび対応するＳＦＣの周期性がクラスタビーコンフレーム周期中にヘッドノード１０２と通信するすべてのノード１０４によって送信されるデータフレームよりも大幅に低くなる可能性があるので、達成される。さらに、ノード１０４がターゲットクラスタヘッド１０２を変更するとき、ピアツーピアシグナリングの必要はない。

さらに、いくつかのノード１０４がクラスタヘッド１０２として動作を開始することを決定した場合、クラスタビーコン送信を開始することができ、ビーコンが、セキュリティをセットアップするためのピアツーピアシグナリングなしで、ルーティングデバイスとしてそれを使用し始めることができることをヒアリングする他の任意のノードが開始することができる。

さらに、いくつかのメンバーノード１０４の無線状態が変化した場合、またはメンバーノード１０４が移動し、従って、クラスタビーコンからの新しいヘッドノード１０２を検出する場合、それは、クラスタビーコン送信を受信した後、メンバーノード１０４とヘッドノード１０２との間のいかなる非セキュアシグナリングも回避して、即座にヘッドノード１０２とのセキュアコミュニケーションを開始することができ、暗号化を初期化する。したがって、この方法は、モバイルノード１０２、１０４を用いてＷＭＮ１００内のＩＶを管理する効率的な方法を提供する。

さらに、これは、クラスタビーコンが送信され、ＳＦＣがＷＭＮ１００のディフフェント部分において独立して異なるネット周期で更新されるメッシュネットワークソリューションを可能にする。これは、いくつかのノード１０２、１０４からのデータ数が非常に多いために、モビリティのための異なるビーコン検出レートおよび異なるＩＶ更新レートをサポートする。

さらに、システムのシグナリングオーバーヘッドを低減するＢｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｍｅｓｈソリューションのように、すべてのネットワークメンバー間でＩＶ情報を分配し、同期させる必要がない。

クラスタビーコンおよびデータフレーム内のバイト数は、例示的なものであり、使用されるバイト数は、フレーム内で変化し得ることに留意されたい。

図４は、メッシュイネーブルノードデバイスハードウェアアーキテクチャの例を示す。

メッシュ対応ノード装置（機器）４００は、メモリ４０１と、マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）４０２と、無線トランシーバ４０３と、アンテナ４０４と、電源４０５とを含む。

ノード装置４００は、ヘッドノード１０２またはメンバーノード１０４とすることができる。

ＭＣＵ４０２は、可能なアプリケーションおよびＷＭＮプロトコルのためのコンピュータプログラム（コード）を実行するために使用される。ノード装置４００は、他のノード装置４００および／またはゲートウェイ装置１０６間でメッシュデータを送信および受信し、アンテナ４０４を介してデータフレームを送信するために、無線トランシーバ４０３を使用する。電源４０５は、装置に電力を供給するための構成要素、例えば、バッテリおよびレギュレータを含む。

メモリ４０１は、コンピュータプログラムを含み、このコンピュータプログラムは、コンピュータ、例えば、ノード１０２、１０４、４００においてＭＣＵ４０２によって実行されるときに、この明細書の一部で提示されるノード１０２、１０４、４００の動作を実行するように構成される。

このような動作は、無線トランシーバ４０３を使用することによって、ヘッドノード１０２とメンバーノード１０４との間の双方向メッシュ通信の生成とすることができる。

さらに、そのようなアクションは、ノード４００がヘッド（第１の）ノード１０２として機能するときに、クラスタビーコンまたは他のブロードキャストメッセージにＳＦＣを含めることであり得る。

さらに、そのようなアクションは、ノード４００がヘッドノード１０２として機能するときに、無線トランシーバ４０３を使用することによって、メンバーノード１０４へのクラスタビーコンまたは他のブロードキャストメッセージの定期的なブロードキャストとすることができる。

さらに、そのような動作は、ノード４００がメンバー（第２の）ノード１０４として機能するときに、無線トランシーバ４０３を使用することによって、ヘッドノード装置１０２からブロードキャストされたクラスタビーコンまたは他のブロードキャストメッセージを受信することであり得る。

また、ノード４００がメンバーノード１０４として機能する場合、無線トランシーバ４０３を用いてヘッドノード装置１０２へデータフレームを送信するようにしてもよい。

さらに、そのようなアクションは、ノード４００がメンバーノード１０４として機能するときに、少なくとも、クラスタビーコンまたは他のブロードキャストメッセージに含まれるヘッド（第１の）ノード固有ＳＦＣ、ＳＮＳＣ、および送信者の識別子からのＩＶの構成とすることができる。

さらに、このような動作は、ノード４００がメンバーノード１０４として機能する場合、ＩＶによるデータの暗号化とすることができる。

コンピュータプログラムは、ＵＳＢスティックまたはＣＤ－ＲＯＭディスクなどの有形不揮発性コンピュータ可読媒体に格納することができる。

このＩＶ構造は、各ノード１０２、１０４が一度だけ使用されるノンスとして使用されるＩＶを有することを保証する。

さらに、ＩＶ構造は、各データフレームにおいて全１６バイトＩＶを送信することを回避することを可能にし、その場合、データパケットは、より短くなり、それらは、エネルギーを節約し、干渉を低減し、パケット当たりのペイロードデータ量を増加させる。

さらに、ＩＶ構造は、暗号データのルーティングが異なるノード１０２、１０４間のノンスを更新するための大規模なオーバーヘッドなしに迅速に変更できることを保証する。

さらに、ＩＶ構造は、任意のノード１０２、１０４が最小の遅延で任意の他のノード１０２、１０４の暗号化されたデータを受信できることを保証する。

さらに、ＩＶ構造は、異なるＷＳＮが同じＩＶ値を使用しないことを保証する。

さらに、ＩＶ構造は、任意の単一のノード１０２、１０４が異なるルーティングノード１０２、１０４に異なるデータを送信し、各リンクを独立して暗号化することを可能にする。

さらに、ＩＶ構造は、ノード１０２、１０４がカバレージ外にあり、他のノード１０２、１０４からフレームを受信できないが、カバレージを得るときに、通信が広範なシグナリングなしで継続することを可能にする場合に、セキュリティ破損を回避する。

さらに、ＩＶ構造は、更新されたＩＶを、あるデータルートには必要でないすべてのノード１０２、１０４に分配することを回避する。

Claims (19)

1. 第１のノード（１０２、４００）と、
   少なくとも１つの第２のノード（１０４、４００）と、を備えるワイヤレスメッシュネットワーク（１００）であって、
   前記第１のノードは、前記少なくとも１つの第２のノードに双方向メッシュ通信を提供するように、かつビーコンを周期的にブロードキャストするように構成され、
   前記少なくとも１つの第２のノードは、前記第１のノードにデータフレームを送信するように構成され、
   前記データフレームは、少なくとも、前記ビーコンに含まれる第１のノード固有スーパーフレームカウンタ（ＳＦＣ）、送信側ノード固有フレームカウンタ（ＳＮＳＣ）、および送信側の識別子から構成される初期化ベクトル（ＩＶ）によって暗号化されることを特徴とする、ワイヤレスメッシュネットワーク。
2. 前記第１のノードは、前記ビーコンをブロードキャストする前に、前記ビーコンのフレーム内に前記ＳＦＣを含む、請求項１に記載のワイヤレスメッシュネットワーク。
3. 前記第１のノードは、ランダムに初期化されたバイトカウンタである前記ＳＦＣを独立して維持するように構成される、請求項１または２に記載のワイヤレスメッシュネットワーク。
4. 前記第１のノードは、前記ＳＦＣを含む複数のＳＦＣを維持するように構成され、前記第１のノードは、少なくとも１つのクラスタのグループに属するどのクラスタ（１１０）が前記第１のノードによってヒアリングされたデータフレームを受信すべきかを決定することができる、請求項１から３のいずれか一項に記載のワイヤレスメッシュネットワーク。
5. 前記少なくとも１つの第２のノードは、前記第１のノードから前記ＳＦＣを受信した後に、前記ＳＦＣを維持する、請求項１から４のいずれか一項に記載のワイヤレスメッシュネットワーク。
6. 前記ＩＶは、ネットワーク無線アドレスおよび送信者アドレスをさらに含み、前記ＳＦＣは、前記ＩＶの半分を形成し、前記ネットワーク無線アドレスおよび前記送信者アドレスは、前記ＩＶを構成するために前記ＳＦＣおよびＳＮＳＣと共に使用される、請求項１から５のいずれか一項に記載のワイヤレスメッシュネットワーク。
7. 前記ネットワーク無線アドレスは、ハッシュまたはＸＯＲ暗号化される、請求項６に記載のワイヤレスメッシュネットワーク。
8. 前記暗号化は、ＡＥＳ（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ）－、ＥＣＣ（Ｅｌｉｐｔｉｃ－ｃｕｒｖｅ ｃｒｙｐｔｏｇｒａｐｈｙ）－、ＤＥＳ（Ｄａｔａ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ）－、またはＤＥＳ５（Ｔｒｉｐｌｅ Ｄａｔａ Ｅｎｃｒｙｐｔｉｏｎ Ｓｔａｎｄａｒｄ）－ベースの暗号化であるブロック暗号化方法に基づくストリーム暗号に基づく、請求項１から７のいずれか一項に記載のワイヤレスメッシュネットワーク。
9. 前記少なくとも１つの第２のノードは、前記第１のノードから前記ビーコンを受信することができない場合、または前記ビーコンのブロードキャストが禁止されている場合に、前の情報に基づいて前記ＳＦＣの次の値を予測するように構成される、請求項１から８のいずれか一項に記載のワイヤレスメッシュネットワーク。
10. 前記少なくとも１つの第２のノードは、前記データフレームに埋め込まれた前記第１のノードのＳＦＣ値を受信するように構成される、請求項１から９のいずれか一項に記載のワイヤレスメッシュネットワーク。
11. 前記第１のノードが他の第１のノード（１０２、４００）と直接通信できない場合、前記ワイヤレスメッシュネットワークはＳＦＣ情報を前記他の第１のノードに配信するように構成される、請求項１から１０のいずれか一項に記載のワイヤレスメッシュネットワーク。
12. 前記ワイヤレスメッシュネットワークは、少なくとも１つのクラスタ（１１０）を備え、前記第１のノードは、ヘッドノード（１０２、４００）であり、前記第２のノードは、メンバーノード（１０４、４００）であり、各クラスタ（１１０）は、前記ヘッドノードおよび少なくとも１つのメンバーノード（１０４、４００）を備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載のワイヤレスメッシュネットワーク。
13. 前記ヘッドノードは、前記少なくとも１つのクラスタ内の前記少なくとも１つのメンバーノードと通信するように構成される、請求項１２に記載のワイヤレスメッシュネットワーク。
14. 前記ビーコンは、クラスタビーコンである、請求項１２または１３に記載のワイヤレスメッシュネットワーク。
15. 請求項１から１４のいずれか一項に記載のワイヤレスメッシュネットワーク（１００）のための暗号化方法であって、
    第１のノード（１０２、４００）によって、初期化された第１のノード固有スーパーフレームカウンタ（ＳＦＣ）をビーコンに含めるステップと、
    前記第１のノードによって、前記ビーコンを周期的にブロードキャストするステップと、
    少なくとも１つの第２のノード（１０４、４００）によって、前記ビーコンを受信するステップと、
    前記少なくとも１つの第２のノードによって、少なくとも、前記ビーコンから取得されたＳＦＣ、送信側ノード固有フレームカウンタ（ＳＮＳＣ）、および送信側の識別子から初期化ベクトル（ＩＶ）を構成するステップと、
    前記少なくとも１つの第２のノードによって、前記第１のノードに送信されるべきデータフレームを暗号化するために、前記ＩＶを使用するステップと、
    を備える、方法。
16. マイクロコントローラユニット（４０２）と、
    無線トランシーバ（４０３）と、を備えるワイヤレスメッシュネットワーク（１００）のための装置（１０４、４００）であって、
    前記装置は、
    前記無線トランシーバによって、第１のノードデバイス（１０２、４００）への双方向メッシュ通信を提供し、
    前記無線トランシーバによって、第１のノードデバイスからブロードキャストされたビーコンを受信し、
    前記無線トランシーバによって、データフレームを第１のノードデバイスに送信するように構成され、
    前記装置は、少なくとも、前記ビーコン内に含まれる第１のノード固有のスーパーフレームカウンタ（ＳＦＣ）、送信側ノード固有フレームカウンタ（ＳＮＳＣ）、および送信側の識別子から構成される初期化ベクトル（ＩＶ）によって前記データフレームを暗号化することを特徴とする、
    装置。
17. ワイヤレスメッシュネットワーク（１００）における請求項１６に記載のデバイス（１０４、４００）のための暗号化方法であって、
    無線トランシーバによって、第１のノードデバイス（１０２、４００）への双方向メッシュ通信を提供するステップと、
    前記無線トランシーバによって、前記第１のノードデバイスからブロードキャストされたビーコンを受信するステップと、
    前記無線トランシーバによって、データフレームを第１のノードデバイスに送信するステップと、
    マイクロコントローラユニットによって、少なくとも、前記ビーコンに含まれる少なくとも第１のノード固有のスーパーフレームカウンタ（ＳＦＣ）、送信側ノード特有のフレームカウンタ（ＳＮＳＣ）、および送信側の識別子から初期化ベクトル（ＩＶ）を構成するステップと、
    前記マイクロコントローラユニットによって、前記ＩＶによってデータを暗号化するステップと、
    を備える、方法。
18. 請求項１７に記載の方法を実行するように構成されたコンピュータプログラム。
19. 請求項１８に記載のコンピュータプログラムを含む、有形不揮発性コンピュータ可読媒体。

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