Made available in DSpace on 2014-12-17T14:55:51Z (GMT). No. of bitstreams: 1 MarceloHRN_DISSERT.pdf: 1910960 bytes, checksum: 696b69a0c65216fcf9b33e58073b32ab (MD5) Previous issue date: 2012-08-05 / Coordena??o de Aperfei?oamento de Pessoal de N?vel Superior / This dissertation describes the implementation of a WirelessHART networks simulation module for the Network Simulator 3, aiming for the acceptance of both on the present context of networks research and industry. For validating the module were imeplemented tests for attenuation, packet error rate, information transfer success rate and battery duration per station / Esta disserta??o descreve a implementa??o de um m?dulo de simula??o para redes WirelessHART, utilizando o simulador de redes Network Simulator 3, tendo em vista a aceita??o que ambos possuem no atual contexto de pesquisa e na ind?stria. Para valida??o do m?dulo foram implementados testes quanto a atenua??o dos sinais transmitidos, probabilidade de perda pacotes (Packet Error Rate PER), probabilidade de que uma informa??o produzida seja recebida no destino e dura??o da bateria nas esta??es

La sécurité des systèmes de contrôle industriel est une préoccupation majeure. En effet, ces systèmes gèrent des installations qui jouent un rôle économique important. En outre, attaquer ces systèmes peut non seulement entraîner des pertes économiques, mais aussi menacer des vies humaines. Par conséquent, et comme ces systèmes dépendent des données collectées, il devient évident qu’en plus des exigences de temps réel, il est important de sécuriser les canaux de communication entre ces capteurs et les contrôleurs principaux. Ces problèmes sont plus difficiles à résoudre dans les réseaux de capteurs sans fil (WSN). Cette thèse a pour but d’aborder les questions de sécurité des WSN. Tout d’abord, nous effectuons une étude de sécurité approfondie du protocole WirelessHART. Ce dernier est le protocole leader pour les réseaux de capteurs sans fil industriels (WISN). Nous évaluons ses forces et soulignons ses faiblesses et ses limites. En particulier, nous décrivons deux vulnérabilités de sécurité dangereuses dans son schéma de communication et proposons des améliorations afin d’y remédier. Ensuite, nous présentons wIDS, un système de détection d’intrusion (IDS) multicouches qui se base sur les spécifications, spécialement développé pour les réseaux de capteurs sans fil industriels. L’IDS proposé vérifie la conformité de chaque action effectuée par un noeud sans fil sur la base d’un modèle formel du comportement normal attendu. / The security in Industrial Control Systems is a major concern. Indeed, these systems manage installations that play an important economical role. Furthermore, targeting these systems can lead not only to economical losses but can also threaten human lives. Therefore, and as these systems depend on sensing data, it becomes obvious that additionally to real-time requirement, it is important to secure communication channels between these sensors and the main controllers. These issues are more challenging inWireless Sensor Networks (WSN) as the use of wireless communications brings its own security weaknesses. This thesis aims to address WSN-based security issues. Firstly, we conduct an in-deep security study of the WirelessHART protocol. This latter is the leading protocol for Wireless Industrial Sensor Networks (WISN) and is the first international approved standard. We assess its strengths and emphasize its weaknesses and limitations. In particular, we describe two harmful security vulnerabilities in the communication scheme of WirelessHART and propose improvement in order to mitigate them. Secondly, we present wIDS, a multilayer specification based Intrusion Detection System (IDS) specially tailored for Wireless Industrial Sensor Networks. The proposed IDS checks the compliance of each action performed by a wireless node based on a formal model of the expected normal behavior.

Redes de sensores sem fio tem ganhado grande destaque em diferentes aplicações, tais como, domésticas, comercial e industrial, trazendo mais flexibilidade e mais conveniência em nossas vidas. Entretanto, seu desempenho é influenciado por diversos fatores como, por exemplo, características do ambiente de propagação das ondas de rádio e outras tecnologias de comunicação sem fio que podem coexistir em uma mesma área de cobertura. Os recursos utilizados nas comunicações sem fio são limitados e muitas vezes não exclusivos possibilitando interferências provenientes de diferentes tipos de fontes. O presente trabalho busca soluções para o uso mais eficiente dos recursos da rede de comunicação sem fio, são investigados e propostos métodos adaptativos para uma rede sem fio industrial, o protocolo WirelessHART, utilizando mecanismos dinâmicos de sensoriamento de espectro e seleção de canal entre os dispositivos da rede. É apresentado uma arquitetura de gerenciamento do espectro em conformidade com o protocolo, baseado em sensoriamento do espectro distribuído e no monitoramento do desempenho das comunicações. A arquitetura utilizada permite a classificação de um conjunto de canais específicos entre os pares de dispositivos durante a operação da rede de comunicação. O trabalho demonstra o desempenho dos mecanismos desenvolvidos para a detecção de interferências com redes do tipo IEEE 802.11. / Wireless sensor networks have been expanding rapidly in many applications for different areas such as residential, office and industrial. Wireless connections bring many advantages as installation feasibility, scalability, mobility and reduce infrastructure costs. However, wireless network performance is affected by many factors as, for example, environment characteristics and other wireless communication technologies at the same coverage area. The wireless communication resources are limited and many times shared, allowing interferences from different kind of electromagnetic sources. This work presents a solution for an efficient use of the wireless communication network resources, investigate and propose adaptive methods for an industrial wireless network, the WirelessHART protocol, using dynamic mechanisms of spectrum sensing and channel selection between the devices. A protocol spectrum management architecture based on distributed sensing and monitoring of communications performance is presented, in compliance with WirelessHART protocol, allowing the classification of a set of specific channels between peer devices during the communication network’s operation. Also, it is presented the channel selection performance for IEEE 802.11 interference.

As redes de sensores sem fio (wsns) têm ganhado cada vez mais espaço no monitoramento e controle de processos na indústria. Dentro destas redes, os dispositivos são alimentados por baterias, e a comunicação é feita por radiofrequência. Por conta disto, os rádios dos dispositivos são responsáveis por consumir boa parte da energia armazenada nas suas baterias, e a comunicação dos dispositivos está sujeita à interferência provinda de outras redes e do maquinário industrial. Para sanar estes problemas podem ser empregadas técnicas de controle de potência de transmissão (cpt). Existem diversas técnicas de cpt na literatura, visando os mais diversos objetivos, desde economia de energia e redução de interferência, até controle da topologia da rede. Este trabalho apresenta uma proposta de emprego de (cpt) em uma rede de sensores sem fio através da utilização de controladores proporcionais-integrais (pi). Juntamente com a técnica proposta, são apresentados um procedimento para projeto dos controladores e alguns algoritmos desenvolvidos para o caso ideal e para os casos com saturação dos níveis de potência disponíveis. Este trabalho se diferencia dos trabalhos encontrados na literatura por apresentar uma técnica de controle linear e que depende apenas de informações já disponíveis em cada dispositivo cuja potência será ajustada. Deste modo, esta técnica pode ser empregada em conjunto com protocolos industriais mais restritivos quanto às informações que podem ser trocadas nas mensagens. Além disso, esta técnica reduz ainda mais o consumo e a interferência por evitar transmissões desnecessárias. A proposta apresentada foi validada através de simulações e de um experimento com dispositivos WirelessHART reais, apresentando bons resultados e provando que é possível controlar a potência sem a necessidade das informações extras. / Wireless sensor networks (wsns) are being increasingly adopted in monitor and control tasks in the industry. The devices within these networks are battery-powered, and they communicate through radio frequency. Therefore the radios of the devices account for the most of the consumption of the energy stored in the batteries, and the devices’ communication is subject to interference from other networks and industrial machinery. Transmission power control (tpc) techniques can be employed to cope with these problems. There are several tpc techniques in the literature, aiming at a wide range of objectives, from energy saving and interference reduction, to network topology control. This work presents the proposal of a (tpc) technique in a wireless sensor network that works by employing proportional-integral (pi) controllers. Besides the technique itself, a procedure is presented to design the controllers along some algorithms developed to the ideal case, and the case when there is saturation in the available power levels. This work, unlike the other works found in the literature, presents a linear technique that depends only on information that is already available in each device whose power needs to be adjusted. Therefore, the proposed technique can be employed together with more restrictive industrial protocols that limit the information that can be exchanged in the messages. Besides, it further reduces the power consumption and the interference by avoiding unnecessary transmissions. The proposal was validated through simulations and an experiment using real WirelessHART devices, presenting good results and proving that it is possible to adjust the transmission power without necessarily using the extra information.

O uso de redes sem fio no ambiente industrial está crescendo cada vez mais devido às vantagens que estas redes apresentam comparadas aos sistemas cabeados. No entanto, é necessário que as redes sem fio apresentem a mesma robustez que as redes cabeadas. Para isso, é necessário garantir o enlace de rádio frequência entre os dispositivos e também é preciso que a rede atenda aos requisitos de comunicação em tempo real. O protocolo WirelessHART foi criado em 2007, sendo o primeiro padrão aberto de comunicação sem fio especialmente desenvolvido para ambientes industriais. Esse protocolo vem ganhando cada vez mais aplicabilidade na indústria devido à sua alta confiabilidade e robustez. Por se tratar de um protocolo recente, ainda existem muitas pesquisas em andamento, sendo uma das áreas relacionada a ferramentas para análise e monitoramento da rede. Tais ferramentas têm como objetivo principal capturar as mensagens que trafegam na rede, ou seja, atuam como um sniffer. No entanto, o protocolo WirelessHART apresenta algumas peculiaridades quando comparado a outras redes sem fio, como por exemplo, o uso de 15 canais diferentes. Devido a isso, muitos sniffers já propostos para redes sem fio não podem ser utilizados, pois capturam dados em apenas uma frequência. Outra questão está relacionada ao monitoramento de redes já instaladas, onde os dispositivos podem se encontrar em locais de difícil acesso. Dessa forma, é necessário que a ferramenta tenha mobilidade, ou seja, não necessite estar conectada a um computador, por exemplo. Então, uma vez que ainda não existe uma ferramenta de monitoramento ideal para redes WirelessHART, este trabalho propõe um nova ferramenta, que apresenta vantagens, tais como: captura de dados nos 15 canais utilizando apenas um receptor de rádio, armazenamento local dos dados capturados utilizando um cartão de memória e medição da energia nos canais, para obter informações a respeito de interferências na rede. Além disso, uma aplicação offline de análise dos dados apresenta estatísticas e análises a respeito dos dados capturados. Este trabalho apresenta alguns conceitos teóricos importantes a respeito do protocolo e os detalhes da implementação da ferramenta. Os resultados obtidos mostram que a ferramenta está atuando corretamente como um sniffer e está realizando a detecção de interferências na rede. Um estudo de caso mostra o comportamento da rede WirelessHART coexistindo com o padrão IEEE 802.11. / The use of wireless networks in industrial environment is growing due to the advantages of these networks compared to wired systems. However, the wireless networks must have the same robustness that wired networks. It is necessary to ensure the link between devices and it is also necessary that the network meets the requirements of real-time communication. The WirelessHART protocol was created in 2007, and it is the first open wireless communication standard specifically designed for industrial environments. This protocol has been gaining increasing applicability in industry due to its high reliability and robustness. Because it is a recent protocol, there are still many ongoing researches. One of them is related to tools for analyzing and monitoring the network. Such tools have the main objective to capture the messages that travel on the network, acting as a sniffer. However, the WirelessHART protocol has some peculiarities as compared to other wireless networks, such as the use of 15 different channels. Because of this, many sniffers already proposed for wireless networks can not be applied, because they capture data on only one frequency. Another issue is related to the monitoring networks already installed, where devices can be found in places of difficult access. Thus, it is necessary that the tool has mobility, i.e., does not need to be connected to a computer, for example. So, since there is still no ideal monitoring tool for WirelessHART networks, this paper proposes a new tool, which has advantages such as: data capture in 15 channels using only one radio receiver, local storage of captured data using a memory card and measuring the energy in the channels for getting information about interference in the network. In addition, an offline application presents statistics and analysis about the captured data. This paper presents some important theoretical concepts about the protocol and implementation details of the tool. The results show that the tool is working properly as a sniffer and it’s performing the interference detection in the network . A case study shows the behavior of the WirelessHART network coexisting with IEEE 802.11 standard.

A aplicação de redes sem fio vem crescendo consideravelmente nos últimos anos. Protocolos baseados nesta tecnologia estão sendo desenvolvidos para uma grande variedade de aplicações. A confiabilidade é um dos principais requisitos dos protocolos de comunicação nos ambientes industriais. Interferências, ambiente ruidoso e o grande risco das aplicações industriais que são monitoradas são fatores que elevam os níveis de exigência no que se refere à confiabilidade, redundância e segurança do protocolo. O protocolo WirelessHART é um padrão de comunicação sem fio desenvolvido especificamente para monitoramento e controle de processos com os requisitos necessários para ser utilizado em ambientes industriais. A norma do WirelessHART define diversos aspectos técnicos a serem utilizados no desenvolvimento de algoritmos. Os algoritmos de roteamento e escalonamento de mensagens são de grande relevância para o cumprimento dos requisitos temporais, de confiabilidade e segurança. Requisitos de roteamento e escalonamento são especificados, porém, os algoritmos a serem utilizados não são definidos. O objetivo nessa dissertação é analisar alguns dos principais algoritmos que tem sido propostos especificamente para o protocolo WirelessHART e apresentar um conjunto capaz de ser aplicado nesse protocolo. Análises e comparações entre os algoritmos são realizadas proporcionando um estudo aprofundado sobre seus impactos no desempenho do protocolo. / The application of wireless networks has grown considerably in recent years. Protocols based on this technology are being developed for a great variety of applications. Reliability is one of the main requirements for communication protocols in industrial environments. Interferences, noisy environment and high risk processes that are monitored are factors that increase the levels of requirements in terms of reliability, redundancy and security of the protocol. The WirelessHART protocol is a wireless communication standard specifically designed for process monitoring and control applications with the necessary requirements for to be used in industrial environments. The WirelessHART standard defines several technical aspects to be used in the development of the algorithms. The algorithms of routing and scheduling messages are highly relevant to meeting the timing requirements of reliability and safety. Routing and scheduling strategies are specified, however, the routing and scheduling algorithms are not defined for use. The goal of this dissertation is to analyze some of the main algorithms that have been proposed specifically for the WirelessHART protocol and to present a set able to be applied in this protocol. Analyzes and comparisons between algorithms are realized by providing a detailed study of their impacts on the protocol performance.

Wireless Sensor Networks (WSNs) are ad-hoc wireless networks for small form-factor embedded nodes with limited memory, processing and energy resources. Certain applications, like industrial automation and real-time process monitoring requires time synchronized reliable network protocol. Current work for WSNs provides either time synchronized with low reliability (WirelessHART) or reliable network without time synchronization (Collection Tree Protocol). The Collection Tree Protocol (CTP) provides the reliability from 94.7% to 99.9% for CSMA-CA based MAC layer. This paper addresses channel hopping, a class of frequency diverse communication protocol in which subsequent packets are sent over different frequency channels. Channel hopping combats external interference and persistent multipath fading, two of the main causes of failure along a communication link. Channel hopping technique leads to a high reliable and efficient protocol which is specified by HART Communication Foundation and named as WirelessHART. WirelessHART Data-Link layer designed based on TDMA and CSMA-CA mechanism. By implementing the CTP over WirelessHART Data-Link layer, the reliability of the network protocol can be improved compare to actual CTP standard implementation. This thesis describes the design and implementation of Collection Tree Protocol over WirelessHART Data-Link layer. The implementation is done using TinyOS, nesC programming language using Crossbow TelosB CC2420 radio chip nodes. The results and experiments show the evaluation of the system prototype.

This research addresses real-time task scheduling in industrial process control. It includes a constraint-based scheduler which is based on MSP.RTL, a tool for real-time multiprocessor scheduling problems with a wide variety of timing constraints. This dissertation extends previous work in two broad directions: improving the tool itself and broadening the application domain of the tool to include wired and wireless industrial process control. For the tool itself, we propose enhancements to MSP.RTL in three steps. In the first step, we modify the data structure for representing the temporal constraint graph and cutting the memory usage in half. In the second step, we model the search problem as a constraint satisfaction problem (CSP) and utilize backmarking and conflict-directed backjumping to speed up the search process. In the third step, we perform the search from the perspective of constraint satisfaction programming. As a result, we are able to use existing CSP techniques efficiently, such as look ahead, backjumping and consistency checking. Compared to the various ad hoc heuristics used in the original version, the new approach is more systematic and powerful. To exercise the new MSP.RTL tool, we acquired an updated version of the Boeing 777 Integrated Airplane Information Management System(AIMS). This new benchmark problem is more complicated than the old one used in the original tool in that data communications are described in messages and a message can have multiple senders and receivers. The new MSP.RTL tool successfully solved the new benchmark problem, whereas the old tool would not be able to do so. In order to apply real-time scheduling in industrial process control, we carry out our research in two directions. First, we apply the improved tool to traditional wired process control. The tool has been successfully applied to solve the block assignment problem in Fieldbus networks, where each block comprising the control system is assigned to a specific device such that certain metrics of the system can be optimized. Wireless industrial control has received a lot of attention recently. We experimented with the tool to schedule communications on a simulated wireless industrial network. In order to integrate the scheduler in real wireless process control systems, we are building an experimental platform based on the WirelessHART standard. WirelessHART, as the first open wireless standard for process control, defines a time synchronized MAC layer, which is ideal for real time process control. We have successfully implemented a prototype WirelessHART stack on Freescale JM128 toolkits and built some demo applications on top of it. Even with the scheduler tool to regulate communications in a wireless process control, it may still be possible that communications cannot be established on an inferior wireless link within an expected period. In order to handle this type of failures, we propose to make the control modules aware of the unreliability of wireless links, that is, to make the control modules adapt to the varying link qualities. PID(Proportional, Integral, Derivative) modules are the most used control modules. We developed PIDPlus, an enhanced PID algorithm to cope with possible lost inputs and outputs. It has been shown that PIDPlus can drastically improve the stability of the control loop in cases of unreliable wireless communications. / text

Nos últimos anos tem sido observado um aumento na utilização de redes sem fio em ambientes industriais, em função de diversas vantagens relacionadas à redução de custos de cabeamento, mobilidade e facilidade de inserção, instalação e configuração de novos dispositivos. Entretanto, a aplicação de redes sem fio em sistemas de automação apresenta requisitos mais rígidos no que diz respeito à confiabilidade, segurança e garantias de entrega de mensagens. O protocolo WirelessHART é um padrão aberto de comunicação sem fio que busca atender a estes requisitos. Neste protocolo, um dispositivo conhecido como gerenciador de rede é responsável pela configuração, definição das rotas e alocação de recursos para a comunicação entre os dispositivos da rede. A definição de rotas consiste em um processo complexo, em função das características das redes sem fio, dos recursos restritos dos dispositivos e dos requisitos da aplicação. O ambiente desenvolvido nesta dissertação tem como objetivo permitir a avaliação das rotas determinadas por diferentes algoritmos de roteamento, auxiliando no desenvolvimento, comparação, ajuste de parâmetros e na identificação de problemas. O ambiente também tem como objetivo permitir a monitoração de redes WirelessHART operacionais, através da captura do tráfego na camada física, obtendo informações sobre as condições reais de operação, onde anomalias e problemas na topologia e nas rotas utilizadas na rede podem ser identificados. A ferramenta proposta foi validada com alguns estudos de estudos de caso, que também são apresentados neste trabalho. Os estudos envolveram a análise e ajuste de parâmetros de um algoritmo de definição de rotas estado da arte modificado, e a obtenção de topologias e rotas utilizadas em uma rede WirelessHART operacional. / In the last years the use of wireless networks in industrial environments has been observed, due to several advantages related to the reduction of cabling costs, mobility and ease of integration, installation and configuration of new devices. However, the implementation of wireless networks in automation systems introduces stringent requirements regarding reliability, security and message delivery guarantees. The WirelessHART protocol is an open standard for wireless communication that aims to meet these requirements. In this protocol, a device known as network manager is responsible for the configuration, routes definition, and resource allocation for communication between network devices. The route definition consists of a complex process, due to the wireless networks characteristics, limited resources of devices and application requirements. The environment developed in this work has as objective to enable the evaluation of the routes determined by different routing algorithms, helping in the development, comparison, tuning of parameters and in the identification of possible design problems. The environment also has as objective to allow the monitoring of operational WirelessHART networks, by capturing packets at the physical layer, obtaining information of operating conditions, where anomalies and problems in network topology and routes can be identified. The developed tool has been experimentally validated via some case studies, which are also described in this work. The study cases involved the analysis and tuning of parameters of a state-of-art modified route definition algorithm, and the capture of the current topology and routes of an operational WirelessHART network.

Os sistemas de comunicação sem fio vem ganhando cada vez mais espaço no cenário das comunicações digitais. Em relação aos tradicionais sistemas cabeados, as tecnologias de comunicação sem fio evitam a necessidade de infraestruturas de alto custo, tornam a rede mais flexível, trazem facilidades de reconfiguração e a portabilidade para terminais móveis. Com o crescimento e aprimoramento nos usos das redes de automação novas soluções de comunicação estão surgindo entre elas sistemas de comunicação sem fio que possam ser confiáveis e para aplicações em ambientes mais críticos. Em paralelo o espectro de frequência tem sido cada vez mais ocupado devido à grande demanda, especialmente a faixa de espectro não licenciada. A faixa de frequência de 2.4 GHz (ISM), por exemplo, tem sido vastamente explorada e deve ser atualmente a mais utilizada no mundo, especialmente pela aplicação das grandes redes de comunicação como a world wide web. Este trabalho aborda um estudo sobre coexistência do primeiro protocolo certificado para comunicação sem fio aplicado à indústria, o WirelessHART. É apresentada uma visão geral do protocolo, os diferentes mecanismos de coexistência propostos no padrão e ainda um conjunto de ferramentas desenvolvidas para a análise de desempenho do protocolo WirelessHART. Os estudos de caso utilizam os padrões IEEE 802.11g, IEEE 802.15.1 e o próprio WirelessHART, sendo aplicados a análises experimentais estando presentes condições reais de propagação de sinais de rádio frequência, as quais são muitas vezes simplificadas nos tradicionais trabalhos em ambientes simulados. / Wireless communication systems are gaining more space in digital communications area. Compared to traditional wired systems, wireless communication technologies avoid the need for costly infrastructure, making the networks more flexible, improving portability and allowing an easier reconfiguration of mobile terminals. With the growth and improvement in the use of automation networks, new solutions are emerging in the communication systems, including reliable wireless communication for applications in critical environments. In parallel the frequency spectrum has become increasingly busy due to high demand, especially the unlicensed spectrum band. The frequency range of 2.4 GHz (ISM), for example, has been widely explored worldwide, especially by the application of large communication networks such as the world wide web. This work discusses a study on coexistence of the first certified industrial wireless communication protocol, the WirelessHART. It presents an overview of the protocol, the different coexistence mechanisms proposed in the standard and also a set of tools developed for the performance and coexistence analysis of WirelessHART. Case studies assessing the impact of IEEE 802.11g, IEEE 802.15.1 as well as of other WirelessHART networks experimentally are presented, on which real conditions of propagation of radio frequency signals, which are often simplified in traditional work in simulated environments, are evaluated. Obtained results indicated the adequacy of WirelessHart for industrial applications.