УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ БЕСПРОВОДНОЙ МНОГОКАНАЛЬНОЙ СВЯЗИ

Полезная модель относится к инфокоммуникационным технологиям и системам связи и может быть применима в экономической отрасли сферы услуг: в строительстве, на транспорте, в торговле.
Известен протокол передачи данных ZigBee Pro (патент CN 103442370 А, МПК: H04W 16/18, H04W 84/18), используемый на аппаратном модуле ZigBee, который при малом энергопотреблении способен поддерживать самовосстанавливающуюся ячеистую (mesh) топологию сети с ретрансляцией и маршрутизацией сообщений, с возможностью выбора алгоритма маршрутизации, в зависимости от состояния сети.
Недостатком этого изобретения является то, что размер и тип передаваемых данных ограничен: возможно передавать только данные малого объема, например, данные с датчиков устройств умного дома.
Известен протокол передачи данных ZigBee IP (патент WO 2008027615 А1, МПК: H04L 12/28; H04L 12/46), используемый в маршрутизаторах ZigBee Router. На сетевом уровне протокола действует IPv6-адресация и маршрутизация, устройства сети также получают IPv6-адрес и имеют возможность напрямую взаимодействовать по любым IP-сетям по стандартному стеку TCP/IP.
Недостатком известного изобретения является то, что протокол Zigbee IP, используемый на маршрутизаторе, имеет ограничение по количеству узлов в размере двадцати узлов, которые могут быть использованы в одной сети.
Известна система голосовой связи по IP-протоколу, использующая безлицензионные частоты и включающая мобильный телефон (патент RU 2536876 С2, Н04М 1/253, опубл. 27.12.2014 бюл. №12). Система голосовой связи содержит, по меньшей мере, один мобильный телефон, поддерживающий технологию Bluetooth и имеющий возможность установки программного обеспечения, по меньшей мере одну Bluetooth-точку доступа, обеспечивающую соединение с Интернетом, по меньшей мере один соединенный с Интернетом VOIP-сервер, и обеспечивающий соединения для вызова в виде соединений PSTN, GSM, VOIP и т.п., предусмотрен реализованный программно клиент, служащий в качестве центра вызовов и управляющий исходящими и входящими вызовами, подлежащими осуществлению посредством Bluetooth-соединения между мобильным телефоном и Bluetooth-точкой доступа, а также посредством Интернета с управляющим соединениями для вызова VOIP-сервером и из него.
Недостатком этого изобретения является то, что для его использования необходим стабильный доступ к сети Интернет и возможна только голосовая связь, то есть возможность передачи иных типов данных не предусмотрена.
Известен многофункциональный коммутатор сверхвысокоскоростной mesh-сети (патент RU 2403673 C1, H03D 7/00, Н04В 7/00, опубл. 10.11.2010 бюл. №31), в котором реализуется преобразование дискретной информации в пакеты данных с передачей указанных пакетов по сетям связи. Многофункциональный коммутатор включает полнодуплексный программно-управляемый трансивер 60-100 ГГц, электронно-управляемый СВЧ коммутатор, СВЧ фильтры, шлюз с адаптером низкоскоростной широкополосной, например Wi-Fi, сети абонентского доступа, физический интерфейс, подключенный к сегменту проводной локальной вычислительной сети, например Gigabit Ethernet, микропроцессорный модуль поддержки радиопротокола магистральной сети и управления вышеназванными функциональными узлами. Микропроцессорный модуль по шине управления соединен с входом/выходом канала управления транси-вера, входом/выходом канала управления СВЧ коммутатора и входом/выходом канала управления шлюза абонентского доступа, а по шине данных соединен с встроенным в него коммутатором второго уровня, с входом/выходом шины данных трансивера и входом/выходом шлюза широкополосной сети абонентского доступа. Коммутатор второго уровня снабжен одним или несколькими физическими интерфейсами Gigabit Ethernet. СВЧ вход/выход трансивера присоединен к СВЧ коммутатору, включенному между трансивером и СВЧ фильтрами.
Недостатком известного многофункционального коммутатора является то, что возможность подключения большого количества пользователей к сети осуществима только через доступ по технологии широкополосного радиодоступа (Wi-Fi, WiMAX), а также через проводной LAN сегмент.
Известна кроссплатформенная система обнаружения цикла связи в сети (патент US 20190059041 А1, опубл. 21.02.2019), работающая по принципу объединения устройств, с технологией подключения через Wi-Fi или Bluetooth, в единую локальную вычислительную сеть для передачи следующих типов данных: текст, изображения, видео. Указанный патент описывает способ обнаружения цикла связи между устройствами созданной локальной вычислительной сети, включающий прием в узле специальной сети сообщения, содержащего коммутативное значение, при этом узел связан с идентификатором узла, а коммутативное значение относится к идентификаторам узла, связанным с одним или несколькими узлами на пути, причем сообщение было пройдено независимо от порядка узлов; и определение с помощью одного или нескольких процессоров обнаружения цикла связи на основе того, идентично ли коммутативное значение ранее полученному коммутативному значению.
Недостатком этой системы обнаружения цикла связи в сети является необходимость подключения к Интернету, хотя бы одного из устройств-участников локальной сети, что значительно усложняет развертывание сети в условиях, где подключение к Интернету затруднено или невозможно.
В качестве прототипа выбран беспроводной mesh-роутер (патент CN 102573121 A, H04W 84/18, H04W 88/14, опубл. 11.07.2012), обеспечивающий передачу данных на основе IP таблицы-маршрутизации. Данное устройство относится к разновидности беспроводного ячеистого маршрутизатора, принадлежащего к оборудованию беспроводной связи. Этот маршрутизатор состоит из беспроводной сетевой карты, секции обработки данных и трех частей сетевого интерфейса 10М / 100М. Микросхема сетевых процессов секции обработки данных является основным элементом управления, расширяет хранилище и временные данные, чтобы ОЗУ и микросхема флеш-памяти использовались для программы. Микросхема сообщается письмом с беспроводной сетевой картой и выдает микросхему сетевых процессов после обработки с помощью сетевой карты. Сетевой интерфейс 10М / 100М предназначен для беспроводного вывода данных для получения требования, чтобы данные пересылки были импортированы. Беспроводной mesh-роутер позволяет быстро и эффективно создавать сети, и подходящий пользователь настраивает крупномасштабное сетевое слово беспроводной Mesh. На каждом узле сети содержится сообщение об обнаружении узла посредством отправляющего и принимающего узла, реализующего основу таблицы маршрутизации, анализ связи и реализацию маршрута. Дизайн избыточного маршрута может гарантировать, что он не повлияет на нормальную передачу данных в ситуации, когда отдельные маршрутизаторы повреждены или неисправны, а также улучшает возможности защиты от помех и стабильность полосы пропускания на уровне радиоканала, экономит ресурсы ограниченного частотного спектра.
Недостатком изобретения является то, что для реализации маршрута передачи данных таблица маршрутизации корневого узла должна содержать узел шлюза подключения к Интернету.
Техническая задача полезной модели направлена на создание устройства, осуществляющего организацию безопасной беспроводной связи на основе самоорганизующейся ячеистой (mesh) топологии для реализации многоканальной голосовой связи посредством Bluetooth-гарнитуры и передачи
иных типов данных (видео, текст) на устройства со встроенным Wi-Fi-модулем по защищенному протоколу передачи данных без непосредственного подключения к сети Интернет.
Технический результат- обеспечение защиты передаваемых данных в беспроводной ячеистой сети.
,
Для решения технической задачи и достижения технического результата в устройстве для создания беспроводной многоканальной связи, хранящем распределенную хэш-таблицу маршрутизации, распределяющую уникальные IP-адреса узлам-маршрутизаторам сети, и содержащем беспроводную сетевую карту, оперативную память, флэш-память, малогабаритный микрокомпьютер, имеющий возможность реализации сетевого протокола передачи данных, аккумулятор для возможности автономной работы устройства, оценочную плату, выполненную с возможностью реализации алгоритма шумоподавления при организации голосовой связи между узлами-маршрутизаторами сети и подключенную к малогабаритному микрокомпьютеру, датчик температуры, подключенный к двунаправленной шине связи вывода прямого управления малогабаритного микрокомпьютера, дисплей, подключенный к малогабаритному микрокомпьютеру, к аккумулятору, к датчику температуры для передачи данных с датчика температуры и показа IP-адресов, согласно полезной моделидля обеспечения защиты передаваемых данных в ячеистой сети малогабаритным микрокомпьютером использован алгоритм шифрования на основе троек Штейнера, представляющий собой разбиение передаваемых данных на множество долей, при этом распределение доли среди множества узлов, каждый из которых получает свою долю, базируется на использовании в алгоритме однорангового матроида, построенного на тройках Штейнера.
Сущность полезной модели поясняется фигурами.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства для создания беспроводной многоканальной связи; на фиг. 2 представлена схема узлов создаваемой устройством ячеистой сети беспроводной многоканальной связи.
Устройство для создания беспроводной многоканальной связи (фиг.1) содержит микрокомпьютер Raspberry Pi - 1, RGB-светодиод - 2, оценочную плату DSP TMDSEVM6657LS - 3, датчик температуры D18B20 - 4, OLED - дисплей - 5, кнопку включения/выключения устройства - 6, кнопку включения индикатора температуры - 7, кнопку выключения индикатора температуры - 8, кнопку включения режима показа IP-адресов - 9, кнопку выключения режима показа IP-адресов - 10.
Малогабаритный микрокомпьютер Raspberry Pi 1 (фиг. 1) соединен с кнопками 6-10 через интерфейс ввода-вывода прямого управления GPIO, где каждая из кнопок подключена с двумя отдельными SMD-резисторами на 820 Ом и 15 кОм соответственно. Малогабаритный микрокомпьютер 1 предназначен для реализации сетевого протокола передачи данных в ячеистой сети в защищенном исполнении, за счет применения алгоритма схемы разделения секрета на тройках Штейнера и хранения распределенной хеш-таблицы маршрутизации. Узлами ячеистой сети являются устройства со встроенными Bluetooth-модулем, например, Bluetooth-гарнитура или устройства с одновременно встроенными Wi-Fi и Bluetooth-модулями, позволяя им взаимодействовать между собой на сетевом уровне модели OSI. Три канала RGB- светодиода 2 подключены к интерфейсу ввода-вывода прямого управления GPIO через резисторы со второго по четвертый (на фигурах не обозначены). Датчик температуры 4 подключен к двунаправленной шине связи 1-Wire вывода прямого управления GPIO микрокомпьютера Raspberry Pi 1, и к резистору (на фигурах не обозначен). Устройство для создания беспроводной многоканальной связи содержит OLED-дисплей 5, подключенный к микрокомпьютеру 1 в точке нулевого потенциала GND, к точке источника питания (аккумулятора 11 на фиг. 2), к датчику температуры 4 через последовательную ассиметричную шину для передачи данных с датчика температуры 4 и показа IP-адресов. Устройство также содержит оценочную плату 3 для реализации алгоритма шумоподавления при организации голосовой связи между узлами-маршрутизаторами. Оценочная плата 3 подключена к микрокомпьютеру 1 через асинхронный приемопередатчик UART.
Для возможности автономной работы устройства беспроводной многоканальной связи к малогабаритному микрокомпьютеру 1 через универсальную последовательную шину подключена литий-ионная батарея 11 (аккумулятор) (фиг. 2) постоянного тока, с выходным напряжением 5 В, емкостью аккумулятора 3800 мА/ч и выходным током 1,8 А.
Корпус устройства беспроводной многоканальной связи с разъемом для подключения литий-ионной батареи по USB-порту, с отверстиями для пяти кнопок 6-10 (фиг. 1) и с местом для вывода RGB-светодиода 2, может быть выполнен из металла или высокопрочного пластика.
Схема узлов ячеистой сети, создаваемой устройством беспроводной многоканальной связи (фиг.2), содержит описание взаимодействия между узлами сети. Устройство для создания беспроводной многоканальной связи 11 подключен к литий-ионному аккумулятору 12. Подключение к устройству для создания беспроводной многоканальной связи И Bluetooth-гарнитуры происходит через Bluetooth соединение, формируется первый узел-маршрутизатор 13 ячеистой сети. Подключение устройства со встроенными Wi-Fi и Bluetooth-модулями к устройству для создания беспроводной многоканальной связи 11 происходит посредством его подключения к узлу-маршрутизатору 13 через Bluetooth соединение, либо через Wi-Fi-модуль - без необходимости подключения при этом к сети Интернет, - так формируется второй узел-маршрутизатор 14 ячеистой сети. Голосовая связь между узлом-маршрутизатором 13 и следующей Bluetooth-гарнитурой организовывается посредством формирования узла-маршрутизатора 15 с помощью автоматического присваивания ему из распределенной хэш-таблицы маршрутизации устройства для создания беспроводной многоканальной связи 11 IPv6-адреса по стандарту взаимодействия 6LoWPAN. Связь для передачи других типов данных между узлами-маршрутизаторами 14 и 16 осуществляется с помощью автоматического присваивания узлам из распределенной хэш-таблицы маршрутизации устройства для создания беспроводной многоканальной связи 11 IPv6-адреса по сетевому уровню модели OSI.
Устройство беспроводной многоканальной связи работает следующимобразом.Устройство для создания беспроводной многоканальной связи включается с помощью кнопки включения/выключения 6 (фиг. 1). На RGB-светодиоде 2 загорается светодиод зеленого цвета. При подключении к устройству для создания беспроводной многоканальной связи Bluetooth- гарнитуры с помощью Bluetooth-модуля, установленного в микрокомпьютере 1 (фиг. 1) происходит создание первого узла-маршрутизатора ячеистой сети 13 (фиг. 2): Bluetooth-гарнитуре из распределенной таблицы хэш-маршрутизации, хранящейся в памяти микрокомпьютера 1 (фиг. 1) присваивается случайный уникальный IPv6-адрес из частотного диапазона fc00::/8. Созданный узел-маршрутизатор 13 (фиг. 2) сможет взаимодействовать с другими аналогичными узлами-маршрутизаторами (узел-маршрутизатор 15 на фиг. 2) через стандарт взаимодействия 6LoWPAN по интернет-протоколу IPv6. В процессе передачи потоковых голосовых сообщений через узлы-маршрутизаторы (узел-маршрутизации 13 и узел-маршрутизации 15 на фиг. 2) осуществляется алгоритм подавления шумов через оценочную плату 3 (фиг. 1), при этом используется метод оптимального сложения сигналов, в котором каждому сигналу присваивается вес, определенный из достижения максимума функции сигнал/шум. Возможно подключение к устройству для создания беспроводной многоканальной связи 11 (фиг. 2) узла- маршрутизации 14 - устройства со встроенными Wi-Fi и Bluetooth-модулями, посредством его сопряжения по Bluetooth с узлом-маршрутизатором 13, в этом случае создается узел-коммутатор, выполняющий роль одностороннего моста, и позволяющий передать данные узлу-маршрутизатору 15 при условии, что этот узел ранее не был соединен ни с одним другим узлом ячеистой сети. Возможно подключение узла-маршрутизации 14, посредством встроенного в него Wi-Fi-модуля, напрямую к устройству для создания беспроводной многоканальной связи 11. В этом случае создаваемому узлу-маршрутизации 14 из распределенной таблицы хэш-маршрутизации, хранящейся в памяти микрокомпьютера 1 (фиг. 1), присваивается случайный уникальный IРv6-адрес из частотного диапазона fc00::/8. Созданный узел-маршрутизации 16 (фиг. 2) может передавать различные типы данных аналогичным узлам-маршрутизации, например, узлу-маршрутизации 14 по интернет-протоколу IPv6. Устройство для создания беспроводной многоканальной связи 11 выступает в качестве центрального DNS-сервера, отвечающего на поступающие DNS-запросы, являющиеся информацией обо всех IPv6- адресах узлов-маршрутизаторов ячеистой сети. При нажатии на кнопку включения режима показа IP-адресов 9 (фиг. 1) устройства для создания беспроводной многоканальной связи 11 (фиг. 2) на дисплее 5 (фиг. 1) начнут последовательно появляться IРv6-адреса всех новых узлов-маршрутизации. При нажатии на кнопку выключения режима показа IP-адресов 10 на дисплее 5 исчезнут IPv6-адреса всех новых узлов-маршрутизации. Передаваемые данные между узлами-маршрутизаторами шифруются посредством реализации схемы разделения секрета на нелинейной системе троек Штейнера. Устройство для создания беспроводной многоканальной связи 11 (фиг. 2) использует алгоритм шифрования на основе троек Штейнера для обеспечения защиты передаваемых данных. Используемый алгоритм шифрования сетевого протокола ячеистой сети на микрокомпьютере 1 (фиг.1) представляет собой разбиение передаваемых данных на множество долей (секретов). Способ распределения доли (секрета) среди множества участников (узлов), каждый из которых получает свою долю, базируется на использовании в алгоритме однорангового матроида, построенного на тройках Штейнера, и соответствующего идеальной схеме разделения секрета. При нажатии на кнопку включения индикатора температуры 7 на дисплее 5 появится показатель температуры микрокомпьютера 1, измеряемой датчиком температуры 4. При нажатии на кнопку выключения индикатора температуры 8 на дисплее 5 исчезнет показатель температуры микрокомпьютера 1. При нажатии кнопки включения / выключения устройства 6 происходит выключение устройства беспроводной многоканальной связи, и передача данных приостанавливается, при этом светодиод 2 загорается красным цветом. За счет подключенного литий-ионного аккумулятора 12 к малогабаритному микрокомпьютеру 1 устройство беспроводной многоканальной связи работает автономно.
Предлагаемая полезная модель позволяет организовывать безопасную, не зависимую от Интернет-соединения, беспроводную ячеистую сеть для многоканальной голосовой связи без помех и передачи иных типов данных (текст, видео).
В настоящее время из уровня техники неизвестно использование автономных и малогабаритных устройств, позволяющих организовать ячеистую сеть:
полностью независимую от сети Интернет;
организующую многоканальную голосовую связь между независимыми Bluetooth-устройствами;
реализующую встроенный алгоритм шумоподавления при организации многоканальной голосовой связи;
использующую алгоритм шифрования на основе троек Штейнера для защиты передаваемых данных.
Таким образом, заявленная полезная модель соответствует критерию «новизна».
Реализация в одном автономном и малогабаритном устройстве протокола сетевого взаимодействия ячеистой сети на микрокомпьютере, оценочной платы с алгоритмом шумоподавления, алгоритма шифрования на основе троек Штейнера, способствует повышению уровня технических возможностей в области обеспечения защиты передаваемых данных в беспроводной ячеистой сети.
Заявляемая полезная модель является промышленно применимой, поскольку может быть применена: в сфере строительства - жилое многоэтажное строительство, промышленное строительство, строительство спортивных и торгово-развлекательных учреждений; в частных охранных предприятиях;
в цехах промышленных предприятий в легкой и добывающей промышленности; и на прочих предприятиях - хлебозаводах, автозаводах, механических заводах; в сфере транспорта - грузовые и пассажирские железнодорожные перевозки, речной транспорт, морской транспорт; на коммерческих предприятиях, нуждающихся в организации недорогой изолированной и защищенной сети.
Применение и использование предлагаемого устройства не вызывает никаких трудностей и может быть осуществлено любым человеком без специального обучения. При изготовлении и использовании данного устройства используются предметы и материалы, выпускаемые промышленностью и находящиеся в открытой продаже.