TI Wi-SUN® FAN 堆栈 - 软件概述
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摘要
TI Wi-SUN® 软件概述介绍了德州仪器 (TI) 基于 TI Wi-SUN® FAN 1.0 实施的总体 Wi-SUN® FAN 软件内容和支持生态系统。本文档简要概述了 Wi-SUN® FAN 软件的特性和功能，但未介绍具体细节。有关 API 和实现细节的更多信息，请参阅 Wi-SUN® 开发人员指南和 SIMPLELINK-LOWPOWER-F2-SDK。
商标
LaunchPad™, and SimpleLink™Code Composer Studioare TMs ofTI corporate name.
Wi-SUN®is a reg TM ofWi-SUN Alliance.
Microsoft® and Windows®are reg TMs ofMicrosoft Corporation.
Linux®is a reg TM ofLinus Torvalds.
macOS®is a reg TM ofApple Inc..
Other TMs
1 首字母缩写词
本产品概述使用以下首字母缩写词：
- BR - 边界路由器
- CA - 证书颁发机构
- CLI - 命令行界面
- CoAP - 受限应用协议
- FAN - 现场局域网
- GTK - 组瞬态密钥
- IETF - 互联网工程任务组
- IPv6 - 互联网协议版本 6
- NWP - 网络处理器
- OAD - 无线下载
- PKI - 公钥基础设施
- PMK - 成对主密钥
- PTK - 成对瞬态密钥
- RFC - 请求注解
- RN - 路由器节点（也称为嵌入式路由器）
- RTOS - 实时操作系统
- UDP - 用户数据报协议
2 概述
Wi-SUN® 是基于标准的具有跳频功能的网状网络。Wi-SUN® 联盟 (wi-sun.org) 拥有来自 46 个国家/地区的 300 多个成员，在全球部署了 1 亿多台设备。Wi-SUN® 支持 IPv6 协议组和基于标准的多层安全性。该标准支持多种数据速率和频带，可满足全球不同的监管要求。应用包括智能电网和智能城市应用，且经认证的产品支持多供应商互操作性。
TI 的 Wi-SUN® FAN v1.0.0 设计基于在符合 Wi-SUN® 标准的 TI 15.4 Stack 之上集成的开源 IETF RFC 组件。基于开源 SPINEL 接口提供网络接口模型。客户通常使用 UDP 作为传输层在 IPv6 之上开发应用。
TI 的 Wi-SUN® FAN v1.0.0 设计针对较小的存储器占用空间进行了优化，以适应嵌入式器件，此外还针对低功耗操作进行了优化。软件栈的集成和测试是在已标记的、经过认证的版本中完成的。
| 组件 | 版本 |
|---|---|
| TI Wi-SUN® 版本 | v1.0.0 |
| 经销商 | 作为库代码包含在用于 CC13x2 和 CC13x4 器件的 SDK7.10 中 |
| IDE 支持 | 适用于 Microsoft® Windows® 10、Linux® 和 macOS® 的 CCS v12.5 |
| 编译器支持 | TI Clang 2.1 LTS |
| RTOS 支持 | TI-RTOS、Free RTOS |
| 支持的器件 | 边界路由器：CC1312R7、CC1352P7、CC1314R10、CC1354R10、CC1354P10 路由器节点：CC1312R、CC1312PSIP、CC1352R、CC1352P、CC1312R7、CC1352P7、CC1314R10、CC1354R10、CC1354P10 |
| 推荐的开发套件 | 边界路由器：个人计算机 (PC) 主机 + CC1352P7 LaunchPad™ 开发套件或 CC1354P10 LaunchPad™ 路由器节点：CC1352P LaunchPad™ 或 CC1354P10 LaunchPad™ |
TI 已通过 Wi-SUN® 联盟认证了多个 FAN 配置文件，可在 CC13x2x 以及 CC13x4x10 器件上使用。由于器件内部存储器的限制，并非每个器件都支持 FAN 配置文件。表 2 列出了 Wi-SUN® FAN 配置文件及相应证书和可与相应器件结合使用的 PHY 的证书。
| Wi-SUN® 证书 | FAN 配置文件 | 相应的 PHY |
|---|---|---|
| WSA0272 | 适用于 CC13x2R 或 CC13x2P 的 FAN 配置文件（路由器） | WSA0260 WSA0262 (800MHz) |
| WSA0273 | 适用于 CC13x2R7 或 CC13x2P7 的 FAN 配置文件（路由器） | WSA0261 WSA0263 (800MHz) |
| WSA0278 | 适用于 CC13x2R7 或 CC13x2P7 的 FAN 配置文件（边界路由器） | WSA0261 WSA0263 (800MHz) |
| WSA0313 | 适用于 CC13x4R10 或 CC13x4P10 的 FAN 配置文件（路由器） | WSA0311 WSA0312 |
| WSA0314 | 适用于 CC13x4R10 或 CC13x4P10 的 FAN 配置文件（边界路由器） | WSA0311 WSA0312 |
3 参考示例
SimpleLink™ SDK 包含许多有关 Wi-SUN® FAN 中不同角色的示例。并非每个角色和示例都适用于每个器件。这是由于某些角色对存储器有一定的要求。因此，具有较小存储器的器件无法用作边界路由器角色。表 3 和表 4 中提供了示例列表和相应的支持器件。
| 应用 | 使用 |
|---|---|
| 适用于 NWP 的 Python 接口模块 | 从 Linux 或 Microsoft® Windows® 10 PC 控制 NWP 的参考代码。TI GitHub 上的公开内容 |
| NWP 配置中的边界路由器 | 使用 TI 定义的 API（基于 SPINEL 接口层）通过 UART 控制的边界路由器。 |
| NWP 配置中的路由器 | 使用 TI 定义的 API（基于 SPINEL 接口层）通过 UART 控制的路由器节点。 |
| 嵌入式路由器示例 | 具有嵌入式 CoAP 服务器的单芯片路由器示例 |
具有片外 OAD 功能的嵌入式路由器 | 具有嵌入式 CoAP 服务器 和片外无线下载功能的单芯片路由器示例（适用于 CC13x2x7 器件） |
具有片上 OAD 功能的嵌入式路由器 | 具有嵌入式 CoAP 服务器 和片上无线下载功能的单芯片路由器示例（适用于 CC13x4x10 器件） |
| 代码示例和无线 MCU | SDK 示例名称 | 可用闪存 | 可用 RAM | 说明 |
|---|---|---|---|---|
| CC1312R7 或 CC1352P7 上的 NWP 边界路由器 | ns_br | 309kB (44%) | 21kB (15%) | 用户不需要向 NWP 映像添加代码。用户仅完成电路板级配置。 |
CC1314R10 或 CC1354R10 上的 NWP 边界路由器 | ns_br | 633kB | 134kB | |
| CC1312R 或 CC1352P 上的 NWP 路由器 | ns_node | 15kB(1) (5%) | 14kB(1) (19%) | |
| CC1312R7 或 CC1352P7 上的嵌入式路由器（基于 CoAP） | ns_coap_node | 380kB (54%) | 88kB (61%) | — |
CC1314R10 或 CC1354R10 上的嵌入式路由器（基于 CoAP） | ns_coap_node | 704kB | 201kB | — |
CC1312R7 或 CC1352P7 上的片外 OAD（基于 CoAP） | ns_coap_oad_offchip | 380kB | 88kB | — |
CC1314R10 或 CC1354R10 上的片上 OAD（基于 CoAP） | ns_coap_oad_onchip | 364kB | 201kB | 保留用于 OAD 映像的 352kB 闪存存储器 |
存储器占用空间基于使用 TIRTOS7 和 TICLANG 编译器。使用 FreeRTOS 或其他编译器时，占用空间可能会有所不同。
4 射频协议 – Wi-SUN® PHY
Wi-SUN® 支持多种频率和数据速率，可实现全球覆盖并满足不同的应用需求。北美使用的主要频段为 902MHz 至 928MHz，欧洲为 863MHz 至 876MHz，日本为 920MHz 至 928MHz。Wi-SUN® 联盟成员可获取更多详情和有关频率计划和频道的信息。
| 符号速率 (ksymbol/s) |
调制指数 | Wi-SUN® 模式 | 频段 | 监管合规目标 |
|---|---|---|---|---|
| 50 | 0.5 | #1a | EU | EN300 220 |
| 1.0 | #1b | NA、 BZ、JP |
FCC 15.247 | |
| 100 | 0.5 | #2a | EU | EN300 220 FCC 15.247 |
| 1.0 | #2b | NA、BZ、JP | ARIB STD-108 | |
| 150 | 0.5 | #3 | EU、NA、BZ、JP | FCC 15.247 ARIB STD-T108 |
| 200 | 0.5 | #4a | NA、 BZ |
FCC15.247 |
| 1.0 | #4b | JP | ARIB STD-T108 | |
| 300 | 0.5 | #5 | NA、BZ、JP | FCC15.247 ARIB STD-T108 |
5 软件方框图
| 层 | Wi-SUN® FAN | TI 路由器和边界路由器 |
|---|---|---|
| NWP | 未定义 | 基于开源 SPINEL 接口。 |
| 安全性 | EAP-TLS、802.11i、802.1X | 基于开放源组件。 |
| 传输层 | UDP | |
| 网络层 | IPv6 | |
| ICMPv6 | ||
| RPL | ||
| 6LoWPAN | ||
| 数据链路层 | 跳频 MAC | 基于 TI 15.4 Stack。 |
| PHY 层 | IEEE 802.15.4g | 基于 TI 15.4 Stack。 |
Wi-SUN® FAN 协议最多定义到传输层，TI 堆栈支持传输层使用 UDP。
6 网络拓扑及特性
TI 的 Wi-SUN® FAN v1.0.0 流程支持以下设备类型和设计：
- 边界路由器
- 基于网络处理器 (NWP) 模式下的 TI CC13x2x7 系列 (704KB) 和 CC13x4x10 系列 (1MB) 存储器器件，需要主机处理器来提供回程连接
- 支持通过 TI 定义的 NWP 接口（基于 SPINEL 接口层）进行 UART 通信
- NWP 模式下的路由器设备
- TI CC13x2xx 系列 (352KB)、CC13x2x7 系列 (704KB) 和 CC13x4x10 系列 (1MB) 器件均支持
- 支持通过 TI 定义的 NWP 接口（基于 SPINEL 接口层）进行 UART 通信
- 嵌入式路由器
- 基于 TI CC13x2x7 系列 (704KB) 和 CC13x4x10 系列 (1MB) 存储器器件
- 提供基于 CoAP 应用的示例实施
- 无线下载 (OAD) 功能，具有用于 CC13x2x7 系列的片外存储器 (704KB) 和用于 CC13x4x10 系列的片上存储器 (1MB)
网络可以由 Wi-SUN® FAN 中的各类上述设备和角色组成。显示所有角色的一种可能的网络架构如图 1 所示。
图 1 具有边界路由器、使用 NWP 实施的路由器和嵌入式路由器的可用网络架构与边界路由器关联的网络称为 PAN。可以通过 WAN 回程连接多个 PAN，以扩展网络覆盖范围。此回程不是 Wi-SUN® FAN 规范的组成部分。
图 2 由两个 PAN 组成的 Wi-SUN® 网络拓扑7 安全性
TI 的 Wi-SUN® FAN v1.0.0 解决方案支持基于 IEEE 802.1x 规范的出色网络安全性：
| 类别 | 信息安全机制 |
|---|---|
| Wi-SUN® FAN v1.0.0 安全规范 | IEEE 802.11i 关键 WAN 管理 |
| 用于身份验证和加密的 IEEE 802.1x | |
| AES-128 加密 | |
| 基于 ECC 的密钥交换和签名验证 | |
| 适用于安全协议的真随机数生成 | |
| IEEE802.1AR 定义的 X.509 证书 |
图 3 总结了密钥交换机制的关键方面：
图 3 Wi-SUN® 中的安全密钥交换机制7.1 证书管理
7.2 密钥交换过程
以下列表概述了安全密钥交换过程：
- 在设备和边界路由器之间建立唯一的成对主密钥 (PMK) 和成对瞬态密钥 (PTK)
- PTK 用于将 GTK（组瞬态密钥）安全地安装到各个设备
- 设备使用 GTK 来加密使用 IEEE 802.15.4 中定义的 AES-128 CCM* 的 MAC 有效载荷数据包
- 网络管理定义不同密钥的寿命并执行密钥管理
- PMK、PTK 和 GTK 的寿命通常按降序排列（默认值：分别为 4、2 和 1 个月）
此堆栈版本支持默认证书（编译成代码以供现场试用）。
8 性能和测试数据
对于此修订版，进行了 100 节点网状网络和 5 跳网络拓扑的测试。边界路由器定期逐个 ping 每个设备。Ping 数据包大小为 50 字节；Ping 间隔为 5 秒，Ping 响应超时为 30 秒。测试运行达 24 小时。
| 测试参数 | 结果 |
|---|---|
| 端到端延迟 | 第 1 跳：373ms 第 2 跳：471ms 第 3 跳：574ms 第 4 跳：760ms 第 5 跳：899ms 总体平均值：583ms |
| 平均数据包错误率 (PER) | 0.001% |
| 平均网络加入延迟 | 48.3 分钟 |
从平均加入延迟来看，设计人员必须考虑，这是通过采用 5 跳架构的 100 节点网络测试得出的，如图 4 所示。每跳包含不同数量的路由器节点。表 9 列出了每跳加入延迟的差异。每跳平均加入延迟定义为从给设备加电到一跳中 100% 的节点加入网络所需的平均时间。
具有 2-3 个节点的开箱即用网络在加电后 3 至 5 分钟内即可加入。确切的加入时间取决于多个时序因素和所需的数据速率。这些设置在 SysConfig 中配置。
图 4 100 节点网状网络测试的网络拓扑| 跳 | 每跳路由器数量 | 平均加入延迟（分钟） |
|---|---|---|
| 第 1 跳 | 32 | 37.3 |
| 第 2 跳 | 16 | 27.2 |
| 第 3 跳 | 12 | 58.8 |
| 第 4 跳 | 20 | 60.5 |
| 第 5 跳 | 16 | 68 |
| 性能数据 | 结果 |
|---|---|
| 最大网络跳数 | Wi-SUN® FAN 1.0 标准支持多达 24 跳 |
| 最大网络规模 | 除了应用用例详细信息之外，网络规模还受边界路由器 RAM 的限制。对于具有 144KB RAM 的器件，TI 建议每个边界路由器使用多达约 100 个节点。可以使用多个边界路由器来扩展网络。具有更大存储器的 TI 器件可以支持更大的网络。 |
| PHY 认证结果 | Wi-SUN® FAN 1.0 PHY 适用于：
|
| FAN 认证结果 | 经 Wi-SUN® FAN 1.0 认证的路由器堆栈 |
OAD 测试是使用不同块大小以 352256 字节的映像大小进行的。结果因数据传输到目的地所需的跳数而异。OAD 经测试最大跳数为 2。应考虑在基本无噪声的环境中获取这些值。高流量会导致重复的数据包，从而增加总下载持续时间。
| 跳数 | 块大小 (B) | 下载持续时间（分钟） |
|---|---|---|
| 1 | 128 | 8:30 |
| 1 | 512 | 3:31 |
| 1 | 1024 | 3:01 |
| 2 | 128 | 15:56 |
| 2 | 1024 | 4:34 |
9 开箱即用体验
此堆栈版本旨在用于 Wi-SUN® 网络的初始开发。此版本提供以下开箱即用体验：
- 使用 PC 通过 CC1352x7 或 CC1354x10 系列器件与 NWP 边界路由器通信来设置边界路由器（提供了参考设计）
- 将路由器注释（即使在 NWP 模型中）编译为自包含解决方案，该解决方案可在通电时加入网络并响应 IPv6 ping
- 在不构建客户应用的情况下，通过 ping 单个设备来执行现场测试
- 在单独的主机上构建客户应用，并使用 UART 通过 NWP 接口与路由器进行通信
- 通过基于 CC13x2x7 和 CC13x4x10 系列器件的嵌入式路由器节点示例，在路由器设备上托管一台简单的 CoAP 服务器
- 参考 Python 脚本，它们提供了与开箱即用 CoAP 服务器资源进行交互的示例
- 使用嵌入式路由器节点示例作为参考，通过 Wi-SUN® 堆栈开发单芯片定制应用
首先前往 CC1352P7 产品文件夹。
