电力线网的数字家庭安全解决方案

图1  PowerPacket数据结构

　　在PLC家庭网络中，电力线可以被多个设备同时接入。为了决定哪个设备有权发送数据，需要MAC层协议。常用的有线MAC协议—载波检测多址/碰撞检测(CSMA/CD)，虽然也可用于电力线网络，但是由于电力线中的噪声变动很大，使碰撞检测变得非常困难。所以人们在电力线网络上使用更有效的CSMA/CA协议。

　　电力线网络的保密问题对其实用性是十分重要的。像无线网一样，电力线网络的信道是开放的，像所有开放信道一样，没有任何手段能阻止设备信号被接收。为了提供安全的网络环境，HomePlug电力线联盟定义了一种56bit的数据加密标准(DES)加密机制。一旦信号被加密，采用不同密钥的设备无法对它解密，从而得到保密。在HomePlug AV中采用128bit的数据加密标准(AES)，使保密性更加可靠。

基于PLC解决方案硬件架构

　　本设计的思想是：构建以网络为基础的视频监控系统，网络信号的传输采用电力线的方式来实现。以便家庭用户使用监控产品没有任何的工程量，相对目前市场上的网络视频监控方案来说，实现一种真正的即插即用。

　　系统整体硬件框图如图2所示。

图2  系统硬件框图

　　在本系统中，我们使用华邦公司的ARM7芯片W90N740为主CPU。此CPU的工作频率为80MHz。有两个介质无关接口(MII)，一个MII接口和PLC的模块相连，一个和以太网的PHY相连。W90N740通过USB2.0和OV公司的OV519或者和中星微公司的301P相连。这种DSP芯片处理CMOS传感器传过来的图像信息。DSP把传过来的图像信息压缩为JPEG模式，通过USB接口传到CPU中。在SVGA格式时为20fps，VGA、CIF格式时为30fps。ARM CPU内部构建一个WEB服务器，用户可以通过电力线或者以太网访问WEB服务器。用户监控远端的视频图像，可用IE访问ARM内部的IP 地址。如果是次访问，则WEB 服务器安装一个ActiveX控件在IE上。在IE界面获得一个640x480的图像区域。电力线和以太网两个端口之间为一个网桥，用户也可通过以太网和电力线上的其它设备通信。

　　电力线调制解调器部分硬件框图如图3所示。

图3  电力线Modem部分硬件框图

　　INT5500是Intellon公司开发的高速电力线IC。能提供85Mbps的数据带宽。遵循HomePlug1.0的标准和向下兼容早期的14Mbps产品。INT5500的MII接口可以设置为两种模式，一种是MAC模式，一种是PHY模式。在正常的操作模式中，INT5500是从FLASH中读取软件来启动的。它也提供一个选项，可以从MII接口读取软件来启动。

　　INT1200是Intellon公司设计的高速电力线模拟前端IC。其内部集成一个10bit的模拟数字转换器和一个8bit的数字模拟转换器，采样频率分别为50MSPS和100MSPS。INT1200的传输部分包含一个TX解复用输入端口，插值滤波器和DAC，而接收部分包含一个可编程增益控制，范围从-6dB到+30dB(每2dB为一步)，ADC转换器，高通滤波器和接收复用输出端口。

　　接收滤波器部分由LC电路组成，频率范围是4MHz到22MHz。发送滤波器部分由低通滤波器和一个轨至轨的线驱动放大器组成。

　　INT5500要求一个外部50MHz的时钟。INT5500的PLL时钟倍频电路，生成内部要求的各种时钟。Intellon推荐使用第三方的泛音50MHz晶振去满足HomePlug时钟±25ppm要求。

基于PLC解决方案软件架构

*基于PLC的数字家庭安全解决方案的软件架构和目前市场上流行的网络摄像机(IP CAM)的软件架构很类似。本设计采用的是基于ARM的?CLinux操作系统。mCLinux是专门针对没有MMU的处理器而设计的，系统多采用Romfs文件系统，Romfs是一种相对简单、占用空间较少的文件系统。在mCLinux下，主要有三个WEB服务器：httpd、thttpd和boa。httpd是简单的WEB服务器，功能简单，但不支持和CGI，thttpd和boa均支持和CGI，功能丰富。根据本设计的具体情况，我们选择在mCLinux下自行设计httpd服务器。

基于IP CAM 的软件功能框图如图4所示。

图4  IP CAM的软件功能框图
 
PLC家庭网络的安全性和实现

　　由于PLC的网络是开放式及共享的，因此人们很关心PLC网络的安全性。在认识PLC网络的安全性前，我们来说明几个概念。

　　*逻辑网络：两个或几个HomePlug设备共享一个公共的网络加密值(NEK)，用这个加密值加密后，实现相互传输信息的网络。

　　*网络密码：用户设置的，用于生成NEK和定义用户自己的逻辑网络。

　　*网络加密值：NEK是由用户设置的网络密码派生出来的。用户设置的网络密码用MD5的加密算法生成的一个64Bit的值，形成不同的逻辑网络。

　　*缺省加密值：DEK是设备制造商针对每个设备设置的的密码。在本设计中采用一个随机数函数，从26个英文、10个数字中随机生成16个字符。

　　电力线调制解调器在出厂前被设置一个缺省的网络密码，如：HomePlug。通过这个缺省的网络密码生成一个NEK。设备制造商还定义一个和设备相关的的DEK码，这个DEK码用户不能改变。这样用户在得到电力线调制解调器后，用任何改变即可组建一个缺省的电力线局域网。但是用户可能会需要有自己的网络密码和NEK码去保证局域网的保密性和安全性。INTELLON提供了一个设备管理的软件工具，通过发送一系列的MAC管理信息，即(MME)去更改NEK码。我们有两种更改NEK码的方法，一种是本地修改，另一种是远端修改。

*通过MME本地修改NEK码

　　用户在本地的计算机上使用DM客户软件去设置本地的NEK码。这个设置NEK码的MME信息不在电力线上传输，仅仅在本地的计算机和电力线调制解调器之间的网线上传输。我们假设原NEK码为U，要新设置的NEK码为P。更改本地的NEK码，客户端软件发送两条连续的MME信息。条更改本地的NEK码从U到P,第二条确保以后电力线上的传输使用新的NEK码加密。

*更改远端的NEK码

　　我们假设有设备A的DEK码为DKA，NEK码为P，设备B的DEK码为DKB，NEK码为U。计算机和设备A相连，按照简单操作步骤即可更改设备B的NEK码为P。

结语

　　随着电力线上网技术瓶颈的突破和成熟，数字家庭市场的启动，电力线上网越来越受到广泛的关注。随处可见的电力线插头，即插即用的便利性，稳定的高速的网络速率，使电力线上网具备和无线上网、xDSL上网技术在数字家庭市场三分天下的能力。因此，预期电力线技术和相关的配套技术的发展能让用户享受到更便利，更快捷，更高速数据通信服务。