Desarrollo hardware de un protocolo de comunicaciones seguro para domótica

Abstract

La incorporación de la electrónica en el ámbito doméstico es cada vez más importante. Un campo tradicional es el de los electrodomésticos, equipos de audio y video y grandes sistemas de climatización. Sin embargo, este campo se está extendiendo al campo de la seguridad y el confort, con la introducción de pequeños sensores que ofrecen gran información a sistemas centrales que controlan muchos pequeños actuadores dentro de la vivienda. En este contexto la seguridad y confidencialidad en las transmisiones de información no sólo son muy importantes, sino que son necesarias. Debe garantizarse que las comunicaciones son seguras y confidenciales. Desde el punto de vista de seguridad los receptores deben asegurarse de que el mensaje viene realmente del emisor que dice ser (autenticación). Desde el punto de vista de la confidencialidad los mensajes tienen que ir cifrados para que cualquier agente externo, aunque sea capaz de interceptar la comunicación, no pueda conocer la información que contiene. La importancia de la autenticación y la confidencialidad es aún mayor si las comunicaciones entre sensores, actuadores y nodo central son inalámbricas, debido a que no se puede evitar que un agente externo sea capaz de escuchar los mensajes que se transmiten. El objetivo de este trabajo es la propuesta, el diseño y la implementación de un protocolo de comunicaciones para transmitir información entre nodos y un maestro, orientado hacia comunicaciones inalámbricas. Este protocolo debe cumplir con una serie de condiciones:  Debe dar solución a la autenticación y confidencialidad en las comunicaciones. Para ello empleará mecanismos de cifrado de información.  Debe permitir comunicaciones bidireccionales entre el maestro y cada uno de los esclavos. Cada esclavo responderá a una petición del maestro, pero también podrá comunicarse con el maestro, aunque no haya tenido una petición previa.  Debe ser suficientemente sencillo como para que no requiera grandes recursos de cómputo, ni grandes consumos de potencia. De las distintas opciones para la implementación del diseño del protocolo se ha escogido una plataforma FPGA. Los dispositivos FPGA, al ser reprogramables, ofrecen una forma eficiente, barata y relativamente sencilla para realizar cualquier sistema digital. La disponibilidad de placas para aplicaciones de propósito general que incluyen, además del dispositivo FPGA, elementos para visualización, puertos de entrada salida, sensores, conmutadores (entre otros), las hace ideales para la construcción de prototipos experimentales como los que se presentan en esta memoria. Porque, además del diseño del maestro y del esclavo, es también objetivo de este diseño la construcción de un demostrador básico consistente en un módulo maestro y dos módulos esclavos, conectados a dos sensores, para verificar el protocolo propuesto.

The incorporation of electronics in the domestic sphere is increasingly important. A traditional field is that of household appliances, audio and video equipment and large air conditioning systems. However, this field is extending to the field of safety and comfort, with the introduction of small sensors that offer a large number of systems that control many small actuators within the home. In this context, security and confidentiality in the transmission of information are not only very important, but they are necessary. You must ensure that communications are secure and confidential. From the point of view of security, the receivers must be sure that the message really comes from the sender that claims to be (authentication). From the point of view of confidentiality, the messages have to be encrypted so that anyone is external, although it is capable of intercepting the communication, you cannot know the information it contains. The importance of authentication and confidentiality is even greater if the communications between sensors, actuators and central node are wireless, because it cannot prevent an external agent from being able to listen to the messages that are transmitted. The objective of this work is the proposal, design and implementation of a communications protocol to send information between nodes and a teacher, oriented to wireless communications. This protocol must comply with a series of conditions: • It must provide a solution to authentication and confidentiality in communications. For this purpose, it will use information encryption mechanisms. • It must allow bidirectional communications between the master and each of the slaves. Each slave responds to a request from the teacher, but can also communicate with the teacher, even if he has not had a previous one. • It must be a simple one so that it does not require large computing resources or large power consumption. Options for the implementation of the protocol design has been chosen an FPGA platform. FPGA devices, being reprogrammable, offer an efficient, cheap and relatively simple way to make any digital system. The FPGA, elements for visualization, input ports, sensors, switches (among others), makes them ideal for the construction of experimental prototypes such as those presented in this memory. Because, in addition to the design of the master and the slave, the design of a basic master consisting of a master module and the slave modules, connected to two sensors, to verify the proposed protocol is also the objective of this design.