無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)芯片安全增強(qiáng)策略研究.pdf

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，WSN）是一類由大量節(jié)點(diǎn)組成的Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于國(guó)防軍事、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)、交通管理、高效農(nóng)業(yè)等許多領(lǐng)域。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)帶來了一系列挑戰(zhàn)，WSN系統(tǒng)的成本和供電都受到極大限制，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算和通信能力有限。另一方面，許多應(yīng)用對(duì)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性提出了要求，安全問題又受限于成本和計(jì)算能力，已成為阻礙無線傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用的主要障礙之一。節(jié)點(diǎn)芯片是無線傳

2、感器網(wǎng)絡(luò)的核心部件，其性能、安全性和能耗直接影響整個(gè)WSN節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍、安全性、生命周期。本文針對(duì)低代價(jià)、高安全性的WSN節(jié)點(diǎn)SoC(System-on-Chip)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中若干關(guān)鍵問題開展的如下研究： 首先，討論無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中常用的IEEE802.15.4協(xié)議，在此基礎(chǔ)上提出基于單周期8051的WSN節(jié)點(diǎn)芯片架構(gòu)，著重討論存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)、直接存儲(chǔ)訪問控制器、中斷仲裁器、媒體訪問控制協(xié)處理器的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)；分析這種通用結(jié)構(gòu)的WS

3、N節(jié)點(diǎn)芯片的潛在的安全隱患和在安全上有利的條件。 其次，針對(duì)應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的加密和認(rèn)證電路進(jìn)行研究?？紤]吞吐率條件下，定義能耗變量來衡量不同的電路實(shí)現(xiàn)對(duì)功耗的優(yōu)化效果；在此基礎(chǔ)上，對(duì)AES和SHA-1電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)和能耗和面積的優(yōu)化進(jìn)行討論，并比較不同認(rèn)證電路的在不同負(fù)載下的能耗。分析針對(duì)加密電路的旁路分析攻擊原理、方法和防護(hù)策略；提出在AES加密電路中，采用低代價(jià)的異構(gòu)S盒隨機(jī)置換的策略來優(yōu)化旁路安全性的措施，并進(jìn)行仿真

4、實(shí)驗(yàn)；基于上述研究結(jié)果，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)符合IEEE802.15.4的MAC加密協(xié)處理器。上述研究可應(yīng)用于WSN安全機(jī)制，而且對(duì)泛在計(jì)算中通信數(shù)據(jù)的加密和認(rèn)證實(shí)現(xiàn)及優(yōu)化具有指導(dǎo)意義。 針對(duì)密鑰保護(hù)、更新和管理和機(jī)密信息保護(hù)進(jìn)行研究，提出采用機(jī)密信息保護(hù)協(xié)處理器（Secure Information Protect Co-processor，SIPC）的策略對(duì)WSN節(jié)點(diǎn)芯片的機(jī)密信息進(jìn)行管理和保護(hù)。SIPC采用優(yōu)化的SHA-1引擎，并設(shè)計(jì)

5、合適的指令集。由于代碼的篡改較為容易，而修改硬件的成本很高，因此，利用硬件進(jìn)行安全啟動(dòng)和節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)恢復(fù)。上述機(jī)制采用哈希樹的代碼認(rèn)證方法來進(jìn)行WSN節(jié)點(diǎn)芯片的安全啟動(dòng)，在認(rèn)證失敗條件下由SIPC接管節(jié)點(diǎn)，利用SIPC、DMA和MAC協(xié)處理器，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)的功能恢復(fù)。 基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示技術(shù)，設(shè)計(jì)應(yīng)用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位引擎；研究利用定位引擎，將位置信息引入密鑰分配機(jī)制中的方法，這種策略可以防護(hù)多種攻擊，有效提高了網(wǎng)絡(luò)安全性。