作者：崔林濤，侯方，張朕源，張衛(wèi)東

1 引言

1.1 選題背景

WSN是由大量具有感知能力，計算能力和通信能力的微型計算機節(jié)點構成的自組織、分布式網(wǎng)絡系統(tǒng)，在軍事國防，環(huán)境監(jiān)測等領域有著巨大的實用價值，被認為是將對二十一世紀產生巨大影響力的技術之一;但由于節(jié)點多分布在非受控區(qū)域，無線信道的廣播特性和自組織網(wǎng)絡的組網(wǎng)特性，使得網(wǎng)絡的拓撲結構易變，傳感器節(jié)點易受攻擊，WSN網(wǎng)絡中的安全問題也日益突出。

1.2 系統(tǒng)概述

針對無線傳感器網(wǎng)絡存在的上述安全問題，本系統(tǒng)在Xilinx的開發(fā)板上，首先利用無線模塊組成一個無線傳感器網(wǎng)絡，并基于SPINS協(xié)議框架實現(xiàn)了網(wǎng)絡內的密鑰管理，在系統(tǒng)內部的安全模塊內實現(xiàn)了RC5，MD5等算法，保證網(wǎng)絡的通信安全;其次為了保證傳感器網(wǎng)絡中節(jié)點本身的安全可信，增加了防篡改檢測電路，從硬件級保證節(jié)點的安全性和完整性;最后針對于WSN網(wǎng)絡的拓撲結構易變的特點，利用基于FPGA的可重構計算技術，使得網(wǎng)絡內的某些節(jié)點在需要時可以發(fā)生重構，代替失效的基站繼續(xù)工作，從而保證整個網(wǎng)絡安全可靠地運行。

整個系統(tǒng)以WSN中單個節(jié)點的安全可信為基礎，并采用SPINS協(xié)議提高了密鑰拓撲連通率，節(jié)點的可重構機制也大大增強了網(wǎng)絡的安全性和健壯性，由點到面地實現(xiàn)了WSN網(wǎng)絡的安全。

2 系統(tǒng)方案

2.1 WSN網(wǎng)絡拓撲結構

本系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡結構（圖1）為分布式單跳簇網(wǎng)絡結構， 基站為單跳簇子網(wǎng)的中心，各個基站之間形成分布式網(wǎng)絡。

圖1：WSN網(wǎng)絡拓撲結構

2.2 WSN密鑰管理協(xié)議

SPINS密鑰管理協(xié)議是在無線傳感器網(wǎng)絡中應用廣泛的一種密鑰管理協(xié)議，適用于規(guī)模比較小的傳感器網(wǎng)絡。本系統(tǒng)基于SPINS協(xié)議的框架，實現(xiàn)了一個簡單的密鑰分發(fā)協(xié)議。

2.3 可重構體系結構

在以基站為中心的網(wǎng)絡結構中，基站往往是整個網(wǎng)絡的瓶頸，一旦基站失效則會導致其整個網(wǎng)絡的癱瘓。本系統(tǒng)為了解決基站的瓶頸問題，提出了一種可重構機制，在子網(wǎng)內，一旦節(jié)點發(fā)現(xiàn)基站失效，則節(jié)點之間會通過爭奪或是協(xié)商的方式來確定讓哪個節(jié)點發(fā)生重構，以代替原來的基站繼續(xù)維持網(wǎng)絡的正常運轉。整個過程如圖2，3，4所示。

圖2：子網(wǎng)正常工作

圖3：基站失效

圖4：節(jié)點重構

2.4 可信平臺體系結構

TCPA/TCG組織大大推動的了可信計算平臺的發(fā)展，本系統(tǒng)的安全模塊在設計時從下面兩個角度考慮可信性：

1：能夠保護指定數(shù)據(jù)存儲區(qū)域，防止敵手進行特定類型的物理訪問。

2：賦予計算平臺上的程序證明自身運行在一個未被篡改的環(huán)境中的能力。

3 系統(tǒng)功能

3.1 實現(xiàn)基于SPINS框架的密鑰管理協(xié)議

本系統(tǒng)用硬件實現(xiàn)了RC5加密算法，MD5算法和隨機數(shù)產生器，實現(xiàn)了基于SPINS框架的密鑰管理協(xié)議，保證WSN網(wǎng)絡中密鑰的安全分發(fā)和節(jié)點之間的安全通信。

3.2 實現(xiàn)網(wǎng)絡中節(jié)點的重構功能

以基站為中心的單跳簇網(wǎng)絡中，基站是子網(wǎng)安全的瓶頸，一旦基站失效則會導致子網(wǎng)癱瘓。為了保證網(wǎng)絡的穩(wěn)定性和健壯性，本系統(tǒng)實現(xiàn)了節(jié)點的可重構機制，當子網(wǎng)基站失效后，某些節(jié)點會發(fā)生重構，代替原來的基站以保證網(wǎng)絡穩(wěn)定運行。

3.3 增強WSN網(wǎng)絡內節(jié)點的抗篡改能力

傳感器節(jié)點大都布置在非受控區(qū)域（如布置在敵方控制區(qū)域內等），一旦節(jié)點被捕獲后，內部存儲的數(shù)據(jù)尤其是通信密鑰泄露出去的話，會威脅整個網(wǎng)絡的安全。本系統(tǒng)在保證通信安全的基礎上增加了防篡改檢測電路，一旦檢測到敵方欲竊取里面存儲的密鑰等重要信息時，則立即將數(shù)據(jù)清零，從而增強了網(wǎng)絡的安全。

4 系統(tǒng)原理與實現(xiàn)

4.1 WSN網(wǎng)絡的原理與實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用的通信協(xié)議如圖5所示，DDL層以下采用IEEE802.15.4協(xié)議，網(wǎng)絡層以上根據(jù)系統(tǒng)自定義通信協(xié)議。

圖5 WSN網(wǎng)絡通信協(xié)議

系統(tǒng)網(wǎng)絡層協(xié)議的實現(xiàn)是基于XILINX公司的8位CPU軟核PicoBlaze，用匯編語言編寫模塊控制部分，幀協(xié)議的分析用硬件實現(xiàn)。

4.2 網(wǎng)絡節(jié)點的原理與實現(xiàn)

系統(tǒng)的總體設計如圖7所示。系統(tǒng)主要由4部分構成：中心控制器，數(shù)據(jù)傳輸控制器，安全模塊（TPM）， 外圍模塊。

圖6 網(wǎng)絡節(jié)點的總體設計圖

4.3 中心控制器

4.3.1 中心控制器總體結構

中心控制器是整個系統(tǒng)的控制中心，接受無線收發(fā)模塊，數(shù)據(jù)采集模塊，TPM模塊和數(shù)據(jù)傳輸控制器的命令，并根據(jù)命令的內容控制各個模塊之間的協(xié)調工作。

圖7 中心控制器框圖

4.3.2 中心控制器具體實現(xiàn)

傳感器節(jié)點在不同時刻扮演不同的角色，如系統(tǒng)初始化過程中傳感器節(jié)點需要等待四個密鑰的輸入，在基站工作模式下需要分發(fā)密鑰協(xié)議相關包，在終端節(jié)點工作模式下需要接受密鑰協(xié)議包和采集數(shù)據(jù)并且發(fā)送給基站，因此中心控制器根據(jù)節(jié)點的工作狀態(tài)選擇信號，重構為不同的工作模式。中心控制器的工作模式有：初始化工作模式，基站工作模式和終端節(jié)點工作模式。

4.4 TPM模塊

4.4.1 TPM模塊總體設計

TPM模塊總體設計圖如圖10：主要包含模式選擇控制器，RC5加密模塊，MD5模塊，比較器模塊，隨機數(shù)產生器模塊，篡改響應模塊，密鑰存儲區(qū)。

圖8 TPM結構圖

4.4.2 模式選擇控制器

模式選擇控制器根據(jù)中心控制器的模式選擇命令，配置TPM成相應的工作模式后進入正常工作狀態(tài)。

4.4.3 RC5加密模塊

本系統(tǒng)用硬件實現(xiàn)了RC5-16/1/4，該模塊的為了提高加解密速率采用了流水線的設計方法，如圖11所示，首先輸入32位密鑰，22個周期之后擴展密鑰計算完成，輸入32位的明文，經(jīng)過運算得到32位的密文。

圖9 RC5加密模塊

4.4.4 MD5模塊

MD5模塊（圖12）主要由三部分構成：數(shù)據(jù)讀入模塊，數(shù)據(jù)讀出模塊和數(shù)據(jù)處理模塊。

圖10 MD5模塊

4.5 外圍模塊

外圍硬件電路的設計使用了三個Xilinx提供的Picoblaze核，系統(tǒng)總體結構圖如圖13所示。

圖11 外圍電路設計圖

5 測試方案

5.1 密鑰管理協(xié)議測試方案

為了驗證系統(tǒng)的密鑰管理協(xié)議中在測試密鑰管理協(xié)議時，我們從以下幾個方面驗證：

a） 四個密鑰和ID基的注入正確

四個密鑰和ID基是后面密鑰協(xié)議相關包運算的原始數(shù)據(jù)，故如果可證明后面的結果正確則可得證前面的結果正確

b） 驗證K子的正確性

因為初始包的數(shù)據(jù)是經(jīng)過K子加密后的結果，為了驗證 K子的正確性，我們查看下一步的初始包的數(shù)據(jù)正確與否即可得知。

c） 驗證初始包的正確性

為了驗證初始包的正確性，在電腦上接上一個無線收發(fā)模塊，用來接受節(jié)點和基站發(fā)送出來的消息。然后用已知的KT0和K0來算出相應的初始包的內容，和接受到的數(shù)據(jù)進行比對即可得知初始包的內容正確與否。

d） 驗證TESLA 密鑰包的正確性

接受到兩次的TESLA包，算出Ki，然后用算出相應的TESLA 密鑰包，和接受到的密鑰包進行比對，即可知道密鑰包分發(fā)正確與否。

e） 驗證通信密鑰Ki正確更新

為了驗證通信密鑰的正確更新，可以在不同時段使終端節(jié)點發(fā)送相同的數(shù)據(jù)，如果接受到的數(shù)據(jù)不同則說明密鑰發(fā)生了更新，為了驗證密鑰的正確更新則算出兩個時段發(fā)送的數(shù)據(jù)的正確內容，和接受到的內容進行比較即可知道通信密鑰是否正常更新。

5.2 可重構功能的測試方案

為了測試可重構功能，可以將原來網(wǎng)絡中的基站關閉，等待一段時間之后看網(wǎng)絡內是否有節(jié)點重構為基站，重構為基站后正常工作的驗證辦法同密鑰管理協(xié)議的測試方案。

5.3 可信平臺的測試方案

當發(fā)現(xiàn)敵手入侵時，clear信號為高，所有密鑰清零，為了驗證其正確性，以后發(fā)送的密鑰協(xié)議相關包用到的各種密鑰均為零，將計算結果和接受到的數(shù)據(jù)進行比對即可知道其正確與否

6 結束語

本系統(tǒng)創(chuàng)新性的將可信平臺理論和可重構機制引入WSN系統(tǒng)安全中，依托WSN通信協(xié)議和SPINS網(wǎng)絡密鑰管理協(xié)議，實現(xiàn)一種從點到面，點面結合的安全機制。系統(tǒng)方案不強調加解密算法的復雜性，著重于方案的靈活性，健壯性。

展望未來技術的發(fā)展，基于FPGA的動態(tài)可重構技術以及可重構密碼芯片理論，本系統(tǒng)還可以實現(xiàn)加解密算法的動態(tài)調整，工作模式的切換更加快捷，以適合不同情景下的安全需求。

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