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(jì)算能力和通信能力的微型計(jì)算機(jī)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的自組織、分布式網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，在軍事國防，環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域有著巨大的實(shí)用價(jià)值，被認(rèn)為是將對(duì)二十一世紀(jì)產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一;但由于節(jié)點(diǎn)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(luò)的組網(wǎng)特性，使得網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易變，傳感器節(jié)點(diǎn)易受攻擊，WSN網(wǎng)絡(luò)中的安全問題也日益突出。

1.2 系統(tǒng)概述

針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并基于SPINS協(xié)議框架實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的密鑰管理，在系統(tǒng)內(nèi)部的安全模塊內(nèi)實(shí)現(xiàn)了RC5，MD5等算法，保證網(wǎng)絡(luò)的通信安全;其次為了保證傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)本身的安全可信，增加了防篡改檢測電路，從硬件級(jí)保證節(jié)點(diǎn)的安全性和完整性;最后針對(duì)于WSN網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)易變的特點(diǎn)，利用基于FPGA的可重構(gòu)計(jì)算技術(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的某些節(jié)點(diǎn)在需要時(shí)可以發(fā)生重構(gòu)，代替失效的基站繼續(xù)工作，從而保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)安全可靠地運(yùn)行。

整個(gè)系統(tǒng)以WSN中單個(gè)節(jié)點(diǎn)的安全可信為基礎(chǔ)，并采用SPINS協(xié)議提高了密鑰拓?fù)溥B通率，節(jié)點(diǎn)的可重構(gòu)機(jī)制也大大增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的安全性和健壯性，由點(diǎn)到面地實(shí)現(xiàn)了WSN網(wǎng)絡(luò)的安全。

2 系統(tǒng)方案

2.1 WSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（圖1）為分布式單跳簇網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)， 基站為單跳簇子網(wǎng)的中心，各個(gè)基站之間形成分布式網(wǎng)絡(luò)。

圖1：WSN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

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(luò)中應(yīng)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(luò)。本系統(tǒng)基于SPINS協(xié)議的框架，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單的密鑰分發(fā)協(xié)議。

2.3 可重構(gòu)體系結(jié)構(gòu)

在以基站為中心的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，基站往往是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的瓶頸，一旦基站失效則會(huì)導(dǎo)致其整個(gè)網(wǎng)絡(luò)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(gòu)機(jī)制，在子網(wǎng)內(nèi)，一旦節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)基站失效，則節(jié)點(diǎn)之間會(huì)通過爭奪或是協(xié)商的方式來確定讓哪個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)生重構(gòu)，以代替原來的基站繼續(xù)維持網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。整個(gè)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(diǎn)重構(gòu)

2.4 可信平臺(tái)體系結(jié)構(gòu)

TCPA/TCG組織大大推動(dòng)的了可信計(jì)算平臺(tái)的發(fā)展，本系統(tǒng)的安全模塊在設(shè)計(jì)時(shí)從下面兩個(gè)角度考慮可信性：

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

2：賦予計(jì)算平臺(tái)上的程序證明自身運(yùn)行在一個(gè)未被篡改的環(huán)境中的能力。

3 系統(tǒng)功能

3.1 實(shí)現(xiàn)基于SPINS框架的密鑰管理協(xié)議

本系統(tǒng)用硬件實(shí)現(xiàn)了RC5加密算法，MD5算法和隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，實(shí)現(xiàn)了基于SPINS框架的密鑰管理協(xié)議，保證WSN網(wǎng)絡(luò)中密鑰的安全分發(fā)和節(jié)點(diǎn)之間的安全通信。

3.2 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的重構(gòu)功能

以基站為中心的單跳簇網(wǎng)絡(luò)中，基站是子網(wǎng)安全的瓶頸，一旦基站失效則會(huì)導(dǎo)致子網(wǎng)癱瘓。為了保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和健壯性，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了節(jié)點(diǎn)的可重構(gòu)機(jī)制，當(dāng)子網(wǎng)基站失效后，某些節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生重構(gòu)，代替原來的基站以保證網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 增強(qiáng)WSN網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)的抗篡改能力

傳感器節(jié)點(diǎn)大都布置在非受控區(qū)域（如布置在敵方控制區(qū)域內(nèi)等），一旦節(jié)點(diǎn)被捕獲后，內(nèi)部存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)尤其是通信密鑰泄露出去的話，會(huì)威脅整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的安全。本系統(tǒng)在保證通信安全的基礎(chǔ)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(chǔ)的密鑰等重要信息時(shí)，則立即將數(shù)據(jù)清零，從而增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的安全。

4 系統(tǒng)原理與實(shí)現(xiàn)

4.1 WSN網(wǎng)絡(luò)的原理與實(shí)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(luò)層以上根據(jù)系統(tǒng)自定義通信協(xié)議。

圖5 WSN網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議的實(shí)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(shí)現(xiàn)。

4.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的原理與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖7所示。系統(tǒng)主要由4部分構(gòu)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(luò)節(jié)點(diǎn)的總體設(shè)計(jì)圖

4.3 中心控制器

4.3.1 中心控制器總體結(jié)構(gòu)

中心控制器是整個(gè)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(nèi)容控制各個(gè)模塊之間的協(xié)調(diào)工作。

圖7 中心控制器框圖

4.3.2 中心控制器具體實(shí)現(xiàn)

傳感器節(jié)點(diǎn)在不同時(shí)刻扮演不同的角色，如系統(tǒng)初始化過程中傳感器節(jié)點(diǎn)需要等待四個(gè)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(guān)包，在終端節(jié)點(diǎn)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(diǎn)的工作狀態(tài)選擇信號(hào)，重構(gòu)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(diǎn)工作模式。

4.4 TPM模塊

4.4.1 TPM模塊總體設(shè)計(jì)

TPM模塊總體設(shè)計(jì)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(jī)數(shù)產(chǎn)生器模塊，篡改響應(yīng)模塊，密鑰存儲(chǔ)區(qū)。

圖8 TPM結(jié)構(gòu)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(yīng)的工作模式后進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

4.4.3 RC5加密模塊

本系統(tǒng)用硬件實(shí)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(shè)計(jì)方法，如圖11所示，首先輸入32位密鑰，22個(gè)周期之后擴(kuò)展密鑰計(jì)算完成，輸入32位的明文，經(jīng)過運(yùn)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(gòu)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(shè)計(jì)使用了三個(gè)Xilinx提供的Picoblaze核，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖13所示。

圖11 外圍電路設(shè)計(jì)圖

5 測試方案

5.1 密鑰管理協(xié)議測試方案

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

a） 四個(gè)密鑰和ID基的注入正確

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

b） 驗(yàn)證K子的正確性

因?yàn)槌跏及臄?shù)據(jù)是經(jīng)過K子加密后的結(jié)果，為了驗(yàn)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(yàn)證初始包的正確性

為了驗(yàn)證初始包的正確性，在電腦上接上一個(gè)無線收發(fā)模塊，用來接受節(jié)點(diǎn)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(yīng)的初始包的內(nèi)容，和接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)即可得知初始包的內(nèi)容正確與否。

d） 驗(yàn)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(yīng)的TESLA 密鑰包，和接受到的密鑰包進(jìn)行比對(duì)，即可知道密鑰包分發(fā)正確與否。

e） 驗(yàn)證通信密鑰Ki正確更新

為了驗(yàn)證通信密鑰的正確更新，可以在不同時(shí)段使終端節(jié)點(diǎn)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(yàn)證密鑰的正確更新則算出兩個(gè)時(shí)段發(fā)送的數(shù)據(jù)的正確內(nèi)容，和接受到的內(nèi)容進(jìn)行比較即可知道通信密鑰是否正常更新。

5.2 可重構(gòu)功能的測試方案

為了測試可重構(gòu)功能，可以將原來網(wǎng)絡(luò)中的基站關(guān)閉，等待一段時(shí)間之后看網(wǎng)絡(luò)內(nèi)是否有節(jié)點(diǎn)重構(gòu)為基站，重構(gòu)為基站后正常工作的驗(yàn)證辦法同密鑰管理協(xié)議的測試方案。

5.3 可信平臺(tái)的測試方案

當(dāng)發(fā)現(xiàn)敵手入侵時(shí)，clear信號(hào)為高，所有密鑰清零，為了驗(yàn)證其正確性，以后發(fā)送的密鑰協(xié)議相關(guān)包用到的各種密鑰均為零，將計(jì)算結(jié)果和接受到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)即可知道其正確與否

6 結(jié)束語

本系統(tǒng)創(chuàng)新性的將可信平臺(tái)理論和可重構(gòu)機(jī)制引入WSN系統(tǒng)安全中，依托WSN通信協(xié)議和SPINS網(wǎng)絡(luò)密鑰管理協(xié)議，實(shí)現(xiàn)一種從點(diǎn)到面，點(diǎn)面結(jié)合的安全機(jī)制。系統(tǒng)方案不強(qiáng)調(diào)加解密算法的復(fù)雜性，著重于方案的靈活性，健壯性。

展望未來技術(shù)的發(fā)展，基于FPGA的動(dòng)態(tài)可重構(gòu)技術(shù)以及可重構(gòu)密碼芯片理論，本系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)加解密算法的動(dòng)態(tài)調(diào)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。

責(zé)任編輯：gt