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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點(diǎn)構成的自組織、分布式網(wǎng)絡(luò )系統，在軍事國防，環(huán)境監測等領(lǐng)域有著(zhù)巨大的實(shí)用價(jià)值，被認為是將對二十一世紀產(chǎn)生巨大影響力的技術(shù)之一;但由于節點(diǎn)多分布在非受控區域，無(wú)線(xiàn)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 )的拓撲結構易變，傳感器節點(diǎn)易受攻擊，WSN網(wǎng)絡(luò )中的安全問(wèn)題也日益突出。 1.2 系統概述 針對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )存在的上述安全問(wèn)題，本系統在Xilinx的開(kāi)發(fā)板上，首先利用無(wú)線(xiàn)模塊組成一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，并基于SPINS協(xié)議框架實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )內的密鑰管理，在系統內部的安全模塊內實(shí)現了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 )中節點(diǎn)本身的安全可信，增加了防篡改檢測電路，從硬件級保證節點(diǎn)的安全性和完整性;最后針對于WSN網(wǎng)絡(luò )的拓撲結構易變的特點(diǎn)，利用基于FPGA的可重構計算技術(shù)，使得網(wǎng)絡(luò )內的某些節點(diǎn)在需要時(shí)可以發(fā)生重構，代替失效的基站繼續工作，從而保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò )安全可靠地運行。 整個(gè)系統以WSN中單個(gè)節點(diǎn)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，節點(diǎn)的可重構機制也大大增強了網(wǎng)絡(luò )的安全性和健壯性，由點(diǎn)到面地實(shí)現了WSN網(wǎng)絡(luò )的安全。 2 系統方案 2.1 WSN網(wǎng)絡(luò )拓撲結構 本系統采用的網(wǎng)絡(luò )結構(圖1)為分布式單跳簇網(wǎng)絡(luò )結構， 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 )拓撲結構 2.2 WSN密鑰管理協(xié)議 SPINS密鑰管理協(xié)議是在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中應用廣泛的一種密鑰管理協(xié)議，適用于規模比較小的傳感器網(wǎng)絡(luò )。本系統基于SPINS協(xié)議的框架，實(shí)現了一個(gè)簡(jiǎn)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(luò )結構中，基站往往是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的瓶頸，一旦基站失效則會(huì )導致其整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的癱瘓。本系統為了解決基站的瓶頸問(wèn)題，提出了一種可重構機制，在子網(wǎng)內，一旦節點(diǎn)發(fā)現基站失效，則節點(diǎn)之間會(huì )通過(guò)爭奪或是協(xié)商的方式來(lái)確定讓哪個(gè)節點(diǎn)發(fā)生重構，以代替原來(lái)的基站繼續維持網(wǎng)絡(luò )的正常運轉。整個(gè)過(guò)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：節點(diǎn)重構 2.4 可信平臺體系結構 TCPA/TCG組織大大推動(dòng)的了可信計算平臺的發(fā)展，本系統的安全模塊在設計時(shí)從下面兩個(gè)角度考慮可信性： 1：能夠保護指定數據存儲區域，防止敵手進(jìn)行特定類(lèi)型的物理訪(fǎng)問(wèn)。 2：賦予計算平臺上的程序證明自身運行在一個(gè)未被篡改的環(huán)境中的能力。 3 系統功能 3.1 實(shí)現基于SPINS框架的密鑰管理協(xié)議 本系統用硬件實(shí)現了RC5加密算法，MD5算法和隨機數產(chǎn)生器，實(shí)現了基于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)和節點(diǎn)之間的安全通信。 3.2 實(shí)現網(wǎng)絡(luò )中節點(diǎn)的重構功能 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 )導致子網(wǎng)癱瘓。為了保證網(wǎng)絡(luò )的穩定性和健壯性，本系統實(shí)現了節點(diǎn)的可重構機制，當子網(wǎng)基站失效后，某些節點(diǎn)會(huì )發(fā)生重構，代替原來(lái)的基站以保證網(wǎng)絡(luò )穩定運行。 3.3 增強WSN網(wǎng)絡(luò )內節點(diǎn)的抗篡改能力 傳感器節點(diǎn)大都布置在非受控區域(如布置在敵方控制區域內等)，一旦節點(diǎn)被捕獲后，內部存儲的數據尤其是通信密鑰泄露出去的話(huà)，會(huì )威脅整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的安全。本系統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(shí)，則立即將數據清零，從而增強了網(wǎng)絡(luò )的安全。 4 系統原理與實(shí)現 4.1 WSN網(wǎng)絡(luò )的原理與實(shí)現 本系統采用的通信協(xié)議如圖5所示，DDL層以下采用IEEE802.15.4協(xié)議，網(wǎng)絡(luò )層以上根據系統自定義通信協(xié)議。 圖5 WSN網(wǎng)絡(luò )通信協(xié)議 系統網(wǎng)絡(luò )層協(xié)議的實(shí)現是基于XILINX公司的8位CPU軟核PicoBlaze，用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)模塊控制部分，幀協(xié)議的分析用硬件實(shí)現。 4.2 網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的原理與實(shí)現 系統的總體設計如圖7所示。系統主要由4部分構成：中心控制器，數據傳輸控制器，安全模塊(TPM), 外圍模塊。 圖6 網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)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(gè)系統的控制中心，接受無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，數據采集模塊,TPM模塊和數據傳輸控制器的命令，并根據命令的內容控制各個(gè)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(shí)現 傳感器節點(diǎn)在不同時(shí)刻扮演不同的角色，如系統初始化過(guò)程中傳感器節點(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，在終端節點(diǎn)工作模式下需要接受密鑰協(xié)議包和采集數據并且發(fā)送給基站，因此中心控制器根據節點(diǎn)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點(diǎn)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，隨機數產(chǎn)生器模塊，篡改響應模塊，密鑰存儲區。 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(jìn)入正常工作狀態(tài)。 4.4.3 RC5加密模塊 本系統用硬件實(shí)現了RC5-16/1/4，該模塊的為了提高加解密速率采用了流水線(xiàn)的設計方法，如圖11所示，首先輸入32位密鑰，22個(gè)周期之后擴展密鑰計算完成，輸入32位的明文，經(jīng)過(guò)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：數據讀入模塊，數據讀出模塊和數據處理模塊。 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(gè)Xilinx提供的Picoblaze核，系統總體結構圖如圖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)包運算的原始數據，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 因為初始包的數據是經(jīng)過(guò)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據正確與否即可得知。 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(gè)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，用來(lái)接受節點(diǎn)和基站發(fā)送出來(lái)的消息。然后用已知的KT0和K0來(lái)算出相應的初始包的內容，和接受到的數據進(jìn)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(jìn)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(shí)段使終端節點(diǎn)發(fā)送相同的數據，如果接受到的數據不同則說(shuō)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(gè)時(shí)段發(fā)送的數據的正確內容，和接受到的內容進(jìn)行比較即可知道通信密鑰是否正常更新。 5.2 可重構功能的測試方案 為了測試可重構功能，可以將原來(lái)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 )內是否有節點(diǎn)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)現敵手入侵時(shí)，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(guān)包用到的各種密鑰均為零，將計算結果和接受到的數據進(jìn)行比對即可知道其正確與否 6 結束語(yǔ) 本系統創(chuàng )新性的將可信平臺理論和可重構機制引入WSN系統安全中，依托WSN通信協(xié)議和SPINS網(wǎng)絡(luò )密鑰管理協(xié)議，實(shí)現一種從點(diǎn)到面，點(diǎn)面結合的安全機制。系統方案不強調加解密算法的復雜性，著(zhù)重于方案的靈活性，健壯性。 展望未來(lái)技術(shù)的發(fā)展，基于FPGA的動(dòng)態(tài)可重構技術(shù)以及可重構密碼芯片理論，本系統還可以實(shí)現加解密算法的動(dòng)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。 |
