无线传感器网络节点芯片安全增强策略研究

摘要

无线传感器网络（Wireless Sensor Network，WSN）是一类由大量节点组成的Ad Hoc网络，广泛应用于国防军事、医疗、环境监测和预报、交通管理、高效农业等许多领域。无线传感器网络带来了一系列挑战，WSN系统的成本和供电都受到极大限制，从而导致网络的计算和通信能力有限。另一方面，许多应用对于无线传感器网络的安全性提出了要求，安全问题又受限于成本和计算能力，已成为阻碍无线传感器网络实际应用的主要障碍之一。节点芯片是无线传感器网络的核心部件，其性能、安全性和能耗直接影响整个WSN节点和网络的应用范围、安全性、生命周期。本文针对低代价、高安全性的WSN节点SoC(System-on-Chip)设计实现中若干关键问题开展的如下研究： 首先，讨论无线传感器网络中常用的IEEE802.15.4协议，在此基础上提出基于单周期8051的WSN节点芯片架构，着重讨论存储结构、直接存储访问控制器、中断仲裁器、媒体访问控制协处理器的设计实现；分析这种通用结构的WSN节点芯片的潜在的安全隐患和在安全上有利的条件。 其次，针对应用于无线传感器网络的加密和认证电路进行研究。考虑吞吐率条件下，定义能耗变量来衡量不同的电路实现对功耗的优化效果；在此基础上，对AES和SHA-1电路的设计实现和能耗和面积的优化进行讨论，并比较不同认证电路的在不同负载下的能耗。分析针对加密电路的旁路分析攻击原理、方法和防护策略；提出在AES加密电路中，采用低代价的异构S盒随机置换的策略来优化旁路安全性的措施，并进行仿真实验；基于上述研究结果，设计实现符合IEEE802.15.4的MAC加密协处理器。上述研究可应用于WSN安全机制，而且对泛在计算中通信数据的加密和认证实现及优化具有指导意义。 针对密钥保护、更新和管理和机密信息保护进行研究，提出采用机密信息保护协处理器（Secure Information Protect Co-processor，SIPC）的策略对WSN节点芯片的机密信息进行管理和保护。SIPC采用优化的SHA-1引擎，并设计合适的指令集。由于代码的篡改较为容易，而修改硬件的成本很高，因此，利用硬件进行安全启动和节点系统恢复。上述机制采用哈希树的代码认证方法来进行WSN节点芯片的安全启动，在认证失败条件下由SIPC接管节点，利用SIPC、DMA和MAC协处理器，进行节点的功能恢复。 基于接收信号强度指示技术，设计应用于无线传感器网络的定位引擎；研究利用定位引擎，将位置信息引入密钥分配机制中的方法，这种策略可以防护多种攻击，有效提高了网络安全性。 最后，详细讨论WSN节点芯片的低功耗策略，分析了两种低功耗的措施：关断时钟和关断电源。推导休眠能耗模型，研究芯片架构和基本器件对休眠唤醒机制的支持；分析供电单元、定时器、功耗管理单元的低功耗设计；讨论功可配置的协处理器自主完成唤醒信号检测功能的方法。