【摘 要】
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物联网的兴起吸引了人们对无线传感器网络的关注,网络中的传感器节点有着供能受限、计算能力不足的特点。一方面,网络服务的生命周期极大影响了其服务质量,另一方面,由于硬件平台日新月异,密码学算法也在不断发展,因此我们需要研究在新的硬件平台下传感器节点的功耗变化,并根据无线传感器网络的特点进行优化。本文针对无线传感器网络中的功耗问题,设计了一个硬件平台用于研究各种密码学算法、密钥管理方案的功耗。首先,阐述
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物联网的兴起吸引了人们对无线传感器网络的关注,网络中的传感器节点有着供能受限、计算能力不足的特点。一方面,网络服务的生命周期极大影响了其服务质量,另一方面,由于硬件平台日新月异,密码学算法也在不断发展,因此我们需要研究在新的硬件平台下传感器节点的功耗变化,并根据无线传感器网络的特点进行优化。本文针对无线传感器网络中的功耗问题,设计了一个硬件平台用于研究各种密码学算法、密钥管理方案的功耗。首先,阐述了无线传感器网络的组成与特点,归纳了其面临的安全威胁与相应的防御机制,详细分析了影响传感器节点功耗的软件因素与硬件因素;然后分析了传感器节点的功能需求,设计了基于低功耗微处理器STM32L051K8T6的硬件平台与相应的测试平台,研究了平台基本功耗;最后,基于该硬件平台,定量地研究了几种密码学算法、密钥管理方案的功耗表现。本文所设计的硬件平台相较传统的ATmega128L平台,计算功耗降低了五分之四。应用该平台测试了四种对称加密算法的实际开销,其中Chacha20开销最低,相较于性能最差的ARC4,功耗降低了86.4%;同时应用该平台测试了ECC、RSA两类常用的非对称加密算法的实际开销,在提供同等或更佳安全性的前提下,ED25519在签名时相对于RSA-2048的实际功耗下降了约97.2%,而具备相同密钥长度的X25519相对于ECC-256也降低了约一半的开销。本文设计的硬件平台结合简化后的协议头部与证书结构,可以有效延长传感器网络的生命周期,即使是功耗最高的基于证书的密钥协商模型,单个节点在现有电池技术下也可以进行13.6万次的密钥协商操作。
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