【導(dǎo)讀】在物聯(lián)網(wǎng)前沿技術(shù)方面保持領(lǐng)先，具有較強(qiáng)的先進(jìn)性和創(chuàng)新性，并且本項(xiàng)目的研究成果方便移植和分享，具有較強(qiáng)的可推廣性，對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用和無(wú)線城市建立具有巨大推動(dòng)作用。于一體的物聯(lián)網(wǎng)智能傳感系統(tǒng)。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)低層協(xié)議采用符合低速無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)要求。的IEEE標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，鏈路層以上基本采用專用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如ZIGBEE等。擴(kuò)展性差、尤其無(wú)法解決下一代IP地址等核心問題。如何將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一納入到IP體系中，是目前無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展中最為關(guān)鍵的問題之一。目前IPv6OverIEEE標(biāo)準(zhǔn)還沒有成熟的協(xié)議軟件的具體實(shí)現(xiàn)。議，如AODV、DYMO等，這些協(xié)議基本上不符合WSN網(wǎng)絡(luò)對(duì)功耗、傳輸速率等方面的要求。為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)真正的終端到終端的智能通信模式提供技術(shù)可能性；Ipv6產(chǎn)生的初衷就是針對(duì)Ipv4地址日益短缺的問題。的發(fā)生以減少災(zāi)害所造成的損失。在一些有敵對(duì)環(huán)境的應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)必須能夠認(rèn)證來(lái)自基站或網(wǎng)絡(luò)用戶的廣播消息。

　　

【正文】 加密算法都無(wú)法應(yīng)用到傳感 器節(jié)點(diǎn)中 ， 針對(duì)于移動(dòng)應(yīng)用， 在選擇適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)的加密算法時(shí)應(yīng)重點(diǎn)注意以下原則 ： ? 加密算法速度要快 在進(jìn)行傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)加密時(shí)，要考慮到節(jié)點(diǎn)能量的限制，要求加密算法的速度要快，從而延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)及整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的使用壽命。 ? 加密算法占用的存儲(chǔ)空間 要小 公私鑰安全體系是目前商用安全系統(tǒng)最理想的認(rèn)證和簽名體系，但從存儲(chǔ)空間上看，一對(duì)公私鑰的長(zhǎng)度就達(dá)到幾百個(gè)字節(jié)，還不包括各種中間計(jì)算需要的空間；從時(shí)間復(fù)雜度上看用功能強(qiáng)大的臺(tái)式計(jì)算機(jī)一秒鐘也只能完成幾次到幾十次的公私鑰加解密運(yùn)算，這對(duì)內(nèi)存和計(jì)算能力都非常有限的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)來(lái) 說是無(wú)法完成的，即使是對(duì)稱密鑰算法，密鑰過長(zhǎng)、空間和時(shí)間復(fù)雜度大的算法也不適用。 ? 加密算法的通信開銷 要小 一個(gè)沒有持續(xù)能量供給的系統(tǒng)，要想長(zhǎng)時(shí)間工作在無(wú)人值守的環(huán)境中，必須要在各個(gè)設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)上考慮節(jié)電問題，這種低功耗要求安全協(xié)議和安全算法所帶來(lái)的通信開銷不能太大，這是在常規(guī)有線網(wǎng)絡(luò)中較少考慮的因素。 ? 加密算法 要易于實(shí)現(xiàn) 傳感器網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)節(jié)點(diǎn)既完成監(jiān)測(cè)和判斷功能，同時(shí)又要擔(dān)負(fù)路由轉(zhuǎn)發(fā)功能。當(dāng)基站向全網(wǎng)發(fā)布查詢命令的時(shí)候，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能夠有效判定消息確定來(lái)自于有廣播權(quán)限的基站，這對(duì)資源有限的傳感器網(wǎng)絡(luò)來(lái)說是非常難 于解決的問題。因此，加密算法的選取要易于軟硬件實(shí)現(xiàn)。 ? 加密算法 要 在網(wǎng)絡(luò)資源和安全性 之間作出平衡 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)在保證安全性的前提下，還要考慮其使用壽命，如數(shù)據(jù)在無(wú)線傳感器中的融合可以有效地壓縮網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源，但同時(shí)將數(shù)據(jù)的內(nèi)容暴露給了進(jìn)行融合的節(jié)點(diǎn)，因此，需要對(duì)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)證，僅讓通過認(rèn)證的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，這就需要在節(jié)省網(wǎng)絡(luò)資源和提高網(wǎng)絡(luò)安全性之間作出平衡，不能只考慮算法的安全性，而不考慮網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間，這樣就失去了加密的意義。 （ 2）篩選適用于傳感網(wǎng)的加密算法 成果： 適用于傳感網(wǎng)的 加密算法篩選及實(shí)現(xiàn) 根據(jù)傳感器網(wǎng)絡(luò)加密算法應(yīng)遵循的原則，通過對(duì)現(xiàn)有加密算法的特點(diǎn)比較，重點(diǎn)選擇對(duì)稱加密算法中的 RC RC RC MISTY1 算法，以及非對(duì)稱算法的 ECC 算法進(jìn)行研究。 經(jīng)過實(shí)驗(yàn)獲得的選擇原因如下： 相較于 IDEA 和 RC5， RC4 算法的代碼量小，易于實(shí)現(xiàn)；與 DES 相比， RC4 的加密速度可達(dá)到 DES的 10 倍左右。由于 RC4 加、解密過程均采用整型數(shù)據(jù)處理，特別適合不具有浮點(diǎn)運(yùn)算功能的單片機(jī)系統(tǒng)。又因具有較低的數(shù)據(jù)處理時(shí)延， RC4 基本可滿足實(shí)時(shí)性要求。因此， RC4 算法的計(jì)算復(fù)雜度較適合無(wú)線傳感 器網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算能力，能較好解決無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)安全問題，是適合于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的加密算法。 RC5 與 RC6 都是可定制的加密算法，對(duì)要求不同、節(jié)點(diǎn)能力不同的應(yīng)用可配置不同的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)十分靈活，均適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。 RC5 密鑰長(zhǎng)度較小、對(duì)存儲(chǔ)要求少，且 RC5 算法在資源受限的條件下，加、解密過程中執(zhí)行效率、執(zhí)行時(shí)間都較 RC6 更優(yōu)，但對(duì)數(shù)據(jù)的安全性保護(hù)比 RC6 差。 MISTYI 算法的代碼大小在 RC RC6 之間；運(yùn)行速度在 RC RC6 和 Rijndael 之間。與 Rijndael廣東移動(dòng) 2020 年度“物聯(lián)網(wǎng)”重大科技專項(xiàng) 項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東 有限公司 16相比較，雖然 MISTYI 在初始化密 鑰時(shí)較慢，但其所需的存儲(chǔ)量和 CPU 周期較少，且代碼大小只有Rijndael 的一半。在硬件受限的情況下， MISTYI 是適用于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的加密算法。 Rijndael 算法額外需要超過 800 字節(jié)的查找表，需要占用一定的存儲(chǔ)空間，難以在資源受限的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)上實(shí)現(xiàn)。同樣， DES 需要一個(gè)有 512bits 輸入的 SBox 的表和一個(gè)有 256bits 輸入的用于各種置換的表， SKIPJACK 算法需要 256 字節(jié)存儲(chǔ)輪函數(shù) F 表。 KASUMI 算法 每生成一個(gè)實(shí)例需要一萬(wàn)個(gè)邏輯門，用于保證 GSM 和 3GPP 的安全性。因此， Rijndael、 DES、 SKIPJACK、 KASUMI 算法 都不適用與無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的加密。 ECC 作為非對(duì)稱加密算法，與 RSA 相比，不但 計(jì)算量小 、 處理速度快 ，且 存儲(chǔ)空間占用小 、 密鑰生成方便。 RSA 算法的單位安全強(qiáng)度相對(duì)較低，其破譯難度為亞指數(shù)級(jí)； ECC 算法單位安全強(qiáng)度相對(duì)較高，其破譯難度為指數(shù)級(jí)。 ECC、 RSA 算法的比較如表 2 所示。若要達(dá)到同樣的安全強(qiáng)度， ECC 算法所需的密鑰長(zhǎng)度遠(yuǎn)比 RSA 算法低， ECC 算法有效的解決了為提高安全強(qiáng)度必須增加密鑰長(zhǎng)度所帶來(lái)的工程實(shí)現(xiàn)難度的問題，更適于應(yīng)用到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中。 （ 3）確定評(píng)價(jià)因子 成果： 加密算法的評(píng)價(jià)因子確定 不同 加密算法在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)，要達(dá)到 不同的 安全通信的要求 。對(duì)于加密算法的評(píng)價(jià)因子確定為 計(jì)算時(shí)間、存儲(chǔ)空間、節(jié)點(diǎn)數(shù)目等因素 ，具體的參數(shù)的選擇結(jié)合不同的應(yīng)用進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)選 。 廣播認(rèn)證方案的研究 成果： 廣播認(rèn)證方案原理研究報(bào)告 重點(diǎn)研究的廣播認(rèn)證方案 有： 基于多 MAC 的非對(duì)稱廣播認(rèn)證方案 ， 基于一次簽名的廣播認(rèn)證方案 ，基于 Merkle 哈希樹的廣播認(rèn)證方案 ， 基于 ECDSA 的廣播認(rèn)證方案 。這些方案的基本原理及在物聯(lián) 網(wǎng)傳感節(jié)點(diǎn)的可用性得到了驗(yàn)證。 成果： 適用于廣播認(rèn)證的加密技術(shù)的選擇與改進(jìn)方案 用于廣播認(rèn)證的加密技術(shù) 主要 有 ： 消息認(rèn)證碼 (MAC)技術(shù)、一次簽名技術(shù)、 Merkle 散列樹、橢圓曲線數(shù)字簽名算法 (ECDSA)、改進(jìn)的橢圓曲線數(shù)字簽名算法 (IECDSA)等 。 成果： 廣播認(rèn)證協(xié)議的選擇與改進(jìn)方案 研究的 廣播認(rèn)證協(xié)議主要有： TESLA 協(xié)議， μTESLA協(xié)議，基于 IECDSA 的廣播認(rèn)證協(xié)議，基于一次簽名的廣播認(rèn) 證協(xié)議，快速?gòu)V播認(rèn)證協(xié)議 FBAP，基于 μTPCT 的廣播認(rèn)證協(xié)議等。另外還有很多基于 μTESLA 協(xié)議的優(yōu)化協(xié)議，如基于閾值的多重認(rèn)證協(xié)議 MμTESLA，基于分簇的的廣播認(rèn)證協(xié)議NμTESLA，二級(jí) μTESLA認(rèn)證協(xié)議，改進(jìn)的分簇廣播認(rèn)證協(xié)議 HWμTESLA， MultiLevel μTESLA認(rèn)證協(xié)議， TreeBased μTESLA協(xié)議，多基站傳感器網(wǎng)絡(luò)廣播認(rèn)證協(xié)議 MMμTESLA等。 確定了無(wú)線傳感網(wǎng)環(huán)境下的廣播認(rèn)證方案。 應(yīng)用方案設(shè)計(jì)及仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境構(gòu)建 廣東移動(dòng) 2020 年度“物聯(lián)網(wǎng)”重大科技專項(xiàng) 項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東 有限公司 17 圖 1 家庭無(wú)線傳感網(wǎng)組網(wǎng)模式 （ 1）遠(yuǎn)程抄表 電能計(jì)量是現(xiàn)代電力營(yíng)銷系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，長(zhǎng)期以來(lái)，供電企業(yè)電能數(shù)據(jù)的抄算都是基于電能表的手工作業(yè)方式，即每月定期派人到各用戶那里抄錄電能表的用電數(shù)據(jù)作為電費(fèi)計(jì)算和收繳的依據(jù)。這在實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性和應(yīng)用性等方面都存在諸多不足之處。利用現(xiàn)代通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)以及電能量測(cè)量技術(shù)結(jié)合在一起，便能夠及時(shí)、準(zhǔn)確、全面地反映電量使用情況。 電表首先連接到電表采集器，再通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)匯集到戶內(nèi)計(jì)算機(jī)上的統(tǒng)一管理平臺(tái)，小區(qū) 匯聚各戶數(shù)據(jù)后傳送至配電數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)電表數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線連接。 （ 2）溫度查詢和空調(diào)控制 在現(xiàn)有的家居環(huán)境中，空調(diào)開啟后有定時(shí)或恒溫模式，而人們往往需要在家時(shí)才能手動(dòng)啟動(dòng)這些模式，不能達(dá)到智能溫控的目的。 利用溫度傳感器采集室內(nèi)溫度數(shù)據(jù)，利用 ZigBee 插座控制空調(diào)的開啟與關(guān)閉，可以達(dá)到智能溫控、節(jié)能的目的。采用溫度傳感器可以實(shí)時(shí)監(jiān)控家中的溫度，在用戶回家前，可以通過手機(jī)終端查看家中的溫度情況，通過溫度傳感器探測(cè)的溫度，給用戶反饋。如果溫度適宜，用戶不需要做任何操作，如果溫度偏高或偏低，用戶可 通過手機(jī)向家中計(jì)算機(jī)的管理平臺(tái)發(fā)送開啟空調(diào)命令，計(jì)算機(jī)通過 ZigBee 網(wǎng)關(guān)向連接空調(diào)的 ZigBee 插座發(fā)送開啟命令，開啟空調(diào)。在用戶回到家時(shí)，室內(nèi)可達(dá)到適宜的溫度。 根據(jù)應(yīng)用方案在感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層的具體組網(wǎng)方案進(jìn)行相關(guān)設(shè)備的購(gòu)買。 表 1 設(shè)備功能 類別 產(chǎn)品 描述 備注 傳感器節(jié)點(diǎn) 科爾斯伯 高精光、溫度、聲、聲音振動(dòng)傳感器 ZigBee 中科院 簡(jiǎn)易光、高精溫濕傳感器 射頻 ZigBee 插座 狀態(tài)控制 ZigBee 電表采集器 采集電表電量 GPRS 溫度 傳感器 溫度 傳感器 ZigBee網(wǎng)關(guān) ZigBee插座 家庭數(shù)據(jù)服務(wù)網(wǎng)關(guān) 空調(diào) 遠(yuǎn)程抄表 短信貓 廣東移動(dòng) 2020 年度“物聯(lián)網(wǎng)”重大科技專項(xiàng) 項(xiàng)目結(jié)題報(bào)告 中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東 有限公司 18燒 錄設(shè)備 中科院 燒錄節(jié)點(diǎn)程序 串口 無(wú)線通信模塊 科爾斯伯 節(jié)點(diǎn)間通信 ZigBee 無(wú)線 AP 無(wú)線路由 WiFi 網(wǎng)關(guān) 科爾斯伯 數(shù)據(jù)匯聚轉(zhuǎn)發(fā) ZigBee ZigBee 插座網(wǎng)關(guān) 數(shù)據(jù)匯聚轉(zhuǎn)發(fā) ZigBee 短信貓 數(shù)據(jù)匯聚轉(zhuǎn)發(fā) GPRS 該典型實(shí)驗(yàn)環(huán)境目前作為無(wú)線傳感網(wǎng)安全領(lǐng)域的研究，未來(lái)該方案在條件成熟后可作為面向家庭市場(chǎng)的無(wú)線傳感信息服務(wù)的解決方案，成為中國(guó)移動(dòng)家庭市場(chǎng)的重要服務(wù)模式。