随着社会信息产业的高速发展,网路通信、数据採集、无线通信、无线控制等技术受到了广泛的关注和套用。信息获取是信息技术套用的重要环节,同信息传输、处理和套用之间密不可分,具有标誌性的作用。其中,感测器技术是信息获取的最重要和最基本的手段之一。特别地,ZigBee无线感测器网路的套用使信息的获取变得更方便、快捷和準确。
ZigBee是一种新兴的短距离、低速率无线网路技术,它拥有自己的无线电标準,得到了广泛的套用。无线感测器网路是基于IEEE 802.15.4技术标準和ZigBee网路协定而设计的无线数据传输网路。
基本介绍
- 中文名:ZigBee通信安全防护系统
- 外文名:ZigBeecommunication security protection system
1. 套用领域
1.1 军事套用
通过布置于战场敏感区域的无线感测节点回传的信息,作战人员用手持式PDA等工具接收信息,就可以实时了解战场上的各种情况,真正做到运筹帷幄。
1.2 环境科学
感测器网路为野外随机地研究数据採集提供了方便。
1.3 医疗套用
在医院病人身上安装特殊用途的感测器节点,如心率和血压监测设备,利用感测器网路,医生就可以随时了解被监护患者的病情,及时进行处理。
1.4 商业套用
工业监控、楼宇自动化、流量过程控制、热能数据採集等。
2. 安全保障
无线感测器网路在进行数据採集、融合和传输时,为了保证採集点的机密和数据传输的安全,与其他无线网路一样需要安全机制。由于节点单元能力的受限,以及无线感测器网路节点的协作特性,必然要权衡安全强度的问题。无线感测器网路的中心节点网关收集的信息一般都是通过有线网路方式传输至控制中心,但在这过程中信息的传输存在很大的安全隐患,很容易被人窃取和篡改,因此,对这个有线传输网路的安全性保障就显得尤为重要,同时也必须对传输网路採取有效的安全检测。
加密是一种很好的信息安全解决方案,目前成熟的加密算法有AES加密算法、混沌加密算法、RSA加密算法等。AES加密算法作为最新一代的加密标準,是一种数据块长度和密钥长度均可变的分组叠代加密算法,其数据块的长度和密钥长度可以分别为128bit、192bit、256bit。AES加密算法具有安全、性能好、效率高、实用、灵活等特点,因此在信息安全领域具有广泛的套用。加密算法可以用软体和硬体实现,软体实现较为简单和灵活,但用硬体实现能够提供更快的加解密速度和更好的安全性能。加密算法的硬体实现就是套用硬体描述语言对加密算法进行系统级设计及编码。
对网路的安全机制保障措施也较多,包括物理隔离、用户授权、防火墙技术等。目前的措施一般都是比较单一,基本的安全性能够得到保障。
3. 系统结构设计
3.1 问题的提出
在工业控制领域,利用ZigBee和感测器网路使得数据的自动採集、分析和处理变得更加容易,作为决策辅助系统的重要组成部分,ZigBee无线感测器网路在无线数据採集及监控等领域得到了广泛套用。这种网路主要採用短距离无线系统的连线,提供通用感测器的接入,能够满足各种感测器网路的数据输出和输入控制及信息需求,使系统网路化、无线化。无线感测器网路系统具有快速配置、自动识别及组网等显着特点。无线感测器数据採集都需通过网关传输至控制中心,在这个过程中信息传输的安全性逐渐成为人们关注的焦点。因此,设计一种安全可靠的通信解决方案显得尤为重要。
信息安全的解决方案目前主要集中于採取单一的措施来保证信息的安全性,针对各种攻击手段,防範措施主要集中于信息加密技术、安全交换机技术、防火墙技术、认证技术,入侵检测技术等,这些技术从不同的方面对安全性提供了较好的保障,但各有缺点和不足,这将成为网路防护的软肋。
3.2 AES加密算法分析
AES加密算法作为新一代的分组叠代加密算法,其採取对称密钥,数据块的分组长度和密钥长度分别可选择128bit、192bit、256bit。AES加密算法具有安全性,灵活性等特点。
RSA算法是第一个能同时用于加密和数字签名的算法,也易于理解和操作。但RSA加密算法的缺点主要有:1)密钥的产生繁琐,受到素数产生技术的限制,因而难以做到一次一密。2)分组长度太大,为保证安全性,n至少也要600 bit以上,使运算代价很高,尤其是速度较慢,与对称密码算法相差多个数量级;且随着大数分解技术的发展,这个长度还在增加,不利于数据格式的标準化。
混沌加密算法一般作为数字语音信息等的加密,在实际加密套用过程中其精度和保密性方面都存在着缺陷,因此,不适合该系统的加解密算法选择。
3.3 支撑硬体选择
鑒于AES加密算法的特点以及算法的抗攻击性能,因此,选用其作为加密套用技术。
加密算法可以通过软硬体实现,由于算法本身的灵活性以及效率高,用软体实现比较简单、方便,但同时也带来一些问题,使算法的速度、安全性等都在某种程度上受到影响。AES算法的硬体实现不仅具有快的速度而且占用的资源也将减少。因此,AES加密算法硬体实现能够提供更快的速度和安全性。
採用Spartan系列FPGA作为AES加密算法实现的硬体载体。Spartan-3e开发平台採用50万门的XC3S500E-4FG320C晶片,提供了DDR SDRAM、Flash和常用的扩展接口10Mbit/s的网口、两个RS232串口、PS2键盘接口、通用扩展接口等,能够支持32位的软核MicroBlaze的运用。因此,基于Spartan-3e平台能够很好地构建一个SOC系统。