Organization of secure data transmission in a sensor network based on AVR microcontrollers

Gibadullin Ruslan Farshatovich ORCID: 0000-0001-9359-911X PhD in Technical Science Associate Professor of the Computer Systems Department of Kazan National Research Technical University named after A.N. Tupolev-KAI (KNRTU-KAI) 420015, Russia, Republic of Tatarstan, Kazan, Bolshaya Krasnaya str., 55, office 432 rfgibadullin@kai.ru Other publications by this author

Сенсорная сеть представляет собой сеть, воплощающая в себе концепцию вездесущей вычислительной среды. Это беспроводная сетевая среда, которая состоит из множества датчиков малой мощности. Она исследуется и разрабатывается в различных стандартах и научно-исследовательских организациях. В результате различные сферы деятельности, такие как логистика, контроль окружающей среды, домашняя сеть применены в сенсорной сети ^[1]. В этой среде данные собираются с помощью датчиков и используются путем систематического анализа и передачей данных между различными сервисами. Для обеспечения безопасности в данной среде необходимо соблюдение общепринятых требований, таких как целостность, конфиденциальность, аутентификация, безотказность и т.д.

Алгоритм шифрования с открытым ключом широко используется во всем мире. Однако с данным алгоритмом сложно использовать сенсорную сеть из-за высоких требований к памяти и энергопотреблению ^[2]. Поэтому в сенсорной сети предпочтительнее использовать симметричный алгоритм шифрования с низкими требованиями по энергопотреблению.

В данной работе используется алгоритм шифрования AES Rijndael, проводятся замеры производительности шифрования и дешифрования на 8-разрядном микроконтроллере. Также анализируется эффективность коммуникации на основе общей задержки передачи данных за транзитный участок в сенсорной сети.

В отличие от других компаний (Microchip, NEC, Motorola и т.д.) компания Atmel Corp. – один из мировых лидеров в производстве широкого спектра микросхем энергонезависимой памяти, FLASH-микроконтроллеров и микросхем программируемой логики, взяла старт по разработке RISC-микроконтроллеров в середине 90-х годов, используя все свои технические решения, накопленные к этому времени.

AVR – это относительно молодой продукт корпорации Atmel. В этой линии микроконтроллеров общего назначения постоянно появляются новые кристаллы. Например, корпорация Atmel выпустила новый микроконтроллер AVR tiny43U с ультранизким питающим напряжением 0.7 В. Благодаря встроенному импульсному повышающему преобразователю, микроконтроллер может работать от 0.7 В и идеально подходит для приложений с батарейным питанием и содержит: 4K Flash-памяти программ, 64 Байт EEPROM, 256 Байт SRAMУ, два 8-разрядных таймера счетчика, сторожевой таймер, аналоговый компаратор, BOD, датчик температуры, 10-разрядный АЦП, интерфейсы SPI, USI, debugWire.

Обновляются версии уже существующих микроконтроллеров. Так, корпорация Atmel выпустила новые версии микроконтроллеров AVR ATmega164PA, ATmega64A, ATmega324PA, ATmega48/88PA на замену микроконтроллерам ATmega164P, ATmega64, ATmega324P и ATmega48/88P. В новых микроконтроллерах, имеющих в наименовании суффикс «A», переработана топология металлизированных слоев кристалла. Таким образом, чтобы уменьшить энергопотребление микросхемы, но при этом сохранить полную обратную совместимость. Новые микросхемы имеют меньший ток потребления как в активном режиме работы микросхем (улучшение параметра от 25%), так и в режимах энергосбережения (от 17%).

Быстродействие и потребляемая мощность всегда были ключевыми элементами развития микроконтроллеров AVR, начиная с выпуска первого микроконтроллера AT90S1200.

AES (AdvancedEncryptionStandart) представляет собой алгоритм шифрования 128-битных блоков данных ключами по 128, 192 и 256 бит. AES является упрощенной версией алгоритма Rijndael. Оригинальный алгоритм Rijndael отличается тем, что поддерживает более широкий набор длин блоков ^[3].

Для шифрования в алгоритме AES применяются следующие процедуры преобразования данных:

1. ExpandKey – вычисление раундных ключей для всех раундов;
2. SubBytes – подстановка байтов с помощью таблицы подстановок;
3. ShiftRows – циклический сдвиг строк в форме на различные величины;
4. MixColumns – смешивание данных внутри каждого столбца формы;
5. AddRoundKey – сложение ключа раунда с формой.

Шифрование производится по алгоритму приведенному на риc. 1.

Риcунок 1. Алгоритм шифрования AES

Для анализа производительности алгоритма AES-шифрования в сенсорной сети 8-битного микроконтроллера, в качестве аппаратного устройства мы используем ATmega644p ^[4]. В качестве средств разработки в WinAVR используются AVR Studio 4 и специального окна редактора программиста. Эмулятор JTAG (Joint Test Action Group – Группа совместных испытаний) используется в качестве средства отладки. На рис. 2 показано устройство для анализа производительности алгоритма AES-шифрования.

Рисунок 2. Устройство для анализа производительности алгоритма AES-шифрования

ATmega644p в 8-битном микроконтроллере был разработан компанией Atmel. Основная функция ATmega644p – обеспечить правильное выполнение программы. Поэтому он должен иметь доступ к памяти, производить вычисления, управлять периферией и обрабатывать прерывания. Он имеет системные часы с частотой 20 МГц, предварительный делитель 8, 64, 256 или 1024 и расширенную архитектуру RISC.

AVR Studio – это среда исполнения/отладки без платы AVR микроконтроллера. Скомпилированные программы применяются к AVR. Окно редактора программиста с компилятором Win-GCC компилирует исходный код, написанный на языке Си. Скомпилированные программы применяются к AVR Studio. JTAG Emulator это устройство ввода/вывода, использующее порт JTAG, получает информацию от PCB или IC.

Для оценки эффективности алгоритма шифрования AES мы применяем режим AES-128 CBC (Cipher Block Chaining – сцепления блоков шифртекста) к EEPROM ATmega644p. В режиме CBC каждый блок открытого текста XORed (логическая операция исключающее ИЛИ) с предыдущим блоком зашифрованного текста перед тем, как его зашифровать. Кроме того, чтобы каждое сообщение было уникальным, в первом блоке должен использоваться вектор инициализации. На рисунке 3 показано шифрование в режиме CBC.

Рисунок 3. Режим шифрования CBC

Режим таймера использует режим таймер/счетчик CTC (Clear Timer on Compare Match – таймер для сравнения). Режим CTC генерирует сравнение прерывания, если значение счетчика (TCNT), которое очищено до нуля, соответствует OCR. Таймер измерения, измеряет количество (P) сравниваемых прерываний на 1 мс. Время работы на 1 такт следующее:

У ATmega644P есть предварительный делитель системных часов, и системные часы можно разделить, установив регистр Prescale Clock. Предварительно установленное время настройки предделителя системных часов следующее:

Таймер/счетчик (TCNT) и регистр выходного сравнения (OCR) являются 8-разрядными регистрами. OCR для генерации сравнения прерывания следующее:

Для сравнения производительности шифрования и дешифрования мы используем режим AES-128 CBC. Время операции шифрования и дешифрования измеряется для размеров данных в 16, 32, 64, 128, 256 и 512 байт. Табл. 1, рис. 4 и рис. 5 показывают время работы шифрования и дешифрования и цикл процессора (ЦП) в соответствии с указанным размером данных.

Таблица 1. Времена работы криптографических операций

Рисунок 4. График времени работы криптографических операций

Рисунок 5. Процессорный цикл

В результате время работы и ЦП по размерам данных увеличиваются примерно в 2 раза. Для шифрования и дешифрования 512 байт требуется приблизительно 14 минут.

Рис. 6 показывает, что общий узел (N_i) отправляет защищенный пакет данных в головку кластера (CH) в той же подсети.

Рисунок 6. Модель приложения сенсорной сети

Для измерения задержки передачи данных и дешифрования по количеству пересылок связи делаются следующие допущения. А именно, каждый узел в подсети имеет одинаковую производительность и в передаче данных нет помех или потерь пакетов. Каждый узел совместно использует общий ключ с соседними узлами наперед, и шифрование и дешифрование работают единожды за один шаг. Связь для генерации парного ключа общего типа аналогична протоколу μTESLA (Micro Timed Efficient Stream Loss-tolerant Authentication) сенсорной сети ^[5].

В процессе связи сенсорной сети команда запроса радиомаяка и команда запроса ассоциации передаются между новым узлом и головкой кластера. Общий узел (N₁) шифрует данные, используя ключ безопасности, и отправляет защищенные данные соседнему узлу (N₂). Узел (N₂) дешифрует зашифрованное сообщение (msg_Е), используя предварительно развернутые ключи безопасности. Затем он получает зашифрованный файл. Узел (N₂) повторяет тот же процесс на предыдущем шаге, используя закрытый ключ, совместно используемый с его узлом-соседом (N₃).

Процесс доставки данных по хоп-соединению следующий:

Если связь с задержкой по ходу включает задержку шифрования, дешифрования и задержку передачи данных, общая задержка будет следующей:

Δt представляет задержку для распределения и доступа к каналу. Он имеет между нулем и T_hop-by-hop. Когда общий узел и головка кластера соединяются с зашифрованными пакетными данными, генерируемая общая задержка выглядит следующим образом:

Значение n в уравнении представляет общее количество прыжков. Он имеет значение больше 1 для связи с соседним узлом.

Рисунок 7. Суммарная задержка в соответствии с количеством хопов

Рис. 7 показывает, что общая задержка зависит от количества прыжков между CH и N_i. Мы интерполируем, что задержка шифрования составляет 449 мс., задержка дешифрования – 456 мс., а задержка передачи данных – 10 мс. в 16-байтовых данных. Число узлов во всей сети – 215, что меньше максимального числа узлов 65535 в области WPAN. Мы не рассматриваем задержку доступа и распределения канала.

На рис. 7 задержка в 30 прыжках и 180 прыжках составляет 27450 мс., 164700 м. соответственно. Если количество узлов во всей сети равно 65535 (максимальное количество узлов в сети датчиков), задержка составит примерно 16 часов. Основная причина большой задержки связана с производительностью оборудования – 8-разрядный микроконтроллер обладает низкой производительностью ^[6]. Таким образом, при увеличении масштаба сети датчиков потребление энергии также будет возрастать.