无线体域网中的认证和数据加密的设计与实现
发布时间：2020-08-27 19:54
【摘要】：在生活水平日益提高的当下,人们对医疗卫生服务和健康监护的需求也越来越大。基于WBAN的应用——健康监测和远程医疗,现已成为了无线通信和医疗领域的研究热点之一。WBAN技术是通过在人体体表或体内合理布置可采集人体生理数据的智能传感器节点,用无线传输的方式将采集的体征数据传输给用户或医护人员,通过分析这些数据进行健康监测和医疗诊断。由于WBAN的网络特殊性和生理数据的隐私敏感性,WBAN易受到外界的威胁和攻击,对隐私数据的保护显得尤为重要。本论文结合IEEE802.15.6协议,对WBAN的网络威胁和安全需求进行了分析,提出了一种适用于WBAN的安全通信方案,具体的工作归纳如下:1.基于ECC公钥密码体制中ECDLP的逆向不可求解性,使用非对称加密技术产生高安全强度的共享密钥,再使用共享密钥进行更安全的对称加密。根据NIST标准选取了合适的椭圆曲线及其参数,对ECC点乘算法进行硬件电路设计时,自顶向下逐级划分子模块,自底向上进行模块设计,实现了有限域_2F_2 _(33)下点乘运算。其中,有限域模逆运算是根据费马小定理作出适当优化设计进行实现。2.提出将HMAC-SHA256应用到‘Challenge/Response’的认证机制中,完成了消息完整性认证。硬件电路实现方面,根据HMAC-SHA256算法特点,通过设计SHA256子模块来完成HMAC-SHA256的电路设计。介绍了AES256算法的理论知识,分析其算法结构,将其运算过程按每一轮进行逻辑设计,加密电路和解密电路通过模块复用以节省面积和优化速度。3.根据IEEE802.15.6协议,提出一种适用于WBAN的安全通信方案。该方案主要流程为:当节点请求入网时,协调器会请求查看节点证书;然后双方通过ECC点乘计算出各自公钥并互换公钥,得到共享密钥;之后通过对比两者之间计算的HMAC-SHA256值进行数据完整性认证,最后使用共享密钥对WBAN中的信息数据进行对称加密和解密。在QuartusII集成的Modelsim下进行仿真验证,使用硬件描述语言Verilog对整个方案进行硬件电路描述实现。
【学位授予单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN92;TN918.4
【图文】：
图 1.1 远程医疗应用场景示意图然而不管是什么通信网络都存在一定的安全问题，WBAN 作为一种特殊的通信网络也不例外，WBAN 也存在着一定的安全问题。WBAN 的应用场景很，WBAN 传输的数据涉及到用户的生理体征信息或地理位置信息，这些数据有很强的敏感性和隐私性。加上 WBAN 具有信道开放性、广播性、资源有限网络拓扑动态性，使得外界设备可以发起拒绝服务攻击使 WBAN 服务器宕机通过窃听、伪装成合法用户的方式获取传输的数据。传输的数据一旦被窃取改，攻击者便有利可图，用户将会遭受很严重的后果，甚至对用户的生命安成威胁[10,11]。如何有效保障 WBAN 的通信安全，如何使 WBAN 安全技术可以提供足够全措施有效应对各种攻击，成为了广大专家和学者的研究方向。WBAN 安全的研究具有很重要的意义，只有保障了通信的安全，WBAN 技术及其应用才
输入：次数低于 m 的二进制多项式 a ( x )， b ( x)输出： c= ( x ) a ( x ) b ( x )mod f ( x)1．若0a =1， c = b；否则 c = 02．对于 i 从 1 到 m 1，重复执行2.1 b= b x mod f ( x)2.2 若 1ia = ， c= c + b；否则 c =c3．返回 cclka[232:0]b[232:0]c[232:0]doneenmod_mult图 2.3 模乘运算模块引脚模乘模块 mod_mult 有 4 个输入引脚信号，2 个输出引脚信号。en 信mod_mult 的使能信号，高电平有效。done 信号为运算结束信号，同为高电平有设计该模块的核心 verilog 代码如图 2.4 所示。
图 2.5 模乘运算仿真图通过仿真，得到的仿真结果与期望输出结果一致，验证了设计的正确性。2.3.2 模平方运算模块若二进制多项式232 2 1232 2 1 0=a ( x ) a x + + a x + a x + a，则2 464 4 2232 2 1 0=a ( x ) a x + + a x + a x + a(2.172a ( x )的二进制多项式系数可以通过在 a ( x )的二进制多项式系数中间插入 0 获得，如图 2.6 所示。图 2.6 二进制多项式平方系数示意图232a231a 1a0a0 0 001a231a232a0a
【学位授予单位】：重庆邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN92;TN918.4
【图文】：
图 1.1 远程医疗应用场景示意图然而不管是什么通信网络都存在一定的安全问题，WBAN 作为一种特殊的通信网络也不例外，WBAN 也存在着一定的安全问题。WBAN 的应用场景很，WBAN 传输的数据涉及到用户的生理体征信息或地理位置信息，这些数据有很强的敏感性和隐私性。加上 WBAN 具有信道开放性、广播性、资源有限网络拓扑动态性，使得外界设备可以发起拒绝服务攻击使 WBAN 服务器宕机通过窃听、伪装成合法用户的方式获取传输的数据。传输的数据一旦被窃取改，攻击者便有利可图，用户将会遭受很严重的后果，甚至对用户的生命安成威胁[10,11]。如何有效保障 WBAN 的通信安全，如何使 WBAN 安全技术可以提供足够全措施有效应对各种攻击，成为了广大专家和学者的研究方向。WBAN 安全的研究具有很重要的意义，只有保障了通信的安全，WBAN 技术及其应用才
输入：次数低于 m 的二进制多项式 a ( x )， b ( x)输出： c= ( x ) a ( x ) b ( x )mod f ( x)1．若0a =1， c = b；否则 c = 02．对于 i 从 1 到 m 1，重复执行2.1 b= b x mod f ( x)2.2 若 1ia = ， c= c + b；否则 c =c3．返回 cclka[232:0]b[232:0]c[232:0]doneenmod_mult图 2.3 模乘运算模块引脚模乘模块 mod_mult 有 4 个输入引脚信号，2 个输出引脚信号。en 信mod_mult 的使能信号，高电平有效。done 信号为运算结束信号，同为高电平有设计该模块的核心 verilog 代码如图 2.4 所示。
图 2.5 模乘运算仿真图通过仿真，得到的仿真结果与期望输出结果一致，验证了设计的正确性。2.3.2 模平方运算模块若二进制多项式232 2 1232 2 1 0=a ( x ) a x + + a x + a x + a，则2 464 4 2232 2 1 0=a ( x ) a x + + a x + a x + a(2.172a ( x )的二进制多项式系数可以通过在 a ( x )的二进制多项式系数中间插入 0 获得，如图 2.6 所示。图 2.6 二进制多项式平方系数示意图232a231a 1a0a0 0 001a231a232a0a
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本文编号：2806546
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