ZigBee协议的安全层研究与实现

论文摘要

随着半导体技术、微系统技术、通信技术、计算机技术、自动控制和人工智能等技术的飞速发展孕育了一种新型的测控网络——无线传感器网络。ZigBee是无线传感器网络技术之一,ZigBee协议是专用于无线传感器网络的通信协议,并且成为了无线传感器网络的首选网络协议。本文在了解ZigBee技术的背景、协议构架,协议栈结构包括应用层、网络层、MAC层和PHY层的基础上。主要研究了ZigBee协议的安全层,其数据的安全采用基于AES-128加密算法的CCM*模式,研究了AES-128加密算法原理,并采用C语言编程在VC6.0环境下调试与AES-128标准给出的例子比较,验证编写代码正确性,并将其应用在CCM*模式中,同样经过VC6.0环境下调试验证其正确性。其密钥的建立使用SKKE协议,仔细研究了SKKE协议中使用的HMAC算法,在明白原理的基础上用C语言编程实现此算法。并在理论基础上组建了ZigBee开发平台。硬件平台主要由微控制器和射频模块两部分组成,微控制器采用ATmega128L,RF模块采用CC2420。微控制器采用RS-232串口总线与PC机相连,显示测试结果,用JTAG进行程序下载和仿真,微控制器通过SPI接口与CC2420芯片进行通信。在系统软件设计方面,利用现有协议栈和部分源代码,编写了ZigBee协议栈的安全层源代码包括基于CCM*模式的数据安全和基于SKKE协议的建立钥匙过程。数据安全主要在应用层和网络层实现了数据的加密和解密;而建立钥匙是在设备要安全加入网络时实现的,还编写了SPI接口程序、串口程序和部分射频收发程序等。基于此平台实现的ZigBee协议栈功能有:网络的建立,设备安全加入网络和设备间安全通信。通过网络的建立、对A/D采集的数据进行加密和解密,取得了测试结果,证实了编写的协议栈源代码的正确性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题开发背景以及国内外研究现状
• 1.1.1 课题开发背景
• 1.1.2 国内外研究现状
• 1.2 无线传感器网络
• 1.2.1 无线传感器网络的起源和发展
• 1.2.2 无线传感器网络的特点和应用
• 1.3 本文研究的主要内容和论文组织结构
• 1.4 小结
• 第二章 ZigBee技术
• 2.1 ZigBee技术概述
• 2.1.1 ZigBee技术的起源
• 2.1.2 几种无线通信技术及其比较
• 2.1.3 ZigBee技术的特点及应用
• 2.2 ZigBee协议栈
• 2.2.1 IEEE802.15.4PHY层
• 2.2.2 IEEE802.15.4MAC层
• 2.2.3 网络层
• 2.2.4 应用层
• 2.2.5 安全管理
• 2.3 小结
• 第三章 ZigBee协议安全层算法的实现
• 3.1 AES加密算法
• 3.1.1 AES加密算法的数学基础
• 3.1.2 AES加密算法原理
• 3.2 AES-128加密算法的C语言实现
• 3.2.1 AES-128加密整体流程
• 3.2.2 SubByte（）和AddRoundKey（）变换
• 3.2.3 ShiftRows（）变换
• 3.2.4 MixColumns（）变换
• *模式基本原理'>3.3 基于AES-128算法的CCM^*模式基本原理
• *模式的C语言实现'>3.4 CCM^*模式的C语言实现
• 3.5 正确性与加密性能测试
• 3.5.1 AES-128加密模块测试
• *模式加密、解密测试'>3.5.2 CCM^*模式加密、解密测试
• 3.5.3 加密性能测试
• 3.6 加密算法性能分析
• 3.6.1 AES加密算法与其它对称加密算法比较及性能分析
• *加密模式安全性能分析'>3.6.2 CCM^*加密模式安全性能分析
• 3.7 小结
• 第四章 ZigBee无线开发平台的实现
• 4.1 ZigBee开发平台总体设计
• 4.1.1 硬件平台
• 4.1.2 系统软件开发工具
• 4.2 微控制器模块
• 4.2.1 MCU电路
• 4.2.2 串口电路
• 4.2.3 JTAG接口
• 4.3 射频收发模块
• 4.3.1 芯片的主要性能特点
• 4.3.2 芯片内部结构
• 4.3.3 配置IEEE802.15.4工作模式
• 4.3.4 RF芯片与MCU接口电路
• 4.4 小结
• 第五章 ZigBee协议在开发平台上的实现
• 5.1 网络的建立
• 5.2 ZigBee协议网络关联
• 5.3 ZigBee设备安全加入网络的实现
• 5.3.1 钥匙建立原语概念
• 5.3.2 SKKE协议
• 5.3.3 密钥生成的实现
• 5.4 ZigBee设备间安全通信
• 5.5 测试实验与结果输出
• 5.5.1 测试实验
• 5.5.2 测试体会
• 5.6 小结
• 第六章 结论
• 参考文献
• 附录 ZigBee开发板电路原理图
• 在学研究成果
• 致谢