פרוטוקול תקשורת מאובטח מבוסס Fsk עבור רשתות חיישן אלחוטי

רשתות חיישן אלחוטיות (WSN) מערערות תשתיות קריטיות ב ניטור סביבתי, אוטומציה תעשייתית, בריאות ומשמרות צבאיות.האופי המופץ ולעיתים קרובות בלתי מצופה של רשתות אלה חושף אותן למגוון רחב של איומים ביטחוניים, מנקודות פאסיביות ועד לפשרות ניתוק פעיל של מנגנוני אבטחה מבוססי תדירות (FSK), תוכנית פשוטה אך חזקה, התפתחה כבסיס לבניית פרוטוקולים מאובטחים מאובטחים ומאובטחים לפרוטוקולים של אבטחה מאובטחים.

מימון תדירות שינוי Keying

(ב) ,העברה של ה-FSK (הופנה מהדף ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

(ב) ויקרא י"א): "וַיְהַּדָּבְהַבְתָּבְתָּבְהַה עַל עַל עַל עַל עַל עַל עַמֶּה עַל עַל עַל עַל עַנְתִּים" (בראשית כ"ד, יט, יט, יט, יט, ).

(ה) ,הפרמטרים המרכזיים של מערכת FSK כוללים את סטיית התדירות (הבדל בין FLT:0fcioFLT:1FLT:2003FLT 3 ו-FLT:4FIRLT:5 ⁇ 5 ⁇ 61FIRLT 7), את קצב הסמל, ואת מדד המודולציה גבוה יותר משפר את חסינות, אך צורכת רוחב פסים יותר עבור משאב משיכה:

• (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ניתן להשתמש בגלאי מעטפה פשוטים או מפצלי ראייה (לא-מחדש) בצמצום מורכבות המקלט.
• (ב) [ה]ההתמדה [ה]: [ה] [ה]] [ה] [ה]] [ה]], בניגוד ל- ASK, FSK הוא חסין במידה רבה על ידי שינויי אמפליטודה המושרה.

תקן IEEE 802.15.4 (Zigbee) משתמש בשלב המעבר של שלב ה-U-Quadrature (O-QPSK) ב-2.4 GHz, אך רבים קנייניים ונמוכים (למשל, ב-433 MANG ו- 868/915 MHz MHz) מעסיקים FSK בשל עלויות נמוכות ופרופילי הכוח שלו.

אבטחה Vulnerabilities ב-WiFile Sensor Networks

WSNs ניצב בפני נוף איום ייחודי, כי אבני חיישן הם בדרך כלל מופעלים סוללות, יש זיכרון מוגבל מהירות מעבד, וניתן לפרוס בסביבה עוין או בלתי נגישה.

• (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) [15] , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ,0) ,Denial of Service (DoS)veFLT:1) - ג'אזינג הערוץ האלחוטי או סוללות נעימות מתישות על ידי שידורים חוזרים.
• (ב) ,0) התקפות של המשחק (Replay AttacksofFLT:1) - לכידת חבילות לגיטימיות מוחלשות מאוחר יותר כדי להונות את הרשת.

אמצעי הגנה מסורתיים (AES) – כגון Advanced Encryption Standard (AES) בשכבה הרשת או cryptocurrencies של רשת ציבורית להחלפת מפתח - כופים חישובים משמעותיים ואנרגיות מעל פניות (A study by Perrig et al. (2004) הראו כי אפילו סימטרי קל ל-170 סימטריות כגון RC5 צור אנרגיה משמעותית על מיקרובקרי בקרה של 8 סיביות שנמצאו בדרך כלל ב-SLT, ניהול מרכזי כאשר אין מורכבות של אבטחה ו-FD (S) כמו קידודים) ו-S) , כמו גירסאות אבטחה (S) סודיות (FD) , כמו קידודים (Occ-S) , לדוגמה, לדוגמה, כלומר, לדוגמה, כלומר, כלומר, לדוגמה, לדוגמה, לדוגמה, לדוגמה, קידוד אבטחה אופטימסוג של 8 סיביות של 8 סיביות של אבטחה (S) סודיות) LT) .

פרוטוקול תקשורת מאובטח מבוסס FSK

פרוטוקולים מאובטחים מבוססי FSK משלבים מנגנוני אבטחה ברמת המודולציה והגליון, המציעים שלושה יתרונות עיקריים: (i) הם פועלים מתחת לשכבת ה- MAC, מה שמקשה על שיגור ללא ידע של הפרמטרים הפיזיים; (ii) הם נמנעים מעלויות האנרגיה של עיבוד קריפטוגרפי נוסף כאשר הערוץ עצמו מספק סודיות; ו (iii) הם יכולים להיות מובנות עם שינויים מינימליים.

אבטחה שכבתית עם FSK

אבטחה שכבתית גופנית מנצלת את האקראיות וההפצה של הערוץ האלחוטי כדי לספק סודיות מידע-תיאורטית.המושג הבסיסי, שהוצג על ידי ווינר (1975), הוא שהערוץ בין נקודות לגיטימיות (אליס ובוב) צריך להיות בעל אות טוב יותר ליחסי אותות (SNR) מאשר הערוץ בין אליס והאגרופ (Eve) אם ההבדל הוא גדול מספיק, סוד יכול להיות שנוצר ללא צורך זה:

• (FLT:0) מגוון רחב של מגוון רחב של כפל (FLT) 1 - באמצעות מספר טונים, הפרוטוקול יכול למדוד תגובות דחפים ערוץ בתדרים שונים, להגדיל את הטרופיה של חומר המפתח.
• (ב) אין צורך בשלב הערוץ, לפשט את החילוץ המרכזי מאינדיקטור כוח אותות (RSSI) וריאציות.

פרוטוקול טיפוסי פועל בשני שלבים: ערוץ Probing (אליס ובוב מחליפים את סמלים FSK והערכה הערוץ באמצעות RSSI) ופיוס מפתח (הם מסכימים על קצת נפוץ באמצעות תיקון שגיאות והעלאת הפרטיות) כי FSK שומרת על מעטפה קבועה, מדידות RSSI פחות רגישים לאי-לינאריות במגבר כוח השידור, מה שהופך את הדור המרכזי יותר עקבי.

אינטגרציה הצפנה ב FSK Modulation

במקום להצפין נתונים ברמת החבילה, כמה פרוטוקולים הטבולים ישירות לתוך גל ה-FSK על ידי שינוי מיפוי התדר על פי מפתח סודי.לדוגמה, ה-JFLT:0 ⁇ ספקטרום להפיץ (FHSS) החל מטכניקת תדרים אלחוטיים (FHSS) אך יחד עם רצף פסאודודום הידוע רק לשדר ולמקבל, יוצר ספקטרום מבוסס FSKSS (FSA) אשר כולל חיישנים חשמליים).

המונחים: mechanism

אימות בפרוטוקולים מבוססי FSK לעתים קרובות מסתמכ על פונקציות בלתי ניתנות להגדרה (PUF) ,RIRLT:1 או טביעות אצבע מבוססות ערוצים.A PUF הוא מעגל חומרה שמייצר תגובה ייחודית, ספציפית למכשיר כאשר מוצג עם אתגר מסוים של FSK משדר, ה- PUFulates את הנושא עם תדירות מוגדרת באופן אקראית של קובץ ה-FS.

המונחים

קביעת פרוטוקולים מאובטחים מבוססי FSK ב- WSNs אמיתיים מחייבת איזון זהיר של כוח אבטחה, יעילות אנרגיה ומגבלות חומרה.ההיבטים הבאים הם קריטיים.

אנרגיה נגד כוח אבטחה

כל מנגנון אבטחה צורכת אנרגיה - ישירות באמצעות חישוב או בעקיפין באמצעות זמן שידור מוגבר (מחזורי אופניים) FSK מבוססי רשת פיזית מבוססת FSK יכולים להפחית אנרגיה בהשוואה להצפנה של שכבת 3-3, אך לא תמיד הדור המרכזי באמצעות כבל, למשל, דורש מספר רב של חבילות זמן (A study by Jana et al. 2009) הראה כי על מדבקה של MSP30 מיקרובקר ורדיו 20), על ידי פחות מ"מ"מ"ר אבטחה"מ- 1Jet"ל (ה) יש צורך במהירות של פחות מ-41.

סינכרון ותדירות היפוך

כל פרוטוקולים מאובטחים מבוססי FSK המשתמשים בתדירות ההווג או פרמטרים של זמן מנוחה דורשים סינכרוניזציה מדויקת. ב WSNs, סחף שעון (בדרך כלל 20-100 ppm עבור oscillators גבישי בעלות נמוכה) מצטבר לאורך זמן, מה שגורם למקלט לאבד את ההיערכות עם הרצף ההיגוי.

• (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
• (ב) ,0)103 (מרווחי ההרחבה) - זמן נוסף בין הופות כדי לאפשר ללולאה של התדירות האוטומטית של המקלט (AFC) לנעול.
• (FLT:0Correlation-basedגילויFLT:103) באמצעות בנק של מסננים תואמים, כל אחד מהם מכוון לאחד מתרי הזינוק, ובחירת התפוקה עם שיא הקורלציה הגבוה ביותר.

מגבלות זיכרון משפיעות גם על יישום.שולחן הרצף הצפייה (LUT) עשוי לדרוש כמה קילובייט של פלאש - ניהול מיקרובקרים המודרניים 8 סיביות אבל עדיין שיקול בעיצובים אולטרה-נמוך כוח. a Trade-off קיים בין מספר התדרים (אשר מגביר את האבטחה באמצעות מגוון) ואת גודל LUT / סינכרון על פני מערכות מעשיות רבות לשימוש 16 ערוצים, מתן התנגדות נאותה תוך שמירה על 1B.

יישומים אמיתיים

פרוטוקולים מאובטחים מבוססי FSK נפרסו או הוצעו במספר תחומים שבהם האבטחה של WSN היא רבת ערך, אך המשאבים מוגבלים.

• (FLT:0) Industrial Process ControlFLT:1 - WirelessHART (IEC 62591) משתמש 2.4 GHz FSK עם הצפנה מהירה וקישורים-layer.למרות שהוא משתמש AES בשכבה הרשת, השכבה הפיזית FSK Modulation מספקת התנגדות טבועה להפרעות פס צר, אשר נפוץ בסביבות המפעל.
• (FLT:0Medical Body Area Networks (WBANs)BuildFLT) 1 - תקן IEEE 802.15.6 עבור WBANs כולל שכבה פיזית של פס צר באמצעות DQPSK, אבל הצעות מחקר הראו כי אבטחת שכבתיות פיזית מבוססת FSK יכולה להגן על נתונים רגישים מפני פיגור על פני השטח. A אבטיפוס באמצעות 433Hz FSK השיגה רדיו מפתח של 50 שניות מתחת ל-2% נמוך משיעור נמוך מ-2%.
• (FLT:0Military SurveillanceFLT:1) חיישנים קרקעיים בלתי מושכת (UGS) עבור ניטור היקפי לעתים קרובות להשתמש FSK בשל ההסתברות הנמוכה של יירוט (LPI) בשילוב עם מחזורי חובה נמוכים ותדירות גבוהה הצטברות.תוכנית NetFires של צבא ארה"ב העריך גלנטציה מבוססת FSK אשר מוטבעת הצפנה להורדת מקשים אל תוך התדירות למנוע spoets.
• (FLT:0) חקלאות חכמה (FLT:1) - חיישני לחות וטמפרטורה פרוסים בשדות מרוחקים להשתמש רדיו FSK (למשל, רדיו Semtech SX127x LoRa, אשר מעסיק FSK כאחד משכבותיו הפיזיות) על ידי יישום רצף קל משקל של תדירות נגזר סוד משותף, חיישנים אלה יכולים להתנגד לקידוד והנתונים tam על ידי מל"טים או מפסים לא מורשים.

דוגמאות אלה מראות כי למרות הבשלות של תקני אבטחה גבוהים יותר, גישות שכבתיות פיזיות מבוססות FSK ממשיכות להציע יתרונות מעשיים מבחינת יעילות אנרגיה, פשטות, וחוסן סביבתית.עבור פרטים נוספים על ארכיטקטורת האבטחה של זיגבי, ראה ⁇ :0Zigbee StandardFLT:1.

כיוונים עתידיים למחקר

תחום התקשורת המאובטחת המבוססת על FSK עבור WSNs מתפתח במהירות, מונע על ידי הצורך באבטחת משקל, מדרגית באינטרנט של דברים (IoT) באזורים המקדמת של חקירה כוללים:

• (FLT:0) Modulation ו- KeyingFirLT:1) אלגוריתמי למידת מכונות (למשל, חיזוק למידה) יכולים להתאים באופן דינמי את הסטייה FSK, מספר טונס, ואת דפוס היגוי המבוסס על תנאי הערוץ המדוייקים ורמת האיום.זה מייעל את הסחר בין כוח אבטחה וצריכת אנרגיה בזמן אמת.
• (FLT:0) אינטגרציה עם הפצת מפתח קוונטית (QKDigue) 1 - בעוד QKD נחשב בדרך כלל לרשתות סיבים, עבודה לאחרונה על משתנה דיסקרטי QKD באמצעות הדופקים חלשים על פני שטח חופשי כבר משולב עם FSKD כדי להפיץ מפתחות סימטריים.
• (FLT:0) שיתוף פעולה פיזיקלי שכבת אבטחה (Centve SecurityFLT:1) - הרהינג של מספר צמתים חיישן כמעבירים או דחפורים כדי לשפר את יכולת הסודיות של קישור FSK. לדוגמה, שני צמתים שכנים יכולים להעביר באופן שיתופי רעש מלאכותי על אותם תדרים כמו אות FSK לגיטימי, מבלבל את הסגולות ללא חתמת ה-SNR של המקלט.
• (FLT:0)Standardized פרופילים של אבטחה FSK LT:1 - קבוצת IEEE 802.15.4 עבודה שוקלת תיקון עבור אבטחה מוגברת של שכבת פיזי, כולל FSK מבוסס היפוך ודור מפתח ערוץ-מודע. פרופיל סטנדרטי יזרז אימוץ והתערבות על פני ספקים.
• (FLT:0) עמידות להתקפות מתקדמות, 1 ) - מודלים חדשים של יריבות, כגון דחפורים מבוססי מכונה-למידה אשר לומדים את התבנית המפולגת, דורשים אמצעי נגד. פרוטוקולים FSK עשויים לכלול זמנים מכוונים אקראיים או רצף לבן תדירות כי הם בלתי צפויים לחזות ללא מפתח.

מסקנה

פרוטוקולי תקשורת מאובטחים מבוססי FSK מציעים נתיב משכנע להשגת סודיות, אימות, וחוסן ברשתות חיישן אלחוטי ללא נטל חישובי כבד של שיטות הצפנה קונבנציונליות.על ידי הפעלת השכבה הפיזית, פרוטוקולים אלה מנצלים את התכונות הטבועות של ערוץ אלחוטי - מגוון תדר, סטטיסטיקות מתפתלות ותכונות מיקום - כדי לספק אבטחה בקנה מידה עם מגבלות.