馬少華 張興 韓冬 史偉

摘要：為滿足應(yīng)用于監(jiān)測(cè)大棚種植基本環(huán)境的無線傳感器節(jié)點(diǎn)認(rèn)證的需求，在傳感器IRIS節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)了基于橢圓曲線加密體制的數(shù)字簽名算法（ECDSA），并在ECDSA程序中嵌入7種針對(duì)提高ECDSA性能的優(yōu)化算法，通過開/關(guān)的方式，比較各優(yōu)化算法的空間復(fù)雜度（消耗ROM/RAM空間）和時(shí)間復(fù)雜度（初始化所需時(shí)間、簽名產(chǎn)生所需時(shí)間、認(rèn)證所需時(shí)間）。通過試驗(yàn)測(cè)試和綜合比較分析，提出了適合應(yīng)用于大棚種植監(jiān)測(cè)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)認(rèn)證方案。

關(guān)鍵詞：智能農(nóng)業(yè);無線傳感器節(jié)點(diǎn);網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證;橢圓曲線數(shù)字簽名算法;優(yōu)化

中圖分類號(hào)： S126 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）04-0389-03

收稿日期：2015-01-07

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金（編號(hào)：61272214）;遼寧省博士科研啟動(dòng)基金（編號(hào)：20121045）;遼寧省高等學(xué)校杰出青年學(xué)者成長(zhǎng)計(jì)劃（編號(hào)：LJQ2014066）。

作者簡(jiǎn)介：馬少華（1988—），男，江蘇大豐人，碩士研究生，從事物聯(lián)網(wǎng)信息安全研究。E-mail：756918512@qq.com。

通信作者：張 興，副教授，研究生導(dǎo)師，從事網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)與協(xié)議、信息安全等研究。E-mail：zhang_xing@emails.bjut.edu.cn。

現(xiàn)代設(shè)施農(nóng)業(yè)是適應(yīng)市場(chǎng)化、集約化、國際化大生產(chǎn)的新型現(xiàn)代農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)形態(tài)，是傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)向現(xiàn)代高效農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)變過程的必然選擇，設(shè)施農(nóng)業(yè)發(fā)展?fàn)顩r在一定程度上反映了農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化水平[1-2]。大棚種植是設(shè)施農(nóng)業(yè)中一個(gè)重要組成部分，具有利用適宜作物生長(zhǎng)的環(huán)境溫濕度和光合作用來控制植物生長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。由Eko節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的智能農(nóng)業(yè)傳感網(wǎng)能夠收集對(duì)農(nóng)作物影響非常大的土壤溫濕度、光照等信息，通過無線多跳的ZigBee+4G方式傳送到種植園主的手機(jī)上，方便其了解農(nóng)作物生長(zhǎng)的環(huán)境狀況，以便采取有效措施促進(jìn)生產(chǎn)。 目前，智能農(nóng)業(yè)傳感網(wǎng)已應(yīng)用于國內(nèi)外的種植園和果蔬大棚中，對(duì)農(nóng)作物的生長(zhǎng)管理、產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量提高具有顯著效果，它的精度高、靈活性強(qiáng)、可靠性高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)使其在設(shè)施農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具有非常好的應(yīng)用前景[3]。但是，如果智能農(nóng)業(yè)傳感網(wǎng)發(fā)給種植園主的是虛假信息或是被篡改的不真實(shí)信息，那么智能農(nóng)業(yè)傳感網(wǎng)非但不能對(duì)生產(chǎn)起促進(jìn)作用，反而會(huì)耽誤灌溉、施肥等有效時(shí)機(jī)，或使農(nóng)作物的生長(zhǎng)環(huán)境變得更糟。智能農(nóng)業(yè)傳感網(wǎng)的安全保障就變得至關(guān)重要。 通過分析可知，只要保證農(nóng)業(yè)傳感信息的來源可靠和在傳輸過程中不被篡改就足夠了，而無需對(duì)這些信息進(jìn)行保密。當(dāng)前的問題是對(duì)稱加密算法在信息加密方面非常有效，而在認(rèn)證方面無法保證鄰居之間對(duì)密鑰的安全建立;非對(duì)稱加密算法的開銷非常大，不適合資源非常有限的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。ECC算法的實(shí)施有效解決了這一問題，但尚未見在Eko節(jié)點(diǎn)的IRIS平臺(tái)上實(shí)施[4-5]。

為滿足應(yīng)用于大棚種植的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)認(rèn)證的需求，本研究實(shí)現(xiàn)了在傳感器IRIS平臺(tái)上運(yùn)行基于橢圓曲線加密體制的數(shù)字簽名算法（ECDSA）;并加入7種優(yōu)化算法，通過對(duì)它們測(cè)試、比較和分析，提出了一個(gè)適于大棚種植的節(jié)點(diǎn)認(rèn)證方案，從而使簽名和認(rèn)證時(shí)間大大縮短，并確保該方案適用于資源有限的由Eko節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的智能農(nóng)業(yè)傳感網(wǎng)。

1 軟硬件平臺(tái)

1.1 硬件平臺(tái)

現(xiàn)在得到應(yīng)用的Eko節(jié)點(diǎn)為Crossbow公司產(chǎn)品，目前，該公司的WSN方面的產(chǎn)品已被MEMSIC公司收購。Eko傳感器節(jié)點(diǎn)基于IRIS平臺(tái)，其ROM空間為128 k字節(jié)，RAM空間為8 k字節(jié);通信模塊位于ISM免費(fèi)頻段2.4 GHz，并支持IEEE 802.15.4協(xié)議，數(shù)據(jù)的傳輸率為250 kb/s，最大可視傳輸距離超過了1 000 m（最大可視傳輸距離指無障礙情況下的通信，2008年，在北京北海兩岸布置IRIS節(jié)點(diǎn)測(cè)試得到最大可視距離）;處理器芯片采用是低功耗的ATmega1281，其性能有利于進(jìn)行數(shù)字簽名中的大量復(fù)雜運(yùn)算。

1.2 軟件平臺(tái)

Eko節(jié)點(diǎn)使用的是無線傳感器平臺(tái)所特有的開源操作系統(tǒng)TinyOS，由nesC編程語言編寫。TinyOS是一款基于事件驅(qū)動(dòng)型的操作系統(tǒng)，其特點(diǎn)是能很有效地調(diào)度各種組件，從而高效地完成各項(xiàng)系統(tǒng)功能。

2 ECDSA及其優(yōu)化算法

2.1 ECC簡(jiǎn)介

橢圓加密算法（ECC）的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)是利用橢圓曲線上的有理點(diǎn)構(gòu)成Abel加法群上橢圓離散對(duì)數(shù)的計(jì)算困難性，是目前公鑰加密體制中對(duì)1 bit所提供加密強(qiáng)度最高的加密算法。ECC僅需使用160 bits的密鑰長(zhǎng)度就可獲得等同于RSA加密算法采用密鑰長(zhǎng)度為1 024 bits的安全強(qiáng)度[4-6]。本研究采用160 bit的橢圓加密算法算法。

2.2 數(shù)字簽名原理

所謂數(shù)字簽名，就是只有消息的發(fā)送方才能產(chǎn)生的別人無法偽造的一段數(shù)字串，這段數(shù)字串同時(shí)也是對(duì)信息的發(fā)送方發(fā)送信息真實(shí)性的一個(gè)有效證明。數(shù)字簽名一般通信過程如圖1所示。 （1）節(jié)點(diǎn)A通過自己的私鑰和數(shù)字簽名生成算法對(duì)消息M進(jìn)行簽名，得到簽名S，并附在消息M上。（2）節(jié)點(diǎn)B收到來自節(jié)點(diǎn)A的消息后，通過節(jié)點(diǎn)A的公鑰和數(shù)字簽名認(rèn)證算法對(duì)收到的消息進(jìn)行認(rèn)證，根據(jù)返回的簽名有效值來判斷消息的真?zhèn)巍?/p>

2.3 ECDSA數(shù)字簽名方案

ECDSA數(shù)字簽名方案是ECC和DSA的結(jié)合。整個(gè)簽名過程與DSA類似，所不同的是簽名、認(rèn)證中采用的算法是ECC，最后的簽名S為（r，s）（圖1）。ECDSA數(shù)字簽名生成算法和簽名認(rèn)證算法如下。（1）數(shù)字簽名生成算法：記P=（x，y）。節(jié)點(diǎn)A選取一隨機(jī)整數(shù)k滿足1≤k

2.4 ECDSA的7種優(yōu)化算法

ECDSA可劃分為ECC算法模塊和數(shù)字簽名模塊。其中ECC模塊由大整數(shù)運(yùn)算和橢圓曲線類組成，數(shù)字簽名模塊由數(shù)字簽名的產(chǎn)生和認(rèn)證組成。本研究選取4種優(yōu)化大整數(shù)運(yùn)算的算法（巴雷特減法算法[7]、混合乘法算法[8]、混合平方算法[9]、曲線優(yōu)化算法[8]）、2種優(yōu)化橢圓曲線的算法（射影平面坐標(biāo)系[8]、滑動(dòng)窗口[8]）和1種優(yōu)化簽名認(rèn)證的算法（夏米爾技巧優(yōu)化算法[9]）。由于本研究側(cè)重于對(duì)各優(yōu)化算法在 IRIS 節(jié)點(diǎn)上的性能分析，各優(yōu)化算法具體知識(shí)可詳見參考文獻(xiàn)[8-9]。

3 ECDSA及7種優(yōu)化算法的實(shí)現(xiàn)

3.1 ECDSA的實(shí)現(xiàn)

本研究設(shè)定消息長(zhǎng)度為52 b，為提高測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，每個(gè)程序測(cè)試10次，試驗(yàn)結(jié)果取10次測(cè)試結(jié)果的算術(shù)平均值。測(cè)試結(jié)果見表1，ECDSA所占用的ROM和RAM在IRIS節(jié)點(diǎn)的承受范圍之內(nèi)，初始化所需的時(shí)間也較短，但簽名生成所需時(shí)間和簽名認(rèn)證所需時(shí)間較長(zhǎng)，特別是簽名認(rèn)證所需時(shí)間超過了1 min。

表1 ECDSA在IRIS節(jié)點(diǎn)上的測(cè)試結(jié)果

節(jié)點(diǎn)類型

所需空間（byte） 所需時(shí)間（s）

ROM RAM 初始化 簽名生成 簽名認(rèn)證

IRIS 16 860 817 0.000 1 31.954 4 64.225 5

3.2 優(yōu)化算法的測(cè)試

本研究對(duì)上述7種優(yōu)化算法通過開關(guān)的方式來測(cè)試其在IRIS節(jié)點(diǎn)上所耗的ROM/RAM空間、初始化所需時(shí)間、簽名產(chǎn)生時(shí)間和認(rèn)證所需時(shí)間。

3.2.1 主要程序代碼

##NN

CFLAGS+=-DBARRETT_REDUCTION #巴雷特減法

CFLAGS+=-DHYBRID_MULT #混合乘法

CFLAGS+=-DHYBRID_SQR #混合平方法

CFLAGS+=-DCURVE_OPT #曲線優(yōu)化算法

##ECC

CFLAGS+=-DPROJECTIVE #射影平面坐標(biāo)系

CFLAGS+=-DSLIDING_WIN #滑動(dòng)窗口優(yōu)化算法

##ECDSA

CFLAGS+=-DSHAMIR_TRICK #夏米爾技巧

3.2.2 7種優(yōu)化算法的測(cè)試結(jié)果分析 由圖2-a中虛線可知，初始化時(shí)間值較大的有巴雷特減法算法、滑動(dòng)窗口算法、夏米爾技巧優(yōu)化算法，其他算法初始化時(shí)間幾乎為零。這是因?yàn)榘屠滋販p法算法、滑動(dòng)窗口算法、夏米爾技巧優(yōu)化算法需要進(jìn)行預(yù)運(yùn)算。而由實(shí)線發(fā)現(xiàn)，滑動(dòng)窗口算法對(duì)初始化時(shí)間影響最大，幾乎降低了50%的時(shí)間。因此，滑動(dòng)窗口算法對(duì)初始化時(shí)間影響最大。

由圖2-b、圖2-c可知，射影平面坐標(biāo)系優(yōu)化算法對(duì)減少簽名的產(chǎn)生和認(rèn)證所需時(shí)間影響最大。由圖2-b、圖2-c中虛線可知，射影平面坐標(biāo)系優(yōu)化算法對(duì)產(chǎn)生簽名和簽名認(rèn)證的效率提高3倍以上;結(jié)果表明，關(guān)閉射影平面坐標(biāo)系優(yōu)化算法會(huì)降低產(chǎn)生簽名和簽名認(rèn)證的效率8倍以上。雖然射影平面坐標(biāo)系優(yōu)化算法很有效，但也是消耗ROM空間最多的算法。

夏米爾技巧優(yōu)化算法也是提高簽名認(rèn)證效率較好的算法。由圖2-c中虛線可知，夏米爾技巧優(yōu)化算法對(duì)簽名認(rèn)證效率提高了2倍，但所需的ROM、RAM空間分別增加了548、634 b;而實(shí)線可知，關(guān)閉夏米爾技巧優(yōu)化算法后，簽名認(rèn)證效率降低160%，但減少了2 204 b的ROM空間，而RAM值幾乎沒有減少，是因?yàn)楫?dāng)關(guān)閉夏米爾技巧優(yōu)化時(shí)，滑動(dòng)窗口算法被用于簽名認(rèn)證。

由圖2-b、圖2-c和圖3中虛線可知，滑動(dòng)窗口算法對(duì)產(chǎn)生簽名的效率和簽名認(rèn)證的效率提高了1.2倍，但RAM值劇增了2.5倍;由圖2-b、圖2-c和圖3中實(shí)線可知，關(guān)閉滑動(dòng)窗口算法對(duì)產(chǎn)生簽名的效率和簽名認(rèn)證的效率降低了130%，但節(jié)省了632b的RAM空間。

由圖2-b、圖2-c虛線可知，混合乘法、混合平方法和曲線優(yōu)化算法對(duì)提高產(chǎn)生簽名和簽名認(rèn)證的效率不大。而從圖2-b、圖2-c實(shí)線發(fā)現(xiàn)，以上3種優(yōu)化算法分別對(duì)產(chǎn)生簽名的效率提高了1. 8、1.6、2.1倍;對(duì)簽名認(rèn)證的效率分別提高了1.8、1.5、2.0倍。這是因?yàn)樵诋a(chǎn)生簽名和簽名認(rèn)證的運(yùn)算中最耗時(shí)的運(yùn)算為求逆運(yùn)算，只有在開啟射影平面坐標(biāo)優(yōu)化算法取締求逆運(yùn)算的情況下，才會(huì)使產(chǎn)生簽名和簽名認(rèn)證運(yùn)算中最耗時(shí)的運(yùn)算變?yōu)槟３诉\(yùn)算，這樣才會(huì)使以上3種優(yōu)化算法的優(yōu)化效果明顯。

由上述分析可知， 從消耗RAM空間的角度看，滑動(dòng)窗口算法>夏米爾技巧算法>巴雷特減法>混合乘法=混合平

方法=曲線優(yōu)化算法=射影平面坐標(biāo)法;從消耗ROM空間的角度看，射影平面坐標(biāo)法>巴雷特減法≈ 混合平方法>混合乘法>曲線優(yōu)化算法≈夏米爾技巧算法>滑動(dòng)窗口算法;從簽名效率角度看，射影平面坐標(biāo)法>曲線優(yōu)化算法>混合乘法>混合平方法>滑動(dòng)窗口算法>夏米爾技巧算法>巴雷特減法（圖3）。

4 適合大棚種植的ECDSA方案

由于IRIS節(jié)點(diǎn)中RAM資源稀少，根據(jù)上述分析，切實(shí)可行方案有如下2種：方案一為選用混合平方法、混合乘法、曲線優(yōu)化算法和射影平面坐標(biāo)法;方案二為選用混合平方法、混合乘法、曲線優(yōu)化算法、射影平面坐標(biāo)法和巴雷特減法。2個(gè)方案的測(cè)試結(jié)果見表2。其中，方案一中RAM值為817 b，時(shí)間復(fù)雜度為7.286 8 s;方案二RAM值為909 b，時(shí)間復(fù)雜度為7.2818 s。比較結(jié)果顯示，方案一較方案二RAM值小 92 b，而時(shí)間復(fù)雜度大0.005 s。綜合大棚種植的特點(diǎn)， 方案一

表2 各方案在IRIS節(jié)點(diǎn)上測(cè)試結(jié)果

類別

空間復(fù)雜度（byte） 時(shí)間復(fù)雜度（s）

ROM RAM 初始化時(shí)間 簽名時(shí)間 認(rèn)證時(shí)間

方案1 21 594 817 0 2.424 9 4.861 9

方案2 23 022 909 0.006 5 2.418 4 4.856 9

是更為可取的方案選項(xiàng)。因此，適合大棚種植的ECDSA方案為混合平方法+混合乘法+曲線優(yōu)化算法+射影平面坐標(biāo)法。

5 結(jié)論

本研究主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)有2個(gè)方面：（1）將基于ECC加密算法的數(shù)字簽名算法（ECDSA）在IRIS節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)，并測(cè)試ECDSA消耗的ROM/RAM空間、初始化時(shí)間、產(chǎn)生簽名時(shí)間和簽名認(rèn)證時(shí)間;（2）通過開/關(guān)的方式，測(cè)試7種ECDSA的優(yōu)化算法的ROM/RAM空間、初始化時(shí)間、產(chǎn)生簽名時(shí)間和簽名認(rèn)證時(shí)間，并從空間復(fù)雜度（ROM/RAM空間）和時(shí)間復(fù)雜度（初始化所耗時(shí)間、產(chǎn)生簽名所耗時(shí)間、簽名認(rèn)證所耗時(shí)間）比較各優(yōu)化算法。通過測(cè)試與比較分析，提出了適合應(yīng)用于大棚種植監(jiān)測(cè)的無線傳感器節(jié)點(diǎn)認(rèn)證方案。

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