用于无线传感器网络的AES协处理器设计

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1、摘要无线传感器网络（WirelessSensorNetwork，WSN）能够广泛应用于军事、环境监测和预报、智能家居、安全监测等领域。高级加密标准AES（AdvancedEncryptionStandard）作为认证和加密的算法在无线传感器网络中被广泛采用，而AES协处理器作为传感器系统的一部分，对芯片的面积、功耗等方面有较高的要求；另一方面，传感器节点的开放性和无人值守的特性使其容易受到各种物理攻击。因此，应用于无线传感器网络的AES协处理器要求低代价的电路结构，并具备良好的抗物理攻击特性。本

2、文在分析了无线传感器网络的安全机制的前提下，进行了AES协处理器电路的小面积、高安全性设计。文中详细讨论了AES中不同S盒的硬件实现方法，采用了4个S盒的精简结构代替了传统的20个S盒，大大减小了芯片面积；并在此基础上，提出了一种新的抗功耗分析的AES硬件电路。这种电路结构在AES的字节置换单元采用异构的S盒代替传统的同构S盒，并用输入的明文编码进行随机选择。此方法可以有效的消除字节置换单元功耗和输入信号之间的相关性，从而提高了攻击的壁垒，有效增加AES协处理器的安全性。本文采用自顶向下（TOP

3、-DOWN）的设计方法，用VerilogHDL实现了AES协处理器的前端设计流程，使用EDA工具进行了逻辑仿真和综合，并进行了CPA攻击实验。仿真和实验结果表明，该AES协处理器的设计满足小面积、高安全性的要求。关键词：无线传感器网络高级加密标准S盒功耗攻击功耗分析IAbstractWirelessSensorNetwork（WSN）haswideapplicationinmilitaryaffairs,environmentalmonitoringandforecast,securitydet

4、ectingandsoon.TheAdvancedEncryptionStandard(AES)isusedasanauthenticationandcryptographicalgorithmsforWSN.Howtodesignalow-costhigh-securityAEScoprocessorisoneofthekeyissuesofWSN.BasedontheresearchandanalysisofthesecuritysystemofWSN,wepresentalow-costh

5、igh-securitydesignofAEScoprocessor.Indetail,differentstandard-cellimplementationsofthesubstitutionbox(S-box)andacompactarchitecturewithfourS-boxesarepresented,andinhomogeneousS-boxesinsteadoffixedS-boxesarerandomlyselectedtorandomizepowerconsumption,

6、basedonthediscussionofAEShardwareimplementationandpoweranalysistheory.Inthisdissertation,theAEScoprocessorcircuitisdescribedwithVerilogHDL.ThefunctionsimulationandsynthesisareperformedbyusingEDAtools.Furthermore,attacksimulationsareillustratedbyCorre

7、lationPowerAnalysis(CPA).Theresultdemonstratesthatthisschemehasverylowhardwarecost,moreover,itenhancetheAESsecurecharacteristicsagainstpoweranalysiseffectually.Keywords:WSNAESS-boxPowerAttackPowerAnalysisII独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽

8、我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段