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基于自組網(wǎng)的輕量化IPsec加密設(shè)計與實現(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)安全與數(shù)據(jù)治理

張衛(wèi)敏1，焦運良1，王碩2，鄭和芳2，張攀1

1.中電長城圣非凡信息系統(tǒng)有限公司；2.中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司第六研究所

摘要： 針對無線自組網(wǎng)的安全傳輸需求，提出了一種基于輕量化IPsec加密的軟硬件設(shè)計方案。該方案以“CPU+算法FPGA+基帶波形FPGA”為核心構(gòu)建基礎(chǔ)硬件平臺，通過設(shè)計輕量化“四次交互”密鑰協(xié)商協(xié)議，精簡交互流程次數(shù)達33%，有效降低了流量開銷；軟件方面采用分層架構(gòu)實現(xiàn)傳輸業(yè)務(wù)管理、加解密處理、基帶波形處理、無線收發(fā)以及應(yīng)用管理等功能。經(jīng)測試驗證，該設(shè)計在提供輕量化IPsec加解密情況下無線通信時延約16.71 ms，TCP無丟包傳輸速率可達2328 Mbit/s。

關(guān)鍵詞： 無線自組網(wǎng) IPSec 輕量化密鑰協(xié)商安全加密

中圖分類號：TN918.4; TP309文獻標識碼：ADOI:10.19358/j.issn.2097-1788.2025.06.002
引用格式：張衛(wèi)敏，焦運良，王碩，等. 基于自組網(wǎng)的輕量化IPsec加密設(shè)計與實現(xiàn)［J］.網(wǎng)絡(luò)安全與數(shù)據(jù)治理，2025，44（6）：11-19.

Design and implementation of lightweight IPsec encryption based on wireless Ad hoc network

Zhang Weimin1，Jiao Yunliang1，Wang Shuo2，Zheng Hefang2，Zhang Pan1

1.CEC Great Wall Shengfeifan Information System Co.,Ltd.; 2.The 6th Research Institute of China Electronics Corporation

Abstract： n response to the security requirements of wireless Ad hoc networks, this paper proposes a software and hardware co-design scheme based on lightweight IPsec encryption. The scheme constructs a core hardware platform centered on a "CPU+Algorithm FPGA+Baseband Waveform FPGA" architecture. By designing a lightweight "four-round interaction" key negotiation protocol, the interaction process is streamlined by 33%, effectively reducing traffic overhead. On the software side, a layered architecture is adopted to implement functions such as transmission service management, encryption/decryption processing, baseband waveform processing, wireless transceiver operations, and application management. Test results verify that the design achieves a wireless communication latency of approximately 16.71 ms while providing lightweight IPsec encryption/decryption, with a TCP lossless transmission rate of up to 23.28 Mbit/s.

Key words : wireless Ad hoc network; IPsec; lightweight; key negotiation; secure encryption

引言

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展，無線自組網(wǎng)（Wireless Ad Hoc Networks, WANS）作為一種無需固定基礎(chǔ)設(shè)施、快速部署的無中心自組織網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，在城市復雜建筑、應(yīng)急救援、臨時網(wǎng)絡(luò)連接等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用［1-3］。由于自組網(wǎng)無線信道的開放性，信息在無線信道中進行傳輸時面臨著竊聽、篡改、偽造等多種安全威脅，如何保證無線通信的安全已成為無線自組網(wǎng)的研究重點［4-5］。

IPsec（Internet Protocol Security）協(xié)議作為一種端到端的加密和認證機制，通過使用認證頭（Authentication Header，AH）、封裝安全負載（Encapsulating Security Payload，ESP）、安全聯(lián)盟（Security Association，SA）以及互聯(lián)網(wǎng)密鑰交換（Internet Key Exchange，IKE）協(xié)議為IP層通信提供了數(shù)據(jù)完整性和機密性保障［6-7］，該協(xié)議在傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中得到了廣泛應(yīng)用，但在無線自組網(wǎng)環(huán)境下由于其網(wǎng)絡(luò)動態(tài)特性以及資源限制，直接部署傳統(tǒng)IPsec協(xié)議面臨著適應(yīng)性不足和性能下降等挑戰(zhàn)。為了解決上述難題，目前主流的解決方案有IPsec協(xié)議棧裁剪技術(shù)、IKE密鑰協(xié)商及SA優(yōu)化技術(shù)［8-10］，但現(xiàn)有方法仍存在協(xié)議動態(tài)適應(yīng)性不足、協(xié)商交互流程復雜、流量開銷較大以及動態(tài)拓撲下通信時延高等問題。本文針對無線自組網(wǎng)的安全傳輸需求，提出了一種輕量化IPsec加密的無線自組網(wǎng)通信方案，通過設(shè)計輕量化密鑰協(xié)商協(xié)議提供IPsec加解密安全保護機制，最小化對無線自組網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)性能的影響。

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作者信息：

張衛(wèi)敏1，焦運良1，王碩2，鄭和芳2，張攀1

（1.中電長城圣非凡信息系統(tǒng)有限公司，北京102209；

2.中國電子信息產(chǎn)業(yè)集團有限公司第六研究所，北京100083）

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