《電子技術應用》
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基于自組網的輕量化IPsec加密設計與實現
網絡安全與數據治理
張衛敏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有限公司;2.中國電子信息產業集團有限公司第六研究所
摘要: 針對無線自組網的安全傳輸需求,提出了一種基于輕量化IPsec加密的軟硬件設計方案。該方案以“CPU+算法FPGA+基帶波形FPGA”為核心構建基礎硬件平臺,通過設計輕量化“四次交互”密鑰協商協議,精簡交互流程次數達33%,有效降低了流量開銷;軟件方面采用分層架構實現傳輸業務管理、加解密處理、基帶波形處理、無線收發以及應用管理等功能。經測試驗證,該設計在提供輕量化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。
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:張衛敏,焦運良,王碩,等. 基于自組網的輕量化IPsec加密設計與實現[J].網絡安全與數據治理,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

隨著無線通信技術的快速發展,無線自組網(Wireless Ad Hoc Networks, WANS)作為一種無需固定基礎設施、快速部署的無中心自組織網絡形態,在城市復雜建筑、應急救援、臨時網絡連接等領域得到了廣泛的應用[1-3]。由于自組網無線信道的開放性,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的研究重點[4-5]。

IPsec(Internet Protocol Security)協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)、安全聯盟(Security Association,SA)以及互聯網密鑰交換(Internet Key Exchange,IKE)協議為IP層通信提供了數據完整性和機密性保障[6-7],該協議在傳統有線網絡環境中得到了廣泛應用,但在無線自組網環境下由于其網絡動態特性以及資源限制,直接部署傳統IPsec協議面臨著適應性不足和性能下降等挑戰。為了解決上述難題,目前主流的解決方案有IPsec協議棧裁剪技術、IKE密鑰協商及SA優化技術[8-10],但現有方法仍存在協議動態適應性不足、協商交互流程復雜、流量開銷較大以及動態拓撲下通信時延高等問題。本文針對無線自組網的安全傳輸需求,提出了一種輕量化IPsec加密的無線自組網通信方案,通過設計輕量化密鑰協商協議提供IPsec加解密安全保護機制,最小化對無線自組網網絡性能的影響。


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作者信息:

張衛敏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有限公司,北京102209;

2.中國電子信息產業集團有限公司第六研究所,北京100083)


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