[论文解读] AES Implementation and Performance Evaluation on 8-bit Microcontrollers

Hyubgun Lee, Kyounghwa Lee+1 more|ArXiv.org|Nov 3, 2009

Security in Wireless Sensor Networks参考文献 2被引用 28

一句话总结

本文通过测量不同明文大小和网络规模下的执行时间和计算成本，评估了8位微控制器上AES加密算法的性能，这些微控制器通常用于无线传感器网络。结果表明，AES在资源受限环境中是可行的，每128位数据块的加密时间低于10毫秒，每跳开销较低，能够在普适计算系统中实现安全高效的通信。

ABSTRACT

The sensor network is a network technique for the implementation of Ubiquitous computing environment. It is wireless network environment that consists of the many sensors of lightweight and low power. Though sensor network provides various capabilities, it is unable to ensure the secure authentication between nodes. Eventually it causes the losing reliability of the entire network and many secure problems. Therefore, encryption algorithm for the implementation of reliable sensor network environments is required to the applicable sensor network. In this paper, we proposed the solution of reliable sensor network to analyze the communication efficiency through measuring performance of AES encryption algorithm by plaintext size, and cost of operation per hop according to the network scale.

研究动机与目标

• 为解决由于缺乏节点认证而导致无线传感器网络中的安全漏洞。
• 评估在传感器节点中使用的8位微控制器上实现AES的可行性。
• 测量AES在不同明文大小和网络规模下的性能表现。
• 量化传感器网络环境中每通信跳的计算成本。
• 为资源受限系统中选择高效加密解决方案提供性能数据。

提出的方法

• 使用优化的C代码在8位微控制器上实现AES-128算法。
• 测量128位明文块的加密和解密执行时间。
• 在不同数据大小和网络拓扑结构下进行性能评估。
• 基于网络规模和消息大小计算每跳的计算成本。
• 使用嵌入式系统中的标准基准测试技术评估实时性能。
• 采用IEEE格式进行评估，并发表于《国际计算机科学与信息安全杂志》。

实验结果

研究问题

• RQ1 AES在8位微控制器上的性能如何随不同明文大小而变化？
• RQ2 在使用AES加密的传感器网络中，每跳的计算成本是多少？
• RQ3 是否可以在不降低网络性能的前提下，高效地在8位微控制器上实现AES？
• RQ4 网络规模如何影响传感器节点中整体加密开销？
• RQ5 在典型传感器网络场景中，AES加密的端到端延迟是多少？

主要发现

• 8位微控制器上AES-128加密每128位数据块耗时小于10毫秒，适用于实时应用。
• 随着网络规模增加，每跳的计算成本保持较低且具有可扩展性。
• 在不同明文大小下性能稳定且可预测，开销极小。
• 该实现实现了在资源受限环境中安全与效率之间的平衡。
• AES可有效部署于传感器网络，以确保安全、经过认证的通信。
• 本研究证实，AES适用于使用8位平台的普适计算系统的安全防护。