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基于自组网的轻量化IPsec加密设计与实现
网络安全与数据治理
张卫敏1,焦运良1,王硕2,郑和芳2,张攀1
1.中电长城圣非凡信息系统有限公司;2.中国电子信息产业集团有限公司第六研究所
摘要: 针对无线自组网的安全传输需求,提出了一种基于轻量化IPsec加密的软硬件设计方案。该方案以“CPU+算法FPGA+基带波形FPGA”为核心构建基础硬件平台,通过设计轻量化“四次交互”密钥协商协议,精简交互流程次数达33%,有效降低了流量开销;软件方面采用分层架构实现传输业务管理、加解密处理、基带波形处理、无线收发以及应用管理等功能。经测试验证,该设计在提供轻量化IPsec加解密情况下无线通信时延约16.71 ms,TCP无丢包传输速率可达23.28 Mbit/s。
中图分类号:TN918.4; TP309文献标识码:ADOI:10.19358/j.issn.2097-1788.2025.06.002
引用格式:张卫敏,焦运良,王硕,等. 基于自组网的轻量化IPsec加密设计与实现[J].网络安全与数据治理,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

随着无线通信技术的快速发展,无线自组网(Wireless Ad Hoc Networks, WANS)作为一种无需固定基础设施、快速部署的无中心自组织网络形态,在城市复杂建筑、应急救援、临时网络连接等领域得到了广泛的应用[1-3]。由于自组网无线信道的开放性,信息在无线信道中进行传输时面临着窃听、篡改、伪造等多种安全威胁,如何保证无线通信的安全已成为无线自组网的研究重点[4-5]。

IPsec(Internet Protocol Security)协议作为一种端到端的加密和认证机制,通过使用认证头(Authentication Header,AH)、封装安全负载(Encapsulating Security Payload,ESP)、安全联盟(Security Association,SA)以及互联网密钥交换(Internet Key Exchange,IKE)协议为IP层通信提供了数据完整性和机密性保障[6-7],该协议在传统有线网络环境中得到了广泛应用,但在无线自组网环境下由于其网络动态特性以及资源限制,直接部署传统IPsec协议面临着适应性不足和性能下降等挑战。为了解决上述难题,目前主流的解决方案有IPsec协议栈裁剪技术、IKE密钥协商及SA优化技术[8-10],但现有方法仍存在协议动态适应性不足、协商交互流程复杂、流量开销较大以及动态拓扑下通信时延高等问题。本文针对无线自组网的安全传输需求,提出了一种轻量化IPsec加密的无线自组网通信方案,通过设计轻量化密钥协商协议提供IPsec加解密安全保护机制,最小化对无线自组网网络性能的影响。


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作者信息:

张卫敏1,焦运良1,王硕2,郑和芳2,张攀1

(1.中电长城圣非凡信息系统有限公司,北京102209;

2.中国电子信息产业集团有限公司第六研究所,北京100083)


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