ІоТ-мережа із захистом на основі алгоритмів «легкої криптографії»

Abstract

У роботі розглянуто проблему забезпечення конфіденційності та цілісності даних у IoT-мережах для пристроїв з обмеженими ресурсами. Розглянуто сучасні підходи до захисту даних, концепцію «легкої криптографії» та стандартизацію відповідних алгоритмів. Описано архітектуру запропонованої IoT-мережі із застосуванням алгоритму ASCON для автентифікованого шифрування даних, а також представлено рекомендації щодо реалізації шифрування на мікроконтролерах та передачі даних через MQTT/HTTPS. Робота є теоретичною і орієнтована на обґрунтування доцільності використання легких криптографічних алгоритмів у носимих пристроях та вбудованих системах. Метою роботи є захист даних у мережах Інтернету речей шляхом впровадження «легких» криптографічних алгоритмів, що забезпечують баланс між рівнем безпеки, енергоспоживанням та обчислювальними можливостями пристроїв. Практична значимість дослідження полягає у створенні рекомендацій для розробників IoT-пристроїв щодо використання алгоритму ASCON у вбудованих системах і носимій електроніці, що підвищує стійкість до атак та захищає дані користувачів під час обміну інформацією. Результати роботи можуть бути використані під час проєктування безпечних IoT-мереж, систем розумного дому, промислових сенсорних мереж і медичних пристроїв. Запропонований підхід сприяє підвищенню рівня безпеки в екосистемі Інтернету речей без значного збільшення вартості або енергоспоживання пристроїв. Робота включає огляд існуючих алгоритмів легкої криптографії, аналіз стандартів NIST Lightweight Cryptography, дослідження ефективності реалізації ASCON на мікроконтролерах сімейства ARM, а також моделювання передавання зашифрованих даних у тестовій мережі MQTT. Робота складається з ____ сторінок, 9 таблиць, 19 рисунків та 2 додатків. У процесі дослідження використано 20 джерел посилання. This thesis investigates the problem of ensuring data confidentiality and integrity in IoT networks composed of resource-constrained devices. It reviews modern approaches to data protection, the concept of lightweight cryptography, and the standardization of corresponding algorithms. The proposed network architecture employs the ASCON cipher for authenticated data encryption and provides recommendations for implementing cryptographic operations on microcontrollers and securely transmitting information via MQTT and HTTPS protocols. The aim of the work is data protection in IoT networks via lightweight cryptographic algorithms with achieving an optimal balance between security, energy consumption, and device performance. The practical significance of the research lies in offering implementation guidelines for developers of IoT and wearable devices to apply the ASCON algorithm in embedded environments, thereby improving system resilience against attacks and ensuring secure data transmission. The results of the work can be applied in the design of secure IoT networks, smart home systems, industrial sensor networks, and medical devices. The proposed approach enhances IoT ecosystem security without significantly increasing device cost or power consumption. The work includes an overview of existing lightweight cryptographic algorithms, an analysis of the NIST Lightweight Cryptography standards, an evaluation of ASCON performance on ARM-based microcontrollers, and a simulation of encrypted data transfer within an MQTT test environment. The thesis consists of ___ pages, 9 tables, 19 figures, and 2 appendices, and 20 references.