ЕНЕРГОЕФЕКТИВНІСТЬ ЛЕГКОВАГОВОГО КРИПТОГРАФІЧНОГО СТЕКУ ДЛЯ LPWAN ПРИСТРОЇВ: ПОРІВНЯЛЬНИЙ АНАЛІЗ НА 32-РОЗРЯДНИХ ТА ARM64 ПЛАТФОРМАХ

Анотація

У статті представлено результати порівняльного аналізу енергоефективності та обчислювальної продуктивності легковагового криптографічного стеку, що об'єднує примітиви X25519, HKDF, Ascon-128a та TESLA, на двох класах апаратних платформ: 32-розрядних мікроконтролерах ARM Cortex-M4 та 64-розрядній платформі ARM Cortex-A53 (ARM64). Дослідження спирається на раніше розроблену міжрівневу архітектуру безпеки для IoT пристроїв у LPWAN середовищі [1] та розширює її кількісною оцінкою ресурсних витрат на кожному рівні. Експериментальні вимірювання виконано на апаратно-програмному стенді з Arduino Uno R4 WiFi (Renesas RA4M1, Cortex-M4) та Raspberry Pi 3 Model B+ (ARM Cortex-A53), що одночасно виконує роль радіоприймача, edge-сервера мовою Go та платформи для криптографічних мікробенчмарків. Вимірювання енергоспоживання проведено за допомогою USB аналізатора потужності з фіксацією струму, напруги та потужності в реальному часі. Результати підтверджують, що легковагові криптографічні примітиви забезпечують на два–чотири порядки меншу латентність порівняно з традиційними протоколами DTLS на ресурсно обмежених платформах, при цьому споживана потужність під час передачі радіопакета зростає на 78 % від базового рівня, а електричний duty cycle шлюзу (54,9 %) істотно перевищує duty cycle клієнта (12,7 %) через фонове навантаження. Запропонований стек займає 48 КБ Flash та 6 КБ SRAM, що залишає достатньо ресурсів для прикладної логіки IoT вузла. Вперше отримано точні значення латентності криптографічних операцій безпосередньо на мікроконтролері Cortex-M4: Ascon-128a виконується за 337 мкс (n=1104, агреговано за трьома незалежними польовими прогонами), TESLA MAC – за 1,464 мс, а операції X25519 потребують 93–95 мс. Енергетична вартість симетричних криптографічних операцій (Ascon, TESLA) на Raspberry Pi 3 становить 4,95–26,9 мкДж на операцію за середньої споживаної потужності 1,93 Вт. Розширений аналіз надійності на чотирьох незалежних прогонах (сумарно 1104 передані пакети) та додатковому прогоні з підвищеним рівнем перепідключень (PDR 99,3 %) підтвердив коректну деградацію та відновлення протоколу за реалістичних умов зв'язку без жодного пропуску атаки. 

Ключові слова: легковагова криптографія, енергоефективність, LPWAN, IoT, Ascon, X25519, TESLA, мікроконтролер, ARM Cortex-M4, ARM64.