Самовідновлюваний апаратно-програмний комплекс для зашифрованої передачі даних

Анотація

SH2SC-EDT — це відмовостійкий, криптографічно захищений комплекс передачі даних, побудований на двох мікроконтролерах Arduino Nano (ATmega328P). Він реалізує спеціалізований протокол транспортного/сесійного рівня — C2P-ARQ (ChaCha20-Poly1305 Automatic Repeat reQuest) — який забезпечує автентифіковане шифрування (ChaCha20-Poly1305 AEAD), гарантовану доставку пакетів через ARQ «Зупинись і чекай» і повний трифазний цикл сесії (SYN / DAT / FIN).

Визначальна властивість комплексу — самовідновлення: при розриві зв'язку вузол-передавач зберігає свою позицію в потоці даних і автономно відновлює сесію з точної точки збою без втручання оператора і без втрати даних. Вся логіка на обох вузлах реалізована у вигляді неблокуючих кінцевих автоматів, що працюють на 100% у реальному часі в SimulIDE. Динамічне виділення пам'яті архітектурно заборонено; вся прошивка функціонує в межах бюджету 2 КБ SRAM мікроконтролера ATmega328P.

Основні можливості

Автентифіковане шифрування (AEAD): потоковий шифр ChaCha20 зі скороченим 8-байтним MAC Poly1305 на кожний пакет. Жоден пакет не обробляється до успішної MAC-верифікації через memcmp.
Повний цикл сесії: трифазна сесія C2P-ARQ — рукостискання FLAG_SYN (доставка nonce), передача даних FLAG_DAT (ARQ «Зупинись і чекай»), завершення FLAG_FIN (автентифіковане закриття сесії).
Виведення nonce для пакету: унікальний вектор ініціалізації (IV) для кожного пакету визначається локально з сесійного nonce через XOR з 16-бітним порядковим номером по байтах [10..11]. IV ніколи не передається по каналу.
ARQ «Зупинись і чекай»: кожен DataPacket вимагає явного ACK_BYTE (0x06). При NACK_BYTE (0x15) або тайм-ауті передавач повторно надсилає ідентичний шифротекст із тим самим seqNum. Ліміт спроб: MAX_RETRIES = 50, вікно тайм-ауту: ACK_TIMEOUT_MS = 50 мс.
Самовідновлення (Auto-Resume): при вичерпанні спроб suspendSession() стирає сесійний nonce з RAM, зберігає melodyIndex і переходить у TxState::RECONNECTING. Новий HelloPacket транслюється кожні RECONNECT_INTERVAL_MS = 2000 мс до відновлення зв'язку. Передача відновлюється зі збереженого індексу без втрати жодного пакету.
Динамічний розумний сторожовий таймер (RX): тайм-аут сесії приймача адаптується після кожного автентифікованого пакету: current_timeout_limit = durationMs + NETWORK_GRACE_PERIOD_MS (3000 мс). Поглинає найгіршу бурю повторних передач (50 × 50 мс = 2500 мс) без помилкового завершення сесії.
Архітектура «Кінцевий автомат — насамперед»: вся логіка TX та RX керується виключно кінцевими автоматами на основі enum class. Жодних блокуючих викликів delay() у головному циклі. Всі таймери використовують дельти millis().
Апаратний ГПВП: сесійний nonce генерується ГПВП на основі ChaCha20, засіяним 256 бітами апаратної ентропії (кільцевий осцилятор, неініціалізована SRAM, вбудований АЦП, TCNT1, АЦП білого шуму).

Специфікація протоколу: C2P-ARQ

Формат кадру

Перед кожним кадром іде двобайтова преамбула синхронізації (0xAA 0x55). Байт flags використовує бітову маску (&), що забезпечує стійкість до одиничних бітових помилок.

HelloPacket — 15 байт на дроті

Поле	Розмір	Значення	Опис
SYNC1	1 байт	`0xAA`	Байт преамбули 1
SYNC2	1 байт	`0x55`	Байт преамбули 2
`flags`	1 байт	`FLAG_SYN = 0x01`	Ідентифікатор відкриття сесії
`nonce[12]`	12 байт	ГПВП	96-бітний сесійний nonce ChaCha20 IETF

DataPacket (FLAG_DAT / FLAG_FIN) — 17 байт на дроті

Поле	Розмір	Значення	Опис
SYNC1	1 байт	`0xAA`	Байт преамбули 1
SYNC2	1 байт	`0x55`	Байт преамбули 2
`flags`	1 байт	`0x02` / `0x04`	`FLAG_DAT` або `FLAG_FIN` — AAD, не шифрується
`seq_num`	2 байти	`uint16_t` LE	Порядковий номер пакету — AAD, не шифрується
`payload[4]`	4 байти	Шифротекст ChaCha20	Зашифровані `uint16_t note_index` + `uint16_t duration_ms`
`mac[8]`	8 байт	Скорочений Poly1305	Перші 8 байт повного 16-байтного тегу Poly1305

3-байтні AAD (flags + seq_lo + seq_hi) автентифікуються, але не шифруються. Будь-яка зміна цих полів призводить до відмови MAC-верифікації.

Для пакетів FLAG_FIN корисне навантаження — зашифровані нулі. Конвеєр RX зобов'язаний викликати decrypt() у discardBuf перед computeTag() для правильного просування акумулятора Poly1305; пропуск decrypt() дає хибний очікуваний тег і призводить до помилкового NACK.

Параметри ARQ

Константа	Значення	Опис
`ACK_TIMEOUT_MS`	50 мс	Максимальний час очікування ACK до повторної передачі
`MAX_RETRIES`	50	Послідовних повторних передач до `suspendSession()`
`RECONNECT_INTERVAL_MS`	2000 мс	Інтервал трансляції HelloPacket у стані `RECONNECTING`
`NETWORK_GRACE_PERIOD_MS`	3000 мс	Додається до тривалості ноти для тайм-ауту сторожового таймера
`BAUD_RATE`	9600	Швидкість UART (8N1)

Очищення FIFO (запобігання «отруєнню» буфером)

drainRxFifo() викликається на TX перед кожним sendHelloPacket(), sendPacket() та sendFinPacket(). Функція скидає всі байти в 64-байтному апаратному RX FIFO UART, запобігаючи потраплянню застарілих NACK від попереднього пакету до обробника наступного.

На RX функція resetParser() виконує симетричну операцію після кожного MAC-збою або тайм-ауту парсера: скидає FIFO та переводить байтовий кінцевий автомат у стан WAIT_AA.

Модель безпеки

Конвеєр автентифікованого шифрування

Обидва вузли використовують бібліотеку ChaChaPoly (Rhys Weatherley, Arduino Crypto). Конвеєр на TX та RX ідентичний:

flowchart LR A([clear]) --> B([setKey
MASTER_PSK, 32]) B --> C([setIV
packetNonce, 12]) C --> D([addAuthData
aad, 3 bytes]) D --> E([encrypt / decrypt
payload, 4 bytes]) E --> F([computeTag
mac, 16 bytes]) F --> G{"memcmp
mac[0..7]"} G -->|збіг| H([ACK
обробка даних]) G -->|розбіжність| I([NACK
resetParser])

Передаються лише перші 8 байт з 16-байтного тегу Poly1305 (TRUNCATED_MAC_SIZE = 8).

Стійкість до атак повторного відтворення

IV для пакету виводиться без передачі по каналу:

uint8_t packetNonce[12];
memcpy(packetNonce, s_sessionNonce, 12);
packetNonce[10] ^= (uint8_t)((seqNum >> 8u) & 0xFF);
packetNonce[11] ^= (uint8_t)(seqNum         & 0xFF);

Всі 65 536 значень seqNum дають унікальний IV у межах сесії. Новий s_sessionNonce генерується ГПВП при кожному натисканні кнопки або спробі RECONNECTING, що унеможливлює міжсесійні атаки повторного відтворення.

Безпечне знищення ключового матеріалу

MASTER_PSK скомпільовано в обидва вузли і ніколи не передається. s_sessionNonce — єдиний секрет часу виконання — стирається при кожній межі сесії:

memset(s_sessionNonce, 0x00, HELLO_NONCE_SIZE); // HELLO_NONCE_SIZE = 12

HELLO_NONCE_SIZE

const uint8_t HELLO_NONCE_SIZE

ChaCha20 IV length in bytes (IETF 96-bit nonce format).

Definition protocol.h:54

Виклик виконується безумовно у чотирьох місцях:

Місце	Подія-тригер
TX `suspendSession()`	Вичерпано `MAX_RETRIES` у будь-якому стані `WAITING_*`
TX успіх `WAITING_FIN_ACK`	`FLAG_FIN` підтверджено RX
RX `processFinPacket()` MAC OK	Автентифіковане закриття сесії
Тайм-аут сторожового таймера RX	TX зник без надсилання `FLAG_FIN`

Ключовий матеріал ніколи не виводиться до Serial, LCD або будь-якого іншого каналу.

Довідник станів кінцевих автоматів

Передавач — <tt>TxState</tt> (9 станів)

stateDiagram-v2 [*] --> IDLE IDLE --> SENDING_HELLO : натискання кнопки SENDING_HELLO --> WAITING_HELLO_ACK : HelloPacket надіслано WAITING_HELLO_ACK --> SENDING : ACK отримано WAITING_HELLO_ACK --> RECONNECTING : NACK / тайм-аут × MAX_RETRIES\nsuspendSession() SENDING --> WAITING_ACK : DataPacket надіслано WAITING_ACK --> WAIT_BETWEEN_NOTES : ACK отримано WAITING_ACK --> RECONNECTING : NACK / тайм-аут × MAX_RETRIES\nsuspendSession() RECONNECTING --> SENDING_HELLO : ACK на HelloPacket\n(авто-пінг кожні 2 с) WAIT_BETWEEN_NOTES --> SENDING : пауза минула, ноти залишились WAIT_BETWEEN_NOTES --> SENDING_FIN : всі ноти надіслано SENDING_FIN --> WAITING_FIN_ACK : FinPacket надіслано WAITING_FIN_ACK --> IDLE : ACK отримано\nmemset(s_sessionNonce) WAITING_FIN_ACK --> RECONNECTING : NACK / тайм-аут × MAX_RETRIES\nsuspendSession()

Приймач — байтовий <tt>ParseState</tt>

stateDiagram-v2 [*] --> WAIT_AA WAIT_AA --> WAIT_55 : байт == 0xAA WAIT_AA --> WAIT_AA : байт != 0xAA WAIT_55 --> READ_TYPE : байт == 0x55 WAIT_55 --> WAIT_AA : байт != 0x55 READ_TYPE --> READ_PAYLOAD : байт flags\n(FLAG_SYN / FLAG_DAT / FLAG_FIN) READ_TYPE --> WAIT_AA : невалідний байт READ_PAYLOAD --> WAIT_AA : MAC OK → ACK, обробка пакету READ_PAYLOAD --> WAIT_AA : MAC FAIL → resetParser() + NACK\n(очищення UART FIFO)

Відображення/сторожовий таймер приймача — <tt>RxState</tt>

stateDiagram-v2 [*] --> WAITING_SYNC_1 WAITING_SYNC_1 --> WAITING_SYNC_2 : байт = 0xAA WAITING_SYNC_2 --> WAITING_FOR_TYPE : байт = 0x55 WAITING_SYNC_2 --> WAITING_SYNC_1 : байт ≠ 0x55 WAITING_FOR_TYPE --> READING_HELLO : FLAG_SYN (0x01) WAITING_FOR_TYPE --> READING_DATA : FLAG_DAT / FLAG_FIN READING_HELLO --> GOT_HELLO : nonce[12] отримано повністю READING_DATA --> GOT_DATA : payload[4] + mac[8] отримано повністю GOT_HELLO --> WAITING_SYNC_1 : processHelloBody() · ACK · Watchdog = 5 с GOT_DATA --> EXECUTING_ACTION : MAC пройшов GOT_DATA --> WAITING_SYNC_1 : MAC помилка · NACK · resetParser() EXECUTING_ACTION --> WAITING_SYNC_1 : ACK · startNote() · Watchdog = durationMs + 3 с state "Тайм-аут сторожового таймера\nmemset(s_sessionNonce)\ns_sessionActive = false" as WDT WAITING_FOR_TYPE --> WDT READING_DATA --> WDT EXECUTING_ACTION --> WDT WDT --> WAITING_SYNC_1

Апаратне забезпечення та середовище

Цільове обладнання

Компонент	Специфікація
Мікроконтролери	2× Arduino Nano (ATmega328P, 16 МГц, 2 КБ SRAM, 32 КБ Flash)
Дисплеї	2× Aip31068 I2C LCD 16×2, адреса `0x3E`, виводи A4/A5
Зумер	1× П'єзодинамік на ШІМ-виводі 9 (лише вузол B)
Джерело ентропії	Апаратний кільцевий осцилятор на INT0 (вивід 2, обидва вузли)
Генератор шуму	XOR-вентиль + Генератор імпульсів (1 кГц, 15%) + AND + Перемикач
Моніторинг	Багатоканальний осцилограф, Час/Поділ ≈200 мкс

Необхідні бібліотеки

Бібліотека	Призначення	Джерело
`Arduino Cryptography Library` (Crypto)	ChaCha20-Poly1305 AEAD	Rhys Weatherley
`LiquidCrystal_AIP31068`	I2C LCD-драйвер для контролера Aip31068	Andriy Golovnya

Середовище збирання

Arduino IDE 2.x з пакетом підтримки плат AVR.
SimulIDE 1.1.0 (або новіший) для симуляції схем і валідації в реальному часі.
Компілятор: avr-g++ зі стандартом C++11 (-std=gnu++11).

Структура репозиторію

sh2sc-edt/
|
+-- TransmitterNode/
|   +-- TransmitterNode.ino   Точка входу: setup(), loop(), демпфування кнопки
|   +-- transmitter.h         КА TxState, sendHelloPacket(), sendPacket(),
|   |                         sendFinPacket(), suspendSession(), drainRxFifo()
|   +-- protocol.h            Спільні структури (HelloPacket, DataPacket), константи
|   |                         прапорів, MASTER_PSK, часові константи
|   +-- csprng.h              ГПВП на основі ChaCha20, пул апаратної ентропії,
|   |                         кеш потоку ключів 64 байти
|   +-- melody.h              Масиви мелодії PROGMEM (індекси нот, тривалості)
|
+-- ReceiverNode/
|   +-- ReceiverNode.ino      Точка входу: setup(), loop(), таймер ноти, watchdog
|   +-- receiver.h            КА RxState, processReceivedByte(), ParseState,
|   |                         authenticateAndPlay(), processFinPacket(),
|   |                         resetParser(), динамічний сторожовий таймер
|   +-- protocol.h            Спільні структури та константи (ідентичні TX)
|   +-- csprng.h              ГПВП (варіант RX, без джерела ентропії від кнопки)
|
+-- docs/
|   +-- main.qd               Джерело технічної документації Quarkdown
|
+-- shsc-arq.sim1             Файл схеми SimulIDE (основна симуляція)
+-- README.md                 Документація англійською
+-- README_uk.md              Документація українською (цей файл)

Довідник ключових констант

Константа	Значення	Визначено в	Опис
`FLAG_SYN`	`0x01`	`protocol.h`	Прапор кадру відкриття сесії
`FLAG_DAT`	`0x02`	`protocol.h`	Прапор кадру даних
`FLAG_FIN`	`0x04`	`protocol.h`	Прапор кадру закриття сесії
`ACK_BYTE`	`0x06`	`protocol.h`	Позитивне підтвердження
`NACK_BYTE`	`0x15`	`protocol.h`	Негативне підтвердження
`SYNC_BYTE_1`	`0xAA`	`protocol.h`	Байт преамбули 1
`SYNC_BYTE_2`	`0x55`	`protocol.h`	Байт преамбули 2
`HELLO_NONCE_SIZE`	`12`	`protocol.h`	Довжина nonce ChaCha20 IETF (байти)
`TRUNCATED_MAC_SIZE`	`8`	`protocol.h`	Довжина переданого тегу Poly1305
`DATA_PAYLOAD_SIZE`	`4`	`protocol.h`	Довжина зашифрованого корисного навантаження
`REST_INDEX`	`255`	`protocol.h`	Сторожовий індекс для тиші/паузи
`NOTE_DICT_SIZE`	`21`	`receiver.h`	Розмір таблиці частот
`MAX_RETRIES`	`50`	`protocol.h`	Ліміт повторних передач ARQ
`ACK_TIMEOUT_MS`	`50`	`protocol.h`	Вікно очікування ACK (мс)
`RECONNECT_INTERVAL_MS`	`2000`	`transmitter.h`	Інтервал трансляції HelloPacket
`NETWORK_GRACE_PERIOD_MS`	`3000`	`receiver.h`	Додатковий час сторожового таймера

Академічний контекст

Розроблено як проєкт з дисципліни «Архітектура комп'ютерних систем». Система демонструє, що ресурсно-обмежений 8-бітний мікроконтролер AVR здатен реалізувати промислову криптографічну автентифікацію (AEAD), протокол зі збереженням стану сесії та відновлення після збоїв на рівні застосунку в межах бюджету SRAM 2 КБ. Генератор шуму SimulIDE (XOR-вентиль + генератор імпульсів 1 кГц) забезпечує відтворювані пошкодження каналу для валідації всіх п'яти сценаріїв відмовостійкості: одиничне пошкодження пакету, тривале глушіння (доказ самовідновлення), отруєння буфера FIFO, спрацювання динамічного сторожового таймера та пошкодження FLAG_FIN під шумом.