基于SP結(jié)構(gòu)的WSN機(jī)密通信

陳帥，束仁義，鄭曉東

（1.淮南師范學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院,安徽 淮南 232038；2.安徽大學(xué) 電氣信息工程學(xué)院，安徽 合肥 230039）

1 引言

無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)率低，監(jiān)測(cè)少量字節(jié)的數(shù)據(jù)，如果采用多字節(jié)分組包加解密，必然會(huì)引入冗余字節(jié)數(shù)據(jù)。為了達(dá)到編碼的最大有效利用率，可以采用單個(gè)字節(jié)的分組數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理，從而可以做到不引入冗余數(shù)據(jù)。用于WSN加密的算法有RC、AES、SKIPJACK 等[1-3]。 DES[4]是在 56bit密鑰控制下對(duì)64bit的數(shù)據(jù)進(jìn)行加解密的分組密碼算法。AES[5]采用了Rijndael算法，具有128比特的分組長(zhǎng)度，三種可選的密鑰長(zhǎng)度：128比特、192比特、256比特。DES算法和AES對(duì)于只需要8bit比特信息的傳輸引起多余冗余字節(jié)。文獻(xiàn)[6-7]對(duì)于WSN的單字節(jié)分組保密通信，提出了Feistel結(jié)構(gòu)的密碼編解碼。

2 SP結(jié)構(gòu)的基本操作

SP 結(jié)構(gòu)是以移位（Shifter）和置換（Permutation）操作進(jìn)行的處理結(jié)構(gòu)。

2.1 移位

移位可以改變數(shù)據(jù)的位置，但數(shù)據(jù)的相鄰關(guān)系不變。為保持移位后數(shù)據(jù)位的不損失，這里的移位操作指循環(huán)移位，包括循環(huán)右移位和循環(huán)左移位。設(shè)：另設(shè)密鑰為K，移位操作為S（K1），移位后為B，則：

其中S(K1)為0-1矩陣,由單位陣E進(jìn)行行向量移位變換得。例如K1=1有：

則循環(huán)左移一位的操作為：

則循環(huán)右移二位：

由于是循環(huán)移位，所以有：

2.2 置換

置換是數(shù)據(jù)的位置和相鄰關(guān)系都要改變。若A、C分別為置換前后的數(shù)據(jù)矩陣，P為置換操作矩陣，K2為密鑰，則置換過(guò)程表示為：

對(duì)P的要求是：

（1）P是由1和0組成的矩陣，是由以下8個(gè)向量a1～a8構(gòu)成的矩陣：

（2）P 的秩為 8，即：

（c）P的n(n為整數(shù))次冪矩陣仍然是由1和0組成的矩陣，且n次冪矩陣的秩也為8:

（d）P的m(n為整數(shù))次冪矩陣可以得到單位矩陣，即：

在上面的例子中m=8。

于是繼續(xù)進(jìn)行類(lèi)似（7）式的變換操作，即：

進(jìn)而可以繼續(xù)操作,即進(jìn)行變換：

這樣，如果將n和P做為密鑰，則得到一種單字節(jié)數(shù)據(jù)的密碼編碼方案。

例如，若 A 為（1）式，P 為：

2.3 異或運(yùn)算

異或操作就是二進(jìn)制位的異或運(yùn)算操作。設(shè)對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制位異或操作為Y,操作前后的向量分別為G和H，則操作表示為：

可以引入一個(gè)密鑰K3，按照下式進(jìn)行異或操作：

異或操作性質(zhì)：

其中E為單位陣。所以有：

3 基于SP運(yùn)算的密碼編碼

3.1 加密編碼

將移位、置換、異或操作合并。設(shè)移位密鑰為K1，置換密鑰為 K2，異或操作 K3，得到：

其中A為明文，X為密文。

3.2 解密編碼

已知道密文 X，密鑰 K1，K2，K3，則解密操作為：

將（21）代入上式，根據(jù)式（19）、（11）和式（6），得到：

從而正確得到明文。

4 結(jié)論

針對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)等的少量數(shù)據(jù)字節(jié)的密碼編碼，提出了一種單字節(jié)密碼編碼SP算法。算法采用單字節(jié)的置換、循環(huán)移位和異或操作，既可以實(shí)現(xiàn)加密，也可以實(shí)現(xiàn)解密。分析結(jié)果表明，編解碼正確。

[1]Naveen Sastry,David Wagner.Security considerations for IEEE 802.15.4 networks[J].Proceedings of the 2004 ACM workshop on Wireless security,October 2004：32-42

[2]Perrig A,Szewczyk R,Wen V,et al.SPINS:security protocols for sensor networks[J].Journal of Wireless Networks,2002,8(5):521-534

[3]Chris Karlof,Naveen Sastry,David Wagner.TinySec:A Link Layer Security Architecture for Wireless SensorNetworks [J].Proceedings ofthe 2nd international conference&Embedded networked sensor systems.Baltimore,MD, USA.Nov,2004：162-175

[4]W.Diffie and M.Hellman.New directions in cryptography[J].IEEE Transactions on Information Theory 22(1976)(6)：644-654

[5]Danmen J，Riijmen V.AES Proposal：rijndael.AES algorithm submission[EB/OL].http：//www.nist.gov/aes，1999-09-03

[6]CHEN Shuai,ZHONG Xian-xin,WU Zheng-zhong.Chaos block cipher for wireless sensor network[J].Science in China Series F:Information Sciences,2008,51(8)：1055-1063

[7]CHEN Shuai,ZHONG Xian-xin.Confidential Communication through Chaos Encryption in Wireless Sensor Network[J].Journal of China University of Mining&Technology,2007,17(2):258-261