基于混沌加密的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)

摘 要

在當(dāng)今社會(huì)中，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)深入到社會(huì)的各個(gè)方面，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用也越來越加普及，對人們的生活、國家安全以及其他各行各業(yè)都產(chǎn)生了極大影響，確保無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全是十分必要的，本文就針對以混沌加密為基礎(chǔ)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)展開研究。

【關(guān)鍵詞】混沌加密 無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 安全技術(shù)

隨著計(jì)算機(jī)、移動(dòng)智能終端應(yīng)用的普及，人們對網(wǎng)絡(luò)的依賴程度日益加深，隨時(shí)隨地連接網(wǎng)絡(luò)成為人們的生活常態(tài)，在此背景下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)得到迅猛發(fā)展。但是，因?yàn)闊o線傳感器本身存在的各種不足，比如通信距離有限、計(jì)算能力較差等，降低了其應(yīng)用過程中數(shù)據(jù)安全性，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)面臨的一個(gè)重要問題，研究可靠的安全技術(shù)有著重要現(xiàn)實(shí)意義。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的概述

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的中心是數(shù)據(jù)，其目標(biāo)是提高能源應(yīng)用效率，與無線自組網(wǎng)絡(luò)間有著較大差異，其特點(diǎn)如下：一是不存在中心節(jié)點(diǎn)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)各個(gè)節(jié)點(diǎn)在地位上是沒有差別的，構(gòu)成對等性網(wǎng)絡(luò)，不存在控制中心；二是節(jié)點(diǎn)能力較低，各個(gè)節(jié)點(diǎn)使用的無線傳感器本身硬件水平較低，導(dǎo)致其在電池容量、通信和計(jì)算能力等方面受到一定影響，進(jìn)而降低了節(jié)點(diǎn)的能力；三是強(qiáng)動(dòng)態(tài)性，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)分層協(xié)議、拓?fù)淇刂茩C(jī)制，在某個(gè)或某些節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題時(shí)，可以按照要求對剩余節(jié)點(diǎn)進(jìn)行適時(shí)調(diào)整。

2 基于混沌加密無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)分析

2.1 基于混沌S盒的加解密算法

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分組密碼中，S盒是主要非線性部件，與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全有著密切關(guān)系，本文基于混沌理論的Tent帳篷映射、Henon映射，形成基于雙混沌映射的S盒，其加密算法如下：

首先是加密算法基礎(chǔ)的輪密鑰生成算法，根據(jù)混沌映射變換來實(shí)現(xiàn)S盒的非線性變換，可以節(jié)省S盒的存儲(chǔ)空間，其設(shè)計(jì)思路為流密碼，通過循環(huán)位移的方法來減少非線性運(yùn)算量，得到輪密鑰，其具體生成過程為：在寄存器中儲(chǔ)存80長度的主密鑰K（K0，K2……K79），其中j輪子密鑰最多只有32位K，提取完j輪密鑰后，寄存器中K通過左移循環(huán)29位、混沌映射變換最左端8位以及輪計(jì)數(shù)器異或5位主密鑰（K50-K46）過程，更新成下一輪新的密鑰（最左邊32位）。其中，混沌映射實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)為Logistic混沌方程：

，其中，Zk取值范圍是[1，2a-1]，a=2L-1，L取8（計(jì)算機(jī)字長）。

然后是加密算法，在混沌S盒中，采取的是Feistel加密構(gòu)件，最為核心的內(nèi)容是F函數(shù)，對加密效果的良好與否起著決定性作用，F(xiàn)eistel加密構(gòu)件的最佳加密論數(shù)取r=15，實(shí)現(xiàn)較好的加密效率和安全性。整個(gè)加密過程為：輸入16bits信息后，會(huì)平均分成左、右兩部分，左部分進(jìn)行子密鑰異或后，得到信息參與到右部分的模28加法運(yùn)算中，并分別經(jīng)過S盒非線性變換后，分別對其異或、模28加法運(yùn)算，組合處理后信息得到16bits信息，最后通過16bits置換輸出，得到下一輪輸入，提高加密算法整體擴(kuò)散性。在此加密過程中，F(xiàn)函數(shù)采取的是8位運(yùn)算，可以保證理想的運(yùn)算速度，同時(shí)確保足夠混淆特性，解決了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)資源有限問題。

2.2 WSN混沌分組加解密算法

WSN混沌分組的理論基礎(chǔ)是整型化的Cubic混沌映射，其密鑰是以復(fù)合混沌序列而生成的，針對單一整型化Cubic混沌映射混沌序列周期較短的問題，通過結(jié)合整型化Logistic混沌方程的方式，然后進(jìn)行異或操作來延長序列周期，此方法生成的新復(fù)合序列優(yōu)點(diǎn)包括隨機(jī)性強(qiáng)、周期較長、安全性高。

在復(fù)合混沌序列基礎(chǔ)上，密鑰生成的具體算法是選取序列中不重復(fù)的4個(gè)32bits數(shù)組（從低位到高位依次為Z4、Z3、Z2、Z1），輸入128bits主密鑰K，經(jīng)整型化Cubic混沌映射迭代變換、異或、異或后再次混淆整型化Cubic混沌映射、P盒置換變換結(jié)果過程，得到128bits數(shù)組，最后將循環(huán)進(jìn)行5位左移，得到的就是新的128bits主密鑰。

在以Cubic混沌映射為基礎(chǔ)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)加密CWSN中，采取的也是Feistel結(jié)構(gòu)，其與基于混沌S盒加密結(jié)構(gòu)的差異表現(xiàn)在F函數(shù)、加密論數(shù)不同，其中，F(xiàn)函數(shù)設(shè)計(jì)如圖1，最佳加密論數(shù)為r=12。

在CWSN加密算法中，通過Cubic混沌映射來實(shí)現(xiàn)非線性操作，可以減少對傳感器節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)空間的使用，根據(jù)Cubic混沌映射的多輪迭代，能夠提升加密的混淆效果，且迭代次數(shù)與混淆特性間成正比例關(guān)系，但為控制過多迭代輪數(shù)導(dǎo)致的加密速度降低，適宜選取13輪最為最大加密輪數(shù)。

最后，與基于混沌S盒的解密過程相同，CWSN的解密也是通過反向使用加密密鑰來實(shí)現(xiàn)的。

3 結(jié)語

混沌密碼學(xué)作為一種新的加密學(xué)科，在其理論基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)加密算法，可以有效提高無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全性，對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展有著極大幫助。

參考文獻(xiàn)

[1]盧山群.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)分析[J].硅谷，2014（03）：47-48.

[2]何遠(yuǎn)，田四梅.基于混沌S盒的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分組加密算法[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2013（04）：1081-1084.

作者簡介

沈迎春（1980-），男，四川省人。計(jì)算機(jī)通信專業(yè)?，F(xiàn)為安徽澤眾安全科技有限公司中級工程師。

作者單位

安徽澤眾安全科技有限公司 安徽省合肥市 230088