無線微傳感器網(wǎng)絡混沌加密理論及其關鍵技術研究.pdf

1、隨著無線通信和微電子機械系統(tǒng)(Micro- Electro-Mechanical System, MEMS)的迅猛發(fā)展，無線微傳感器網(wǎng)絡（Wireless micro Sensor Network,WMSN or WSN）已成為當今世界研究的熱點之一。無線微傳感器網(wǎng)絡是無線通信、微傳感器、微處理器、分布式處理等的綜合新技術，具有廣闊的應用前景。由于無線微傳感器網(wǎng)絡采用無線介質(zhì)通信，節(jié)點大多數(shù)工作在無人或惡劣環(huán)境，傳輸信息更容易被暴露；無

2、線傳感器網(wǎng)絡與人們的生活緊密結合，隱形的微型節(jié)點使得人們的隱私難以保密，因而信息安全是無線微傳感器網(wǎng)絡應用必須考慮的關鍵技術之一。由于成本的緣故，無線微傳感器網(wǎng)絡節(jié)點通常配備運算能力低的微處理器，具有有限的存儲單元和有限的能源，使得無線微傳感器節(jié)點不能運行復雜的加密算法，不能存儲和傳輸大容量的數(shù)據(jù)，從而用于傳統(tǒng)網(wǎng)絡的安全技術不能用于無線微傳感器網(wǎng)絡的安全，必須研究用于無線微傳感器網(wǎng)絡的新型信息安全措施。加密技術是信息安全的核心技術。本論

3、文在國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃項目（No.G1999033105）和重慶市自然科學基金（No.2005BB2198）的資助下，深入研究了用于無線微傳感器網(wǎng)絡加密的混沌加密理論與混沌加密關鍵技術。本論文的創(chuàng)新性在于提出了適合無線微傳感器網(wǎng)絡節(jié)點處理的時域和幅度都離散化的混沌計算理論；采用根據(jù)周期將初始值分組的混沌序列復合方法及線性同余序列加擾方法延長序列周期，提出了一類線性同余序列的一個快速算法，建立了混沌序列發(fā)生器的數(shù)字芯片核；構造了具有

4、多種加密算法優(yōu)點基于整數(shù)混沌的單字節(jié)Feistel結構分組加密算法。 混沌序列特性類似于偽隨機序列，傳輸混沌序列只需要傳遞少數(shù)參數(shù)，因而很適合保密通信。產(chǎn)生長周期的混沌序列需要高精度的計算。無線微傳感器網(wǎng)絡節(jié)點采用嵌入式系統(tǒng)，具有有限的運算能力和有限計算精度，存儲資源少，配備能源少，難以直接處理浮點和除法等運算，從而在無線微傳感器網(wǎng)絡節(jié)點上實現(xiàn)混沌將面臨更多的困難。為適應無線微傳感器節(jié)點的運算能力，論文將時間離散、幅度連續(xù)的基于

5、Logistic映射的混沌理論創(chuàng)造性地改進為時間域和幅度都離散的整數(shù)混沌理論，通過取混沌參數(shù)為2的冪的整數(shù)，可以通過移位、加法、取反等簡單運算方法實現(xiàn)整數(shù)混沌。為克服有限精度下的整數(shù)混沌序列的短周期，獲得長周期的整數(shù)序列，采用了不同周期的多混沌序列復合方法，根據(jù)周期將初始值分組產(chǎn)生的整數(shù)混沌序列進行復合運算，并采用線性同余序列加擾延長序列的最小周期，獲得了隨機性優(yōu)良的32bit整數(shù)混沌序列，最小周期達289數(shù)量級。 吸收多種加密

6、算法的優(yōu)點構造了基于整數(shù)混沌的單字節(jié)Feistel結構分組加密算法。明文和密文都為單字節(jié)，密鑰可變，通過位擴散和多輪Feistel結構的非線性混沌完成加密運算。構造了單字節(jié)的基于混沌運算的Feistel非線性加密函數(shù)。構造了基于計數(shù)器模式的混沌加密算法，計數(shù)器加密算法采用了該單字節(jié)Feistel分組加密算法。對一類廣泛應用的線性同余序列計算方法，提出了將算法轉(zhuǎn)換為一次乘法、二次加法、一次移位運算的一種快速算法，運算速度提高達40％。分析

7、了基于TinyOS編譯器實現(xiàn)研究的加密算法需要的存儲資源，增加加密的代碼最多需要的額外ROM為4624字節(jié)、需要額外的RAM為73字節(jié)。 為加強密鑰安全性，快速完成混沌密鑰的計算和方便密鑰產(chǎn)生的硬件化實現(xiàn)，采用數(shù)字化建模思想對上述混沌密鑰算法進行了芯片核技術研究。研究了整數(shù)混沌計算的芯片核、計數(shù)器控制的混沌序列發(fā)生器數(shù)字芯片核、線性同余計算的數(shù)字芯片核、計數(shù)器控制的線性同余序列發(fā)生器的數(shù)字芯片核技術。利用電子設計自動化工具仿真驗

8、證了數(shù)字芯片核模型的正確性。 研制了基于MCF5272處理器、嵌入式μClinux操作系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點。該節(jié)點具有數(shù)據(jù)采集、節(jié)能、以太網(wǎng)絡接口、無線遠程通信、全球定位的功能。在節(jié)點上配備圖像傳感器與硬件壓縮模塊，通過CPLD控制完成圖像數(shù)據(jù)采集。節(jié)點采用GPRS/GSM模塊接入公用無線移動網(wǎng)絡，進而接入Internet。在節(jié)點上研究了基于文件方式和Socket方式的遠程通信，研究了在μClinux下完成GPS信息的接收實

9、驗。 進行了無線傳感器網(wǎng)絡的混沌加解密無線通信實驗。采用Micaz節(jié)點，實驗了基于計數(shù)器模式和Feistel分組結構的混沌加密解密。由傳感器感知觀測區(qū)域的信息，通過CC2420完成短距離的無線通信，應用匯聚節(jié)點MIB600，由以太網(wǎng)接口接入有線網(wǎng)絡。用戶節(jié)點通過有線網(wǎng)絡采用Socket方式經(jīng)過匯聚節(jié)點觀測無線傳感器網(wǎng)絡獲取的數(shù)據(jù)信息。最后在研制的節(jié)點上進行了融合數(shù)據(jù)的混沌加解密通信實驗。 論文研究表明：研究的簡單的整數(shù)混

10、沌運算解決了WSN節(jié)點的運算能力限制；基于不同周期的混沌序列及同余序列復合得到的32bit優(yōu)良隨機序列周期長達289，解決了WSN節(jié)點計算精度的限制，提高了密鑰的安全性；基于Feistel結構的非線性混沌加密具有多種加密算法的優(yōu)點，研究的加密算法增加的額外存儲器資源少，解決了WSN節(jié)點資源少的限制；混沌密鑰硬件芯片核可以方便地與WSN節(jié)點集成化，進一步提高了密鑰的安全性；加密體制能夠有效抵制多種不安全因素。論文解決了WSN節(jié)點嵌入式系統(tǒng)