基于广义D-序列的无线传感网络节点加密技术研究

摘要

在信息感知研究发展历史中，无线传感网络是一个革命性的突破。它被应用于各式各样的不同领域，如军事，地震监测，环境监控，医疗，工商业等。由于无线传感网络的布置环境和通信方式具有特殊性，其安全问题日益成为急需解决的热点问题，在众多的安全问题研究中，节点加密技术是一个基础性的研究。但由于无线传感网络的资源有限的特点，现有的复杂数据加密算法就不太适合于无线传感网络，如基于混沌的加密算法等。在无线传感网络安全协议研究中，其第一步就在于如何设计出一个适合于无线传感网络的加密算法。
　　加密算法的基础就是随机数序列的获取。传统的随机数产生方式有基于混沌序列的随机数产生器、基于量子的随机数产生器、基于硬件的随机数产生等，但这些随机数产生器的设计未考虑到无线传感网络加密的计算能力和存储空间有限的特点，因此其不适合于无线传感网络，为了解决资源有限的问题，我们设计了一种新的广义D-序列伪随机数产生器，现有D-序列具有优良的随机特性，结构简单，计算复杂度低，存储空间需求小的特点，但其序列长度有限的特点限制了其发展。因此，我们在原有D-序列的产生过程中引入新的随机变量来扩展其序列长度，并将其应用到无线传感网络中，仿真结果和性能分析证明了这个新的广义D-序列伪随机数产生器能很好的解决了序列长度有限的问题，并且保有原有的所有优点甚至其随机特性更优良，十分适合于无线传感网络。
　　在这个新的广义D-序列伪随机数产生器的基础上，本文设计了一个新的适合于无线传感网络的基于广义D-序列的双向置乱加密算法。它是基于一个P盒来打乱数据顺序和两个不同操作方向的S盒来进行改变数据值，从而实现了将一个原有序列加密成一个噪声序列，双向S盒的操作使得加密的混乱特性更为优良。统计结果分析证明其加密结果具有噪声信号的统计特性，同时密钥分析证明其具有很高的安全性来抵御野蛮攻击，与AES的对比分析中，该算法也具有更高的安全性来抵御差分攻击方式，另外该算法被证明在噪声攻击和数据丢失攻击方面具有更加优良的加密效果，更适合于无线传感网络。最后，相比于AES固定长度输入的特性，该算法具有高度灵活性，可以用来加密任意长度的原始数据，这就十分符合无线传感网络单次发送数据量少和不定的特点。
　　除此之外，本论文还搭建了相应的一对一的无线通信系统，其实现结果，抗噪声实用分析，抗数据丢失实用分析和能耗分析证实算法的可行性和实用性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．3 本文研究的主要内容

第2章 无线传感网络加解密技术

2．1 无线传感网络安全概述

2．1．1 无线传感器网络

2．1．2 无线传感网络特性

2．1．3 网络安全问题特点

2．1．4 无线传感网络安全的研究基础

2．2 随机数产生器

2．2．1 随机数的相关属性

2．2．2 随机数产生器分类

2．2．3 评价随机序列质量的主要指标

2．3 无线传感网络加密算法

2．3．1 加密技术的基本概念

2．3．2 加密系统的分类

2．3．3 加密技术遵循的原则

2．4 本章小结

第3章 广义D-序列伪随机数产生器的设计

3．1 D-序列介绍

3．1．1 数论基础知识

3．1．2 D-序列的数学定义

3．1．3 D-序列的性质

3．2 广义D-序列伪随机数产生器

3．2．1 D-序列的运用问题

3．2．2 广义D-序列伪随机数产生器

3．2．3 实际应用的再处理技术

3．3 广义D-序列伪随机数产生器性能分析

3．3．1 长度对比分析

3．3．2 自相关性分析

3．3．3 互相关性分析

3．3．4 概率分布分析

3．4 本章小结

第4章 基于广义D-序列的双向置乱加密算法

4．1 加密算法总体结构

4．2 P盒设计与分析

4．2．1 P盒算法介绍

4．2．2 P盒示例

4．2．3 P盒性能分析

4．3 S盒设计与分析

4．3．1 S正盒算法介绍

4．3．2 S反盒算法介绍

4．3．3 S盒示例

4．3．4 S盒性能分析

4．4 解密算法

4．4．1 S正解密盒工作原理

4．4．2 S反解密盒工作原理

4．4．3 P解密盒工作原理

4．5 仿真结果

4．5．1 小数据仿真结果

4．5．2 大数据仿真结果

4．6 统计特性分析

4．6．1 信息熵统计

4．6．2 频谱分析

4．7 密钥分析

4．7．1 密钥空间分析

4．7．1 密钥灵敏度分析

4．8 对比分析

4．8．1 灵活性

4．8．2 差分攻击

4．8．3 抗噪声能力

4．8．4 抗数据丢失能力

4．9 本章小结

第5章 基于广义D-序列的双向置乱加密算法的实现

5．1 节点硬件介绍

5．2 节点软件介绍

5．3 实现方案

5．3．1 网络拓扑架构

5．3．2 IEEE 802．15．4-2006帧格式

5．3．3 加密内容选择

5．3．4 加密算法软件实现

5．4．1 正确密钥解密结果

5．4．2 错误密钥解密结果

5．5 加密算法实用性分析

5．5．1 抗噪声实用分析

5．5．2 抗数据丢失实用分析

5．5．3 能耗实用分析

5．6 本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

附录B 攻读学位期间所参与的科研及专利情况

附录C 基于广义D-序列的双向置乱加密算法实现代码