基于混沌的无线多媒体传感器网络图像分组密码算法的设计与实现

摘要

由于无线多媒体传感器网络是开放的、资源受限的，需要解决如何在不可靠信道中安全有效地传输多媒体信息的问题的同时注意功耗。对无线多媒体传感器网络中图像安全传输方法的研究发现，当前的一些研究在安全性上做了折中，通过对需要传输的图像数据的一小部分进行加密而将大部分信息以明文的形式发送，导致大量明文信息可直接被攻击者窃听甚至篡改；相反，另一些研究者提出的以牺牲延迟性和带宽资源来保证图像数据机密性和完整性的方法相对更安全。还有一些学者提出对图像数据使用传统加密算法进行加密传输之前先参入用于图像恢复的信息，即使在传输过程中密文发生了损坏，也可以在解密端得到一定质量的图像信息。目前在无线多媒体传感器网络安全研究领域中很少有直接通过设计低开销的加密算法来保证图像机密性和完整性的研究。
　　为保证无线多媒体传感器网络中图像数据的机密性、完整性和可用性，本文设计了一个基于混沌的图像分组加密算法。首先对算法中的重要部件S盒进行了研究：通过对混沌映射密码学性质的研究以及对S盒生成问题的数学本质分析，先提出了生成初始S盒的初始映射算法，再使用多重映射算法对初始S盒进行处理从而提高了S盒的安全性。此外，还对多重映射算法中采用初始S盒的个数和最终得到的S盒的安全性进行了分析，这对于之后设计分组密码的加密轮次具有指导意义。最后实验分析了该算法的执行效率，结果表明该算法可用于资源受限的设备。
　　然后，设计了一个以像素为粒度的采用SPN结构的分组加密算法，根据多重映射算法的指导意见设定了算法的加密轮次。对算法的加密需求研究发现，其中的P盒同样可以使用上述生成S盒的初始映射算法生成，从而降低了算法实现的复杂度。为了保证算法的安全性，算法的密钥由两部分组成，一部分用于S盒和P盒的生成和复用，使得S盒和P盒都是和密钥相关且动态变化的；另一部分则用于抵御密码学攻击。安全性检验结果表明该算法可以满足图像安全性以及密码学安全性两方面的要求，此外，还考虑到在无线多媒体传感器网络的不可靠信道中传输图像数据可能会发生的丢包和篡改攻击，分析对比了传统加密算和本算法在这种情况下对数据机密性、完整性和可用性的加密表现。结果表明，该算法可以保证图像中关键信息范围内的像素错误率与图像数据整体的丢包率近似，在丢包率达到30%的情况下，关键信息仍然可以被识别，这使得攻击者无法通过选择性丢弃或者随机丢弃的攻击方法破坏图像数据中的关键信息。特别的，考虑到攻击者可能会使用密文中的非重要信息对重要信息进行替换的篡改攻击，以试图达到对接收方隐瞒重要信息的目的，但实验结果表明，该算法解密出的图片中关键信息范围内像素的错误率并不大于该范围占图片整体的比率，与抵御选择性丢弃攻击的效果近似。最后，通过实验对比了本文提出的加密算法和一些传统加密算法对图片加密时的资源需求和速度，结果表明该算法具有更快的加密速度，因而适用于无线多媒体传感器网络。

目录

声明

第一章 绪论

1.1研究背景

1.2国内外研究现状

1.3目前存在问题的分析

1.4研究内容和贡献

1.5章节安排

第二章 相关背景知识介绍

2.1无线多媒体传感器网络研究

2.2混沌系统与图像密码学

2.3分组加密算法概述

2.4本章小结

第三章 基于多重映射的安全S盒生成算法

3.1基于多重Tent映射的安全S盒生成算法

3.2 S盒安全性分析

3.3算法性能分析

3.4本章小结

第四章 基于混沌的WMSNs图像分组加密算法

4.1 CBIBC算法结构

4.2图像安全性分析

4.3密码学安全性分析

4.4实验仿真

4.5本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2不足与展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

致谢