無(wú)線微傳感器網(wǎng)絡(luò)混沌加密理論及其關(guān)鍵技術(shù)研究.pdf

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

2、線傳感器網(wǎng)絡(luò)與人們的生活緊密結(jié)合，隱形的微型節(jié)點(diǎn)使得人們的隱私難以保密，因而信息安全是無(wú)線微傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用必須考慮的關(guān)鍵技術(shù)之一。由于成本的緣故，無(wú)線微傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通常配備運(yùn)算能力低的微處理器，具有有限的存儲(chǔ)單元和有限的能源，使得無(wú)線微傳感器節(jié)點(diǎn)不能運(yùn)行復(fù)雜的加密算法，不能存儲(chǔ)和傳輸大容量的數(shù)據(jù)，從而用于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的安全技術(shù)不能用于無(wú)線微傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全，必須研究用于無(wú)線微傳感器網(wǎng)絡(luò)的新型信息安全措施。加密技術(shù)是信息安全的核心技術(shù)。本論

3、文在國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃項(xiàng)目（No.G1999033105）和重慶市自然科學(xué)基金（No.2005BB2198）的資助下，深入研究了用于無(wú)線微傳感器網(wǎng)絡(luò)加密的混沌加密理論與混沌加密關(guān)鍵技術(shù)。本論文的創(chuàng)新性在于提出了適合無(wú)線微傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處理的時(shí)域和幅度都離散化的混沌計(jì)算理論；采用根據(jù)周期將初始值分組的混沌序列復(fù)合方法及線性同余序列加擾方法延長(zhǎng)序列周期，提出了一類線性同余序列的一個(gè)快速算法，建立了混沌序列發(fā)生器的數(shù)字芯片核；構(gòu)造了具有

4、多種加密算法優(yōu)點(diǎn)基于整數(shù)混沌的單字節(jié)Feistel結(jié)構(gòu)分組加密算法。 混沌序列特性類似于偽隨機(jī)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(zhǎng)周期的混沌序列需要高精度的計(jì)算。無(wú)線微傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用嵌入式系統(tǒng)，具有有限的運(yùn)算能力和有限計(jì)算精度，存儲(chǔ)資源少，配備能源少，難以直接處理浮點(diǎn)和除法等運(yùn)算，從而在無(wú)線微傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)上實(shí)現(xiàn)混沌將面臨更多的困難。為適應(yīng)無(wú)線微傳感器節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算能力，論文將時(shí)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(jìn)為時(shí)間域和幅度都離散的整數(shù)混沌理論，通過(guò)取混沌參數(shù)為2的冪的整數(shù)，可以通過(guò)移位、加法、取反等簡(jiǎn)單運(yùn)算方法實(shí)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(zhǎng)周期的整數(shù)序列，采用了不同周期的多混沌序列復(fù)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(jìn)行復(fù)合運(yùn)算，并采用線性同余序列加擾延長(zhǎng)序列的最小周期，獲得了隨機(jī)性優(yōu)良的32bit整數(shù)混沌序列，最小周期達(dá)289數(shù)量級(jí)。 吸收多種加密

6、算法的優(yōu)點(diǎn)構(gòu)造了基于整數(shù)混沌的單字節(jié)Feistel結(jié)構(gòu)分組加密算法。明文和密文都為單字節(jié)，密鑰可變，通過(guò)位擴(kuò)散和多輪Feistel結(jié)構(gòu)的非線性混沌完成加密運(yùn)算。構(gòu)造了單字節(jié)的基于混沌運(yùn)算的Feistel非線性加密函數(shù)。構(gòu)造了基于計(jì)數(shù)器模式的混沌加密算法，計(jì)數(shù)器加密算法采用了該單字節(jié)Feistel分組加密算法。對(duì)一類廣泛應(yīng)用的線性同余序列計(jì)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(yùn)算的一種快速算法，運(yùn)算速度提高達(dá)40％。分析

7、了基于TinyOS編譯器實(shí)現(xiàn)研究的加密算法需要的存儲(chǔ)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(qiáng)密鑰安全性，快速完成混沌密鑰的計(jì)算和方便密鑰產(chǎn)生的硬件化實(shí)現(xiàn)，采用數(shù)字化建模思想對(duì)上述混沌密鑰算法進(jìn)行了芯片核技術(shù)研究。研究了整數(shù)混沌計(jì)算的芯片核、計(jì)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(jì)算的數(shù)字芯片核、計(jì)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(shù)。利用電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化工具仿真驗(yàn)

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(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)采集、節(jié)能、以太網(wǎng)絡(luò)接口、無(wú)線遠(yuǎn)程通信、全球定位的功能。在節(jié)點(diǎn)上配備圖像傳感器與硬件壓縮模塊，通過(guò)CPLD控制完成圖像數(shù)據(jù)采集。節(jié)點(diǎn)采用GPRS/GSM模塊接入公用無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而接入Internet。在節(jié)點(diǎn)上研究了基于文件方式和Socket方式的遠(yuǎn)程通信，研究了在μClinux下完成GPS信息的接收實(shí)

9、驗(yàn)。 進(jìn)行了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的混沌加解密無(wú)線通信實(shí)驗(yàn)。采用Micaz節(jié)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)了基于計(jì)數(shù)器模式和Feistel分組結(jié)構(gòu)的混沌加密解密。由傳感器感知觀測(cè)區(qū)域的信息，通過(guò)CC2420完成短距離的無(wú)線通信，應(yīng)用匯聚節(jié)點(diǎn)MIB600，由以太網(wǎng)接口接入有線網(wǎng)絡(luò)。用戶節(jié)點(diǎn)通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)采用Socket方式經(jīng)過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)觀測(cè)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取的數(shù)據(jù)信息。最后在研制的節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行了融合數(shù)據(jù)的混沌加解密通信實(shí)驗(yàn)。 論文研究表明：研究的簡(jiǎn)單的整數(shù)混

10、沌運(yùn)算解決了WSN節(jié)點(diǎn)的運(yùn)算能力限制；基于不同周期的混沌序列及同余序列復(fù)合得到的32bit優(yōu)良隨機(jī)序列周期長(zhǎng)達(dá)289，解決了WSN節(jié)點(diǎn)計(jì)算精度的限制，提高了密鑰的安全性；基于Feistel結(jié)構(gòu)的非線性混沌加密具有多種加密算法的優(yōu)點(diǎn)，研究的加密算法增加的額外存儲(chǔ)器資源少，解決了WSN節(jié)點(diǎn)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(diǎn)集成化，進(jìn)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(diǎn)嵌入式系統(tǒng)