无线微传感器网络混沌加密理论及其关键技术研究

论文摘要

随着无线通信和微电子机械系统（Micro- Electro-Mechanical System, MEMS）的迅猛发展,无线微传感器网络（Wireless micro Sensor Network,WMSN or WSN）已成为当今世界研究的热点之一。无线微传感器网络是无线通信、微传感器、微处理器、分布式处理等的综合新技术,具有广阔的应用前景。由于无线微传感器网络采用无线介质通信,节点大多数工作在无人或恶劣环境,传输信息更容易被暴露;无线传感器网络与人们的生活紧密结合,隐形的微型节点使得人们的隐私难以保密,因而信息安全是无线微传感器网络应用必须考虑的关键技术之一。由于成本的缘故,无线微传感器网络节点通常配备运算能力低的微处理器,具有有限的存储单元和有限的能源,使得无线微传感器节点不能运行复杂的加密算法,不能存储和传输大容量的数据,从而用于传统网络的安全技术不能用于无线微传感器网络的安全,必须研究用于无线微传感器网络的新型信息安全措施。加密技术是信息安全的核心技术。本论文在国家重点基础研究发展规划项目（No.G1999033105）和重庆市自然科学基金（No.2005BB2198）的资助下,深入研究了用于无线微传感器网络加密的混沌加密理论与混沌加密关键技术。本论文的创新性在于提出了适合无线微传感器网络节点处理的时域和幅度都离散化的混沌计算理论;采用根据周期将初始值分组的混沌序列复合方法及线性同余序列加扰方法延长序列周期,提出了一类线性同余序列的一个快速算法,建立了混沌序列发生器的数字芯片核;构造了具有多种加密算法优点基于整数混沌的单字节Feistel结构分组加密算法。混沌序列特性类似于伪随机序列,传输混沌序列只需要传递少数参数,因而很适合保密通信。产生长周期的混沌序列需要高精度的计算。无线微传感器网络节点采用嵌入式系统,具有有限的运算能力和有限计算精度,存储资源少,配备能源少,难以直接处理浮点和除法等运算,从而在无线微传感器网络节点上实现混沌将面临更多的困难。为适应无线微传感器节点的运算能力,论文将时间离散、幅度连续的基于Logistic映射的混沌理论创造性地改进为时间域和幅度都离散的整数混沌理论,通过取混沌参数为2的幂的整数,可以通过移位、加法、取反等简单运算方法实现整数混沌。为克服有限精度下的整数混沌序列的短周期,获得长周期的整数序列,采用了不同周期的多混沌序列复合方法,根据周期将初始值分组产生的整数混沌序列进行复合运算,并采用线性同余序列加扰延长序列的最小周期,获得了随机性优良的32bit整数混沌序列,最小周期达289数量级。吸收多种加密算法的优点构造了基于整数混沌的单字节Feistel结构分组加密

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 无线微传感器网络面临的信息安全
• 1.2.1 WSN 面临的特殊安全性
• 1.2.2 WSN 安全基本要求
• 1.3 无线微传感器网络信息加密技术的研究现状
• 1.3.1 无线微传感器网络密钥建立研究现状
• 1.3.2 RC 加密算法
• 1.3.3 AES 加密算法
• 1.3.4 SKIPJACK 算法
• 1.3.5 WSN 加密算法分析
• 1.4 课题的来源及研究内容
• 1.4.1 课题来源
• 1.4.2 研究的主要内容与章节安排
• 1.5 研究的意义与难点
• 1.5.1 研究的意义
• 1.5.2 研究难点
• 1.6 小结
• 2 无线微传感器网络混沌加密理论基础
• 2.1 引言
• 2.2 混沌理论基础
• 2.2.1 Logistic 映射及其混沌的产生
• 2.2.2 Logistic 映射混沌序列的统计特性
• 2.3 无线传感器网络节点的混沌计算
• 2.3.1 基于Logistic 映射的整数混沌计算公式的推导
• 2.3.2 改进的计算公式与封闭性定理
• 2.4 基于Logistic 映射的整数混沌计算位数影响分析
• 2.4.1 算法与结果
• 2.4.2 均匀分布检验
• 2.5 整数混沌中迭代次数影响分析
• 2.5.1 多次混沌迭代原理
• 2.5.2 多次混沌迭代计算结果
• 2.6 基于Logistic 的整数混沌序列的周期与周期延长理论
• 2.6.1 基于Logistic 的整数混沌序列的周期
• 2.6.2 延长序列周期的复合定理
• 2.6.3 基于周期的初始值分组方法延长整数混沌的周期
• 2.6.4 线性同余加扰方法延长整数混沌的周期
• 2.7 小结
• 3 无线微传感器网络混沌加密算法
• 3.1 引言
• 3.2 大整数乘法算法
• 3.3 嵌入系统的运算算法实现
• 3.3.1 多字节进位加法器
• 3.3.2 多字节借位减法器
• 3.3.3 多字节乘法器
• 3.3.4 多字节移位器
• 3.3.5 快速线性同余算法
• 3.4 混沌密钥产生算法
• 3.4.1 多字节整数混沌序列算法
• 3.4.2 根据周期的初始值分组326it 整数混沌复合密钥算法
• 3.4.3 基于线性同余的混沌密钥算法
• 3.5 基于整数混沌的无线传感器网络加解密算法
• 3.5.1 Feistel 结构
• 3.5.2 WSN 分组加密结构
• 3.5.3 WSN 加解密算法
• 3.6 基于整数混沌的加密算法资源需求分析
• 3.7 小结
• 4 无线微传感器网络混沌密钥芯片核技术
• 4.1 引言
• 4.2 数字系统模块化分割原理
• 4.2.1 级联系统
• 4.2.2 并联系统
• 4.3 数字系统的延时特性
• 4.3.1 数字逻辑延时单元的数学模型
• 4.3.2 基本延时单元核分析
• 4.3.3 多延时单元分析
• 4.4 整数混沌序列发生器的数字芯片核
• 4.4.1 混沌迭代的数字芯片核模型
• 4.4.2 混沌序列发生器的数字芯片核
• 4.4.3 计数器控制的混沌序列发生器数字芯片核
• 4.5 线性同余序列的数字芯片核
• 4.5.1 线性同余计算的数字芯片核模型
• 4.5.2 计数器控制的线性同余序列发生器的数字芯片核模型
• 4.6 小结
• 5 无线传感器网络节点研制及保密无线通信实验
• 5.1 引言
• 5.2 无线微传感器网络节点研制
• 5.2.1 节点的硬件组成
• 5.2.2 网关节点远程Internet 接入
• 5.2.3 网关节点远程通信
• 5.2.4 网关节点定位实验
• 5.3 无线微传感器网络混沌加密解密实验
• 5.3.1 实验装置连接
• 5.3.2 节点软件组成
• 5.3.3 节点通信数据格式
• 5.3.4 基于M18600 的混沌加解密通信实验
• 5.4 基于μClinux 网关节点的混沌加解密实验
• 5.4.1 通信数据格式
• 5.4.2 加解密通信实验
• 5.5 无线传感器网络节点与加密安全性分析
• 5.5.1 研制的节点分析
• 5.5.2 安全性分析
• 5.6 小结
• 6 结论
• 致谢
• 参考文献
• 参加的科研与论文专利
• 独创性声明
• 学位论文版权使用授权书