基于SP结构的WSN机密通信

陈帅，束仁义，郑晓东

（1.淮南师范学院 电气信息工程学院,安徽 淮南 232038；2.安徽大学 电气信息工程学院，安徽 合肥 230039）

1 引言

无线传感器网络数据率低，监测少量字节的数据，如果采用多字节分组包加解密，必然会引入冗余字节数据。为了达到编码的最大有效利用率，可以采用单个字节的分组数据包进行处理，从而可以做到不引入冗余数据。用于WSN加密的算法有RC、AES、SKIPJACK 等[1-3]。 DES[4]是在 56bit密钥控制下对64bit的数据进行加解密的分组密码算法。AES[5]采用了Rijndael算法，具有128比特的分组长度，三种可选的密钥长度：128比特、192比特、256比特。DES算法和AES对于只需要8bit比特信息的传输引起多余冗余字节。文献[6-7]对于WSN的单字节分组保密通信，提出了Feistel结构的密码编解码。

2 SP结构的基本操作

SP 结构是以移位（Shifter）和置换（Permutation）操作进行的处理结构。

2.1 移位

移位可以改变数据的位置，但数据的相邻关系不变。为保持移位后数据位的不损失，这里的移位操作指循环移位，包括循环右移位和循环左移位。设：另设密钥为K，移位操作为S（K1），移位后为B，则：

其中S(K1)为0-1矩阵,由单位阵E进行行向量移位变换得。例如K1=1有：

则循环左移一位的操作为：

则循环右移二位：

由于是循环移位，所以有：

2.2 置换

置换是数据的位置和相邻关系都要改变。若A、C分别为置换前后的数据矩阵，P为置换操作矩阵，K2为密钥，则置换过程表示为：

对P的要求是：

（1）P是由1和0组成的矩阵，是由以下8个向量a1～a8构成的矩阵：

（2）P 的秩为 8，即：

（c）P的n(n为整数)次幂矩阵仍然是由1和0组成的矩阵，且n次幂矩阵的秩也为8:

（d）P的m(n为整数)次幂矩阵可以得到单位矩阵，即：

在上面的例子中m=8。

于是继续进行类似（7）式的变换操作，即：

进而可以继续操作,即进行变换：

这样，如果将n和P做为密钥，则得到一种单字节数据的密码编码方案。

例如，若 A 为（1）式，P 为：

2.3 异或运算

异或操作就是二进制位的异或运算操作。设对应的二进制位异或操作为Y,操作前后的向量分别为G和H，则操作表示为：

可以引入一个密钥K3，按照下式进行异或操作：

异或操作性质：

其中E为单位阵。所以有：

3 基于SP运算的密码编码

3.1 加密编码

将移位、置换、异或操作合并。设移位密钥为K1，置换密钥为 K2，异或操作 K3，得到：

其中A为明文，X为密文。

3.2 解密编码

已知道密文 X，密钥 K1，K2，K3，则解密操作为：

将（21）代入上式，根据式（19）、（11）和式（6），得到：

从而正确得到明文。

4 结论

针对无线传感器网络等的少量数据字节的密码编码，提出了一种单字节密码编码SP算法。算法采用单字节的置换、循环移位和异或操作，既可以实现加密，也可以实现解密。分析结果表明，编解码正确。

[1]Naveen Sastry,David Wagner.Security considerations for IEEE 802.15.4 networks[J].Proceedings of the 2004 ACM workshop on Wireless security,October 2004：32-42

[2]Perrig A,Szewczyk R,Wen V,et al.SPINS:security protocols for sensor networks[J].Journal of Wireless Networks,2002,8(5):521-534

[3]Chris Karlof,Naveen Sastry,David Wagner.TinySec:A Link Layer Security Architecture for Wireless SensorNetworks [J].Proceedings ofthe 2nd international conference&Embedded networked sensor systems.Baltimore,MD, USA.Nov,2004：162-175

[4]W.Diffie and M.Hellman.New directions in cryptography[J].IEEE Transactions on Information Theory 22(1976)(6)：644-654

[5]Danmen J，Riijmen V.AES Proposal：rijndael.AES algorithm submission[EB/OL].http：//www.nist.gov/aes，1999-09-03

[6]CHEN Shuai,ZHONG Xian-xin,WU Zheng-zhong.Chaos block cipher for wireless sensor network[J].Science in China Series F:Information Sciences,2008,51(8)：1055-1063

[7]CHEN Shuai,ZHONG Xian-xin.Confidential Communication through Chaos Encryption in Wireless Sensor Network[J].Journal of China University of Mining&Technology,2007,17(2):258-261