為了減少無線傳感器網(wǎng)絡(luò)編碼的冗余字節(jié)，提高基于Feistel結(jié)構(gòu)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分組加密的安全性，提出了一種新的單字節(jié)分組密碼加密方法。那么接下來我就給大家介紹一下這種加密方法。

一、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)Feistel結(jié)構(gòu)分組加密算法

基于Feistel結(jié)構(gòu)的WSN分組算法結(jié)構(gòu)如圖1所示。

結(jié)構(gòu)采用了置換和多輪的Feistel結(jié)構(gòu)。輸入的8bit明文分組首先被進(jìn)行單字節(jié)位的置換變換；然后被分成兩個(gè)4bit的Ri、Li（其中i為Feistel加密的輪次，i=1，2，3，4，…，n），再進(jìn)行扎輪的Feistel結(jié)構(gòu)加密，其中每輪的Feistel加密結(jié)構(gòu)如圖2所示。

八比特分組的Feistel結(jié)構(gòu)的處理過程表示為：

其中Ri、Ri-1、Li、Li-1、T都為4bit，走為密鑰，f為加密函數(shù)。其中Feistel加密的最后一輪不進(jìn)行高低半字節(jié)交換；最后再進(jìn)行一次單字節(jié)的置換變換。

二、置換操作

考察單字節(jié)的置換變化。從字節(jié)數(shù)據(jù)A變換到字節(jié)B的置換變換，可以看做是A數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位的重新排列，例如，設(shè)字節(jié)A=（abcdejgh）T，B=（dhefgcba）T，其中a、b、c、d、e、f、h、g都取0或1，變換前后A和B字節(jié)中位值為1和0的總數(shù)不變，T表示矩陣轉(zhuǎn)置操作。則這種變換可以表示為：

其中T表示矩陣轉(zhuǎn)置?？梢娡ㄟ^變換矩陣P完成了從A到JEI的置換變換：

觀察矩陣P，可見有以下規(guī)律：

（a）P是由1和0組成的矩陣，是由以下8個(gè)向量a1～a8構(gòu)成的矩陣：

（b）P的秩為8，即：

（c）P的n（n為整數(shù)）次冪矩陣仍然是由1和0組成的矩陣，且以次冪矩陣的秩也為8：

（d）P的m（m為整數(shù)）次冪矩陣可以得到單位矩陣，即：

m稱為矩陣P的生成單位陣次數(shù)，E為單位陣。在上面的例子中m=8。

還可以繼續(xù)進(jìn)行類似（2）式的變換操作，例如：

將（2）式代入，則：

通過變換矩陣p2完成了從A到C的置換變換：

進(jìn)而可以繼續(xù)操作，即進(jìn)行變換：

這樣，如果將n（1-m）和P做為密鑰，則得到一種單字節(jié)數(shù)據(jù)的密碼編碼方案。

三、移位操作

移位可以改變數(shù)據(jù)的位置，但數(shù)據(jù)的相鄰關(guān)系不變。為保持移位后數(shù)據(jù)位的不損失，這里的移位操作指循環(huán)移位，包括循環(huán)右移位和循環(huán)左移位。

設(shè)：

另設(shè)密鑰為K，移位操作為S（K），其中S（K）為0-1矩陣，移位后為B，則：

從字節(jié)數(shù)據(jù)A變換到字節(jié)B的循環(huán)移位變換，可以看做是將A數(shù)據(jù)的二進(jìn)制位重新排列，例如，設(shè)字節(jié)A=（abcdefgh）T，B=（defghabc）T，多乓中a、b、c、d、e、f、g、h都取0或1，變換前后A和B字節(jié)中位值為1和0的總數(shù)不變。則這種變換可以表示為：

可見Q矩陣與P矩陣具有相同的性質(zhì)，也是（4）式向量的一種排列。

同樣可以繼續(xù)下列變換操作：

其中s取1～8的整數(shù)。這樣，如果將s和Q做為密鑰，則也得到一種單字節(jié)數(shù)據(jù)的密碼編碼方案。

四、加密算法設(shè)計(jì)

1、加密方案

由于P和Q性質(zhì)相同，將P和Q矩陣操作合并，就得到：

其中k為密鑰，W為變換密鑰矩陣，W是（4）式向量的一種排列矩陣，與矩陣P和Q性質(zhì)相同。

設(shè)單字節(jié)密文數(shù)據(jù)為A，單字節(jié)密文數(shù)據(jù)為B，則加密過程表示為：

2、解密方案

解密是利用（7）式的特性。已知道密文B，密鑰k和W，則解密操作為：

根據(jù)（7）式，如果：

則（18）式變?yōu)椋?/p>

從而正確得到明文。

五、密鑰分析

密鑰有k、w變換密鑰矩陣W是從（4）式的8個(gè)向量排列得到的矩陣，這8個(gè)向量排列有：8！=40320種，故W矩陣有40320個(gè)。密鑰k是與生成單位陣次數(shù)優(yōu)有關(guān)，其取值為k=1～m。

通過統(tǒng)計(jì)，得到W矩陣的生成單位陣次數(shù)m有11種可能取值：1～8、10、12、15，其得到的變換矩陣W數(shù)量如表1所示。

每當(dāng)取定一個(gè)m，則密鑰取值為k=1～m，而變換矩陣W就有多種可選。例如取m=8，則奄可以取1～8其中之一，對(duì)應(yīng)的W矩陣有2786種可供選擇。于是，密鑰組合是蚤和W可能取值數(shù)目的乘積。通過計(jì)算可以得到總共的密鑰數(shù)目為：3. 866×10430若采用窮舉法破解，以每秒列舉1020個(gè)密鑰，則需要1.23×1016年才能窮舉完所有密鑰組合?？梢娒荑€的安全性比較高。

六、實(shí)驗(yàn)

取密鑰k=9，變換密鑰矩陣W為：

計(jì)算可知道：rank（ W）=8。在MATLAB下進(jìn)行加密解密計(jì)算，設(shè)明文A= [11010 llO]r，結(jié)果如圖3、圖4所示。

圖3中明文A先被加密成密文B，然后通過正確密鑰解密得到正確的明文C。圖4中明文A先被加密成密文B。然后通過錯(cuò)誤密鑰解密得到錯(cuò)誤的明文D?？梢姡惴軌蛲瓿杉用?。

針對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等的少量數(shù)據(jù)字節(jié)的密碼編碼，為增強(qiáng)基于Feistel結(jié)構(gòu)的WSN分組加密的安全性，提出了一種新的單字節(jié)密碼編碼算法。加密算法采用單字節(jié)的置換和循環(huán)移位，既可以實(shí)現(xiàn)文件加密，也可以實(shí)現(xiàn)文件解密。

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