一种基于S盒的WSN动态复合混沌加密方法技术

一种基于S盒的WSN动态复合混沌加密算法，属于信息安全技术领域。针对无线传感器网络易遭受攻击且资源受限的特点提出了多混沌系统。提出了一个新的复合混沌方程，建立一种创新型的动态模型，形成了一种新的动态复合混沌系统。将图像置乱的思想引入到S盒的设计中来，对产生的数据序列利用面包师映射进行置乱，增加了S盒的非线性特性，所产生的S盒性能将更加符合设计标准，安全性更好。同时，此算法既可以作为动态S盒来使用，也可以通过此算法找到性能良好的静态S盒。理论分析和实验结果表明，本发明专利技术算法安全性高，性能优良，在轻量级密码领域具有广泛的应用前景和实用价值。

A Dynamic Composite Chaotic Encryption Method for WSN Based on S-Box

A dynamic composite chaotic encryption algorithm for WSN based on S-box belongs to the field of information security technology. In view of the vulnerability of wireless sensor networks to attack and resource constraints, a multi-chaotic system is proposed. A new compound chaotic equation is proposed, an innovative dynamic model is established, and a new dynamic compound chaotic system is formed. The idea of image scrambling is introduced into the design of S-box. The generated data sequence is scrambled by Baker mapping, which increases the non-linear characteristics of S-box. The performance of S-box produced will be more in line with the design standards and has better security. At the same time, this algorithm can be used as a dynamic S-box or a static S-box with good performance. The theoretical analysis and experimental results show that the proposed algorithm has high security and excellent performance, and has broad application prospects and practical value in the field of lightweight cryptography.

【技术实现步骤摘要】
一种基于S盒的WSN动态复合混沌加密方法
本专利技术属于信息安全
，具体涉及一种基于S盒的无线传感器网络(WirelessSensorNetwork,WSN)的动态复合混沌加密方法。
技术介绍
随着信息产业的发展，数据安全性面临着巨大的挑战。加密方法是保证其安全性至关重要的手段。当前加密方法可分为两大类，一是流密码，一是分组密码。对于分组密码来说，应能抵抗各种各样的攻击，如线性攻击、差分攻击。S盒是分组密码中的唯一的非线性部件，它决定着加密系统的混淆特性。在DES、AES以及SM4中，S盒是重要组成部分之一。在当前的研究中，所设计的S盒应满足许多的标准，主要有双射特性、非线性特性、严格雪崩效应、差分均匀性(等概率输入输出异或分布)、输出比特间独立性。由于其特殊性，研究并设计一个性能稳健的S盒是非常重要的。当前设计S盒的方法很多，混沌理论由于其特殊性和快捷性让人们接受。混沌理论依赖于自身的初值敏感性、伪随机性和遍历性等特征，在研究非线性、确定性和动态系统中起了很大的推动作用，主要的应用领域包括物理学、机器人学、生物学、金融学及密码学。由于混沌理论与密码学之间存在着某种天然的属性，近年来，在这方面的研究逐渐受到了人们的关注。Jakimoski和Kocarev[1]提出了一种基于混沌映射的S盒的产生方法。Tang[2]等提出了一种基于2D面包师映射的S盒产生方法。Chen[3]等对此应用3D面包师映射改进了产生S盒的方法。Yin[4]等提出了一种基于连续混沌迭代的S盒产生方法。在文献[5]中，作者应用Lorenz系统和特殊移位的方法产生S盒。文献[6]中根据混沌系统的特征设计了一种动态S盒。Wang[7]等提出了一种基于Tent映射的动态S盒的产生方法。在文献[8]中，提出了一种基于混沌和遗传方法的启发式S盒设计方法。文献[9]中，扩展了多种加密方法，形成了一种随机的混沌S盒的产生方法。文献[10]中，作者基于猫映射和TDERC系统设计了一个性能良好的S盒。文献[11]基于混沌映射并采用复合的方法提出了一种S盒的设计方法。文献[12]提出了一种基于无线传感器网络的有效安全的S盒设计方法，满足S盒的设计标准并能很好的提高了S盒的实现效率。但是这些方法所产生的S盒所应用到的混沌映射比较单一，实现方式主要体现在混沌序列的整型化和S盒的构建方面。
技术实现思路
本专利技术基于这些特点提出了多混沌系统，首先找到了几个混沌方程并研究了其混沌特性，多混沌解决了混沌映射的单一性问题。并将图像置乱的思想引入到S盒的设计中来，对产生的数据序列利用面包师映射进行置乱，增加了其S盒的非线性特性，所产生的S盒性能将更加符合设计标准，安全性更好。同时，此方法既可以作为动态S盒来使用，也可以通过此方法找到性能良好的静态S盒。本专利技术要求保护的是一种基于S盒的WSN动态复合混沌加密方法，包括其具体方法内容及具体实施方式。在该方法中，选取多个混沌方程，严格证明了各个方程以及复合混沌方程的混沌性、不变概率密度和相关性，混沌性证明包括初值敏感性、拓扑传递性和周期的稠密性。建立一种创新型的动态模型，形成了一种新的动态复合混沌系统。将设计的动态复合混沌系统与线性同余发生器结合，采用离散化的方法构造S盒并进行置乱。1.复合混沌方程的建立复合方程如下:其在x∈I＝[-1,1]上是混沌的。2.S盒产生方法2.1混沌序列的产生本专利技术利用复合混沌方程建立如下的动态复合混沌系统，如下:其中xi∈I＝[-1,1]。本系统将动态的选择其中的一个函数来产生混沌序列。当得到迭代值小于0的时候选择函数f0，否则选择f1。其具体产生混沌序列的步骤如下：(1)输入初值x0和y0。(2)计算x＝(x0+y0)/2，如果x＜0，记录f0(x)迭代值作为混沌序列值，否则记录f1(x)迭代值，进行(3)。(3)利用x0＝f0(x0)和y0＝f1(y0)更新x0和y0。(4)直到产生足够的混沌序列，则结束。2.2伪随机序列的产生(1)首先，设定混沌系统的初值状态为x0和y0，通过动态复合混沌系统，得到作为即将要处理的混沌序列。将混沌吸引域[-1,1]划分为N＝65536个子域πi，i＝0,1,…,N-1。πi＝[ti,ti+1)(i＝0,1,...,N-2)，πN-1＝[tN-1,tN]，如式(3)：将得到的65536个子域从左到右依次标记为0，1，…，65535。判断zk落到[-1,1]对应的0到65535的哪个区间，取得这个大于等于0小于65536的整数值作为混沌二进制字节序列如式(4)：(2)对于正弦混沌序列进行如下处理迭代正弦混沌方程产生混沌实值序列利用式子(5)：S2(k)＝[floor(yk·108)]mod65536(5)通过式子可产生离散化的混沌序列(3)线性同余随机数发生器在数学计算中，线性同余法随机数发生器(LCGs)是最常见的、最简单的随机数生成的方法。其一般的形式为：xi＝(Axi-1+B)mod(M)(6)其中：初始值x0必须满足0≤x0＜M，M＞0；A为乘子，0＜A＜M；B为增量，0≤B＜M。通常用LCGs(M,A,B,x0)表示。当B＝0时，称为乘同余法；当B≠0时，称为乘加同余法。由于在WSN节点上的效率问题，模M一般取为2的整数次方，这样使得式子可以直接应用移位操作代替。在本专利技术中，采用非常有名的―Lewis-Goosman-Miller”最小标准[18](取A＝16807、B＝0及M＝231-1)，并且知道此时LCGs的周期为231-1。通过这种方式产生的随机序列记为2.3S盒设计方法通过3.2中产生混沌序列的方式可以产生离散混沌序列其产生S盒序列的方法如下：通过上式产生一系列的整数值，然后由mod(S(k),256)转换为相应的位于0～255值，直到产生所有的0～255值，否则就继续进行构造。将最后输出的序列，转制成16×16的表格，即为所构造的8×8S盒。2.4将8×8S盒进行重构本专利技术提出了一种新的方法，将所产生的8×8S盒利用图像置乱的方法，重新将所形成的S盒中的数据进行置乱，形成一个更加混乱，非线性度更好的S盒。Baker映射是图像加密方法中常用的置乱方法。连续的Baker映射是混沌双射，如式子(8)。面包师映射的两个操作为：拉伸和折叠。但在使用Baker映射进行置乱之前，首先应对其进行离散化处理。本专利技术离散化式子为：其中M，N是S盒数据的行和列数，在这里M＝N＝16，(x,y)是原始数据在表格中的位置坐标，(x'，y')是同一数据在新表格中的位置坐标。通过猫映射置乱后的8×8S盒将具有更好的随机性，更加安全可靠。3S盒实现及测试3.1S盒产生举例本专利技术由于初值的不同产生许多不同的S盒，这种方法可以是形成一种动态的S盒方法。当取不同的初始值的时候，将会形成不同的8×8S盒。在本专利技术的研究中我们测试多组初值所产生的S盒，均能满足S盒的性能安全要求。现令初值为x0＝0.123,y0＝0.456,z0＝0.789,linear1＝12,linear2＝365，所产生的S盒如表2。同时，选择文献[2][5][8][15]中产生的S盒进行对比，从而了析本专利技术方法的优良特性。性能强健的分组密码应该能抵抗各种攻击，例如线性攻击、差分攻击。在SP结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于S盒的WSN动态复合混沌加密方法，其特征在于：该方法分为以下四步进行实现：第一步，该方法选取了三个混沌方程：f(x)＝16x5‑20x3+5x(x∈[‑1,1])、f(x)＝8x4‑8x2+1(x∈[‑1,1])，这两个方程用于构造多混沌系统S盒，f(x)＝πsinx(x∈[0,π])用于构造正弦映射S盒。严格证明了各个方程以及复合混沌方程的混沌性、不变概率密度和相关性，混沌性证明包括初值敏感性、拓扑传递性和周期的稠密性。结论是方程具有很好的伪随机性，适合作为加密的伪随机序列发生器。第二步，建立了一种新型的动态模型，如公式(1)：

【技术特征摘要】
1.一种基于S盒的WSN动态复合混沌加密方法，其特征在于：该方法分为以下四步进行实现：第一步，该方法选取了三个混沌方程：f(x)＝16x5-20x3+5x(x∈[-1,1])、f(x)＝8x4-8x2+1(x∈[-1,1])，这两个方程用于构造多混沌系统S盒，f(x)＝πsinx(x∈[0,π])用于构造正弦映射S盒。严格证明了各个方程以及复合混沌方程的混沌性、不变概率密度和相关性，混沌性证明包括初值敏感性、拓扑传递性和周期的稠密性。结论是方程具有很好的伪随机性，适合作为加密的伪随机序列发生器。第二步，建立了一种新型的动态模型，如公式(1)：该模型将动态地选择其中的一个函数来产生混沌序列，输入初值x0和y0，计算x＝(x0+y0)/2，如果x＜0，记录f0(x)迭代值作为混沌序列值，否则记录f1(x)迭代值，然后利用x0＝f0(x0)和y0＝f1(y0)更新x0和y0，直到产生足够的混沌序列，则结束。第三步，将产生的混沌序列离散化后生成S盒。首先，将混沌实值x代入动态复合混沌系统，求得混沌实值序列将混沌吸引域[-1...

【专利技术属性】
技术研发人员：佟晓筠，朱虹宏，王翥，张淼，刘杨，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学威海，
类型：发明
国别省市：山东,37