[发明专利]无线传感器网络节点的伪随机序列生成方法及其应用方法

说明书

技术领域

本发明属于无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）安全加密领域，具体涉及一种用于无线传感器网络节点的伪随机序列生成方法、及一种无线传感器网络节点的明文加密传输方法。

背景技术

伪随机序列作为一种有效的工具和载体在信息安全领域有广泛的应用，特别是序列密码方面的伪随机序列的设计和研究，因为真随机序列一般只能够从自然现象中产生，从实际应用中生成它们非常困难，所以利用人工方法生成的伪随机序列被大量的采用。

在基于序列密码的物理层加密算法中，伪随机序列发生器是核心部件，加密算法利用它产生的随机序列对明文信息进行置换和处理，从而使得密文信息变成随机噪声信号。其特点是在数据传输过程中几乎没有错误传播、实现方便、加密速度快、便于同步且安全程度高，但它的安全性强度完全依赖于伪随机序列的随机性和不可预测性。目前被大量采用的伪随机序列生成方法有基于m-序列的伪随机序列生成方法和混沌函数的伪随机序列生成方法：基于m-序列的伪随机序列生成方法一般是采用m-序列来作为驱动序列，通过利用非线性组合或非线性前馈来生成伪随机序列，对于这种伪随机序列生成方法的研究主要集中在组合函数，因为其决定了序列的安全性和有效性，基于m-序列的伪随机序列生成方法是一种重要的伪随机序列，也是目前伪随机序列研究中理论最完整、应用最广泛的一种伪随机序列生成方法；基于混沌函数的伪随机序列可使混沌系统的运动呈现一种类似混乱的特性，可以实现加密算法中的混淆功能，它的轨道混合特征符合加密算法的扩散特性，混沌映射具备混合的特性以及对参数与初始值敏感，极小的初始值差别也能使同一混沌系统产生不同的状态，并能生成可再生的伪随机序列，所以基于混沌函数的伪随机序列生成方法适合应用于密码学算法，能够实现加密算法中的各种功能。

由于成本的原因，WSN节点通常只具备运算能力有限的微处理器和较低的计算精度，存储空间小，配备能源少，而基于m-序列的伪随机序列生成方法和混沌函数的伪随机序列生成方法由于结构复杂、计算复杂度高、运算速度慢且需要占用较大的存储空间，所以不适合应用于计算能力和资源有限的WSN加密。

随着无线通信技术、计算机技术和传感器技术的快速发展，WSN已经广泛的应用于室外环境监测，动物迁徙、军事、远程医疗、智能家居、救灾抢险、矿洞安全检测、智能交通等各个领域。WSN节点由数据处理模块、数据采集模块、通信模块、电源管理模块及软件等组成，结构如图1所示，每个WSN节点装备无线通信、微传感器，微处理器和电池供电，借助内置的微传感器检测环境中的物理量并传输。

由于WSN的特殊性，如采用无线通信的方式，可能被部署在恶劣或无人的环境等特点，WSN节点的工作需要很高的安全性，保证WSN传输数据的安全是最基本的要求，WSN的信息安全问题是WSN考虑的关键技术之一。当前对WSN安全技术的研究还存在严重的不足，大部分的研究还集中在对传统网络的安全技术上，由于WSN节点的低能耗、低处理能力、低存储量，传统的安全技术并不能直接应用到WSN中，WSN安全技术的研究相对滞后，限制了WSN的发展，迫切需要研究和开发出更多安全、高效、可靠的方法来保证数据的安全，解决WSN的安全问题，将有利于WSN得到更好的应用和发展。

随着WSN的广泛应用，WSN节点需要很高的安全性来保证传输数据的安全，伪随机序列在WSN安全中占据着重要的位置，WSN的密钥生成、认证、鉴别和各种安全通信协议都需要高质量的伪随机序列，伪随机序列的安全性关系到WSN的安全性，得到一个高质量的伪随机序列发生器是WSN安全技术领域的重要研究问题。

WSN节点传输的数据经过加密后，要求只有合法的节点在得到正确的密钥后才能够理解接收到的信息，而非法节点由于不知道正确的密钥，即使截获了数据，也无法破译出接收到的信息。通过在WSN的物理层对传输的数据进行加密，可以在一定程度上提高传输数据的安全性，确保数据传输的完整性。一般情况下，一个WSN加密系统包括加密算法、明文、密文和密钥，密钥控制加密和解密的过程，一个WSN加密系统的安全性主要取决于密钥的安全，而不是取决于算法。所以加密系统的密钥的产生算法是关键，在物理层的密钥产生算法中，随机序列产生器是核心部件。加密算法通过它产生的随机数对原文信息进行置换和处理，从而使密文信息变成随机噪声信号。