1、基于置换移位的单字节分组加密方法
为了减少无线传感器网络编码的冗余字节，提高基于Feistel结构的无线传感器网络分组加密的安全性，提出了一种新的单字节分组密码加密方法。那么接下来我就给大家介绍一下这种加密方法。
一、无线传感器网络Feistel结构分组加密算法
基于Feistel结构的WSN分组算法结构如图1所示。
结构采用了置换和多轮的Feistel结构。输入的8bit明文分组首先被进行单字节位的置换变换；然后被分成两个4bit的Ri、Li（其中i为Feistel加密的轮次，i=1，2，3，4，…，n），再进行扎轮的Feistel结构加密，其中每轮的Feistel加密结构如图2
2、所示。
八比特分组的Feistel结构的处理过程表示为：
其中Ri、Ri-1、Li、Li-1、T都为4bit，走为密钥，f为加密函数。其中Feistel加密的最后一轮不进行高低半字节交换；最后再进行一次单字节的置换变换。
二、置换操作
考察单字节的置换变化。从字节数据A变换到字节B的置换变换，可以看做是A数据的二进制位的重新排列，例如，设字节A=（abcdejgh）T，B=（dhefgcba）T，其中a、b、c、d、e、f、h、g都取0或1，变换前后A和B字节中位值为1和0的总数不变，T表示矩阵转置操作。则这种变换可以表示为：
其中T表示矩阵转置。可见通过变换矩阵P完成了
3、从A到JEI的置换变换：
观察矩阵P，可见有以下规律：
（a）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：
（b）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，且以次幂矩阵的秩也为8：
（d）P的m（m为整数）次幂矩阵可以得到单位矩阵，即：
m称为矩阵P的生成单位阵次数，E为单位阵。在上面的例子中m=8。
还可以继续进行类似（2）式的变换操作，例如：
将（2）式代入，则：
通过变换矩阵p2完成了从A到C的置换变换：
进而可以继续操作，即进行变换：
这样，如果将n（1-m）和P做为密钥，则得
4、到一种单字节数据的密码编码方案。
三、移位操作
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（K），其中S（K）为0-1矩阵，移位后为B，则：
从字节数据A变换到字节B的循环移位变换，可以看做是将A数据的二进制位重新排列，例如，设字节A=（abcdefgh）T，B=（defghabc）T，多乓中a、b、c、d、e、f、g、h都取0或1，变换前后A和B字节中位值为1和0的总数不变。则这种变换可以表示为：
可见Q矩阵与P矩阵具有相同的性质，也是（4）式向量的
5、一种排列。
同样可以继续下列变换操作：
其中s取1～8的整数。这样，如果将s和Q做为密钥，则也得到一种单字节数据的密码编码方案。
四、加密算法设计
1、加密方案
由于P和Q性质相同，将P和Q矩阵操作合并，就得到：
其中k为密钥，W为变换密钥矩阵，W是（4）式向量的一种排列矩阵，与矩阵P和Q性质相同。
设单字节密文数据为A，单字节密文数据为B，则加密过程表示为：
2、解密方案
解密是利用（7）式的特性。已知道密文B，密钥k和W，则解密操作为：
根据（7）式，如果：
则（18）式变为：
从而正确得到明文。
五、密钥分析
密钥有k、w变换密钥矩阵W
6、是从（4）式的8个向量排列得到的矩阵，这8个向量排列有：8！=40320种，故W矩阵有40320个。密钥k是与生成单位阵次数优有关，其取值为k=1～m。
通过统计，得到W矩阵的生成单位阵次数m有11种可能取值：1～8、10、12、15，其得到的变换矩阵W数量如表1所示。
每当取定一个m，则密钥取值为k=1～m，而变换矩阵W就有多种可选。例如取m=8，则奄可以取1～8其中之一，对应的W矩阵有2786种可供选择。于是，密钥组合是蚤和W可能取值数目的乘积。通过计算可以得到总共的密钥数目为：3. 866×10430若采用穷举法破解，以每秒列举1020个密钥，则需要1.23×1016年才能穷举完
7、所有密钥组合。可见密钥的安全性比较高。
六、实验
取密钥k=9，变换密钥矩阵W为：
计算可知道：rank（ W）=8。在MATLAB下进行加密解密计算，设明文A= [11010 llO]r，结果如图3、图4所示。
图3中明文A先被加密成密文B，然后通过正确密钥解密得到正确的明文C。图4中明文A先被加密成密文B。然后通过错误密钥解密得到错误的明文D。可见，算法能够完成加密。
针对无线传感器网络等的少量数据字节的密码编码，为增强基于Feistel结构的WSN分组加密的安全性，提出了一种新的单字节密码编码算法。加密算法采用单字节的置换和循环移位，既可以实现文件加密，也可以实现文件解密。
浙ICP备2021020529号-1 | 浙B2-20240490 
