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基于对称密钥算法的无线传感器网络数据传输研究
摘要
为了提高无线传感器网络数据传输的安全性和传输效率，研究了基于对称密钥算法的无线传感器网络数据传输。通过对通信模型的详细分析，发现解密主要是分配解密密码并获得解密的密钥。通过解密功能将密钥和密文分组，以最终获得密文。解密算法用于解密密文，实现无线传感器网络数据的安全处理。此外，实验分析表明，当密钥长度为16时，此方法的解密和加密所需的最短时间为0.046 ms和2.146 ms。采用此方法时，无线传感器网络具有较高的传输量和较长的生存时间，并且传输数据的可靠性高达98.6％。
关键字：对称密钥算法，无线传感器网络，数据传输，传输协议，伪编码
介绍
无线传感器网络由部署在监视区域中的大量廉价的微传感器节点组成，该节点是通过无线通信形成的多跳自组织网络系统。它已引起国际社会的广泛关注，涉及微波传感器和微机械，通信，自动控制，人工智能和许多其他学科。它集成了传感器技术，嵌入式计算技术，现代网络和无线通信技术，分布式信息处理技术等。其目的是协作感测，收集和处理有关网络覆盖区域中感知对象的信息（例如光强度，温度）。湿度，噪音，振动和有害气体浓度，然后将其无线发送给观察者）。传感器，感知到的物体和观察者构成了传感器网络的三个要素。如果互联网构成了一个逻辑信息世界并改变了人们彼此通信的方式，那么无线传感器网络将逻辑信息世界与客观的物理世界结合起来，从而改变人类与自然互动的方式。人们可以通过传感器网络直接感知客观世界，从而大大扩展了现有功能网络和人类了解世界的能力。
作为一种新兴技术，无线传感器网络越来越受到国内外学术界和工程界的关注。它在军事侦察，环境监测，医疗，太空探索，智能家居，工业控制和其他商业应用中显示出广阔的应用前景，并且被认为是将对21世纪产生巨大影响的技术之一。在无线传感器的数据传输过程中，数据安全性更为重要，因此应采用适当的方法来提高无线传感器传输数据的安全性。有关文献的回顾发现，Eschenauer和Gligor学者提出了一种基于概率的秘密密钥分配算法。在此基础上，Pietro等人。给出随机密钥预分配算法，该算法将从选定的密钥空间中随机选择一个密钥子空间；从子空间中随机选择一组键，以将其保存到传感器节点中。在形成网络拓扑之后，每个节点都与其邻居进行通信，然后找到公钥并将其用作加密密钥。
基于此方法，Chan学者提出了一种q合成方法，其中两个通信方共同使用q键来增强网络稳定性。经过以上分析，对称密钥算法比非对称密钥算法具有更多的优势。对称密钥算法是传统的密码系统，也称为单密钥密码系统。如果密码系统的加密密钥与解密的密钥相同，或者可以从其中的任何一种，密码系统都称为对称密钥密码系统。其特征在于，加密密钥和解密密钥是相同或基本相同的，并且必须严格保密该密钥。这意味着密码通信系统的安全性完全取决于密钥。对通信双方的信息进行加密后，可以在不安全的信道上进行传输，但是在传输密钥时，双方都必须提供安全可靠的信道。常用的对称密码算法是美国IBM开发的DES和3DES，以及赖雪佳设计的IDEA和AES。这些是组密码，当完全公开解密的详细信息时，它们具有保证加密消息安全性的能力。计算量小，解密速度快，效率高。但是它们都是基于这样的原理，即一组纯文本加密只能得到一组密文。在信息的最后使用中，加密只能包含一种类型的信息，并且在解密时只能获得此信息的全部内容。因此，需要增加一次传输的信息量，并且对于特定的使用环境，不使用分支判断就不可能提供不同的信息，即必须使用判断语句来提供不同的信息。 。在这些方面，传统的对称密码在技术上有待改进。同时，这些分组密码的分析技术也迅速发展，例如差分密码分析，线性密码分析和差异攻击。基于以上分析，本文在对称密钥算法的基础上，采用两组明文和两组密钥进行加密，可以将相同长度的密文消息的信息传输能力提高两倍，并可以有效地提高加密效率。防止详尽的攻击。同时，它还提供了防篡改和检查机制，以实现对无线传感器网络数据的安全处理。在此基础上，数据将通过无线传感器网络的数据传输协议进行传输，可以有效提高无线传感器传输数据的安全性。
2.材料和方法
2.1 日期加密
2.1.1 对称密钥算法的数学原理
对称密钥算法的数学原理如下：在二维平面笛卡尔坐标系中，已知两点坐标以确定一条直线。该线具有一定的斜率kand截距b，如图1所示。
图1 二维平面笛卡尔坐标系中的线性方程
对于具有已知斜率k和截距b的该直线，可以任意给出横坐标，并可以获得相应的纵坐标。
- 加密
给定的两组键和明文（k1，m1，k2，m2）对应于两个点坐标，并且联立方程如等式所示
(2) 解密
从接收到的密文c中，提取斜率A和截距B以形成等式m=Ak B来确定一条线；将密钥k1或k2替换为k，以获得相应的明文m1或m2。根据对称密钥算法的数学原理，必须从两点坐标获得直线方程的斜率和截距。相反，在已知线方程和横坐标的情况下，必须获得纵坐标。然后，只有有意义的水平坐标才能用于获得有意义的坐标。否则，将无法获得有用的信息。换句话说，对称密钥算法只能为具有密钥的合法用户提供安全服务。
2.1.2。对称密钥算法的通信模型
在分析对称密钥算法原理的基础上，研究了对称密钥算法的通信模型。对称密钥算法的通信模型如图2所示。
（1）消息发送方爱丽丝使用终端A的两个不同的密钥（k1，k2）对任意长度的两个不同的明文（m1，m2）进行加密，并最终获得一个密文。
（2）通过公共信道从终端A到终端B接收密文c；
（3）当消息接收者在终端B解密密文c时，输入不同的正确密钥以获得一个不同的正确明文，并且在一次解密中只能获得一组明文。如果Bob输入密钥k1，则将获得纯文本m1。卡罗尔输入密钥k2，该密钥可通过明文m2获得。换句话说，解密过程只能获得一组明文。
（4）如果在终端B上输入了错误的密钥，则解密将失败。
2.1.3。加密和解密的过程
通过以上分析，发现符号密钥算法被用于最重要的通信模型中的解密和加密。对称密钥算法的完整结构如图3所示。虚线的左侧是加密过程，右侧是解密过程。在加密过程中，原始数据是从邮件的发送方获得的，例如明文m1和m2以及密码p1和p2。
- 预处理明文。将散列函数用于纯文本111，并在散列后获取m_h1。填充明文111以获得m_p1，并使用以下方法扩散m_p1来获得m_hp1。然后将m_h1放在m_hp1前面并连接以获取m_hpd1。类似地，从m_h2，m_h1，m_p2，m_hp2和m_hpd2获得。
- 预处理密码。分别使用哈希函数对密码p1和p2进行哈希处理以获得密钥k1和k2
- 预处理后的明文m_hpd1，m_hpd2以及密钥k1和k2分别根据特定的数据包长度进行分段[12]，并且通过加密功能获得密文c。
在解密的过程中，解密的密码p被散列，并获得解密的密钥k。通过解密功能从k和密文c获得密文m0 0。在提取了m00_h和m00_d之后，将m00_d逆扩散，从而获得m00_d-1。填充m00_d-1以获得m0.M0被散列以获得m0_h.M0_h与m00_h进行比较，如果它们相等，则解密成功。 M0是通过解密获得的正确明文。否则，解密将失败。注意，以上描述是一个数据包加解密过程，然后使用ECB模式将数据包的解密扩展为对任意长度数据的加密。
2.2。无线传感器网络的数据传输
2.2.1。无线传感器网络模型
根据以上分析，使用对称密钥算法可以显着提高无线传感器网络数据传输的安全性。基于此，进一步分析了无线传感器网络的传输性能，以提高无线传感器网络的传输性能。首先要分析无线传感器网络的传输结构，并根据传输结构设计无线传感器网络的传输协议。基于无线传感器的传输协议用于优化无线传感器的数据传输。无线传感器网络的传输结构如图4所示。
在无线传感器网络中，节点能耗主要包括三个部分，即传感器模块，处理器模块和无线通信模块。将1位数据传输到100 m所消耗的能量等于执行3000条计算指令所消耗的能量。处理器模块和传感器模块的能耗是恒定的能耗，和能源消耗模型使得能耗降至恒定值Pcthorn;s。当无线模块发送n位数据的距离为d时，RF模块发送和接收的功耗为：
其中表示发送和接收1比特数据的发送设备和接收电路所消耗的能量，放大表示发射放大器以1 平方米的速率发送1比特数据所消耗的能量，表示传播衰减系数，其为由周围环境的复杂性决定。在无线传感器网络通信期间，传感器节点的端口包括两个队列（数据传输队列和数据存储队列）。在实际的通信过程中，数据存储的能耗远小于数据传输的能耗[15]。因此，在本文中，无线传感器网络的节点消耗模型仅考虑数据传输过程中的能耗。假设在无线传感器网络中，X代表发送的信号，而节点接收到的信号为：
其中Z表示高斯干扰。由于无线传感器网络节点处于通信状态，因此数据传输和信号的传输功率直接相关。通过调整节点的传输功率可以优化无线传感器网络的数据传输。假设p(t)表示信号传输功率，则无线传感器网络的信道瞬时比特率是：
时间T被平均分为n个1份额，表示为Si，并且i=0 ,1, 2hellip; N。 收集的能量记录为E，相应的传输比特率记录为r。在T处传输的最大数据量的最佳公式为
2.2.2。传输协议的设计程序
无线传感器网络数据传输是自下而上的数据上传和自上而下的命令发布过程。传输协议的设计方法是自下而上的。从数据源开始，设置完整的数据帧结构以实现ZIGBEE网络节点通信机制和远程网络通信机制。自下而上的数据主要包括命令请求，数据收集，路由表和邻居表。设计数据传输协议的主要问题是设计数据帧结构，然后设计信息协议的处理模块。通过直接将Uart接口与计算机串行端口连接来开发数据传输协议。这有利于计算机直接与ZIGBEE网络通信并开发串行通信的数据格式。它还允许通过计算机端发送的命令来控制ZIGBEE网络的所有操作。通过计算机收集的ZIGBEE网络信息，结合相关的理论知识，可以识别ZIGBEE协议的内幕。通过对路由表的研究，结合相关ZIGBEE协议中的路由算法，验证了ZIGBEE网络的真实路由情况，并实现了路由表邻居表和收集数据的上传功能。 ZIGBEE网络中的真实ID在计算机串行端口程序中被完全阻止，因为每次重置后网络ID都会更改。在上位机应用中，每个节点的固定物理地址被用作节点的标签，以实现网络地址与聚合节点的物理地址之间的映射关系。手动控制已从计算机的串行程序中删除，并且串行事件和程序的内部时钟用于控制程序的运行。设计了数据传输系统的中继架构。本地通信包括：节点唤醒通知，数据收集请求，邻居表请求，路由表请求，获取数据上传，邻居表上传，路由表上传，恢复请求和休眠请求。无线传感器网络数据传输协议的设计过程如上所述。根据以上步骤，保证了从节点到主机的通信的正常性和稳定性，并实现了软件程序的可扩展性。
2.2.3。数据传输的优化策略
在满足无线传感器网络的数据传输协议的基础上，假设传感器节点的传输功率在传输过程中保持不变，并且将等式（5）的约束问题转化为无约束的优化问题。惩罚函数。然后
其中mjmeans是惩罚因子，而Djmeans是惩罚。在任何时刻，传感器节点的所有能量都将耗尽，然后：
Mj=0。在任何时候，传感器节点的所有能量都不会耗尽，然后：
当,然后
在时间T，传感器节点的所有能量都耗尽了，然后
根据以上两个公式，可得出以下公式：
该公式是偏导数，并且可以得到以下公式。
当无线传感器网络发送的数据量很大并且发送功率趋于恒定时，发送的数据量最大，即，可以将等式（12）更改为：
从（9）到（13），可以得到无线传感器发射功率的优化公式：
3.结果
为了验证本文数据传输方法的效果，需要进行实际分析。分析过程使用Intel 2.8 GHz 4核CPU，4 G内存，800 G硬盘，Windows XP操作系统计算机，并使用Matlab 2012R软件进行仿真测试。实验对象是某城市物流的无线传感器网络。仿真实验参数如表1所示。为了使实验更具说服力，将本文方法与基于非对称密钥算法的无线传感器网络数据传输方法和无线传感器数据传输方法进行了比较。基于压缩感知算法。通过从多个角度比较这三种方法，验证了该方法的有效性。
3.1时空占用
为了分析无线传感器网络数据传输过程中加密和解密所占用的时间和数据空间，有必要比较加密和解密所需的时间和数据空间。三种解密方法处理不同数量的数据。比较结果示于表中。从表2中可以看出，密钥长度增加，解密和加密时间增加，解密和加密所占用的空间逐渐增加。在相同密钥长度下，该方法的加密时间和解密时间明显低于两种比较方法，并且在相同密钥长度下，该方法所占用的空间显着低于两种比较方法。在该方法的方法中，当密钥长度为16时，解密和加密所需的最短时间为0.046 ms和2.146 ms，最小占用空间为783bit。也就是说，该方法的解密和加密性能更好，并且适合应用于无线传感器网络的实际传输。
3.2能耗分析
为了验证数据传输期间无线传感器的能耗，有必要比较三种方法在不同数据量下的能耗。比较结果显示在表3中。从表3中可以看出，随着无线传感器发送的数据量持续增加，这三种方法所消耗的能量也在增加。比较这三种方法，在相同传输数据量下，该方法所消耗的能量低于两种比较方法。该方法消耗的最小能量为318.692J。使用本发明的方法，可以在数
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