基于混沌RC4算法的WSN安全技術(shù)研究

吳 佳 劉 敏 嚴雋薇（同濟大學，中國 上海201804）

0 引言

通常物聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡層與應用層。其中，網(wǎng)絡層與應用層的安全問題可以參照普通以太網(wǎng)，相關(guān)的研究也取得了很大的成果。感知層的通常采用無線傳輸，電池供電；具有計算能力弱，存儲空間小，電量有限，部署環(huán)境惡劣等特點。所以研究感知層安全問題的是解決工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)安全問題的難點與重點。WSN與RFID技術(shù)作為感知層技術(shù)的核心，其安全問題就是感知層的安全問題，本文主要研究WSN的安全問題。

無線傳感網(wǎng)的安全可以歸結(jié)到數(shù)據(jù)及其傳輸過程的安全，數(shù)據(jù)加密技術(shù)是保證數(shù)據(jù)安全最主要的手段，為了保證數(shù)據(jù)的秘密性、完整性和確定性，目前可以把加密算法分成兩類：對稱加密技術(shù)和非對稱加密技術(shù)。常見的對稱加密技術(shù)有DES，AES等；非對稱加密技術(shù)有RSA，ECC等。非對稱加密保密性較好，不需要保護密鑰，但算法復雜，加密時間長，速度慢，不適合用于資源有限的無線傳感網(wǎng)。

RC4是一種對稱加密算法，由Rivest在1987提出，是目前最流行的流密碼之一。由于它極其簡單的結(jié)構(gòu)和良好的安全強度受到了廣泛的歡迎。RC4加密算法是一種流加密算法，算法簡單，加密速度快，適合用于資源有限的無線傳感網(wǎng)，但是，RC4存在弱密鑰的缺陷，相關(guān)密鑰容易產(chǎn)生相似輸出，難以抵御選擇明文攻擊。

Andrew Roos在[1]中最早找出了一類在輸出序列中可以引起某種偏差的弱密鑰。Grosul和Wallach發(fā)現(xiàn)，如果密鑰長度接近2n字節(jié)，RC4算法對于相關(guān)密鑰攻擊是脆弱的另外，Mantin和Mironov都分析了KSA的輸出值的分布情況[2]。

針對以上缺點，改進RC4算法的研究也有很多。史文俊等人提出一種在RC4加密算法PGRA階段引入混沌映射的方案，改變了弱密鑰缺點,擴大了原算法的密鑰空間，增加了算法的安全性；楊吉云深入分析的混沌密碼在WSN中的應用，提出了一種基于Feistel結(jié)構(gòu)的混沌分組加密算法，在加密的同時利用混沌Hash函數(shù)產(chǎn)生消息認證碼[3]。劉宴兵等在WEP協(xié)議中引入混沌系統(tǒng)，將經(jīng)過Logistic映射得到的混沌序列作為RC4算法的種子密鑰，提高密鑰的隨機性，增加破譯難度[4]。

本文提出一種在KSA階段引入混沌信號的方法來解決RC4弱密鑰、相關(guān)密鑰的問題。

1 混沌RC4加密方案

1.1 Logistic映射

混沌系統(tǒng)是指一種看似隨機的確定性系統(tǒng)，類似于隨機現(xiàn)象。由于混沌系統(tǒng)對初值敏感,能產(chǎn)生擴散和混亂效果的特性，所以非常適合用于密碼算法[5]。

Logistic映射是一種常用的簡單的混沌映射，一維Logistic映射表示為:

其中，0≤μ≤4，Xn是第n次迭代的值,Xn+1是第（n+1）次迭代的值,μ為參數(shù)，當μ=4時，稱為滿映射。

1.2 RC4加密算法

RC4算法是一個以分組長度n為參數(shù)的二元加法流密碼體制，該算法非常簡單，包括兩個部分[6]：

（1）KSA(Key Scheduling Algorithm密鑰調(diào)度算法),由輸入的隨機密鑰K(典型長度為64或128比特)生成一個元素0,1,…,N-1組成的初始排列S{0,1,…,N-l},一般為256；

（2）PRGA(Pseudo Random Generation Algorithm偽隨機密鑰序列生成算法),PRGA借由KSA產(chǎn)生的S生成偽隨機密鑰序列,最終與明文相異或產(chǎn)生密文。

偽代碼表示為[6]：

1.3 結(jié)合混沌的改進RC4加密算法

本文提出,在RC4算法的KSA部分,添加混沌信號來增加流密碼的隨機性和遍歷性等性質(zhì)。

算法依然分為密鑰調(diào)度算法（KSA）和PRGA兩部分；PRGA部分步驟不變，KSA分為以下幾步：

（1）種子密鑰K通過以下方法初始化為X0，作為混沌映射的輸入；

外部密鑰K包含128位（16個字節(jié)），用位流表示為：

我們將K分為兩部分K1，K2；每一部分包含64位（8個字節(jié)），用位流表示為：

然后計算兩個位流

然后用實數(shù)值X01和X02計算出初始值X0

（2）X0作為Logistic映射的初值

本文中取μ=4，在經(jīng)過一定迭代次數(shù)后，得到的Xn。

（3）因為Logistic映射的到的Xn∈0,[]1 ,需要將其轉(zhuǎn)換到[0,256]區(qū)間中:

（4）將轉(zhuǎn)換的temp存儲到U[i](i=0,1,…255)，多次執(zhí)行混沌映射，知道U填滿。

（5）構(gòu)造初始S[i](i=0,1,…255),其中元素從0開始依次遞增：

（6）將S盒與U及種子密鑰K進行混合置換操作：

S先與混沌得到的U進行混合置換操作，然后與種子密鑰進行混合置換，保證了S中每一個元素都得到了執(zhí)行，起到了很好的混亂與擴散的效果。

以上步驟得到加入了混沌的S盒，然后就用偽隨機數(shù)生成算法PRGA得到密鑰流，與明文異或得到密文。

圖1 加密算法結(jié)構(gòu)

混沌RC4的解密算法與加密算法過程一樣，只是最后用生成的偽隨機序列與密文進行異或。

2 算法分析

參照[7-8]的分析方法，本文從密鑰敏感性、平衡性、字符頻率以及性能四個方面對混沌加密算法進行分析。

2.1 密鑰敏感性分析

RC4算法具有線性相關(guān)、弱密鑰、相關(guān)密鑰等缺陷，具體表現(xiàn)在密文序列對密鑰敏感度低，相關(guān)密鑰容易產(chǎn)生相似輸出。本文通過采用相似的密鑰（ahsnglid7395909與ahsnglid7395908）對同一明文進行加密，分析密文序列的相似性，實驗結(jié)果如下：

圖2 用ahsnglid7395909加密后密文

圖3 用ahsnglid7395908加密后密文

從結(jié)果分析來看，密文完全不同，由此可以看出，混沌RC4算法對密鑰的敏感性很高，該算法很好的克服了RC4弱密鑰，相關(guān)密鑰的缺陷。

2.2 平衡性分析

若產(chǎn)生的密文是隨機的，將具有較好的‘0’、‘1’平衡，即得到的密文中‘0’、‘1’的個數(shù)應該差不多，本文對生成的序列進行統(tǒng)計分析，結(jié)果如下：

表1

從上表可以看出，‘0’、‘1’個數(shù)相差不多，并且隨著明文長度的增加，兩者之間的數(shù)量也在接近，說明了密文具有良好的‘0’、‘1’平衡性。

2.3 字符頻率統(tǒng)計分析

字符頻率也能反映密文的隨機性，是分析破譯密碼的有效信息，若密文是隨機的，則密文序列每個字符的ASCII碼在[0,256]區(qū)間中應該是均與分布的。

下面對分別用RC4算法和混沌RC4算法統(tǒng)計加密后序列的ASCII碼值的頻率，實驗結(jié)果如下：

圖4 明文ASCII碼頻率統(tǒng)計

圖5 混沌RC4與RC4密文ASCII碼頻率統(tǒng)計

從圖中可以看出，混沌RC4密文序列相較與RC4算法更加平均，說明混沌RC4算法具有更好的擴散效果。

2.4 性能分析

無線傳感器的資源有限，算法執(zhí)行速度，所需存儲空間是衡量算法效果的重要指標，本文將主要從加密時間、內(nèi)存空間兩方面對其進行性能分析。對以下算法本文均采用128位密鑰，RC5進行典型的12迭代，輸入字長為32位。

表2

結(jié)果如表所示，RC4算法執(zhí)行速度最快，混沌RC4算法雖然變量空間最大，但執(zhí)行速度比RC5算法快。

3 總結(jié)

本文提出了一個基于RC4流加密和混沌Logistic映射的WSN加密算法，實驗結(jié)果表明，該算法，該算法可以作為一個用于資源有限的WSN數(shù)據(jù)加密的替代算法，因為該算法：（1）具有較快的加密速度，降低電量消耗；（2）有很好的安全性，解決了RC4算法弱密鑰、相關(guān)密鑰等缺陷。

［1］Andrew Roos.A class of weak keys in the RC4 stream cipher[OL].http：//marcel.Wanda.ch/Archive/WeakKeys，Post in sci.encrypt，September 2004.

［2］Grosul and D·Wallach.A related key cryptanalysis of RC4，TechReport[R].TR-00-358，Department of Computer Science，Rice University，June 2000.

［3］楊吉云.混沌密碼在無線傳感網(wǎng)絡安全中的應用研究[D].重慶大學，2007.

［4］劉宴兵.基于混沌的RC4流加密算法[J].計算機工程，2011，37(2).

［5］陳帥.無線微傳感器網(wǎng)絡混沌加密理論及其關(guān)鍵技術(shù)研究[D].重慶：重慶大學，2006.

［6］耿嘉，曹秀英.一種攻擊RC4-WEP類密碼的改進方法[J].通信學報，2004，25（1）：ll-21.

［7］許連杰.基于混沌加密無線傳感器網(wǎng)絡安全技術(shù)研究[D].哈爾濱工業(yè)大學，2013.

［8］Ginting，R.U，Dillak，R.Y.Digital color image encryption using RC4 stream cipher and chaotic logistic map [C]//.International Conference Information Technology and Electrical Engineering(ICITEE).2013：101-5.