CN116781235A - 水下传感器网络加解密方法、装置、水下设备及存储介质 - Google Patents

水下传感器网络加解密方法、装置、水下设备及存储介质 Download PDF

Info

Publication number
CN116781235A
CN116781235A CN202310685197.6A CN202310685197A CN116781235A CN 116781235 A CN116781235 A CN 116781235A CN 202310685197 A CN202310685197 A CN 202310685197A CN 116781235 A CN116781235 A CN 116781235A
Authority
CN
China
Prior art keywords
quantum
chaotic sequence
ciphertext data
data
encryption
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202310685197.6A
Other languages
English (en)
Inventor
温恒
王静
崔军红
郭晓新
霍利鹏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Smart Ocean Technology Co ltd
Jilin University
Original Assignee
Smart Ocean Technology Co ltd
Jilin University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Smart Ocean Technology Co ltd, Jilin University filed Critical Smart Ocean Technology Co ltd
Priority to CN202310685197.6A priority Critical patent/CN116781235A/zh
Publication of CN116781235A publication Critical patent/CN116781235A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/001—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols using chaotic signals
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B13/00—Transmission systems characterised by the medium used for transmission, not provided for in groups H04B3/00 - H04B11/00
    • H04B13/02—Transmission systems in which the medium consists of the earth or a large mass of water thereon, e.g. earth telegraphy
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00—Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0816—Key establishment, i.e. cryptographic processes or cryptographic protocols whereby a shared secret becomes available to two or more parties, for subsequent use
    • H04L9/0852—Quantum cryptography
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W12/00—Security arrangements; Authentication; Protecting privacy or anonymity
    • H04W12/03—Protecting confidentiality, e.g. by encryption
    • H04W12/033—Protecting confidentiality, e.g. by encryption of the user plane, e.g. user's traffic
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W84/00—Network topologies
    • H04W84/18—Self-organising networks, e.g. ad-hoc networks or sensor networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Arrangements For Transmission Of Measured Signals (AREA)

Abstract

本发明提供水下传感器网络加解密方法、装置、水下设备及存储介质，涉及信息加密技术领域。加密方法包括：根据随时间变化的混沌序列生成混沌序列密钥；根据混沌序列密钥确定量子旋转门中旋转矩阵的旋转角；对量子旋转门的旋转矩阵中的元素进行扩大和向下取整，得到目标量子旋转门；将明文数据输入至目标量子旋转门，得到输出的密文数据。本发明采用量子旋转门加密算法进行加密，并且通过时变混沌序列生成密钥，整个加密系统会随着时间的变化而不定期更新，进一步提高了密文的混乱性与平衡性，从而提高加密算法的安全性。此外本发明的方法整体计算量不大，加密后得到的密文并不长，能够适应水下无线传感器网络中CPU算力不足、通信带宽窄等特点。

Description

水下传感器网络加解密方法、装置、水下设备及存储介质
技术领域
本发明涉及信息加密技术领域，尤其涉及一种水下传感器网络加解密方法、装置、水下设备及存储介质。
背景技术
水下无线传感器网络(Underwater Wireless Sensor network,UWSN)是研究海洋科学必不可少的组成部分。在采矿、军事等领域都有应用。但是，目前UWSN更注重性能的开发，而安全性相对较差。UWSN的安全威胁主要包括物理攻击、传输数据攻击、拒绝服务攻击、伪装攻击四个类型。其中，传输数据攻击是非常重要的一个威胁。为了尽量降低传输数据被成功攻击的概率，需要设计有效且适合UWSN的加密算法。
相对于陆地上的无线传感器网络(Wireless Sensor network,WSN)而言，UWSN中的节点内存有限、CPU算力较低、充电困难。同时，水声信道存在高延迟、窄带宽、高误码率、不稳定等问题。针对上述较为恶劣的水下环境，直接导致WSN中的加密算法很难直接用于UWSN中。
发明内容
本发明提供一种水下传感器网络加解密方法、装置、水下设备及存储介质，用以解决现有技术中水下无线传感器网络的数据安全性较低的问题。
本发明提供一种水下传感器网络加密方法，包括：根据随时间变化的混沌序列生成混沌序列密钥；根据混沌序列密钥确定量子旋转门中旋转矩阵的旋转角；对量子旋转门的旋转矩阵中的元素进行扩大和向下取整，得到目标量子旋转门；将明文数据输入至目标量子旋转门，得到目标量子旋转门输出的密文数据。
根据本发明提供的一种水下传感器网络加密方法，根据随时间变化的混沌序列生成混沌序列密钥，包括：确定明文数据的长度m；确定混沌序列初始值x0＝Kt，其中，Kt为初始密钥；通过明文数据的长度m确定混沌迭代次数N；根据迭代次数N、初始值x0确定混沌序列{x0,x1,…,xN}，并将混沌序列作为混沌序列密钥。
根据本发明提供的一种水下传感器网络加密方法，根据混沌序列密钥确定量子旋转门中旋转矩阵的旋转角，包括：将混沌序列密钥的每一项xi从原始区间[0,9]映射到区间内作为量子旋转门中旋转矩阵的旋转角θi，即：/>
根据本发明提供的一种水下传感器网络加密方法，将明文数据输入至目标量子旋转门，得到目标量子旋转门输出的密文数据，包括：对明文数据进行分组，得到第一明文数据和第二明文数据；通过量子旋转门进行加密的过程为：
其中，αi是第一明文数据中的字符，βi是第二明文数据中的字符，α′i，β′i分别是通过量子旋转门获得的第一密文数据中的字符和第二密文数据中的字符，θi是由混沌序列密钥确定的量子旋转门中旋转矩阵的旋转角，其中，|α′i|2+|β′i|2＝|αi|2+|βi|2＝1；对第一密文数据和第二密文数据进行线性变换，得到量子旋转门输出的密文数据。
根据本发明提供的一种水下传感器网络加密方法，对第一密文数据和第二密文数据进行线性变换，得到量子旋转门输出的密文数据，包括：通过线性变换公式对第一密文数据C1和第二密文数据C2进行处理，其中线性变换公式为：
其中，C1(i)与C2(i)分别表示第一密文数据C1和第二密文数据C2对应的第i位，C’1(i)与C’2(i)分别表示经过线性变换后的第一密文数据和第二密文数据对应的第i位；xi表示混沌序列密钥中的第i个密钥，xN-i表示混沌序列密钥中的第N-i个密钥。
本发明还提供一种水下传感器网络解密方法，包括：根据随时间变化的混沌序列生成混沌序列密钥；根据混沌序列密钥确定量子旋转门中旋转矩阵的旋转角；对量子旋转门的旋转矩阵中的元素进行扩大和向下取整，得到目标量子旋转门；将密文数据输入至目标量子旋转门，得到目标量子旋转门输出的明文数据。
根据本发明提供的一种水下传感器网络加密方法，将密文数据输入至目标量子旋转门，得到目标量子旋转门输出的明文数据，包括：通过量子旋转门进行解密的过程为：
其中，αi是第一明文数据中的字符，βi是第二明文数据中的字符，α′i,β′i分别是输入量子旋转门的第一密文数据中的字符和第二密文数据中的字符，θi是由混沌序列密钥确定的量子旋转门中旋转矩阵的旋转角，其中，|α′i|2+|β′i|2＝|αi|2+|βi|2＝1；对第一明文数据和第二明文数据进行组合，得到量子旋转门输出的明文数据。
根据本发明提供的一种水下传感器网络加密方法，通过量子旋转门进行解密之前，方法还包括：对密文数据进行分组，得到第一密文数据C’1和第二密文数据C’2；通过线性逆变换公式对第一密文数据C’1和第二密文数据C’2进行处理，其中线性逆变换公式为：
其中，C’1(i)与C’2(i)分别表示第一密文数据C’1和第二密文数据C’1对应的第i位，C1(i)与C2(i)分别表示经过线性逆变换后的第一密文数据和第二密文数据对应的第i位；xi表示混沌序列密钥中的第i个密钥，xN-i表示混沌序列密钥中的第N-i个密钥。
本发明还提供一种水下传感器网络加密装置，包括：混沌序列密钥生成模块，用于根据随时间变化的混沌序列生成混沌序列密钥；旋转角确定模块，用于根据混沌序列密钥确定量子旋转门中旋转矩阵的旋转角；目标量子旋转门模块，用于对量子旋转门的旋转矩阵中的元素进行扩大和向下取整，得到目标量子旋转门；加密处理模块，用于将明文数据输入至目标量子旋转门，得到目标量子旋转门输出的密文数据。
本发明还提供一种水下传感器网络解密装置，包括：混沌序列密钥生成模块，用于根据随时间变化的混沌序列生成混沌序列密钥；旋转角确定模块，用于根据混沌序列密钥确定量子旋转门中旋转矩阵的旋转角；目标量子旋转门模块，用于对量子旋转门的旋转矩阵中的元素进行扩大和向下取整，得到目标量子旋转门；解密处理模块，用于将密文数据输入至目标量子旋转门，得到目标量子旋转门输出的明文数据。
本发明还提供一种水下设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现上述的水下传感器网络加密方法或/和水下传感器网络解密方法。
本发明还提供一种计算机可读存储介质，所述存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述的水下传感器网络加密方法或/和水下传感器网络解密方法。
本发明提供的水下传感器网络加解密方法、装置、水下设备及存储介质，加密方法包括：根据随时间变化的混沌序列生成混沌序列密钥；根据混沌序列密钥确定量子旋转门中旋转矩阵的旋转角；对量子旋转门的旋转矩阵中的元素进行扩大和向下取整，得到目标量子旋转门；将明文数据输入至目标量子旋转门，得到目标量子旋转门输出的密文数据。本发明采用了量子旋转门加密算法对数据进行加密，并且进一步通过时变混沌序列生成密钥，密钥随着时间的改变而不定期变化，整个加密系统也会随着时间的变化而不定期更新，以进一步提高了密文的混乱性与平衡性，从而提高加密算法的安全性。此外，本发明的加解密方法整体计算量并不大，加密后得到的密文并不长，能够适应水下无线传感器网络中CPU算力不足、通信带宽窄等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明水下传感器网络加密方法一实施例的流程示意图；
图2是本发明水下传感器网络加密方法中混沌序列生成过程一实施例的流程示意图；
图3(a)是本发明水下传感器网络加密方法中对明文数据进行分组一实施例的示意图；
图3(b)是本发明水下传感器网络加密方法中对明文数据进行分组另一实施例的示意图；
图4是本发明水下传感器网络解密方法一实施例的流程示意图；
图5是本发明发送节点数据加密过程一实施例的流程示意图；
图6是本发明接收节点数据解密过程一实施例的流程示意图；
图7是本发明水下传感器网络加密装置一实施例的结构意图；
图8是本发明水下传感器网络解密装置一实施例的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
混沌加密算法(Chaotic cryptography)对于是密码学领域的一个重要分支。而量子计算以及量子加密是未来的一个发展趋势。目前，大部分量子加密算法都依赖于量子计算机，而量子计算机目前还未普及，且未考虑水声通信的相关特点。
混沌加密算法的一个研究方向，其隐蔽性、不可预测性、序列复杂度大、易于生成、种类多等特点使其拥有非常好的加密效果。而混沌系统产生的混沌序列与量子旋转门相结合，不仅能具有全是混沌的优势，还能通过量子门运算，进一步提升算法的安全性能。通过量子旋转门加密策略，可以大幅度增大加密算法的混乱性与扩散性，减小传输数据长度，减少计算量。
本发明基于混沌加密与量子旋转门加密各有其优势，将UWSN的混沌加密算法与量子旋转门加密策略相结合进行算法设计，并且考虑时变因素，时变加密算法的不定期更换密钥的特性，充分增加了数据传输的安全性，节点的密钥是不定期改变的，那么网络传输的数据比较难遭受窃取。
本发明在基于UWSN节点通信场景，致力于在一个环境复杂的海洋中实现一种合理、有效、高效且适用的通信数据加密算法。利用该算法，UWSN节点传输的数据安全性能较高。同时考虑了量子旋转门加密策略对混乱性的增强，进一步提高了水下无线传感器网络节点通信数据的安全性，同事尽可能地减少计算量与传输密文的长度。
本发明提供一种水下传感器网络加密方法，请参阅图1，图1是本发明水下传感器网络加密方法一实施例的流程示意图，在本实施例中，水下传感器网络加密方法包括步骤S110～S140，该方法实施于水下设备，如水下无线传感器网络中进行水声通信的节点设备，其中节点设备之间时间同步，各步骤具体如下：
S110：根据随时间变化的混沌序列生成混沌序列密钥。
本实施例中，采用Tent混沌映射生成混沌序列，水下无线传感器网络中所有节点设备预设相同的Tent混沌映射，到达约定时间时，所有节点设备根据当前时间的混沌序列生成混沌序列密钥，这样可以保证整个网络节点设备在下一个约定时间到达之前的一段时间内具有相同的混沌序列，且到达另一约定时间时，又同时调整成新的混沌序列。Tent混沌映射具有分段线性、均匀分布、易迭代、混乱性高、数量多、自相关性好、增加序列多样性等特点。
Tent混沌映射在此的作用是生成混乱性较强的混沌序列，即混沌序列密钥。Tent混沌映射可以表示为：
其中，当参数a∈(0，1)，xi∈(0，1)时，系统处于混沌状态，且其概率密度在区间(0，1)上服从均匀分布。
i表示混沌序列密钥的索引，xi表示所述混沌序列密钥中的第i个密钥，xi+1表示所述混沌序列密钥中的第i+1个密钥。
而在加密过程中，加密系统如果是固定不变的，那么被破译的概率要比不定期改变的概率大很多。采用时变的混沌系统可以提高加密算法的安全性能。因此，对于原始的Tent混沌映射系统，需要对其进行一些必要的改进，改进后的迭代公式为：
其中，at为不同时间段内的分段函数，随着时间的变化而不定期变化，以提高加密算法的安全性。
在一些实施例中，根据随时间变化的混沌序列生成混沌序列密钥的步骤，包括：
确定明文数据的长度m；确定混沌序列初始值x0＝Kt，其中，Kt为初始密钥；通过明文数据的长度m确定混沌迭代次数N；根据迭代次数N、初始值x0确定混沌序列{x0,x1,…,xN}，并将混沌序列作为混沌序列密钥。
具体地，对于给定初始密钥Kt，令x0＝Kt，待加密的明文M共有字符m个，则要得到混沌序列密钥，需要进行Tent迭代操作的次数N为：
其中，符号表示向下取整运算，m>0且为整数。Kt表示初始密钥，为时间t的分段函数。这样增加了加密系统的时变性，提高了加密算法的安全性。
最终，生成的混沌序列{x0,x1,…,xN}作为用于后续加密过程中的混沌序列密钥。
请参阅图2，图2是本发明水下传感器网络加密方法中混沌序列生成过程一实施例的流程示意图。
混沌序列生成过程包括：确定明文长度m，计算混沌迭代次数N，确定混沌序列初始值x0＝Kt，判断是否达到N次迭代，若否，则计算第n次迭代项xn，若达到N次迭代，则输出整个混沌序列作为混沌序列密钥。
S120：根据混沌序列密钥确定量子旋转门中旋转矩阵的旋转角。
在量子计算机中，充当信息存储单元的物理介质是一个双态量子系统，称为量子比特。在量子空间中，量子位即量子比特为最小的信息单元。一个量子比特的状态可以同时处在两个量子态的叠加态中，表示为：
其中，|0>和|1>分别表示自旋向下态和自旋向上态。所以一个量子比特可同时包含态|0＞和|1＞的信息。(α,β)是构成量子比特的双态量子系统的两个量子态，是量子比特的概率幅，满足：
|α|2+|β|2＝1 (5)
量子加密具有很多优势，如存储大、并行计算、不可复制、防窃听等，但是大部分特点都是基于量子计算机产生的。量子门作为演化操作的执行机构，可根据具体问题进行选择。目前已有的量子门有很多种，根据量子加密算法的计算特点，加密过程中采用量子旋转门采对明文进行加密较为合适。量子旋转门的具体操作为：
其中，θi表示量子旋转门中旋转矩阵U(θi)的旋转角，为混沌序列构成的混沌序列密钥。经计算可得，旋转矩阵U(θi)的行列式det(U(θi))＝1，因此，旋转矩阵U(θi)一定可逆。
当明文字符为时，假设加密后得到的密文字符为/>则应用量子加密过程可以表示为：
解得，
可以得到，
|α′i|2+|β′i|2＝[αicos(θi)-βisin(θi)]2+[αisin(θi)+βicos(θi)]2＝|αi|2+|βi|2＝1 (9)
其中，i＝1，2，…，N。
请参阅图3(a)-图3(b)，图3(a)是本发明水下传感器网络加密方法中对明文数据进行分组一实施例的示意图，图3(b)是本发明水下传感器网络加密方法中对明文数据进行分组另一实施例的示意图。
在本实施例中，主要包括三步骤：获得原明文数据，将原明文数据分配为两组子明文数据，最后得到第一明文数据和第二明文数据。
原明文数据M可以包括b1，b2，b3，b4，…，bm，在对原明文数据M进行分组时，首先判断m的奇偶，若m为奇数，则末尾补字符b’，如图3(b)所示；若m为偶数，则直接分组，如图3(a)所示。
将原明文数据M中的奇数位分配至第一明文数据M1，将原明文数据M中的偶数位分配至第二明文数据M2，最后得到包含明文数据M中所有奇数位字符的第一明文数据M1和包含明文中所有偶数位字符的第二明文数据M2。
其中，当m为偶数时，第一明文数据M1包括b1，b3，…，bm-1，第二明文数据M2包括b2，b4，…，bm，如图3(a)所示。当m为奇数时，第一明文数据M1包括b1，b3，…，bm，第二明文数据M2包括b2，b4，…，b’，如图3(b)所示。
为了避免负数的出现，将混沌序列密钥的每一项xi从原始区间[0,9]映射到区间内作为旋转角θi，i＝1，2，…，n，即，
S130：对量子旋转门的旋转矩阵中的元素进行扩大和向下取整，得到目标量子旋转门。
在实际加密过程中，由于旋转矩阵U(θi)中cos(θi)与sin(θi)的取值范围均在区间[0,1]内，公式(7)计算后得到的数据属于浮点型数据，并不能很好的对数据进行加密，如果对结果取整，则旋转矩阵U(θi)计算后只能得到0和1两个数，也不是很适合加密。因此，需要进行一些必要的处理。
为了提取出旋转矩阵U(θi)中的有效数据，先将矩阵U(θi)中的元素扩大若干倍，再进行向下取整运算。这样可以直接提取出旋转矩阵U(θi)中的每个元素的第1位小数，这样可以增加矩阵旋转U(θi)中元素的多样性。
在一些实施例中，可以先将矩阵U(θi)中的元素扩大10倍，再进行向下取整运算。因此，公式(7)可以改进为：
解得，
S140：将明文数据输入至目标量子旋转门，得到目标量子旋转门输出的密文数据。
在一些实施例中，将明文数据输入至目标量子旋转门，得到目标量子旋转门输出的密文数据的步骤，具体包括：
对明文数据进行分组，得到第一明文数据和第二明文数据；通过量子旋转门进行加密的过程为：
其中，αi是第一明文数据中的字符，βi是第二明文数据中的字符，α′i，β′i分别是通过量子旋转门获得的第一密文数据中的字符和第二密文数据中的字符，θi是由混沌序列密钥确定的量子旋转门中旋转矩阵的旋转角，其中，|α′i|2+|β′i|2＝|αi|2+|βi|2＝1；对第一密文数据和第二密文数据进行线性变换，得到量子旋转门输出的密文数据。
在一些实施例中，对第一密文数据和第二密文数据进行线性变换，得到量子旋转门输出的密文数据的步骤，具体包括：
通过线性变换公式对第一密文数据C1和第二密文数据C2进行处理，其中线性变换公式为：
其中，C1(i)与C2(i)分别表示第一密文数据C1和第二密文数据C2对应的第i位，C’1(i)与C’2(i)分别表示经过线性变换后的第一密文数据和第二密文数据对应的第i位；xi表示混沌序列密钥中的第i个密钥，xN-i表示混沌序列密钥中的第N-i个密钥。
以上，本实施例提供一种水下传感器网络加密方法，根据随时间变化的混沌序列生成混沌序列密钥；根据混沌序列密钥确定量子旋转门中旋转矩阵的旋转角；对量子旋转门的旋转矩阵中的元素进行扩大和向下取整，得到目标量子旋转门；将明文数据输入至目标量子旋转门，得到目标量子旋转门输出的密文数据。本发明采用了量子旋转门加密算法对数据进行加密，并且进一步通过时变混沌序列生成密钥，密钥随着时间的改变而不定期变化，整个加密系统也会随着时间的变化而不定期更新，以进一步提高了密文的混乱性与平衡性，从而提高加密算法的安全性。此外，本发明的加解密方法整体计算量并不大，加密后得到的密文并不长，能够适应水下无线传感器网络中CPU算力不足、通信带宽窄等特点。
水下传感器网络加密算法包括了加密过程和解密过程，因此本发明还提供一种水下传感器网络解密方法，请参阅图4，图4是本发明水下传感器网络解密方法一实施例的流程示意图，在本实施例中，水下传感器网络解密方法包括步骤S410～S440，该方法实施于水下设备，如水下无线传感器网络中进行水声通信的节点设备，其中节点设备之间时间同步，各步骤具体如下：
S410：根据随时间变化的混沌序列生成混沌序列密钥。
S420：根据混沌序列密钥确定量子旋转门中旋转矩阵的旋转角。
S430：对量子旋转门的旋转矩阵中的元素进行扩大和向下取整，得到目标量子旋转门。
S440：将密文数据输入至目标量子旋转门，得到目标量子旋转门输出的明文数据。
解密过程可以视为加密过程的逆运算，因此本实施例的水下传感器网络解密方法与上述实施例水下传感器网络加密方法相同的步骤，在此不多赘述，具体可参阅上述实施例。需要说明的是，S410～S430的步骤是节点设备到达约定时间时，所有节点设备根据当前时间的混沌序列生成混沌序列密钥，根据混沌序列密钥确定量子旋转门中旋转矩阵的旋转角，对量子旋转门的旋转矩阵中的元素进行扩大和向下取整，得到目标量子旋转门，也就是一段时间内目标量子旋转门不变，这段时间内接收到的密文数据后，直接输入至目标量子旋转门，得到目标量子旋转门输出的明文数据。
在一些实施例中，将密文数据输入至目标量子旋转门，得到目标量子旋转门输出的明文数据，包括：通过量子旋转门进行解密的过程为：
其中，αi是第一明文数据中的字符，βi是第二明文数据中的字符，α′i,β′i分别是输入量子旋转门的第一密文数据中的字符和第二密文数据中的字符，θi是由混沌序列密钥确定的量子旋转门中旋转矩阵的旋转角，其中，|α′i|2+|β′i|2＝|αi|2+|βi|2＝1；对第一明文数据和第二明文数据进行组合，得到量子旋转门输出的明文数据。
在一些实施例中，通过量子旋转门进行解密之前，水下传感器网络解密方法还包括：
对密文数据进行分组，得到第一密文数据C’1和第二密文数据C’2；
通过线性逆变换公式对第一密文数据C’1和第二密文数据C’2进行处理，其中线性逆变换公式为：
其中，C’1(i)与C’2(i)分别表示第一密文数据C’1和第二密文数据C’1对应的第i位，C1(i)与C2(i)分别表示经过线性逆变换后的第一密文数据和第二密文数据对应的第i位；xi表示混沌序列密钥中的第i个密钥，xN-i表示混沌序列密钥中的第N-i个密钥。
至于解密过程，解密算法可以看作加密算法的逆运算。对于改进前的解密过程可以表示为：
即，
解得，
而改进后解密算法计算思路类似，改进后的解密过程可以表示为：
解得，
为了更直观的理解加密与解密流程，水下传感器网络加密算法在加密与解密过程中的具体流程可参阅图5-6，图5是本发明发送节点数据加密过程一实施例的流程示意图；图6是本发明接收节点数据解密过程一实施例的流程示意图。
发送节点数据加密过程包括：初始化相关参数；生成混沌序列密钥；对明文M进行分组，得到M1，M2；采用基于量子旋转门的加密算法对M1，M2进行加密，对得到的密文C1，C2进行线性变换，得到密文C，发送密文C到接收节点。
接收节点数据解密过程包括：接收密文C；初始化相关参数；生成混沌序列密钥；对密文C进行分组，得到C1，C2，对密文C1，C2进行线性逆变换，采用基于量子旋转门逆运算的解密算法对C1，C2解密，对得到的明文M1，M2进行组合，得到明文M，对数据进行处理。
需要说明的是，水下无线传感器网络中的每个节点可以只包括数据加密功能(即作为发送节点)，也可以只包括数据解密功能(即作为接收节点)，还可以既包括数据加密功能也包括数据解密功能(即根据应用场景不同选择作为发送节点或接收节点)。
通过上述加密算法中的关键加密策略，基于量子旋转门的水下无线传感器网络时变混沌加密算法整体设计主要步骤如下：
步骤1：设定初始密钥Kt，αt等相关参数，获取待加密的明文M。
步骤2：通过明文M，初始密钥Kt，αt，获取混沌序列密钥。
步骤3：对明文M进行分组，分为子明文M1与M2，其中，奇数位字符分到M1组，偶数位字符分到M2组。若明文M长度m为奇数，在明文M的最后一位补上字符‘-’，从而使得明文M的总长度为偶数，然后再进行分组。如果明文M长度m为偶数，那么就可以直接分组。
步骤4：将M1与M2的对应位组合成对，采用基于量子旋转门的加密算法进行加密。其中，旋转角是混沌序列密钥中的对应位。通过量子旋转门加密后得到密文C1与C2。
步骤5：为了进一步增加密文的混乱性，提高加密算法的安全性，对得到的密文C1与C2通过混沌序列密钥进行线性变换。则线性变换公式为：
步骤6：将更新后的密文C’1与C’2按照顺序拼接成密文C’。即整个加密过程完毕，将密文C’传输至水下无线传感器网络中的接收节点。
步骤7：接收节点接收到密文C’后，采用加密逆运算的操作，先将密文C’拆分成子密文C’1与C’2，再通过线性逆变换，得到新的密文C1与C2，线性逆变换公式为：
步骤8：得到的密文C1与C2通过混沌序列密钥进行量子旋转门加密逆运算，得到明文M1与M2。
步骤9：将得到的明文M1与M2按照顺序，合成明文M。其中，明文M1中的字符属于明文M中的奇数位，明文M2中的字符属于明文M中的偶数位。得到的明文M，如果末尾位字符为‘-’，则删除该字符，否则误操作。从而得到解密后的最终明文M，并进行后续数据处理。
为了避免英文字母的使用造成混乱，以下对几个英文字母作区别解释：
明文M为字符串，包括了多个字符，其中明文M中的字符用αi和βi表示；密文C为字符串，包括了多个字符，其中密文C中的字符用α′i和β′i表示。
或者，在线性变换时，密文C中的字符在线性变换前用C1(i)和C2(i)表示，在线性变换后用C’1(i)和C’2(i)表示。
可以理解地，α′i和C1(i)表示的是相同的字符，β′i和C2(i)表示的是相同的字符。
下面对本发明提供的水下传感器网络加解密装置进行描述，下文描述的水下传感器网络加解密装置与上文描述的水下传感器网络加解密方法可相互对应参照。
本发明还提供一种水下传感器网络加密装置，请参阅图7，图7是本发明水下传感器网络加密装置一实施例的结构意图。在本实施例中，水下传感器网络加密装置包括：
混沌序列密钥生成模块710，用于根据随时间变化的混沌序列生成混沌序列密钥。
旋转角确定模块720，用于根据混沌序列密钥确定量子旋转门中旋转矩阵的旋转角。
目标量子旋转门模块730，用于对所述量子旋转门的旋转矩阵中的元素进行扩大和向下取整，得到目标量子旋转门。
加密处理模块740，用于将明文数据输入至量子旋转门，得到量子旋转门输出的密文数据。
在一些实施例中，混沌序列密钥生成模块710具体用于：确定明文数据的长度m；确定混沌序列初始值x0＝Kt，其中，Kt为初始密钥；通过明文数据的长度m确定混沌迭代次数N；根据迭代次数N、初始值x0确定混沌序列{x0,x1,…,xN}，并将混沌序列作为混沌序列密钥。
在一些实施例中，旋转角确定模块720具体用于：将混沌序列密钥的每一项xi从原始区间[0,9]映射到区间内作为量子旋转门中旋转矩阵的旋转角θi，即：
在一些实施例中，加密处理模块740具体用于：对明文数据进行分组，得到第一明文数据和第二明文数据；通过量子旋转门进行加密的过程为：
其中，αi是第一明文数据中的字符，βi是第二明文数据中的字符，α′i，β′i分别是通过量子旋转门获得的第一密文数据中的字符和第二密文数据中的字符，θi是由混沌序列密钥确定的量子旋转门中旋转矩阵的旋转角，其中，|α′i|2+|β′i|2＝|αi|2+|βi|2＝1；对第一密文数据和第二密文数据进行线性变换，得到量子旋转门输出的密文数据。
在一些实施例中，加密处理模块740还用于：通过线性变换公式对第一密文数据C1和第二密文数据C2进行处理，其中线性变换公式为：
其中，C1(i)与C2(i)分别表示第一密文数据C1和第二密文数据C2对应的第i位，C’1(i)与C’2(i)分别表示经过线性变换后的第一密文数据和第二密文数据对应的第i位；xi表示混沌序列密钥中的第i个密钥，xN-i表示混沌序列密钥中的第N-i个密钥。
由于解密过程是加密过程的逆运算，因此水下传感器网络的解密装置和水下传感器网络的加密装置中会存在相同功能的模块，例如混沌序列密钥生成模块和旋转角确定模块。对于这些相同功能的模块，在此不再赘述，具体可参阅上述水下传感器网络的加密装置的介绍。
本发明还提供一种水下传感器网络解密装置，请参阅图8，图8是本发明水下传感器网络解密装置一实施例的结构示意图，在本实施例中，水下传感器网络解密装置包括：
混沌序列密钥生成模块810，用于根据随时间变化的混沌序列生成混沌序列密钥。
旋转角确定模块820，用于根据混沌序列密钥确定量子旋转门中旋转矩阵的旋转角。
目标量子旋转门模块830，用于对量子旋转门的旋转矩阵中的元素进行扩大和向下取整，得到目标量子旋转门。
解密处理模块840，用于将密文数据输入至目标量子旋转门，得到目标量子旋转门输出的明文数据。
在一些实施例中，解密处理模块840具体用于：通过量子旋转门进行解密的过程为：
其中，αi是第一明文数据中的字符，βi是第二明文数据中的字符，α′i,β′i分别是输入量子旋转门的第一密文数据中的字符和第二密文数据中的字符，θi是由混沌序列密钥确定的量子旋转门中旋转矩阵的旋转角，其中，|α′i|2+|β′i|2＝|αi|2+|βi|2＝1；对第一明文数据和第二明文数据进行组合，得到量子旋转门输出的明文数据。
在一些实施例中，解密处理模块840，还用于：对密文数据进行分组，得到第一密文数据C’1和第二密文数据C’2；通过线性逆变换公式对第一密文数据C’1和第二密文数据C’2进行处理，其中线性逆变换公式为：
其中，C’1(i)与C’2(i)分别表示第一密文数据C’1和第二密文数据C’1对应的第i位，C1(i)与C2(i)分别表示经过线性逆变换后的第一密文数据和第二密文数据对应的第i位；xi表示混沌序列密钥中的第i个密钥，xN-i表示混沌序列密钥中的第N-i个密钥。
本发明还提供一种水下设备，在本实施例中，水下设备可以包括存储器(memory)、处理器(processor)及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序。处理器执行程序时实现上述各方法所提供的水下传感器网络加解密方法。
可选地，水下设备还可以包括通信总线和通信接口(CommunicationsInterface)，其中，处理器，通信接口，存储器通过通信总线完成相互间的通信。处理器可以调用存储器中的逻辑指令，以执行水下传感器网络加解密方法，具体地：
水下传感器网络加密方法，包括：
根据随时间变化的混沌序列生成混沌序列密钥；根据混沌序列密钥确定量子旋转门中旋转矩阵的旋转角；对量子旋转门的旋转矩阵中的元素进行扩大和向下取整，得到目标量子旋转门；将明文数据输入至目标量子旋转门，得到目标量子旋转门输出的密文数据。
水下传感器网络解密方法，包括：
根据随时间变化的混沌序列生成混沌序列密钥；根据混沌序列密钥确定量子旋转门中旋转矩阵的旋转角；对量子旋转门的旋转矩阵中的元素进行扩大和向下取整，得到目标量子旋转门；将密文数据输入至目标量子旋转门，得到目标量子旋转门输出的明文数据。
此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
另一方面，本发明还提供一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现以执行上述各方法提供的水下传感器网络加解密方法，其步骤和原理在上述方法已详细介绍，在此不再赘述。
以上，在本发明中，创造性地提出了采用改进量子旋转门加密算法以及与混沌序列加密策略相结合的方式，非常适合用于水下无线传感器网络通信数据加密中。其中，量子旋转门很难直接用于数据加密中，为了提高算法的混乱性，本发明也对其改进提供了具体地方式：通过提取量子旋转门的旋转矩阵的第一位小数，在提高加密算法混乱性的同时，还控制了密文的长度，以适应水声通信带宽窄的恶劣环境。时变混沌序列生成策略的作用是当其与量子旋转门加密算法相结合时，提高了密文的混乱性与平衡性，从而提高加密算法的安全性。同时生成的时变混沌序列密钥随着时间的改变而不定期变化，整个加密系统也会随着时间的变化而不定期更新。这意味着，即使之前的密钥发生泄露，当随着时间的推移，下一次密钥以及加密算法改变时，之前的密钥无法对当前的水下无线传感器网络通信数据进行解密。最终的线性变换的作用相当于二次加密，充分利用了时变混沌序列密钥，使得整个加密算法的安全性进一步提高。加密算法整体计算量不大，但是加密安全性高，完全适应水下无线传感器网络中CPU算力不足等特点。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (12)

1.一种水下传感器网络加密方法，其特征在于，包括：
根据随时间变化的混沌序列生成混沌序列密钥；
根据所述混沌序列密钥确定量子旋转门中旋转矩阵的旋转角；
对所述量子旋转门的旋转矩阵中的元素进行扩大和向下取整，得到目标量子旋转门；
将明文数据输入至所述目标量子旋转门，得到所述目标量子旋转门输出的密文数据。
2.根据权利要求1所述的水下传感器网络加密方法，其特征在于，所述根据随时间变化的混沌序列生成混沌序列密钥，包括：
确定所述明文数据的长度m；
确定混沌序列初始值x0＝Kt，其中，Kt为初始密钥；
通过所述明文数据的长度m确定混沌迭代次数N；
根据所述迭代次数N、所述初始值x0确定混沌序列{x0,x1,…,xN}，并将所述混沌序列作为所述混沌序列密钥。
3.根据权利要求2所述的水下传感器网络加密方法，其特征在于，所述根据所述混沌序列密钥确定量子旋转门中旋转矩阵的旋转角，包括：
将所述混沌序列密钥的每一项xi从原始区间[0,9]映射到区间内作为所述量子旋转门中旋转矩阵的旋转角θi，即：/>
4.根据权利要求3所述的水下传感器网络加密方法，其特征在于，所述将明文数据输入至所述目标量子旋转门，得到所述目标量子旋转门输出的密文数据，包括：
对所述明文数据进行分组，得到第一明文数据和第二明文数据；
通过所述量子旋转门进行加密的过程为：
其中，αi是所述第一明文数据中的字符，βi是所述第二明文数据中的字符，αi′，βi′分别是通过所述量子旋转门获得的第一密文数据中的字符和第二密文数据中的字符，θi是由所述混沌序列密钥确定的量子旋转门中旋转矩阵的旋转角，其中，|αi′|2+|βi′|2＝|αi|2+|βi|2＝1；
对所述第一密文数据和所述第二密文数据进行线性变换，得到所述量子旋转门输出的密文数据。
5.根据权利要求4所述的水下传感器网络加密方法，其特征在于，所述对所述第一密文数据和所述第二密文数据进行线性变换，得到所述量子旋转门输出的密文数据，包括：
通过线性变换公式对第一密文数据C1和第二密文数据C2进行处理，其中所述线性变换公式为：
其中，C1(i)与C2(i)分别表示第一密文数据C1和第二密文数据C2对应的第i位，C’1(i)与C’2(i)分别表示经过线性变换后的第一密文数据和第二密文数据对应的第i位；xi表示所述混沌序列密钥中的第i个密钥，xN-i表示所述混沌序列密钥中的第N-i个密钥。
6.一种水下传感器网络解密方法，其特征在于，包括：
根据随时间变化的混沌序列生成混沌序列密钥；
根据所述混沌序列密钥确定量子旋转门中旋转矩阵的旋转角；
对所述量子旋转门的旋转矩阵中的元素进行扩大和向下取整，得到目标量子旋转门；
将密文数据输入至所述目标量子旋转门，得到所述量子旋转门输出的明文数据。
7.根据权利要求6所述的水下传感器网络解密方法，其特征在于，所述将密文数据输入至所述目标量子旋转门，得到所述目标量子旋转门输出的明文数据，包括：通过所述量子旋转门进行解密的过程为：
其中，αi是第一明文数据中的字符，βi是第二明文数据中的字符，αi′,βi′分别是输入所述量子旋转门的第一密文数据中的字符和第二密文数据中的字符，θi是由所述混沌序列密钥确定的量子旋转门中旋转矩阵的旋转角，其中，|αi′|2+|βi′|2＝|αi|2+|βi|2＝1；
对所述第一明文数据和所述第二明文数据进行组合，得到所述量子旋转门输出的明文数据。
8.根据权利要求7所述的水下传感器网络解密方法，其特征在于，所述通过所述量子旋转门进行解密之前，所述方法还包括：
对所述密文数据进行分组，得到第一密文数据C’1和第二密文数据C’2；
通过线性逆变换公式对第一密文数据C’1和第二密文数据C’2进行处理，其中所述线性逆变换公式为：
其中，C’1(i)与C’2(i)分别表示第一密文数据C’1和第二密文数据C’1对应的第i位，C1(i)与C2(i)分别表示经过线性逆变换后的第一密文数据和第二密文数据对应的第i位；xi表示所述混沌序列密钥中的第i个密钥，xN-i表示所述混沌序列密钥中的第N-i个密钥。
9.一种水下传感器网络加密装置，其特征在于，包括：
混沌序列密钥生成模块，用于根据随时间变化的混沌序列生成混沌序列密钥；
旋转角确定模块，用于根据所述混沌序列密钥确定量子旋转门中旋转矩阵的旋转角；
目标量子旋转门模块，用于对所述量子旋转门的旋转矩阵中的元素进行扩大和向下取整，得到目标量子旋转门；
加密处理模块，用于将明文数据输入至所述目标量子旋转门，得到所述目标量子旋转门输出的密文数据。
10.一种水下传感器网络解密装置，其特征在于，包括：
混沌序列密钥生成模块，用于根据随时间变化的混沌序列生成混沌序列密钥；
旋转角确定模块，用于根据所述混沌序列密钥确定量子旋转门中旋转矩阵的旋转角；
目标量子旋转门模块，用于对所述量子旋转门的旋转矩阵中的元素进行扩大和向下取整，得到目标量子旋转门；
解密处理模块，用于将密文数据输入至所述目标量子旋转门，得到所述目标量子旋转门输出的明文数据。
11.一种水下设备，其特征在于，所述水下设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，处理器执行程序时实现如权利要求1-5任一项所述的水下传感器网络加密方法或/和权利要求6-8任一项所述的水下传感器网络解密方法。
12.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-5任一项所述的水下传感器网络加密方法或/和权利要求6-8任一项所述的水下传感器网络解密方法。
CN202310685197.6A 2023-06-09 2023-06-09 水下传感器网络加解密方法、装置、水下设备及存储介质 Pending CN116781235A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310685197.6A CN116781235A (zh) 2023-06-09 2023-06-09 水下传感器网络加解密方法、装置、水下设备及存储介质

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202310685197.6A CN116781235A (zh) 2023-06-09 2023-06-09 水下传感器网络加解密方法、装置、水下设备及存储介质

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116781235A true CN116781235A (zh) 2023-09-19

Family

ID=87992305

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202310685197.6A Pending CN116781235A (zh) 2023-06-09 2023-06-09 水下传感器网络加解密方法、装置、水下设备及存储介质

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN116781235A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Niu et al. An image encryption approach based on chaotic maps and genetic operations
US20230171086A1 (en) Encrypting and decrypting information
US11271723B2 (en) Apparatus and method for unbreakable data encryption
Liu et al. Exploiting lsb self-quantization for plaintext-related image encryption in the zero-trust cloud
Jarjar et al. New technology of color image encryption based on chaos and two improved Vigenère steps
CN118445844A (zh) 一种联邦学习数据隐私保护方法、装置及可读存储介质
Khan et al. Elliptic curve cryptography for the security of insecure Internet of Things
Priyadharshini et al. Efficient Key Management System Based Lightweight Devices in IoT.
Alshawi et al. Improved Salsa20 stream cipher diffusion based on random chaotic maps
CN117440103A (zh) 基于同态加密和空间优化的隐私数据处理方法及系统
Yang [Retracted] Application of Hybrid Encryption Algorithm in Hardware Encryption Interface Card
CN116170142B (zh) 分布式协同解密方法、设备和存储介质
CN117349685A (zh) 一种通信数据的聚类方法、系统、终端及介质
CN115834062B (zh) 一种用于数据托管服务的企业数据传输加密方法
EP2363974A1 (en) Variable table masking for cryptographic processes
Vohra et al. An efficient chaos-based optimization algorithm approach for cryptography
CN116781235A (zh) 水下传感器网络加解密方法、装置、水下设备及存储介质
US20220094532A1 (en) Methods and systems for homomorphic data representation and concealment powered by clifford geometric algebra
Suwais Stream Cipher Based on Game Theory and DNA Coding.
Hu et al. Research on encrypted face recognition algorithm based on new combined chaotic map and neural network
Yadav et al. Key Cryptographic Methods in the Cloud: A Comparative Study
Vantigaru et al. Two layer encryption schemes for symmetric algorithms using DNA Sequences
CN116743338A (zh) 水下传感器网络加解密方法、装置、水下设备及存储介质
Polak et al. Tabu cryptanalysis of VMPC stream cipher
Jasim et al. Image Encryption Based on Hybrid Parallel Algorithm: DES-Present Using 2D-Chaotic System.

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination