基于MD5算法的分布式無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)安全傳輸方法研究

張 昊，宋 杰，羅名君

（1.安徽城市管理職業(yè)學院 信息技術(shù)學院，安徽 合肥231635；2.安徽大學 計算機科學與技術(shù)學院，安徽 合肥230039；3.國防科技大學 電子對抗學院，安徽 合肥230031）

無線傳感器網(wǎng)絡（Wireless Sensor Network，WSN）是一種分布式傳感網(wǎng)絡，是由部署在一定范圍內(nèi)的多個價格低廉的微型傳感節(jié)點組成，能以無線或有線方式相互通訊，形成一個自主系統(tǒng)的網(wǎng)絡。目前，無線傳感器網(wǎng)絡應用廣泛，主要適用于野外工作條件差，有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡無法覆蓋的環(huán)境，如：軍事領域的目標定位和追蹤，民用領域的草原監(jiān)測、醫(yī)學護理等。WSN 通常應用于無人管理的區(qū)域中，很容易被攻擊者侵入系統(tǒng)篡改和竊取數(shù)據(jù)，所以無線傳感器網(wǎng)絡的安全問題是其被廣泛應用的一個重要瓶頸[1]。

針對以上問題，已經(jīng)有不少公開發(fā)表的文獻提出了各種解決方法，如：基于數(shù)字水印的安全傳輸技術(shù)[2]、基于能量優(yōu)化的安全路由算法[3]、基于可信度的安全路由算法[4]、基于DV-Hop 的安全定位方法[5]等，可以有效地抵御針對WSN 的大多數(shù)攻擊。然而以上研究多是在網(wǎng)絡層面上進行的，數(shù)據(jù)比特流的完整性、準確性問題需要額外的手段加以保證，為此，筆者提出了一種基于MD5算法的分布式無線傳感器網(wǎng)絡數(shù)據(jù)安全傳輸方法，在發(fā)送端傳輸數(shù)據(jù)的末尾，附上一段用MD5算法生成的摘要，在接收端重新計算一次MD5 值，通過與接收到的MD5 值進行對比，可以檢測出數(shù)據(jù)是否存在的刪減、冗余、篡改等錯誤。MD5算法實現(xiàn)較為簡單，便于能量受限的WSN 節(jié)點使用，且MD5算法生成的散列值對數(shù)據(jù)中的錯誤極其敏感，因此，可以有效地提高系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?/p>

1 無線傳感器網(wǎng)絡中的安全問題

1.1 WSN簡介

WSN不需依靠基礎設備，可快速地的在一定區(qū)域內(nèi)完成傳感器節(jié)點的部署工作，用于檢查周圍情況變化并通過無線網(wǎng)絡向數(shù)據(jù)監(jiān)控中心匯報，網(wǎng)絡組建靈活方便。通常部署一定規(guī)模的傳感節(jié)點，彼此之間通過無線網(wǎng)絡相互通訊，組成一個多跳自主無線網(wǎng)絡系統(tǒng)。

無線傳感器網(wǎng)絡擁有數(shù)據(jù)眾多的傳感器節(jié)點，還包括功能較強的匯聚節(jié)點和管理節(jié)點。傳感器節(jié)點擁有一個或多個組件，這些組件監(jiān)測所處環(huán)境濕度、溫度、壓力等變化，對組件可以感知的數(shù)據(jù)進行初級處理。經(jīng)過多次跳轉(zhuǎn)后轉(zhuǎn)發(fā)給匯聚節(jié)點，最終傳輸?shù)胶笈_數(shù)據(jù)監(jiān)控中心。管理節(jié)點任務是對WSN 發(fā)送指令控制各節(jié)點正常有序運行。

1.2 WSN的局限性

限制分布式無線傳感器網(wǎng)快速發(fā)展的主要原因是安全性，WSN 主要部署在野外困難的環(huán)境，安全條件差，獲取的數(shù)據(jù)容易被篡改、被泄密。密鑰技術(shù)、認證服務是保障WSN 安全工作的首選技術(shù)，但WSN 的局限性使得某些已成熟的網(wǎng)絡安全手段無法在WSN 中實現(xiàn)。

WSN主要的局限性有以下幾個方面：

（1）資源不足：因體積微小，傳感器的節(jié)點無法配備更多的物理設備，最為突出的受限資源是電能。每步運行都消耗WSN 節(jié)點的電能，結(jié)果造成WSN 的公鑰算法效果不佳。具體有：

①CPU能力不足：WSN 節(jié)點體積微小，不能安裝功能強勁的CPU，以致即使運算量很少的處理，也將占據(jù)大量的CPU 資源。

②電力不足：WSN 采用電池供電，WSN 各節(jié)點主要部署在野外環(huán)境，很難對它們更換電池。因此，電力不足極大地減少了WSN 的使用壽命。

③內(nèi)存不足：同樣是因為體積微小，在WSN 上不能安裝大空間的存儲器，只能是128 KB 可編程Flash Memory 和4 KB 的RAM，即使附加了512 KB 的Flash Memory 后，仍無法比肩GB 數(shù)量級的其他電子設備。

（2）局部計算與通訊能力不足：分布式無線傳感器是基于節(jié)點的局部計算與通訊，各類節(jié)點能夠依據(jù)相鄰節(jié)點之間傳遞的信息做出決斷。但分布式局部計算和通訊與全局網(wǎng)絡相比，無論在信息獲取、運算能力、通訊速度等方面都凸顯劣勢。

（3）大規(guī)模部署困難：分布式無線傳感器網(wǎng)需要放置數(shù)量眾多的傳感器節(jié)點來檢測環(huán)境變化或監(jiān)測特定目標。如何把成百上千的節(jié)點感知的信息發(fā)送給數(shù)據(jù)監(jiān)控中心，且在安全保障的前提下盡量減小資源的占用，這需要將WSN 的CPU 運算、數(shù)據(jù)存儲、信息轉(zhuǎn)發(fā)等環(huán)節(jié)綜合思考，協(xié)調(diào)處理。

在WSN中應用簡單、高效的消息摘要算法，可以有效保護數(shù)據(jù)的完整性、可靠性。例如，在采樣數(shù)據(jù)末尾附上一段單向散列值，讓接收者可以對數(shù)據(jù)進行校驗；節(jié)點設備還可以添加簽名，便于網(wǎng)絡內(nèi)其他成員驗證節(jié)點身份。

2 MD5數(shù)據(jù)加密算法

2.1 認證過程

使用MD5算法，對WSN 傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行安全認證的過程如圖1所示。

在發(fā)送端，計算一次待傳輸數(shù)據(jù)的MD5 值并附在數(shù)據(jù)末尾發(fā)送出去，接收端重新計算接收數(shù)據(jù)的MD5值，并與發(fā)送端計算得出的MD5 值進行比較，若明顯不同則說明數(shù)據(jù)存在異常，可以啟動重傳機制，要求節(jié)點重新發(fā)送數(shù)據(jù)[6]。

2.2 基于MD5算法的數(shù)據(jù)安全傳輸方法

2.2.1 數(shù)據(jù)預處理

MD5 加密操作是以512 比特為單位進行的，因此，在對數(shù)據(jù)進行摘要生成操作之前，首先要對其進行補位操作，使得補位之后的數(shù)據(jù)長度是512 比特的整數(shù)倍[7]。

設待加密的數(shù)據(jù)為d

其中di=0，1，i=1，2，…，N，表明數(shù)據(jù)長度是Nbits。補位的具體方法是：在數(shù)據(jù)結(jié)尾補1 個“1”，以及若干個“0”，直到數(shù)據(jù)長度滿足

即此時N=（K×512+448） bits，其中K為一個自然數(shù)。將K用一個64 比特整數(shù)的形式附在數(shù)據(jù)的末尾。這時，數(shù)據(jù)被填補后的總長度為

將補位后得到的數(shù)據(jù)d′以512 比特為單位進行分段，可以得到K+1 個數(shù)據(jù)子段

2.2.2 參數(shù)定義

在MD5算法中，需要定義若干初始參數(shù)與函數(shù)，用于后續(xù)的變換操作[8]。

（1）設置4 個名為鏈接變量（Chaining Variable）的4 字節(jié)整型參數(shù)

然后，按以下規(guī)則使用鏈接變量對4 個新變量進行賦值

這樣就得到了8 個初始變量A，B，C，D，a，b，c，d。

（2）定義4 個非線性函數(shù)（X，Y，Z為4 字節(jié)整數(shù)）

繼續(xù)定義4 個分別用于四輪變換的函數(shù)。

對于一個512 比特的數(shù)據(jù)子段，將其分割為16 個子塊Mj（j=0，1，2，…，15）；<<

式（8）－（11）中的“=”為向左賦值符號。

2.2.3 基于MD5算法的數(shù)據(jù)加密過程

MD5算法主要流程敘述如下：原始數(shù)據(jù)經(jīng)過補位，使得數(shù)據(jù)長度為512 bits 的整數(shù)倍；然后以512 bits長度的數(shù)據(jù)塊為單位循環(huán)處理，每個數(shù)據(jù)塊被劃分為32 bits 長度的16 個子分組，每輪循環(huán)操作16 步。通過若干步運算與處理，算法將輸出4 組32 位長度的散列值，通過級聯(lián)得到128 bits 長度的數(shù)字簽名[10]。

具體步驟如下：

這四輪（64 步）變換是：

第一輪

第二輪

第三輪

第四輪

第i步中，i的單位是弧度，ti是常量屬于232×|sini|的整數(shù)部分。

將一輪64 步運算全部完成后，得到的4 個值a，b，c，d加到A，B，C，D上去，作為新的鏈接變量值，即：A←A+a，B←B+b，C←C+c，D←D+d。然后使用下一個512 bits 的數(shù)據(jù)塊重復上述運算過程，當所有數(shù)據(jù)處理完成后，將A，B，C，D按比特流的形式級聯(lián)，輸出一個128 位的序列，即為所求的MD5 摘要值[11]。

2.2.4 算法偽代碼

//說明：所有的變量都是32 位無符號整數(shù)，并按2^32 換模計算

int [64]m，n

m[0..15]:={8，20，8，24，8，20，8，24，8，20，8，24，8，20，8，24}

m[16..31]:={9，16，25，28，9，16，25，28，9，16，25，28，9，16，25，28}

m[32..47]:={6，11，18，27，6，11，18，27，6，11，18，27，6，11，18，27}

m[48..63]:={8，12，20，24，8，12，20，24，8，12，20，24，8，12，20，24}

for （i=0：i<=63：i++）

n[i]:=double（abs（sin（i+1））×2^32）

//初始化變量:

int k0 :=0x8659210A

int k1 :=0xBC89CE68

int k2 :=0x63EB72FD

int k3 :=0xF264DC78

//前期處理:

append the bit '1' to the message

append the bits '0' where length of message in bits≡448（mod 512）

append length of message（before pre-processing），in bits，as 64-bit little-endian integer

//在連續(xù)的512 位數(shù)據(jù)塊中處理消息

break message into 512-bit chunks

for each chunk

break chunk into sixteen 32-bit little-endian words w[j]，0<=j<=15

//初始化哈希值:

int a :=k0

int b :=k1

int c :=k2

int d :=k3

//主循環(huán):

for （j=0：j<=63：j++）

{ if（ 0<=j<=15）

{ p :=（x and y） or （（not x） and z）

q :=j}

else if 16<=j<=31

{ p :=（z and x） or （（not z） and y）

q :=（5×j+1） mod 16}

else if 32<=j<=47

{ p :=x xor y xor z

q :=（3×j+5） mod 16}

else if 48<=j<=63

{ p :=y xor （x or （not d））

q :=（7×j） mod 16}

temp :=z

z :=y

y :=x

x :=leftrotate（（w+p+n[j]+w[q]），r[j]）+x

w :=temp

}

//將哈希值添加到結(jié)果中

k0 :=k0+w

k1 :=k1+x

k2 :=k2+y

k3 :=k3+z

End For Each 512-bit chunks

int result :=k0 append k1 append k2 append k3

3 仿真實驗

通過計算機仿真實驗，將案例數(shù)據(jù)進行MD5 加密計算，得出的結(jié)果證明了文中提出的算法是可靠的、有效的。

硬件環(huán)境：Intel Core i7 4710HQ 平臺計算機。

軟件環(huán)境：Eclipse IDE for Java Developers，Version: Neon.1a Release （4.6.1）。

文中采用Java 語言實現(xiàn)MD5算法。

實驗IMD5算法驗證

為證明MD5算法的可靠性和有效性，采用了已知的幾組MD5 值數(shù)據(jù)進行實驗，驗證結(jié)果見表1?！按用苄畔ⅰ绷惺? 條常用的用于驗證MD5算法的數(shù)據(jù)，“已知的參考MD5 值”列是已知的MD5算法計算結(jié)果，該仿真實驗計算出的MD5 值在“計算出的MD5 值”列。

表1 MD5算法安全性驗證

以上的MD5 值都采用16 進制形式列出，輸出均是128 位單向散列值。對比可知計算無誤，文中編寫的程序可用于正確地計算MD5 值。

實驗II算法安全性驗證

下面對一條數(shù)據(jù)“GOLDEN_1dot6180339887”進行處理，在數(shù)據(jù)正確、缺失、冗余、篡改的條件下分別計算MD5 值，進而驗證算法的安全性，結(jié)果見表2。

表2 算法安全性驗證

在該實驗中，受攻擊的數(shù)據(jù)均與原數(shù)據(jù)有1 位的不同，而計算出的MD5 值完全不同。通過收、發(fā)兩端的MD5 加密后的數(shù)據(jù)對比驗證數(shù)據(jù)傳輸過程的安全可靠性。

4 結(jié)語

WSN 節(jié)點設備通常安置在不安全的野外環(huán)境中，很容易被攻擊者竊取、偽造、盜改傳感器中采集的數(shù)據(jù)，降低了系統(tǒng)的安全性和有效性。在WSN 數(shù)據(jù)的末尾增加數(shù)字簽名，將極大地增加了攻擊者攻擊數(shù)據(jù)的難度，提高了無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性。該論文采用MD5算法為簽名加密算法，以Java 為軟件平臺仿真了對數(shù)據(jù)計算摘要的過程。目前的硬件水平限制了傳感器網(wǎng)絡的性能，因而無法使用更為復雜的加密算法，但相信隨著技術(shù)的發(fā)展，無線傳感器網(wǎng)絡的性能會越來越高，更安全、更復雜的算法可以應用到其中，WSN 將會更高效、更可靠。