一种轻量级传感器数据加解密系统及方法与流程

1.本发明涉及工业物联网和信息安全领域，具体涉及一种轻量级传感器数据加解密系统及方法。


背景技术：

2.在工业4.0场景下，其物联网架构属于传感器密集型局域网，传感器数据有被窃取和篡改的风险，在进行数据安全防御时，使用加密算法和校验机制需要增加传感器的能耗能。因此，急需一种轻量级传感器数据加解密系统及方法，可以在不明显增加传感器能耗的情况下实现数据的加解密，同时可以在收发端不共享密钥的情况下进行传感器数据的加解密。


技术实现要素：

3.本发明的目的是提供一种轻量级传感器数据加解密系统及方法，在不明显增加传感器能耗的情况下实现数据的加解密，同时可以在收发端不共享密钥的情况下进行传感器数据的加解密。
4.本发明通过如下技术方案实现上述目的：一种轻量级传感器数据加解密系统，包括加密端和解密端，所述加密端由数据序列化单元、数据分发单元、横向数据平移单元、纵向数据平移单元、数据反序列化单元构成；所述解密端由数据序列化单元、一致性裁决单元、数据解析单元、数据反序列化单元构成；
5.数据序列化单元根据传感器的数据格式，通过对编码的比特位划分，将传感器信息序列化为n
×
n个数据块，不足的数据块通过随机数据填充；
6.数据分发单元中包含一个随机参数发生器，随机参数取值范围为[1,n]，数据分发单元能够将随机参数和数据包复制并分发至横向数据平移单元和纵向数据平移单元；
[0007]
横向数据平移单元、纵向数据平移单元使用平移参数和数据块对应的行列号对每一个数据块进行平移操作；
[0008]
数据反序列化单元将被序列化为n
×
n个数据块的数据按照数据序列化单元的序列化规则，反序列化为传感器的数据格式；
[0009]
一致性裁决单元对来自横向数据平移单元和纵向数据平移单元数据，分别使用[1，n]中的每一个值作为平移参数按照横向数据平移单元和纵向数据平移单元的数据块变换规则对两个数据进行逆向平移恢复，并比较每一个平移参数下，逆向恢复出的两个数据中数据块相同的个数，输出最高相同个数对应的平移参数；
[0010]
数据解析单元使用一致性裁决单元裁决出的平移参数对经过横向数据平移单元和纵向数据平移单元的n
×
n个数据块进行逆向平移恢复，并逐一对比数据块，保留相同的数据块，删除不相同的数据块。
[0011]
进一步的，经过横向数据平移单元后，数据d中的数据块d
ij
将会平移至di′j′
的位
置，其中i’，j’满足公式：或a为任意整数常数。
[0012]
其中，i，j是数据块在原数据包中的行号和列号，i’和j’是数据块在平移后的数据包中的行号和列号，λ为平移参数。
[0013]
进一步的，经过纵向数据平移单元后，数据d中的数据块d
ij
将会平移至di′j′
的位置，其中i’，j’满足公式：或a为任意整数常数。
[0014]
其中，i，j是数据块在原数据包中的行号和列号，i’和j’是数据块在平移后的数据包中的行号和列号，λ为平移参数。
[0015]
进一步的，在加密端，经过数据反序列化后的数据与原数据在数据格式和关联性上有很高的相似度，难以通过独立的数据判断其是否经过了加密处理。
[0016]
一种轻量级传感器数据加解密方法，加密方法包括数据序列化步骤、数据分发步骤、数据平移步骤、数据反序列化步骤；
[0017]
数据序列化步骤，将传感器信息序列化为n
×
n个数据块，不足的数据块通过随机数据填充；
[0018]
数据分发步骤，首先在[1,n]中选择一个随机参数λ，连同叠加后的数据复制并分发给横向数据平移单元和纵向数据平移单元；
[0019]
数据平移步骤，横向数据平移单元和纵向数据平移单元分别以随机参数λ和数据块对应的行号i，列号j对每一个数据块进行平移操作；
[0020]
数据反序列化步骤，将被序列化为n
×
n个数据块的数据反向恢复为传感器的数据格式；
[0021]
解密方法包括数据序列化步骤、数据一致性裁决步骤、数据解析步骤、数据反序列化步骤；
[0022]
数据序列化和数据反序列化步骤和加密方法中的相同；
[0023]
数据一致性裁决步骤中，首先从[1,n]中的选择一个平移参数分别对来自横向数据平移单元和纵向数据平移单元的数据进行逆向平移恢复，并比较每一个平移参数下，逆向恢复出的两个数据中数据块相同的个数，输出最高相同个数对应的平移参数；
[0024]
数据解析步骤使用一致性裁决单元裁决出的平移参数对经过横向数据平移单元和纵向数据平移单元的n
×
n个数据块进行逆向平移恢复，并逐一对比数据块，保留相同的数据块，删除不相同的数据块。
[0025]
进一步的，在加密端，经过数据反序列化后的数据与原数据在数据格式和关联性上有很高的相似度，难以通过独立的数据判断其是否经过了加密处理。
[0026]
与现有技术相比，本发明一种轻量级传感器数据加解密系统及方法的有益效果是：在不明显增加传感器能耗的情况下实现数据的加解密，同时可以在收发端不共享密钥的情况下进行传感器数据的加解密。
附图说明
[0027]
图1是轻量级传感器数据加解密系统的结构示意图。
[0028]
图2是轻量级传感器数据加解密方法的流程示意图。
[0029]
图3展示了数据经过序列化后形成的n
×
n个数据块。
[0030]
图4展示了图3所示的n
×
n个数据块经过横向平移后的一种结果。
[0031]
图5展示了图3所示的n
×
n个数据块经过纵向平移后的一种结果。
具体实施方式
[0032]
请参阅图1，一种轻量级传感器数据加解密系统，包括加密端和解密端。
[0033]
加密端由数据序列化单元、数据分发单元、横向数据平移单元、纵向数据平移单元、数据反序列化单元构成；解密端由数据序列化单元、一致性裁决单元、数据解析单元、数据反序列化单元构成。
[0034]
数据序列化单元根据传感器的数据格式，通过对编码的比特位划分，将传感器信息序列化为n
×
n个数据块，不足的数据块通过随机数据填充。
[0035]
数据分发单元中包含一个随机参数发生器，随机参数取值范围为[1，n]。数据分发单元能够将随机参数和数据包复制并分发至横向数据平移单元和纵向数据平移单元。
[0036]
横向数据平移单元、纵向数据平移单元使用平移参数和数据块对应的行列号对每一个数据块进行平移操作。
[0037]
例如，经过横向数据平移单元后，数据d中的数据块d
ij
将会平移至di′j′
的位置，其中i’，j’满足公式：或a为任意整数常数。
[0038]
经过纵向数据平移单元后，数据d中的数据块d
ij
将会平移至di′j′
的位置，其中i’，j’满足公式：或a为任意整数常数。
[0039]
其中，i，j是数据块在原数据包中的行号和列号，i’和j’是数据块在平移后的数据包中的行号和列号。λ为平移参数。
[0040]
数据反序列化单元将被序列化为n
×
n个数据块的数据按照数据序列化单元的序列化规则，反序列化为传感器的数据格式。
[0041]
一致性裁决单元对来自横向数据平移单元和纵向数据平移单元数据，分别使用[1，n]中的每一个值作为平移参数按照横向数据平移单元和纵向数据平移单元的数据块变换规则对两个数据进行逆向平移恢复，并比较每一个平移参数下，逆向恢复出的两个数据中数据块相同的个数，输出最高相同个数对应的平移参数；
[0042]
数据解析单元使用一致性裁决单元裁决出的平移参数对经过横向数据平移单元和纵向数据平移单元的n
×
n个数据块进行逆向平移恢复，并逐一对比数据块，保留相同的数据块，删除不相同的数据块。
[0043]
请参阅图2，一种轻量级传感器数据加解密方法，其中，加密方法包括数据序列化步骤、数据分发步骤、数据平移步骤、数据反序列化步骤。
[0044]
数据序列化步骤，将传感器信息序列化为n
×
n个数据块，不足的数据块通过随机数据填充。
[0045]
数据分发步骤，首先在[1，n]中选择一个随机参数λ，连同叠加后的数据复制并分发给横向数据平移单元和纵向数据平移单元。
[0046]
数据平移步骤，横向数据平移单元和纵向数据平移单元分别以随机参数λ和数据块对应的行号i，列号j对每一个数据块进行平移操作；
[0047]
数据反序列化步骤，将被序列化为n
×
n个数据块的数据反向恢复为传感器的数据格式。
[0048]
在加密端，经过数据反序列化后的数据与原数据在数据格式和关联性上有很高的相似度，难以通过独立的数据判断其是否经过了加密处理。
[0049]
一种轻量级传感器数据加解密方法，其中，解密方法包括数据序列化步骤、数据一致性裁决步骤、数据解析步骤、数据反序列化步骤。
[0050]
数据序列化和数据反序列化步骤和加密方法中的相同。
[0051]
数据一致性裁决步骤中，首先从[1,n]中的选择一个平移参数分别对来自横向数据平移单元和纵向数据平移单元的数据进行逆向平移恢复，并比较每一个平移参数下，逆向恢复出的两个数据中数据块相同的个数，输出最高相同个数对应的平移参数；
[0052]
数据解析步骤使用一致性裁决单元裁决出的平移参数对经过横向数据平移单元和纵向数据平移单元的n
×
n个数据块进行逆向平移恢复，并逐一对比数据块，保留相同的数据块，删除不相同的数据块。
[0053]
模型算法：
[0054]
我们定义从传感器端采集到的数据为d，数据d以字符或字节方式编码，每一个字符或字节表示为d[i]。
[0055]
加密时：
[0056]
首先数据序列化单元根据传感器的数据格式，以a个字符或字节为一组，将数据d分为字符或字节数相同的p组，并补充q组占位字符或字节后，将数据d序列化为n
×
n个数据块。
[0057]
数据分发单元首先从[1,n]中选取一个随机参数λ，连同n
×
n个数据块分别发送至横向数据平移单元和纵向数据平移单元。
[0058]
横向数据平移单元首先将q组占位字符或字节替换为随机字符或字节，然后保持各数据块的行，使用随机参数λ和数据块的行号i打乱数据块的列，形成加密后的数据包d'。对于数据包d中的数据块dij，数据块将会平移至di'j'的位置，其中i'，j'满足公式(1)或a为任意整数常数；其中，i，j是数据块在原数据包中的行号和列号，i'和j'是数据块在横向平移后的数据包中的行号和列号。
[0059]
纵向数据平移单元首先将q组占位字符或字节替换为随机字符或字节，然后保持各数据块的行，使用随机参数λ和数据块的列号j打乱数据块的行，形成加密后的数据包d'。对于数据包d中的数据块dij，数据块将会平移至di'j'的位置，其中i'，j'满足公式(2)或a为任意整数常数；其中，i，j是数据块在原数据包中的行号和列号，i'和j'是数据块在纵向平移后的数据包中的行号和列号。
[0060]
数据反序列化单元将被序列化为n
×
n个数据块的数据按照数据序列化单元的序
列化规则，反序列化为传感器的数据格式。
[0061]
经过反序列化后的数据可以在传感器网络中透明的传输。
[0062]
解密时：
[0063]
首先将来自横向数据平移单元和纵向数据平移单元的数据序列化为n
×
n个数据块，两组n
×
n个数据块将被发送到一致性裁决单元。
[0064]
一致性裁决单元分别使用[1,n]中的每一个值作为λ,对n
×
n个数据块按照公式(1)和(2)进行逆变换，重新排列。并比较重新排列后的两组数据是否一致。最终一致性最高的结果即为解密结果。该结果中不一致的字符或字节即为加密时补足的q组占位字符或字节，从解密结果中剔除。
[0065]
经过反序列化后的数据即为解密后的传感器数据。
[0066]
本发明在不明显增加传感器能耗的情况下实现数据的加解密，同时可以在收发端不共享密钥的情况下进行传感器数据的加解密。
[0067]
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
[0068]
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包括一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。