摘 要

随着科技的发展，人们的生产生活发生了很大的变化，网络给我们带来了丰富的资源与极大的便利，与此同时，我们也面临着网络安全带来的的威胁；同时，物联网技术的飞速发展，物联网应用如人脸识别、通过二维码进行电子支付、智能家居、智能城市等已经深入到我们的日常生产生活之中，在这些新兴应用中，安全通信至关重要。而大多数典型的物联网硬件设备都是低资源设备，这些设备对面积和功耗有限制，不足以提供传统加密算法如DES和AES加密所需的硬件资源，于是，轻量级分组密码算法在此背景下应运而生。

　　PRESENT加密算法是一种轻量级分组密码算法，它的计算资源消耗少、执行效率高，而且算法结构简单，非常适合于硬件资源受限的物联网应用，比如射频识别标签（RFID）和无线传感器网络（WSNs）等。

论文的主要工作如下：

（1）分析PRESENT加密算法的核心思想，对其算法结构进行深入研究。

（2）完成了对PRESENT算法的加解密实现，包括密码的混淆和扩散、密钥编排。

（3）实现基于PRESENT加密算法的Socket聊天程序。

关键字：轻量级密码、PRESENT算法、分组密码

Abstract

With the development of science and technology, great changes have taken place in people’s production mode and life style. We are facing the threat of Internet security while Network brings us rich resources and great convenience. At the same time, since Internet of things (IoT) applications, such as face recognition, electronic payment through QR code, smart home and smart city, become widespread in our daily life, the security of IoT devices is very important. However, most of the typical hardware devices of IoT are low resource devices, these IoT devices have constraints on the area and power consumption, which are not enough to provide the hardware resources needed by traditional encryption algorithms, such as DES and AES encryption. Therefore, lightweight block cipher algorithm came into being.

PRESENT is a lightweight block cipher algorithm, which is simpler in algorithm structure, higher in execution efficiency and lower in computing resources consumption. These advantages make PRESENT very suitable for the hardware resource constrained applications of IoT, such as RFID and WSNs.

The main work of this paper is as follows:

(1) Analyze the core idea of PRESENT encryption algorithm and make a profound study of its algorithm structure.

(2)Done the implementation of encryption and decryption of PRESENT, including password confusion and diffusion, key arrangement.

(3)Implement a Socket chat program based on PRESENT algorithm.

Key Words: Lightweight cryptography, PRESENT algorithm, block cipher

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究意义 1

1.2国内外研究现状 2

1.3研究内容 3

1.4论文结构 3

第2章 PRESENT分组密码的加解密实现 5

2.1 PRESENT分组密码的原理 5

2.1.1 sBoxLayer 5

2.1.2 pLayer 5

2.1.3 密钥编排 6

2.2 PRESENT分组密码的加密实现 7

2.3 PRESENT分组密码的解密实现 9

2.4 密钥管理 10

第3章 基于PRESENT加密算法的聊天程序方案设计 11

3.1 Socket的网络通信原理 11

3.2 基于PRESENT的Socket聊天程序系统分析与设计 12

3.2.1 系统功能分析 12

3.2.2 方案设计 13

3.3 基于PRESENT的Socket聊天程序的系统实现 14

第4章 实验结论 16

4.1 实验环境 16

4.2 功能测试 16

4.3 实验结果分析 17

第5章 总结与展望 19

5.1 总结 19

5.2 展望 19

参考文献 20

致 谢 22

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1研究背景

信息技术在近年来得到飞速发展，在当今世界经济与技术发展中，物联网已经成为了战略优势之一。随着物联网应用逐渐的走入我们的日常生活之中，物联网设备的安全性显得格外的重要，但是由于典型的物联网硬件平台如无线传感器网络和射频识别标签等都是通过无线网络来传输信息，所以更容易被有不良企图的人在传输过程中窃取信息、干扰、中断甚至破坏信息的传输。因此，许多WSN和RFID的应用都需要信息安全技术加以保障，例如基于无线传感器网络在军事、农业和医疗邻域的应用以及RFID的访问控制等。

而且，大多数的物联网硬件设备都是低资源设备，这些物联网设备对面积和功耗有限制，他们的特点是计算能力低、电池供应有限、面积小和/或内存容量小。例如，无线传感网络的处理器通常为8到16位，存储为64到1628KB，并且射频识别标签对硬件资源的限制比无线传感网络更加严格的限制。现有研究数据表明，一个典型RFID标签具有1000~10000个标准门电路，但是可以用于信息网络安全的只有200~2000个门电路 [^[1]][^[2]]，即加密算法的使用。而以往广泛使用的经典的加密算法如AES，虽然提供了高级别的加密性能，却没有很好的考虑到硬件资源消耗问题，目前以公开的最优化的AES-128的硬件实现仍然需要2400个门电路，远大于RFID所能提供的门电路个数。

由于这些传统的加密方案的计算资源消耗过大，所以这些高性能的加密算法无法在物联网中所使用的计算能力有限，硬件资源极其有限的微型计算设备上使用。所以，在这种情况下，轻量级加密算法的诞生成为了必然。轻量级加密算法与传统的加密算法相比，计算资源消耗少，执行效率高，而且算法结构相对简单，是一种更适合于计算资源有限的物联网硬件设备的加密方法。

1.1.2研究意义

由于科技的飞速发展，人们对网络的利用需求大大提高，网络给我们带来丰富的资的同时也给我们带来了信息安全的威胁。因此，网络安全问题越来越引起人们的重视。