随着物联网时代的到来,无线传感器网络(Wireless Sensor Network,WSN)应用广泛,无线传感器网络安全问题受到社会越来越多的关注。WSN节点能量低、存储空间小,是一种资源受限的设备,传统密码无法很好地应用在节点上,因此出现了一种新的热门课题:轻量级密码。本文提出了S盒算法及轻量级密码算法,并且设计及实现了WSN轻量级密码系统。本文主要研究工作如下:(1)深入分析了WSN轻量级密码的设计思想,总结了目前WSN轻量级密码算法中存在不足,研究了分组密码中S盒的设计思想及设计原则,同时分析了混沌S盒在密码算法中的应用,研究了轻量级密码算法的设计原理及设计准则,为设计混沌S盒构造优化算法及WSN轻量级密码算法提供了坚实的理论支撑。(2)针对一维混沌系统混沌范围小、序列不均匀的缺点,设计了一种新的基于分数指数的组合混沌系统。基于该系统提出了一种新的混沌伪随机序列离散化方法,针对离散伪随机序列,设计了一种混沌S盒构造和动态置乱算法。然后,针对混沌S盒性能差异大的问题,设计了一种基于教与学模型的S盒多目标优化方案。最后,通过实验验证了近似最优S盒具有良好的密码学性能。(3)针对传统Feistel结构扩散程度低的特点,设计了一种改进的广义Feistel密码结构。将近似最优S盒纳入到轮函数和密钥流的设计中,根据轻量级密码算法设计原则,提出了WSN轻量级密码算法加密及解密方案。最后,进行了成本、效率和安全性测试及分析,以验证轻量级密码算法的性能。(4)基于提出的S盒构造算法和轻量级密码算法,设计并实现了WSN轻量级密码系统。将加解密方案放到WSN节点环境下进行仿真,仿真结果显示WSN轻量级密码算法能够适用于资源受限环境。软件系统包含了S盒的构造及测试模块,轻量级密码算法的加解密模块,安全性测试分析模块。从系统的总体设计及详细功能设计与实现的角度,对系统进行了全面的分析及验证。本文提出了混沌S盒的构造及优化算法以及能够适用于WSN节点的轻量级密码算法。同时,设计并实现了WSN轻量级密码系统,以满足用户的安全需求。实验结果表明,本文产生的S盒密码性能良好,安全性高;WSN轻量级密码算法在安全、成本、效率方面都取得很好的效果;密码系统能够为数据提供足够安全保护,具有很好的应用前景和实用价值。