基于位置信号特征共识的Wi-Fi接入认证方法技术

本发明专利技术提出了一种基于位置信号特征共识的Wi‑Fi接入认证方法，将AP的身份认证机制下放到底层的物联网设备上，将物联网设备根据设备所处的物理位置分为多个安全域，使用与物理位置相关的难以伪造的物理层CSI信息作为认证的凭据，使用挑战/应答体系进行身份认证，通过向需要认证的设备发送指定的随机指令，查看需要认证的设备返回的结果是否符合预期来判断该设备是否处于合法位置，通过利用区块链的共识机制和智能合约保证认证过程的可信性和不可篡改性以及已认证域内设备的合法性。本发明专利技术通过使用区块链技术结合设备的物理位置实现Wi‑Fi接入认证，不再由AP单独采用静态口令等弱认证方式完成身份认证，从而有效降低了安全隐患。

Wi-Fi Access Authentication Method Based on Location Signal Feature Consensus

The invention proposes a Wi Fi access authentication method based on position signal feature consensus. The authentication mechanism of AP is decentralized to the underlying Internet of Things device. The Internet of Things device is divided into several security domains according to the physical location of the device. The physical layer CSI information related to the physical location is used as authentication credentials, and the challenge/response system is used to identify the device. Authentication, by sending designated random instructions to the equipment that needs authentication, checking whether the result returned by the equipment that needs authentication meets expectations to determine whether the equipment is in a legal position, and by using the consensus mechanism of block chains and intelligent contracts to ensure the credibility of the authentication process, non-tampering modification and the legitimacy of the equipment in the authenticated domain. The invention realizes Wi_Fi access authentication by using block chain technology combined with physical location of equipment, and no longer uses weak authentication methods such as static password by AP alone to complete identity authentication, thereby effectively reducing security risks.

【技术实现步骤摘要】
基于位置信号特征共识的Wi-Fi接入认证方法
本专利技术属于身份认证
，涉及Wi-Fi接入认证方法，尤其涉及一种基于位置信号特征共识的Wi-Fi接入认证方法。
技术介绍
物联网环境下设备的安全性问题越来越突出。根据不同物联网设备的具体情况，所有的物联网设备都可能受到某些类型的攻击(Terzi，D.S.，Terzi，R.，&Sagiroglu，S，Asurveyonsecurityandprivacyissuesinbigdata，10thInternationalConferenceforInternetTechnologyandSecuredTransactions(ICITST)，2015)。一些工作正试图调整传统的互联网认证系统以适应物联网的环境。例如，(O.Salman，S.Abdallah，I.H.Elhajj，A.Chehab，andA.Kayssi，Identity-basedauthenticationschemefortheinternetofthings，IEEESymposiumonComputersandCommunication(ISCC)，2016)通过引入软件定义网络(SDN)的一些概念，提出了基于身份的物联网认证方案。(Baird，M.，Ng，B.，&Seah，W，Wi-FiNetworkAccessControlforIoTConnectivitywithSoftwareDefinedNetworking.Proceedingsofthe8thACMonMultimediaSystemsConference，2017)通过在广泛使用的OpenFlowv1.3协议中使用多个flowtables，使用SDN进行Wi-FiNetworkAccessControl(NAC)。H.Pranataet.all提出了一种基于令牌、PKI和加密的物联网环境的认证、授权和访问控制框架。(M.Turkanovi′c，B.Brumen，andM.H¨olbl，Anoveluserauthenticationandkeyagreementschemeforheterogeneousadhocwirelesssensornetworks，basedontheinternetofthingsnotion，AdHocNetworks，vol.20，pp.96-112，2014.)提出了一种新的异构自组织无线传感器网络用户认证和密钥协商方案。对于这些基于密码学的方法，密钥分发和管理是很重要的问题，但是大多数上述工作或者忽略了这个问题，或者依赖于第三方管理密钥。为了解决基于密码学的解决方案的问题，一些研究人员正在研究利用感知层的信息进行安全认证的方法(L.ZhouandH.Chao，Multimediatrafficsecurityarchitecturefortheintemetofthings，IEEENetwork，v0l.25，no.3，2011.)。(Fu，C.，Kezmane，T.，Du，X.，Fu，Y.，&Morrisseau，C，AnLocation-awareAuthenticationSchemeforCross-domainInternetofThingSystems.InternationalConferenceonComputing，NetworkingandCommunications(ICNC)，2018)提出了一种基于物联网的跨域通信认证机制，利用物联网设备拍摄的图片进行认证，它假设需要进行认证的物联网设备是必须具备摄像头的并能自主拍摄图片的。区块链因其独特的属性，如分布式，安全性，匿名性，隐私性和防篡改性，吸引了学术界和从业者的极大关注，一些研究人员也提出了基于区块链的身份认证方法。(Sanda，T.，&Inaba，H，ProposalofnewauthenticationmethodinWi-FiaccessusingBitcoin2.0.2016IEEE5thGlobalConferenceonConsumerElectronics(GCCE)，2016)提出了一种利用区块链技术进行Wi-Fi接入认证的方法，将用户的访问日志保存在区块链中，管理员可以识别非法的接入人员并收集用户的信息。(zhu，X.，Badr，Y.，Pacheco，J.，&Hariri，S，AutonomicIdentityFrameworkfortheInternetofThings，IEEEInternationalConferenceonCloudandAutonomicComputing(ICCAC)，2017)提出了一种基于区块链的物联网身份框架(BIFIT)，并将BIFIT应用于物联网智能家居中，以用户为中心管理物联网设备身份并进行监控，使用区块链来维护所有者的所有身份，而事物的身份通过所有者私钥签名的签名与其所有者相关联。(Andersen，M.P.，Kolb，J.，Chen，K.，Fierro，G.，Culler，D.E.，Popa，R.A.，&Fierro，G，WAVE：ADecentralizedAuthorizationSystemforIoTviaBlockchainSmartContracts，2017)设计了一个完全非集中式授权系统WAVE，提供细粒度权限、非交互委托和可以有效验证的权限证明，同时也支持撤销。然而现有技术中的方法大多注重于设备与云端之间的上层交互，设备与用户之间的交互过程，将区块链作为一种可靠的存储形式，但是其安全性方面仍然会存在问题。本文的方法是将区块链技术应用到设备与设备之间，辅以基于位置的信息，利用Challenge-Response体系，使物联网设备的Wi-Fi入网身份认证过程更加安全可靠。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种基于位置信号特征共识的Wi-Fi接入认证方法，解决现有技术中注重设备与云端之间的上层交互，设备与用户之间的交互过程，将区块链作为一种存储形式而带来的安全性低的问题，实现了将区块链技术应用到设备与设备之间，辅以基于位置的信息，并利用Challenge-Response体系，使物联网设备的Wi-Fi入网身份认证过程更加安全可靠。本专利技术所采用的技术方案是，提供一种基于位置信号特征共识的Wi-Fi接入认证方法，包括以下步骤：S1.事先收集合法位置的信道状态信息CSI，将经过处理的CSI信息生成CSI指纹库FCSI＝{Fdata_change，Famplitude}并存储在所有已通过认证的受保护安全域的设备内，该CSI指纹库作为接入认证过程中的匹配阶段所使用的信息集合；其中，Fdata_change为数据变化特征集合，是使用PCA算法对收集到的CSI数据进行降维得到的矩阵Mi，Fdata_change＝{M1，M2，M3，...，Mi}，i∈[1，N]，N为指纹库中所有位置的数量；Famplitude为幅度特征集合，是取信道频率响应信息CFR的最大幅度Amax和最小幅度Amin，以及取信道冲击响应信息CIR所有数据包最大幅度的平均值Aavg组合而成的特征集合，即Fampl本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于位置信号特征共识的Wi‑Fi接入认证方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.事先收集合法位置的信道状态信息CSI，将经过处理的CSI信息生成CSI指纹库FcsI＝{Fdata_change，Famplitude}并存储在所有已通过认证的受保护安全域的设备内，该CSI指纹库作为接入认证过程中的匹配阶段所使用的信息集合；其中，Fdata_change为数据变化特征集合，是使用PCA算法对收集到的CSI数据进行降维得到的矩阵Mi，Fdata_change＝{M1，M2，M3，...，Mi}，i∈[1，N]，N为指纹库中所有位置的数量；Famplitude为幅度特征集合，是取信道频率响应信息CFR的最大幅度Amax和最小幅度Amin，以及取信道冲击响应信息CIR所有数据包最大幅度的平均值Aavg组合而成的特征集合，即Famplitude＝{Amax，Amin，Aavg}；需要接入Wi‑Fi的未受保护安全域中的设备h向受保护安全域中的设备发送请求接入信息，即设备ID信息和设备所在域信息；S2.受保护安全域内的设备均接收到设备h的Wi‑Fi接入请求信息，选择受保护安全域中的设备f产生一个由设备ID、随机参数和持续时间组成的随机指令，将该随机指令广播至受保护安全域中的每个设备，并将该随机指令发往需要接入Wi‑Fi的设备h；设备h遵循该随机指令将响应信息，即设备ID信息、设备所在域信息和响应的CSI数据信息发送给受保护安全域中的设备；S3.受保护安全域中的设备将接收到的来自设备h的响应信息从随机指令匹配和CSI指纹库FCSI匹配两个方面进行合法性判断；受保护安全域中的设备先在各自安全域内达成局部共识，再选出各自安全域的代表节点，即簇首CH节点，进而达成全局共识；S4.随机取受保护安全域B中的一个CH设备e查询全局路由表，请求存储上一个区块的受保护安全域A发送上一个区块的内容到CH设备e，该CH设备e根据上一个块的内容及所达成的共识将认证结果写入新区块，并下发一个与设备h的ID相关的TOKEN，设备h使用这个TOKEN进行接入认证，将这个TOKEN放入TOKEN池，CH设备e同域的其他设备备份这个新区块内容；经广播后，所有设备更新全局路由表；S5.AP使用智能合约查询新区块的内容，受保护安全域B的CH设备将新区块内容中身份证明默克尔树结构相关的信息发送至AP，经过查询后AP同意或拒绝该设备h的接入请求；S6.若AP同意该设备h的接入请求，从TOKEN池中删除有关设备h的TOKEN信息，使其他非法设备无法再使用这个TOKEN进行接入认证；使用针对已认证通过的安全域中设备的智能合约定期检查已接入设备的合法性；若AP拒绝该设备h的接入请求，根据设备h发送的CSI信息判断设备h的位置以实现追溯。...

【技术特征摘要】
1.一种基于位置信号特征共识的Wi-Fi接入认证方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.事先收集合法位置的信道状态信息CSI，将经过处理的CSI信息生成CSI指纹库FcsI＝{Fdata_change，Famplitude}并存储在所有已通过认证的受保护安全域的设备内，该CSI指纹库作为接入认证过程中的匹配阶段所使用的信息集合；其中，Fdata_change为数据变化特征集合，是使用PCA算法对收集到的CSI数据进行降维得到的矩阵Mi，Fdata_change＝{M1，M2，M3，...，Mi}，i∈[1，N]，N为指纹库中所有位置的数量；Famplitude为幅度特征集合，是取信道频率响应信息CFR的最大幅度Amax和最小幅度Amin，以及取信道冲击响应信息CIR所有数据包最大幅度的平均值Aavg组合而成的特征集合，即Famplitude＝{Amax，Amin，Aavg}；需要接入Wi-Fi的未受保护安全域中的设备h向受保护安全域中的设备发送请求接入信息，即设备ID信息和设备所在域信息；S2.受保护安全域内的设备均接收到设备h的Wi-Fi接入请求信息，选择受保护安全域中的设备f产生一个由设备ID、随机参数和持续时间组成的随机指令，将该随机指令广播至受保护安全域中的每个设备，并将该随机指令发往需要接入Wi-Fi的设备h；设备h遵循该随机指令将响应信息，即设备ID信息、设备所在域信息和响应的CSI数据信息发送给受保护安全域中的设备；S3.受保护安全域中的设备将接收到的来自设备h的响应信息从随机指令匹配和CSI指纹库FCSI匹配两个方面进行合法性判断；受保护安全域中的设备先在各自安全域内达成局部共识，再选出各自安全域的代表节点，即簇首CH节点，进而达成全局共识；S4.随机取受保护安全域B中的一个CH设备e查询全局路由表，请求存储上一个区块的受保护安全域A发送上一个区块的内容到CH设备e，该CH设备e根据上一个块的内容及所达成的共识将认证结果写入新区块，并下发一个与设备h的ID相关的TOKEN，设备h使用这个TOKEN进行接入认证，将这个TOKEN放入TOKEN池，CH设备e同域的其他设备备份这个新区块内容；经广播后，所有设备更新全局路由表；S5.AP使用智能合约查询新区块的内容，受保护安全域B的CH设备将新区块内容中身份证明默克尔树结构相关的信息发送至AP，经过查询后AP同意或拒绝该设备h的接入请求；S6.若AP同意该设备h的接入请求，从TOKEN池中删除有关设备h的TOKEN信息，使其他非法设备无法再使用这个TOKEN进行接入认证；使用针对已认证通过的安全域中设备的智能合约定期检查已接入设备的合法性；若AP拒绝该设备h的接入请求，根据设备h发送的CSI信息判断设备h的位置以实现追溯。2.根据权利要求1所述的一种基于位置信号特征共识的Wi-Fi接入认证方法，其特征在于，所述步骤S2中随机指令中指定了接入设备响应需要遵循的具体参数，接入设备必须遵循这些参数发送自己的CSI信息，具体参数内容包括所发送数据包应有的收集速度m以及数据包的时间n，即要求设备以每秒m个包的速度收集n秒CSI数据并将该数据发送给受保护安全域中的设备。3.根据权利要求1所述的一种基于位置信号特征共识的Wi-Fi接入认证方法，其特征在于，所述步骤S3中，随机指令匹配指响应数据包数量上的匹配；CSI指纹库FCSI匹配包括数据变化特征矩阵相似度度量及幅度特征变化范围匹配；数据变化特征矩阵...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈永乐，杨玉丽，王潇健，于丹，陈俊杰，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西,14