一种无线传感器网络动态凭证认证密钥协商方法技术

本发明专利技术公开了一种无线传感器网络动态凭证认证密钥协商方法，属于传感器网络信息安全领域，方法只采用哈希函数作为构建块并基于新DAC提供相互身份验证和完美的前向保密属性。本发明专利技术方法中，每个节点配置了一个新的DAC，一旦基于当前密钥成功建立会话密钥，就更新DAC，因此特定DAC值只限于一个会话密钥。因此，受损的认证密钥不会影响其他先前建立的会话密钥。除了具有基本安全属性(例如相互认证和PFS等)之外，本发明专利技术还可以通过将其当前DAC与存储在网关节点处的相应DAC进行比较来检测先前对用户/传感器的模拟攻击。此外，本发明专利技术方案仅使用散列函数和XOR运算，从而全面提升本发明专利技术计算效率。

【技术实现步骤摘要】
一种无线传感器网络动态凭证认证密钥协商方法
本专利技术属于传感器网络信息安全领域，主要涉及在无线传感器网络用于替代公钥加密原语的新式无线传感器网络动态凭证认证密钥协商方法，以提高协议执行效率并降低硬件成本。
技术介绍
无线传感器网络(WSN)已成为许多实际应用中的基础设施，它们是具有少量CPU和内存的低功率无线传感器节点的深度网络系统，传感器收集的数据可能涉及很多敏感信息，如个人生理信息，以及战场信息，这些信息只能由授权用户访问。认证密钥协商(AKA)协议是保护WSN中的关键信息的理想选择。在为WSN设计轻量级AKA协议时，需考量以下安全属性，如相互身份验证，会话密钥安全性，完美前向保密，使用匿名性，重放攻击的弹性和模拟攻击。基于Diffie等人的相关研究，在这些安全属性中，完美前向保密(PFS)已成为AKA事实上的标准属性，PFS属性要求当前受损的身份认证密钥不会影响由相应的受损方建立的先前会话密钥的保密性。最近提出的轻量级AKA协议，例如，Shi等人、崔等人、和陈等人有一个共同的结构特征：基于Diffie-Hellm密钥协议(DHKA)实现PFS。但是，由于DHKA需要两个指数运算，因此对计算资源受限的传感器或智能卡而言执行效果受较大影响。尽管相关研究试图优化传感器网络中公钥加密原语的实现，但是公钥加密计算量大的固有性质仍然保持不变。所以，在不使用任何复杂公钥加密原语(例如DHKA)的情况下实现PFS成为亟待解决的问题。此外，协议参与者无法知道他们的身份验证凭据是否已被泄露，如果安全管理员未能及时更换受损的身份验证凭据，则可能导致灾难性后果。最近，YangandGuo提出了一种AKA协议(以下简称YG方案)，它通过使用动态认证凭证(DAC)解决了这个问题。但在某些条件下，同时在所有密钥共享器上同步基于单键的凭证是不可行的。为了解决同步问题，Yang和Guo提出了一个DAC框架，每个DAC由两个子密钥组成。YG方案设计了DAC更新策略，以确保一方的至少一个子密钥始终与其伙伴同步。然而，YG方案需要基于PKI的加密构建块，即满足PFS的被动安全的双方密钥协商协议，以生成用于更新DAC的短暂秘密种子。因高昂的计算代价，WSN上无法适用此协议。以下文献介绍了本文相关的协议算法：[8]ChihChunChang,ShadiArafa,andSeadMuftic.2014.KeyEstablishmentProtocolforWirelessSensorNetworks.InIEEEInternationalConferenceonMobileAdhocandSensorSystems.1–6[11]KahinaChelli.2014.HardwareKeysExchangeProtocolinWirelessSensorNetworks.LectureNotesinEngineering&ComputerScience2211,1(2014).[46]ZhengYangandFeiGuo.2014.Authenticatedkeyexchangewithsynchronizedstate.SecurityandCommunicationNetworks7,12(2014),2373–2388.
技术实现思路
为了解决上述同步问题，本专利技术确保存储在用户(或传感器)中的至少一个子密钥与网关节点的子密钥同步。网关节点在每个会话中新选择DAC更新密钥，并使用从相应DAC派生的一次性密钥将其机密地分发给用户(或传感器)。由于只能实现部分DAC同步，本专利使网关节点发送最后一条认证消息并进行部分DAC更新。为了实现PFS，本专利技术基于其DAC中最后确认的同步子密钥，以及解密的DAC更新密钥来更新每个会话中的用户(或传感器)的整个DAC。每个实体通过分别检查由这两个子密钥生成的认证消息来确定前两个消息流中哪个子密钥是同步的。同时，每一方选择的会话密钥材料分别由从相应的子密钥导出的两个不同的密钥封装两次。本专利技术中，提出了一种新式AKA方法。该协议只采用哈希函数作为构建块并基于新DAC提供相互身份验证和完美的前向保密属性。本专利技术方法中，每个节点配置了一个新的DAC，一旦基于当前密钥成功建立会话密钥，就更新DAC，因此特定DAC值只限于一个会话密钥。因此，受损的认证密钥不会影响其他先前建立的会话密钥。除了具有基本安全属性(例如相互认证和PFS等)之外，本专利技术还可以通过将其当前DAC与存储在网关节点处的相应DAC进行比较来检测先前对用户/传感器的模拟攻击。此外，本专利技术方案仅使用散列函数和XOR运算，从而全面提升本专利技术计算效率。本专利技术提出适用于WSN的AKA方法设计原则：本专利技术中的每个DAC包括两个子密钥；这样，只会错误地更新子密钥，因此其他子密钥可以用作备份；同时，在存在任何上述故障的情况下，网关节点始终可以具有与用户或传感器正确同步的DAC子密钥。本专利技术技术方案为一种无线传感器网络动态凭证认证密钥协商方法，该方法包括4个阶段，执行如下所述：阶段1：用户注册阶段，用户在与可靠的环境隔离的可信环境中与网关节点一起运行注册过程；步骤1.1：用户选择一个身份和一个长效身份认证密钥(authenticationkey密码或生物指纹)，再生成一个随机数；用户基于认证密钥与随机数计算用户机密信息，再将用户注册信息发送至网关节点，该用户注册信息包括：身份、长效身份认证密钥、用户机密信息；步骤1.2：网关节点接受用户注册信息后，确认用户身份，根据对应密钥信息解密出机密信息；然后网关节点存储机密信息并将智能卡内容(假名与中间信息)反馈至用户；步骤1.3：用户接收并存储智能卡信息；阶段2：传感器注册阶段，在安全频道上进行注册；网关节点为传感器选择一个单独身份信息，并计算相应认证密钥；网关节点存储传感器身份信息与认证密钥并将其写入传感器节点；阶段3：身份验证和密钥协商阶段；步骤3.1：用户根据自身身份信息与认证密钥，计算出机密信息与两个初始认证信息r1(authenticationmessage)，并将机密信息、两个初始封装为认证信息r1协议消息m1发送至传感器节点；步骤3.2：传感器节点接收m1后，选择一个随机密钥，计算出两个初始认证信息r2，和m1汇总后封装至协议消息m2并发送给网关节点，协议消息m2包括：协议消息m1、两个初始认证信息r2；步骤3.3：网关节点接收m2后，计算并确认验证信息(verificationmessage)并分配变量存储当前子密钥索引；计算密文、临时加密密钥与认证信息，再将计算得到的密文、临时加密密钥、认证信息封装至协议消息m3发给传感器节点；步骤3.4：传感器节点接收m3计算并确认密文、临时加密密钥、认证信息、临时认证密钥、DAC更新密钥与验证信息，并将计算得到的所有信息汇总封装至协议消息m4发回用户；步骤3.5：用户接收m4后，计算可能的解密密钥与验证信息并确认验证信息；用户解码DAC更新密钥与并根据可能的解密密钥计算会话密钥材料，基于会话密钥材料计算会话密钥，同时计算密文与认证信息，并将密文与认证信息封装至协议消息m5中发给传感器节点；步骤3.6：传感器节点接收m5后，解码会话密钥材料，计算并确认验证信本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种无线传感器网络动态凭证认证密钥协商方法，该方法包括4个阶段，执行如下所述：阶段1：用户注册阶段，用户在与可靠的环境隔离的可信环境中与网关节点一起运行注册过程；步骤1.1：用户选择一个身份和一个长效身份认证密钥(authentication key密码或生物指纹)，再生成一个随机数；用户基于认证密钥与随机数计算用户机密信息，再将用户注册信息发送至网关节点，该用户注册信息包括：身份、长效身份认证密钥、用户机密信息；步骤1.2：网关节点接受用户注册信息后，确认用户身份，根据对应密钥信息解密出机密信息；然后网关节点存储机密信息并将智能卡内容(假名与中间信息)反馈至用户；步骤1.3：用户接收并存储智能卡信息；阶段2：传感器注册阶段，在安全频道上进行注册；网关节点为传感器选择一个单独身份信息，并计算相应认证密钥；网关节点存储传感器身份信息与认证密钥并将其写入传感器节点；阶段3：身份验证和密钥协商阶段；步骤3.1：用户根据自身身份信息与认证密钥，计算出机密信息与两个初始认证信息r1(authentication message)，并将机密信息、两个初始封装为认证信息r1协议消息m1发送至传感器节点；步骤3.2：传感器节点接收m1后，选择一个随机密钥，计算出两个初始认证信息r2，和m1汇总后封装至协议消息m2并发送给网关节点，协议消息m2包括：协议消息m1、两个初始认证信息r2；步骤3.3：网关节点接收m2后，计算并确认验证信息(verification message)并分配变量存储当前子密钥索引；计算密文、临时加密密钥与认证信息，再将计算得到的密文、临时加密密钥、认证信息封装至协议消息m3发给传感器节点；步骤3.4：传感器节点接收m3计算并确认密文、临时加密密钥、认证信息、临时认证密钥、DAC更新密钥与验证信息，并将计算得到的所有信息汇总封装至协议消息m4发回用户；步骤3.5：用户接收m4后，计算可能的解密密钥与验证信息并确认验证信息；用户解码DAC更新密钥与并根据可能的解密密钥计算会话密钥材料，基于会话密钥材料计算会话密钥，同时计算密文与认证信息，并将密文与认证信息封装至协议消息m5中发给传感器节点；步骤3.6：传感器节点接收m5后，解码会话密钥材料，计算并确认验证信息；传感器节点再计算认证信息与会话密钥，并将认证信息、会话密钥封装至协议消息m6发给网关节点；步骤3.7：网关节点接收m6后，计算并确认验证信息；网关节点计算更新通知，并更新存储网关DAC子密钥；然后网关节点将更新通知封装至m7发送给传感器节点，并最终接受此对话；步骤3.8：传感器节点接收m7后，计算并确认验证消息，计算并存储新传感器DAC子密钥；传感器节点将验证信息封装至协议消息m8发送给用户；步骤3.9：用户接收m8后，计算并确认验证消息，计算新DAC子密钥与盲法传感器凭证；用户成功存储凭证则接收此会话，否则终止；阶段4：用户认证密钥更改阶段；若用户已验证过身份信息，支持用户凭旧式长效身份认证密钥更新新式长效身份认证密钥。本专利技术相对于现有技术的优势在于：在降低计算复杂度与减少缓存消耗的同时，还可提供对模拟攻击与重放攻击的抵抗。下面给出标准AKA协议与本专利技术AKA协议敌方优势度的数学表达式，当所有敌方安全试验...

【技术特征摘要】
1.一种无线传感器网络动态凭证认证密钥协商方法，该方法包括4个阶段，执行如下所述：阶段1：用户注册阶段，用户在与可靠的环境隔离的可信环境中与网关节点一起运行注册过程；步骤1.1：用户选择一个身份和一个长效身份认证密钥(authenticationkey密码或生物指纹)，再生成一个随机数；用户基于认证密钥与随机数计算用户机密信息，再将用户注册信息发送至网关节点，该用户注册信息包括：身份、长效身份认证密钥、用户机密信息；步骤1.2：网关节点接受用户注册信息后，确认用户身份，根据对应密钥信息解密出机密信息；然后网关节点存储机密信息并将智能卡内容(假名与中间信息)反馈至用户；步骤1.3：用户接收并存储智能卡信息；阶段2：传感器注册阶段，在安全频道上进行注册；网关节点为传感器选择一个单独身份信息，并计算相应认证密钥；网关节点存储传感器身份信息与认证密钥并将其写入传感器节点；阶段3：身份验证和密钥协商阶段；步骤3.1：用户根据自身身份信息与认证密钥，计算出机密信息与两个初始认证信息r1(authenticationmessage)，并将机密信息、两个初始封装为认证信息r1协议消息m1发送至传感器节点；步骤3.2：传感器节点接收m1后，选择一个随机密钥，计算出两个初始认证信息r2，和m1汇总后封装至协议消息m2并发送给网关节点，协议消息m2包括：协议消息m1、两个初始认证信息r2；步骤3.3：网关节点接收m2后，计算并确认验证信息(verificationmessage)并分配变量存储当前子密钥索引；计算密文、临时加密密钥与认证信息，再将计算得到的密文、临时加密密钥、认证信息封装至协议消息m3发给传感器节点；步骤3.4：传感器节点接收m3计算并确认密文、临时加密密钥、认证信息、临时认证密钥、DAC更新密钥与验证信息，并将计算...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖俊宇，杨铮，何辞，肖翰，张亚生，
申请(专利权)人：电子科技大学，中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51