基于模糊提取器的生物信息认证和密钥协商方法技术

本发明专利技术公开了一种基于模糊提取器的生物信息认证和密钥协商方法，包括以下步骤：（1）初始化：服务器在用户注册身份前的准备工作，包括哈希函数的选取，定义循环群并计算公私钥对；（2）用户注册：用户通过模糊提取器提取生物信息，结合口令生成注册请求发送给服务器，合法用户将收到服务器返回的动态身份ID；（3）身份认证和密钥协商：已注册的合法用户与服务器进行双向身份认证并协商会话密钥；（4）口令更新：已注册的合法用户需要更新口令时向服务器发起请求。本发明专利技术通过动态ID实现用户匿名身份认证，更有效保护用户隐私信息不被泄露，并且通过部署区块链实现对用户生物公开信息的全生命周期记录，实现对用户及服务器的监控与审计。计。计。

【技术实现步骤摘要】
基于模糊提取器的生物信息认证和密钥协商方法


[0001]本专利技术涉及一种基于模糊提取器的生物信息认证和密钥协商方法。

技术介绍

[0002]随着微电子技术和移动通信技术的发展，具有信息感知和处理能力的传感器拥有越来越广泛的应用空间。无线网络技术在信息革命的浪潮中高速发展，基于无线传感器的物联网应运而生，无线体域网(Wireless Body Area Network)便是物联网在智慧医疗领域的重要应用。作为信息安全的重要研究领域之一，认证与密钥协商协议可以使通信双方之间建立安全的共享会话密钥，已经被广泛应用到各种实践场景中，如社交通信，智慧医疗等。无线体域网中传输的数据都是用户的重要信息，因此在不安全的信道中传输信息过程中的安全性和隐私性是亟需解决的问题。传感器和服务节点在数据交换前需要建立会话，进行相互的身份认证以确保对方是合法的，再生成会话密钥，用于加密传输的数据。
[0003]基于口令的认证和密钥协商方案具有便于记忆和方便管理等优点，因此被广泛应用。然而，口令虽然便于记忆，但是其熵值较小，容易遭受字典攻击。生物特征具有唯一性和在一定时间内不显著改变的稳定性，使用生物特征进行认证具有简便、快捷、易用的特点，因此生物特征识别在身份认证领域得到了广泛的应用。由于生物特征模板具有唯一性与隐私性，在开放的网络上直接传输生物特征模板是不安全的，因此如何从两个差别不大的生物特征中提取出相同的秘密值作为远程生物特征比对匹配的因子，是实现在分布式开放网络中实现生物特征识别的关键。
[0004]采用生物信息做身份认证时有2个待解决的问题。一方面是在技术可用性方面，受限于生物体征可能存在外界干扰，任意2次提取人的生物特征可能得到的信息并不完全一致，这就导致了服务器不可能像口令认证一样对生物特征进行一致性比对，只能将其作为口令认证的辅助方式。另一方面，即使解决了上述生物特征比对问题，用户也不希望将自己的生物特征存储在服务器处。因为生物特征信息在传输和存储的过程中存在信息泄露和篡改的网络安全风险，一旦服务器被攻陷，所有用户的生物特征都将被窃取，这对于用户来说是较大的安全威胁。
[0005]2004年，Dodis等人提出的模糊提取技术的概念，很好地解决了上述2个问题。模糊提取技术中存在两个概念：1)模糊提取器(Fuzzy Extractor)。从输入的生物特征信号中提取出均匀分布的随机字符串R。2)安全梗概(Secure Sketch)。从输入的生物特征信息B中提取出公开信息P，当再次输入的B
′
与B非常相近时，可以由P和B
′
恢复出B。
[0006]在模糊提取技术中，当输入一个生物特征B时，模糊提取技术可以以一种容错的方式输出一个随机的字符串R。当输入的B
′
和B相差不大时，模糊提取器输出的随机字符串B不发生改变。服务器只需要存储随机字符R，而无需存储用户生物特征。在输入生物特征B
′
恢复B的过程中，一般需要输入一个辅助的公开信息P。模糊提取器由以下2个算法组成。
[0007]1)随机数生成算法Gen(B)
→
{R,P}，输入生物信息B，输出随机字符串R和辅助公开信息P，其中R的长度为l，l是安全参数；
[0008]2)随机数恢复算法Rep(B
′
，P)
→
{R}，输入生物信息B
′
和辅助公开信息P，输出随机字符R，若dis(B，
′
)≤t，其中t为给定区间大小，则输出R。
[0009]2017年，Xie等人提出了一种新型的基于动态ID的匿名双因素认证密钥协议，该协议解决了丢失智能卡攻击、去同步化攻击、前向保密、用户匿名或不可追踪的问题。然而，Xie等人的方案仅仅依赖于时间戳，他们很容易受到时钟同步问题的影响，设备容易受到物理和克隆攻击。然而，2018年，Li等人指出，Xie等人提出的方案即使给出了正式的安全分析，也容易受到离线字典攻击。Mahmood等人为智能电网设计了一种基于椭圆曲线密码学的轻量级认证方案，但它被证明容易受到各种已知攻击的影响，如冒名攻击和内部攻击等。Zhou等人提出了一个以用户为中心的生物认证识别方案，使得终端用户能够轻量级加密自己的生物信息模板，而模板的关键信息不会被泄露，通过比较加密数据的汉明距离和欧式距离对其进行搜索，确保数据安全和隐私。然而，2022年，Hee等人证明Zhou等人的方案在一个更具包容性的攻击模型中容易遭受恶意用户的攻击。

技术实现思路

[0010]为了解决上述技术问题，本专利技术提供一种算法简单、安全性高的基于模糊提取器的生物信息认证和密钥协商方法。
[0011]本专利技术解决上述技术问题的技术方案是：一种基于模糊提取器的生物信息认证和密钥协商方法，包括以下步骤：
[0012](1)初始化：服务器在用户注册身份前的准备工作，包括哈希函数的选取，定义循环群并计算公私钥对；
[0013](2)用户注册：用户通过模糊提取器提取生物信息，结合口令生成注册请求发送给服务器，合法用户将收到服务器返回的动态身份ID；
[0014](3)身份认证和密钥协商：已注册的合法用户与服务器进行双向身份认证并协商会话密钥；
[0015](4)口令更新针对已注册的合法用户，当用户需要更新口令时向服务器发起请求，进行口令更新。
[0016]上述基于模糊提取器的生物信息认证和密钥协商方法，所述步骤(1)中，初始化是指服务器定义q阶循环群G，一条基点为P的椭圆曲线E(F
p
)和一个安全且抗碰撞的单向Hash函数H:{0,1}
*
→
{0,1}
l
，基于椭圆曲线加密算法随机选取私钥s∈Z
q*
，并计算其公钥P0＝sP，其中Z
q*
是乘法循环群。
[0017]上述基于模糊提取器的生物信息认证和密钥协商方法，所述步骤(2)中用户注册的具体过程为：
[0018]2‑
1)U
→
S:{ID
U
,PW
U
,B
U
}，用户U通过安全信道发送自己的身份信息ID
U
，口令信息PW
U
以及生物信息B
U
到服务器S；
[0019]2‑
2)S
→
Blockchain:{DID
U
，P
U
，W
U
}，服务器S通过模糊提取技术输入B
U
到随机数生成算法算法Gen(B
U
)
→
{R
U
,P
U
}，得到随机字符串R
U
和辅助字符串P
U
，计算加密口令信息W
U
＝H(R
U
||PW
U
)，选取随机数N0计算动态身份本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于模糊提取器的生物信息认证和密钥协商方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)初始化：服务器在用户注册身份前的准备工作，包括哈希函数的选取，定义循环群并计算公私钥对；(2)用户注册：用户通过模糊提取器提取生物信息，结合口令生成注册请求发送给服务器，合法用户将收到服务器返回的动态身份ID；(3)身份认证和密钥协商：已注册的合法用户与服务器进行双向身份认证并协商会话密钥；(4)口令更新针对已注册的合法用户，当用户需要更新口令时向服务器发起请求，进行口令更新。2.根据权利要求1所述的基于模糊提取器的生物信息认证和密钥协商方法，其特征在于，所述步骤(1)中，初始化是指服务器定义q阶循环群G，一条基点为P的椭圆曲线E(F
p
)和一个安全且抗碰撞的单向Hash函数H：{0，1}
*
→
{0，1}
l
，基于椭圆曲线加密算法随机选取私钥s∈Z
q*
，并计算其公钥P0＝sP，其中Z
q*
是乘法循环群。3.根据权利要求2所述的基于模糊提取器的生物信息认证和密钥协商方法，其特征在于，所述步骤(2)中用户注册的具体过程为：2
‑
1)U
→
S：{ID
U
，PW
U
，B
U
}，用户U通过安全信道发送自己的身份信息ID
U
，口令信息PW
U
以及生物信息B
U
到服务器S；2
‑
2)S
→
Blockchain：{DID
U
，P
U
，W
U
}，服务器S通过模糊提取技术输入B
U
到随机数生成算法算法Gen(B
U
)
→
{R
U
，P
U
}，得到随机字符串R
U
和辅助字符串P
U
，计算加密口令信息W
U
＝H(R
U
||PW
U
)，选取随机数N0计算动态身份信息DID
U
＝H(ID
U
||ID
S
||N0)，其中ID
S
是服务器的身份信息；区块链存储(DID
U
，P
U
，W
U
)，并删除B
U
和PW
U
；2
‑
3)S
→
U：{DID
U
}，服务器S返回已注册用户的动态ID。4.根据权利要求3所述的基于模糊提取器的生物信息认证和密钥协商方法，其特征在于，所述步骤(3)中身份认证和密钥协商的具体过程为：3
‑
1)U
→
S：{B
U
，PW
U
，N1P}，用户U选取随机数N1根据椭圆曲线密码学计算N1P生成临时公钥，并输入B
U
和PW
U
向服务器S发起认证请求；3
‑
2)S
→
Blockchain：{P
U
}，服务器S由B
U
根据模糊提取器得到辅助字符串P
U
查找区块链数据库是否存在记录；3
‑
3)Blockchain
→
S：{DID
U
，W
U
}，区块链查找相关记录(DID
U
，P
U
，W
U
)，将DID
U
和W
U
返回给服务器S；3
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：张世文，晏紫微，李梦玲，何家毅，杨益彬，梁伟，
申请(专利权)人：湖南科技大学，
类型：发明
国别省市：