WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的入網(wǎng)認(rèn)證和密鑰更新機(jī)制研究

王 浩 楊 劍 劉 杰 王 平

(重慶郵電大學(xué)自動化學(xué)院網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)與智能儀器儀表教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400065)

0 引言

WIA-PA(wireless networks for industrial automationprocess automation)是基于 IEEE STD 802.15.4-2006 的標(biāo)準(zhǔn)，用于工業(yè)過程測量、監(jiān)視與控制的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[1]。該規(guī)范是我國自主研發(fā)的、用于工業(yè)過程自動化的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，現(xiàn)已成為IEC國際標(biāo)準(zhǔn)。

WIA-PA網(wǎng)絡(luò)支持兩層網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。第一層是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，由網(wǎng)關(guān)設(shè)備及路由設(shè)備構(gòu)成;第二層是星型結(jié)構(gòu)，由路由設(shè)備、現(xiàn)場設(shè)備和手持設(shè)備構(gòu)成。用于系統(tǒng)管理的網(wǎng)絡(luò)管理者和安全管理者在實(shí)現(xiàn)時可位于網(wǎng)關(guān)設(shè)備或主控計(jì)算機(jī)。本文中，安全管理者由主控計(jì)算機(jī)擔(dān)任。同時，一種類型的物理設(shè)備可以擔(dān)任多個邏輯角色。在星型和網(wǎng)狀結(jié)合的兩層拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，網(wǎng)關(guān)設(shè)備可以擔(dān)任網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)管理者以及安全管理者的角色;路由設(shè)備可以擔(dān)任簇首的角色;現(xiàn)場設(shè)備和手持設(shè)備只能擔(dān)任簇成員的角色。

作為一個開放系統(tǒng)，WIA-PA存在潛在的安全風(fēng)險[1]，必須采取一定的安全措施，以保證WIA-PA用戶的安全操作，保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部的資源和維持正常的生產(chǎn)秩序。本文針對WIA-PA網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際應(yīng)用中的安全問題，分別提出了入網(wǎng)認(rèn)證方案和密鑰更新方案。

1 單向散列鏈

單向散列鏈?zhǔn)且粋€散列值序列{x1，…，xj，…，xm}[4]，序列中各元素滿足：

散列函數(shù)(映射)F滿足以下屬性：①給定xj－1和G，很容易計(jì)算出xj;②若未給定G，而給定了xj－1，則很難計(jì)算出 xj，若給定了 G，未給定 xj－1，也很難計(jì)算 xj。

在該散列鏈里，如果要對一個給定的散列值xj進(jìn)行認(rèn)證，可以采用如下方法：①已知 xj－k，由式(1)對xj－k重復(fù)計(jì)算 k次后得到 x'j，將其與 xj進(jìn)行比較;②已知xj+k，由式(1)對xj重復(fù)計(jì)算k次后將得到的x'j+k與xj+k進(jìn)行比較。

在本方案里，稱G為生成因子，第一次計(jì)算時參數(shù)x0稱為種子，散列鏈的每一個元素xj稱為鏈密鑰。同時給出公共散列鏈的定義，對于節(jié)點(diǎn)u和節(jié)點(diǎn)v，若u擁有散列鏈Ci，同時v從Ci提取一個或多個鏈密鑰，則稱u和v共享一個公共散列鏈Ci。

2 入網(wǎng)認(rèn)證

對于需要進(jìn)行安全認(rèn)證的網(wǎng)絡(luò)，所有節(jié)點(diǎn)都有與信任中心分別共享唯一加入密鑰(KJ)。該加入密鑰在部署網(wǎng)絡(luò)前通過手持設(shè)備等安全方式寫入節(jié)點(diǎn)設(shè)備[1]。WIA-PA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 WIA-PA網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Topology structure of WIA-PA network

2.1 單跳入網(wǎng)認(rèn)證

對于單跳加入網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)，如圖1中的節(jié)點(diǎn)A，當(dāng)信任中心收到A的入網(wǎng)請求后，發(fā)起對節(jié)點(diǎn)A的認(rèn)證請求，在收到節(jié)點(diǎn)A的認(rèn)證響應(yīng)后對A進(jìn)行認(rèn)證。節(jié)點(diǎn)A的認(rèn)證響應(yīng)包含安全信息，安全信息由式(2)采用F函數(shù)計(jì)算得到。單跳節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)過程如圖2所示。

式中：Sinfo為計(jì)算得到的安全信息;Paddr為設(shè)備的唯一標(biāo)志地址;Tdevicetpte為設(shè)備的類型，路由設(shè)備或現(xiàn)場設(shè)備;|為字符串連接符號。

圖2 單跳節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)認(rèn)證Fig.2 Authentication of one hop node

圖2中，通信報文用原語表示，Auth.resp和Join.resp報文由密鑰加密保護(hù)。

節(jié)點(diǎn)A首先發(fā)送入網(wǎng)請求Join.req，其中包含自己的唯一標(biāo)志和設(shè)備類型，信任中心根據(jù)網(wǎng)絡(luò)屬性判斷是否對A認(rèn)證，需要認(rèn)證時保存A的標(biāo)志和類型，發(fā)起認(rèn)證請求Auth.req。A收到認(rèn)證請求，根據(jù)式(2)計(jì)算安全信息Sinfo并響應(yīng)信任中心Auth.resp。信任中心收到A的認(rèn)證響應(yīng)，查詢與A預(yù)共享的KJ，由式(2)計(jì)算安全信息并與Sinfo比較，如果不等，拒絕A加入網(wǎng)絡(luò);否則，回復(fù)入網(wǎng)響應(yīng) Join.resp，置結(jié)果 Rresult為1，告知節(jié)點(diǎn)A入網(wǎng)成功。

2.2 多跳入網(wǎng)認(rèn)證

對于多跳入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，如圖1中節(jié)點(diǎn)B或節(jié)點(diǎn)C通過中間節(jié)點(diǎn)A加入網(wǎng)絡(luò)，其認(rèn)證過程如圖3所示。

圖3 多跳節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)認(rèn)證Fig.3 Authentication of multi-hop node

節(jié)點(diǎn)B發(fā)送入網(wǎng)請求Join.req，中間節(jié)點(diǎn)A發(fā)起認(rèn)證請求Auth.req。B利用與信任中心預(yù)共享的KJ，根據(jù)式(2)生成Sinfo，并由式(3)計(jì)算給信任中心的數(shù)據(jù)ET1，然后發(fā)送認(rèn)證響應(yīng)Auth.resp。

式中：KJB為B與信任中心共享的加密密鑰;E為加密算法，采用對稱加密，算法在此不作要求。

A收到B的認(rèn)證響應(yīng)報文不做處理，構(gòu)造關(guān)于B的入網(wǎng)請求報文Join.req，包含B的標(biāo)志Paddr_B和ET1，并發(fā)送給信任中心。

信任中心收到來自于A的報文后，首先判斷A是否為經(jīng)過認(rèn)證的在網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，如不是，則丟棄該報文;如是，則解析報文，并根據(jù)Paddr_B查找與B共享的KJ，解密ET1獲得B的入網(wǎng)信息。采用同樣的方法認(rèn)證B，如果認(rèn)證成功，根據(jù)如下公式計(jì)算給A的密文ET2和給B的密文ET3，并構(gòu)造報文Join.resp發(fā)送給節(jié)點(diǎn)A。

式中：IB_trust(IA_trust)為節(jié)點(diǎn)B(A)是否可信的標(biāo)志，1表示可信，0表示不可信。

節(jié)點(diǎn)A在收到信任中心的入網(wǎng)響應(yīng)報文后，首先解密ET2，根據(jù)IB_trust判斷B是否可信，不可信則不予處理，可信則根據(jù)Paddr_B將ET3轉(zhuǎn)發(fā)給B。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)B收到來自A的響應(yīng)報文時，對ET3進(jìn)行解密，并根據(jù)IA_trust判斷節(jié)點(diǎn)A是否可信，不可信則從新選擇路徑入網(wǎng)，可信則由Rresult判斷加入網(wǎng)絡(luò)是否成功。

當(dāng)節(jié)點(diǎn)A與信任中心之間是多跳鏈路時，節(jié)點(diǎn)A已入網(wǎng)，即確保了該鏈路是安全鏈路，節(jié)點(diǎn)A只需通過此鏈路轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)即可，無需對鏈路中節(jié)點(diǎn)再次認(rèn)證。

2.3 方案分析

本方案在網(wǎng)絡(luò)形成時確保了所有入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的合法性，保障了網(wǎng)絡(luò)的整體安全性。雖然節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)時間短暫，但由于節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)絡(luò)所在區(qū)域環(huán)境惡劣，存在各種威脅的可能性，如非本網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、惡意攻擊節(jié)點(diǎn)等，故假定所有入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)都不可信，通過信任中心認(rèn)證的節(jié)點(diǎn)才視為本網(wǎng)絡(luò)的合法節(jié)點(diǎn)。

對于單跳入網(wǎng)，由信任中心認(rèn)證節(jié)點(diǎn)。因信任中心與節(jié)點(diǎn)間共享唯一安全的加入密鑰，通過認(rèn)證則表明節(jié)點(diǎn)合法。

對于多跳認(rèn)證，假如節(jié)點(diǎn)B是惡意節(jié)點(diǎn)，因A、B之間沒有共享材料，節(jié)點(diǎn)A不能夠認(rèn)證B，所以將B的認(rèn)證信息發(fā)送給信任中心，信任中心認(rèn)證B失敗，即可告知節(jié)點(diǎn)A節(jié)點(diǎn)B不可信，且發(fā)送給A的報文由KJA加密保護(hù);A得知B不可信則可拒絕與B通信。假設(shè)A是惡意節(jié)點(diǎn)，而B的安全認(rèn)證信息由KJB加密，A在短時間內(nèi)無法破解篡改，如果它把認(rèn)證信息發(fā)送給信任中心，也會被信息中心發(fā)現(xiàn)其不可信，此時A便獲取了合法節(jié)點(diǎn)的唯一標(biāo)志和設(shè)備類型，但并不足以構(gòu)成危害或者試圖偽裝加入網(wǎng)絡(luò)。不管A是否轉(zhuǎn)發(fā)認(rèn)證信息，節(jié)點(diǎn)B在規(guī)定時間內(nèi)未收到信任中心的入網(wǎng)響應(yīng)，可認(rèn)為其為惡意節(jié)點(diǎn)，從而選擇其他路徑入網(wǎng)。假若節(jié)點(diǎn)A和B同為惡意節(jié)點(diǎn)，也會因無法偽造加入密鑰而被拒絕加入網(wǎng)絡(luò)。同時，該認(rèn)證方案在單跳入網(wǎng)時由信任中心發(fā)起認(rèn)證請求，多跳入網(wǎng)時由中間節(jié)點(diǎn)而不是由信任中心發(fā)起認(rèn)證請求，減小了信任中心和中間節(jié)點(diǎn)的通信次數(shù)和網(wǎng)絡(luò)的通信開銷。節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)跳數(shù)與網(wǎng)絡(luò)報文數(shù)的關(guān)系如圖4所示。

圖4 節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)跳數(shù)與網(wǎng)絡(luò)通信報文數(shù)關(guān)系Fig.4 Relationship between the numbers of hops and network communication messages

由圖4可以看出，本方案和無需認(rèn)證的入網(wǎng)相比只增加了兩次通信，即兩條報文，即第一跳的發(fā)起認(rèn)證請求和認(rèn)證響應(yīng)，并且隨著跳數(shù)的增加，通信量并沒有顯著增加;當(dāng)由信任中心對入網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)發(fā)起認(rèn)證時通信次數(shù)顯著遞增且遞增率大于本方案。對于大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的形成，網(wǎng)絡(luò)中將有大多數(shù)節(jié)點(diǎn)需多跳入網(wǎng)，本方案能夠有效降低通信消耗，減小整體網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)時間。

3 安全的密鑰更新

節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)后，由信任中心為入網(wǎng)成功的節(jié)點(diǎn)分發(fā)相應(yīng)的密鑰并周期性地更新密鑰。一旦有節(jié)點(diǎn)受損或者網(wǎng)絡(luò)受到威脅，信任中心將立即剔除受損節(jié)點(diǎn)并更新密鑰，或者當(dāng)節(jié)點(diǎn)檢測到密鑰暴露時主動發(fā)起密鑰更新服務(wù)。為確保節(jié)點(diǎn)通信中數(shù)據(jù)的安全，密鑰的分發(fā)和更新必須正確而且安全有效，即密鑰在傳輸中不被截取破解或經(jīng)篡改后繼續(xù)發(fā)送、發(fā)送方合法。本節(jié)給出密鑰更新詳細(xì)方案，會話密鑰采用單向散列鏈模式，更新報文附帶校驗(yàn)信息，從而保證數(shù)據(jù)包和密鑰本身的正確性和數(shù)據(jù)來源的合法性。

3.1 密鑰池

信任中心生成一系列單向散列鏈并構(gòu)成密鑰池。所有散列鏈共用一個種子(seed)，對于散列鏈Ci，假設(shè)其生成因子為Gi，則該散列鏈的第j個鏈密鑰生成如式(6)所示。

式中：Fj(seed，Gi)=F[Fj－1(seed，Gi)，Gi](1≤j≤M)。

為了生成密鑰池，信任中心隨機(jī)生成一個種子，并選擇L(等于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)個數(shù))個不同的生成因子(這里我們選用與每個節(jié)點(diǎn)預(yù)共享的加入密鑰)，通過反復(fù)執(zhí)行上述散列鏈生成過程，生成L個散列鏈，同時刪除種子。最終的密鑰池將由L個散列鏈組成，其中每個散列鏈包含M個鏈密鑰。密鑰池的組成如圖5所示。

圖5 密鑰池的組成Fig.5 Composition of the dongle pool

3.2 密鑰更新

對于入網(wǎng)成功的節(jié)點(diǎn)，信任中心分發(fā)密鑰給每個節(jié)點(diǎn)，與每個節(jié)點(diǎn)共享唯一的公共散列鏈，分發(fā)密鑰加密密鑰(key encryption key，KEK)時由加入密鑰保護(hù)，分發(fā)數(shù)據(jù)密鑰(data encryption key，KED)則由KEK保護(hù)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)到達(dá)密鑰更新周期時，信任中心對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行密鑰更新，節(jié)點(diǎn)的密鑰更新過程如圖6所示。

圖6 節(jié)點(diǎn)的密鑰更新過程Fig.6 The updating process of node dongle

為保證密鑰更新過程的安全及來源的合法性，信任中心一開始對節(jié)點(diǎn)分發(fā)密鑰，即選擇圖5中的對應(yīng)密鑰鏈，將該密鑰鏈的最后一個鏈密鑰KM及其他信息D1(如密鑰類型、密鑰長度等)裝入報文P1(P1=KM|D1)，并生成該報文的校驗(yàn)值MIC(P1)發(fā)送給節(jié)點(diǎn)。密鑰更新報文格式如圖7所示。節(jié)點(diǎn)先校驗(yàn)報文的正確性，然后對報文進(jìn)行解密，獲得會話密鑰KM;在隨后密鑰更新過程中，信任中心依次發(fā)送 KM－1、KM－2等。

圖7 密鑰更新報文格式Fig.7 The message format of dongle update

節(jié)點(diǎn)密鑰更新流程如圖8所示。

圖8 節(jié)點(diǎn)密鑰更新流程圖Fig.8 Flowchart of the dongle update

密鑰更新時，節(jié)點(diǎn)接收到第(i+1)次更新報文Pi+1時，首先校驗(yàn)該報文是否正確，若不正確，直接回復(fù)更新密鑰失敗響應(yīng);否則，解密報文，獲得KM－i。采用加入密鑰并根據(jù) K'M－i+1=F(KM+i，KJ)計(jì)算K'M－i+1，比較 K'M－i+1和已存儲的第 i次的密鑰 KM－i+1，如果相等，表明為合法的信任中心發(fā)送，未經(jīng)過篡改，將已存儲的 KM－i+1替換為 KM－i，作為會話密鑰;如果不等，則表明受到攻擊，即報文來源不可信且KEK已暴露，此時，應(yīng)向信任中心匯報。

3.3 安全性分析

在本方案中，密鑰更新過程在不增加通信開銷的情況下，只需節(jié)點(diǎn)進(jìn)行一次散列函數(shù)運(yùn)算，即可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)報文的完整性、數(shù)據(jù)的機(jī)密性、數(shù)據(jù)本身的正確性和數(shù)據(jù)來源的合法性。本方案散列鏈的使用保證了所更新的密鑰的安全性和有效性，與文獻(xiàn)[5]相比，本方案增加了對數(shù)據(jù)源的認(rèn)證。這是因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)中只有信任中心和節(jié)點(diǎn)共享唯一公共散列鏈，在確保數(shù)據(jù)新鮮性的情況下可以認(rèn)定該數(shù)據(jù)為信任中心所發(fā)送。根據(jù)散列鏈的特性——單向性[9]，攻擊者即使破獲了當(dāng)前使用的會話密鑰，在未知密鑰鏈種子和加入密鑰的情況下，不可能通過計(jì)算得到后續(xù)的會話密鑰，而且也不可能獲得散列鏈的種子。

由于節(jié)點(diǎn)的加入密鑰是在網(wǎng)絡(luò)部署前通過安全方式寫入節(jié)點(diǎn)設(shè)備的，可認(rèn)為是安全的，所以可以確保隨后發(fā)送的密鑰加密密鑰是安全可靠的。由于密鑰加密密鑰也需進(jìn)行周期性更新[1]，密鑰加密密鑰可以采用該方案中單向密鑰鏈的形式進(jìn)行下發(fā)和更新。

3.4 效率分析

本文從以下四個方面分析該方案的效率。

①當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中有新節(jié)點(diǎn)加入時，首先對其進(jìn)行認(rèn)證，認(rèn)證通過，信任中心隨機(jī)生成種子，并用該節(jié)點(diǎn)的加入密鑰生成密鑰鏈，然后進(jìn)行密鑰的分發(fā)和更新。

②當(dāng)有節(jié)點(diǎn)離開時，網(wǎng)絡(luò)管理者刪除與該節(jié)點(diǎn)共享的公共散列鏈，不影響網(wǎng)絡(luò)中的其他節(jié)點(diǎn)正常通信，但離開的節(jié)點(diǎn)為簇首節(jié)點(diǎn)時，如果啟用冗余簇首[7]，信任中心更新與冗余簇首共享的公共散列鏈即可。

③存儲量及通信開銷，該方案中節(jié)點(diǎn)只需存儲三種類型的密鑰，與文獻(xiàn)[2]和[5]比較，本方案沒有增加存儲量和通信開銷。

④生命周期，密鑰鏈長度M期望值的選取根據(jù)式(7)計(jì)算。

式中：Tlifetime為節(jié)點(diǎn)可以有效工作的存活時間;Tupdatecycle為密鑰更新周期;δmax為由網(wǎng)絡(luò)狀況預(yù)測節(jié)點(diǎn)遭遇攻擊(含通信故障)的最大次數(shù)。

采用式(7)可解決鏈密鑰在節(jié)點(diǎn)生命結(jié)束前用盡而無法進(jìn)行后續(xù)密鑰更新的問題，鏈密鑰的長度M則滿足了網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的生命存活期。

3.5 丟包容忍性分析

當(dāng)密鑰更新節(jié)點(diǎn)已知如下信息：節(jié)點(diǎn)收到報文Pi并獲得鏈密鑰KM－i+1，丟失(d－1)次密鑰更新報文，丟失期間KEK沒有改變，暫存了更新密鑰丟失期間所有不能解密的報文，收到正確的密鑰更新報文Pi+d，則節(jié)點(diǎn)將依次做出如下處理：①解密報文 Pi+d，得到KM－i－d+1;②對 KM－i－d+1進(jìn)行 d 次散列運(yùn)算，分別得到K'M－i+1，K'M－i，…，K'M－i+d+1;③判斷 K'M－i－d+1是否與KM－i+1相等，若不等，更新密鑰失敗，否則進(jìn)入④;④可以確認(rèn)所有更新密鑰正確，依次用②中的密鑰對相應(yīng)期間的數(shù)據(jù)報文進(jìn)行解密。

綜上所述，該方案在特定期間內(nèi)可以容忍一部分密鑰更新報文的丟失，具有較好的容忍性，允許最大丟失個數(shù)由KEK的更新周期以及節(jié)點(diǎn)能夠暫存的最大報文數(shù)量決定。

4 結(jié)束語

本文針對WIA-PA網(wǎng)絡(luò)，提出了一種入網(wǎng)認(rèn)證方案。在假定網(wǎng)絡(luò)形成時所有節(jié)點(diǎn)都不可信情況下，保證了所有入網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的合法性，并使用單向散列函數(shù)，提出了一種安全的密鑰更新方案。這既保證了更新密鑰的安全性，也保證了密鑰來源的合法性，實(shí)現(xiàn)了消息認(rèn)證和消息源的認(rèn)證;同時，還具有較好的密鑰更新報文丟失容忍性。經(jīng)過分析，充分說明了該方案實(shí)現(xiàn)了對密鑰的有效更新，大大增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的安全性。該方案在保證網(wǎng)絡(luò)安全通信的同時，對節(jié)點(diǎn)存儲空間和通信量要求較低，并具有較好的可擴(kuò)展性和靈活性，適合WIA-PA網(wǎng)絡(luò)。

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