無線傳感網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證協(xié)議研究

石家莊郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 張 靜 馬紅靜 史永琳 何柳青

無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSNs）是物聯(lián)網(wǎng)的重要組成部分，深入應(yīng)用于智慧家居、智能農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。WSNs由大量傳感器節(jié)點(diǎn)組成，這些傳感器節(jié)點(diǎn)共同采集網(wǎng)絡(luò)區(qū)域信息，并允許外部用戶訪問節(jié)點(diǎn)，獲取實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行操控。這些數(shù)據(jù)通過傳感網(wǎng)或公共網(wǎng)絡(luò)傳輸，且傳感器節(jié)點(diǎn)大部分部署在無人看管環(huán)境中，這使得WSNs容易受到攻擊。因此，提供安全的身份認(rèn)證與密鑰協(xié)商協(xié)議以驗證用戶身份并加密通信內(nèi)容對保障網(wǎng)絡(luò)安全至關(guān)重要。

身份認(rèn)證是無線傳感網(wǎng)絡(luò)安全中的重點(diǎn)問題，一般分為節(jié)點(diǎn)身份認(rèn)證和信息認(rèn)證兩種。身份認(rèn)證是接入控制中心的核心環(huán)節(jié)，網(wǎng)絡(luò)中心根據(jù)某種協(xié)議驗證節(jié)點(diǎn)身份后，才能做出與節(jié)點(diǎn)身份對應(yīng)的操作。

無線傳感器節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)到相關(guān)區(qū)域之后，要和周圍節(jié)點(diǎn)或者匯聚節(jié)點(diǎn)或基站之間建立合法身份認(rèn)證，為節(jié)點(diǎn)接入自組織網(wǎng)絡(luò)提供準(zhǔn)入“鑰匙”。隨著偽裝節(jié)點(diǎn)被識破、新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)等情況的出現(xiàn)，需要將一些節(jié)點(diǎn)從列表中刪除。其次，來自匯聚節(jié)點(diǎn)或者網(wǎng)關(guān)的控制信息，往往需要節(jié)點(diǎn)間的多跳轉(zhuǎn)發(fā)，這就必須引入認(rèn)證機(jī)制對控制信息發(fā)布源進(jìn)行驗證身份，確保信息的完整性、可靠性，同時，也為了防止“偽節(jié)點(diǎn)”對信息進(jìn)行非法篡改。

1 認(rèn)證過程

一個典型的WSNs身份認(rèn)證協(xié)議一般包含3個層面網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：一個或者多個網(wǎng)關(guān)，一組匯聚節(jié)點(diǎn)，以及大量的傳感器節(jié)點(diǎn)。因為傳感器節(jié)點(diǎn)受限于自身的計算能力和存儲能力，而且，一般應(yīng)用在安全需求較高的環(huán)境中，但是密鑰和協(xié)議都需要輕量級的，能夠抵抗外部攻擊，并且希望具備前向安全性等特性。通常來說，WSNs環(huán)境的身份認(rèn)證流程有以下幾步：

（1）匯聚節(jié)點(diǎn)及傳感器節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)關(guān)注冊，成為合法參與方。

（2）當(dāng)網(wǎng)關(guān)想訪問某傳感器節(jié)點(diǎn)的實(shí)時數(shù)據(jù)時，需先向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)起訪問請求。

（3）傳感器節(jié)點(diǎn)實(shí)時采集數(shù)據(jù)，完成之后發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)匯總多個傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后，打包發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。

（4）如果請求的傳感器節(jié)點(diǎn)處于本地網(wǎng)關(guān)覆蓋中，網(wǎng)關(guān)對匯聚節(jié)點(diǎn)完成認(rèn)證后，對傳感器節(jié)點(diǎn)進(jìn)行認(rèn)證；如果訪問的傳感器節(jié)點(diǎn)處于其他網(wǎng)關(guān)覆蓋范圍，則向外部匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)起訪問請求，雙向認(rèn)證后，由外部匯聚節(jié)點(diǎn)傳達(dá)用戶請求。

（5）本地網(wǎng)關(guān)和匯聚節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)需要完成認(rèn)證，認(rèn)證結(jié)束后，進(jìn)行密鑰協(xié)商，確定一個會話密鑰來保護(hù)數(shù)據(jù)傳輸過程。

圖1 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

通過認(rèn)證過程，可以看出不管是注冊、登錄以及數(shù)據(jù)傳輸，都存在一定的風(fēng)險。本文通過研究無線傳感網(wǎng)中的身份認(rèn)證方法，發(fā)現(xiàn)可以將橢圓加密算法應(yīng)用到無線傳感網(wǎng)認(rèn)證過程中，從而保證在無線環(huán)境下的安全傳送。跟之前胡認(rèn)證過程比較可以看出，橢圓加密算法讓原本明文發(fā)送的不安全性得到改善，并且可以阻擋重放攻擊，協(xié)商秘鑰加密發(fā)送信息也保證通信及用戶的安全。

2 認(rèn)證過程

2.1 橢圓加密算法

橢圓曲線密碼學(xué)ECC屬于非對稱密碼學(xué)的，其私鑰的計算公式如下：

（1）私鑰是一個隨機(jī)數(shù)d，取值范圍在1……n-1，其中n是子群的階。

（2）公鑰是點(diǎn)H=dG，G是子群的基點(diǎn)。

如果知道私鑰d和橢圓曲線參數(shù)G，求公鑰H是很容易的，但是只知道公鑰H和橢圓曲線參數(shù)G，求解私鑰d是非常困難的，需要解決離散對數(shù)難題，橢圓曲線的安全性保證有賴于此。

橢圓加密算法主體包括用戶A和B，雙方通信過程如下：

（1）節(jié)點(diǎn)根據(jù)橢圓曲線參數(shù)確定Ep(a,b)，并在橢圓曲線上取一點(diǎn)，作為基點(diǎn)G。

（2）節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選擇一個私有密鑰k，并通過公式K=kG生成公開密鑰K。

（3）節(jié)點(diǎn)將橢圓曲線相關(guān)信息Ep(a,b)以及K，G傳給網(wǎng)關(guān)。

（4）網(wǎng)關(guān)接到信息后，將待傳輸信息編碼到橢圓曲線Ep上的一點(diǎn)N，根據(jù)信息隨機(jī)產(chǎn)生整數(shù)r。在這里編碼方法很多，就不作討論。

（5）網(wǎng)關(guān)計算點(diǎn)C1=N+rK；C2=rG。

（6）網(wǎng)關(guān)將C1、C2傳給節(jié)點(diǎn)。

（7）節(jié)點(diǎn)接到信息后，進(jìn)行C1-kC2的運(yùn)算，結(jié)果可以得到N。

可以獲得原始信息，是因為C1-kC2=N+rK-k(rG)=N+rKr(kG)=N，再對這個點(diǎn)N進(jìn)行解密就可以得到原始發(fā)送數(shù)據(jù)。

整個加密過程中，如果有偷窺者S，他也只能看到Ep(a,b)、K、G、C1、C2，而通過K、G求k或通過C2、G求r都是相對困難的。因此，任何偷窺者都無法得到節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)間傳送的任何信息。

2.2 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)認(rèn)證過程

傳感器節(jié)點(diǎn)是通過匯聚節(jié)點(diǎn)，將數(shù)據(jù)傳給網(wǎng)關(guān)的。因此在C正式加入網(wǎng)絡(luò)之前，先要獲得協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)認(rèn)證密鑰。

網(wǎng)絡(luò)初始化過程如下：

（1）符合協(xié)議要求的匯聚節(jié)點(diǎn)連接網(wǎng)關(guān)，在此認(rèn)為匯聚節(jié)點(diǎn)已經(jīng)連接網(wǎng)關(guān)。

（2）匯聚節(jié)點(diǎn)主要通過網(wǎng)關(guān)獲取對方的證書進(jìn)行身份確認(rèn)，身份確認(rèn)后再進(jìn)行密鑰協(xié)商，這樣雙方就可以獲得共享密鑰對數(shù)據(jù)進(jìn)行加密傳送。

（3）匯聚節(jié)點(diǎn)會向周圍發(fā)送信息，等待傳感器節(jié)點(diǎn)的加入。（4）普通傳感器節(jié)點(diǎn)根據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)信號強(qiáng)弱，選擇信號強(qiáng)度高的，給匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送包含節(jié)點(diǎn)自身ID號的信息。

（5）匯聚節(jié)點(diǎn)收到相關(guān)傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息后，將這些信息加上自己的ID號加密發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。

（6）網(wǎng)關(guān)收到信息后，生成該傳感器節(jié)點(diǎn)的證書，并用這個節(jié)點(diǎn)之前預(yù)留的認(rèn)證密鑰加密后發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。

（7）匯聚節(jié)點(diǎn)收到加密信息后，解密獲得傳感器節(jié)點(diǎn)的證書，并用預(yù)置胡密鑰解密獲得傳感器節(jié)點(diǎn)的認(rèn)證密鑰，并用認(rèn)證密鑰加密匯聚節(jié)點(diǎn)的認(rèn)證密鑰發(fā)送給傳感器節(jié)點(diǎn)。

（8）傳感器節(jié)點(diǎn)C收到消息后用自身的認(rèn)證密鑰KC解密，從而獲得自己的CERT和匯聚節(jié)點(diǎn)之間的認(rèn)證密鑰KB。

2.3 基于ECDHE（ECC+DHE）的密鑰協(xié)商過程

ECDHE密鑰協(xié)商算法基于橢圓曲線密碼系統(tǒng)（ECC）和DHE算法(Diffie-Hellman Ephemeral，短暫臨時的DH算法)，使用較短的密鑰長度可提供與RSA或DH算法同等的安全等級，密鑰長度有160～256位比特的橢圓曲線算法與密鑰長度1024～3072位比特的非ECC算法安全強(qiáng)度相同。

傳感器節(jié)點(diǎn)C獲得了網(wǎng)關(guān)和匯聚節(jié)點(diǎn)的認(rèn)證密鑰，網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行，節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)之間進(jìn)行ECDHE密鑰協(xié)商之前雙方要有共同的共享參數(shù)，即必須選擇相同的橢圓曲線方程、大素數(shù)p、生成源G。

密鑰協(xié)商過程如下：

（1）傳感器節(jié)點(diǎn)C隨機(jī)產(chǎn)生一個數(shù)Rc，并用KC加密，生成消息(Rc||CERT(C))KC，之后選擇一個比橢圓曲線階小的隨機(jī)數(shù)rc作為私鑰，計算公鑰Hc=rcG，將｛Hc|(Rc||CERT(C))KC｝發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。

（2）匯聚節(jié)點(diǎn)B收到后，首先用KC解密，解密后根據(jù)證書的正確與否，驗證確定消息的完整性。如果解密不成功，則說明傳感器節(jié)點(diǎn)證書失效或者無效，中止通信；若消息完整，則進(jìn)一步核驗該節(jié)點(diǎn)的身份是否合法，如有ID號合法，則保存該數(shù)據(jù)包。至此，B就獲得了C的公鑰。

然后，B也選擇一個比橢圓曲線階小的隨機(jī)數(shù)rb作為私鑰，計算公鑰HB=rbG，并將｛HB|(Rc'||CERT(B))KB｝發(fā)送給節(jié)點(diǎn)C。

（3）C收到后計算共享密鑰S=rcHB。進(jìn)一步得到S=rcHB=rcrbG。

（4）B收到后計算共享密鑰S′=rbHc。進(jìn)一步得到S′=rbHc=rbrcG。

（5）可以看出，S=S′，密鑰協(xié)商過程完成。

2.4 安全性分析

（1）在認(rèn)證協(xié)議中，所有信息都會進(jìn)行加密處理，傳輸過程中全程保證通信雙方的信息機(jī)密性和完整性。

（2）節(jié)點(diǎn)發(fā)送的信息中采用隨機(jī)數(shù)作為私鑰，可以保證每次通信使用的共享密鑰都是不同的。攻擊者即使破解獲取了私鑰，也只是影響本次通信，不會獲取之前通信的內(nèi)容，這樣的特征保證了前向安全性。而且更安全的是，協(xié)商出會話密鑰后，雙方私鑰都可丟棄，進(jìn)一步提升了安全性，

（3）節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)密鑰協(xié)商過程中，用到的是隨機(jī)數(shù)作為私鑰，如果兩次或多次收到的隨機(jī)數(shù)完全一致，便可判斷收到的數(shù)據(jù)的為偽造數(shù)據(jù)，這樣可以防止重放攻擊。

（4）傳感器網(wǎng)絡(luò)中常見的攻擊是：一是“偽節(jié)點(diǎn)”攻擊；二是截取信息，分析數(shù)據(jù)，獲取重要信息。但是本認(rèn)證協(xié)議采用的是基于橢圓曲線的加密算法，密鑰位數(shù)相同的情況下，安全性優(yōu)于RSA算法。更好的保證系統(tǒng)安全，即使公鑰泄漏，攻擊者也無法獲取私鑰，更無法獲取共享密鑰，安全性大大提高了。

3 結(jié)束語

為解決無線傳感網(wǎng)中身份認(rèn)證的問題，本文提出了一個基于ECC的加密認(rèn)證協(xié)議ECDHE，對傳感網(wǎng)的公私鑰密碼機(jī)制進(jìn)行了初步研究，通過協(xié)議提高了節(jié)點(diǎn)的安全性，但是仍舊有一些沒有解決的難題，比如，能否將加密算法進(jìn)一步簡化，減輕對節(jié)點(diǎn)的計算要求，使協(xié)議更加的完善簡約，是下一步工作需要努力的方向。