智能家居中基于假名的全匿名認(rèn)證方案

０引言智能家居中的智能設(shè)備通常由用戶(hù)的手機(jī)控制，主要通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，數(shù)據(jù)是純文本還是加密文本，決定了數(shù)據(jù)傳輸是否安全。一般情況下，用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)奈谋炯用苤皇褂孟鄬?duì)簡(jiǎn)單的加密算法。攻擊者可以通過(guò)攔截傳輸信息的數(shù)據(jù)包獲取用戶(hù)的私密信息，造成用戶(hù)隱私泄露。針對(duì)上述問(wèn)題，文章提出在智能家居環(huán)境下的客戶(hù)端與服務(wù)器間的相互認(rèn)證和密鑰協(xié)商方案。該方案共包含3個(gè)實(shí)體，分別是客戶(hù)端、服務(wù)器和第三方可信機(jī)構(gòu)?？蛻?hù)端與服務(wù)器端通過(guò)向第三方可信機(jī)構(gòu)注冊(cè)獲取私鑰，然后根據(jù)各自的公私鑰對(duì)信息簽名進(jìn)行身份認(rèn)證，認(rèn)證成功后可獲取會(huì)話(huà)密鑰，從而實(shí)現(xiàn)客戶(hù)端與服務(wù)器端的安全通信。方案模型如圖1所示。圖1方案模型１基礎(chǔ)知識(shí)1.1雙線(xiàn)性映射令是兩個(gè)階循環(huán)群。一個(gè)雙線(xiàn)性對(duì)是一個(gè)從的雙線(xiàn)性映射，滿(mǎn)足以下性質(zhì)。（1）雙線(xiàn)性。對(duì)于任意兩個(gè)元素，且，存在。（2）非退化性。存在，滿(mǎn)足。（3）可計(jì)算性。存在有效的算法，使對(duì)任意的，均可計(jì)算。1.2橢圓曲線(xiàn)離散對(duì)數(shù)問(wèn)題橢圓曲線(xiàn)密碼學(xué)（EllipticCurveCryptography，ECC）是基于有限域上橢圓曲線(xiàn)的離散對(duì)數(shù)計(jì)算困難性。換句話(huà)說(shuō)，離散對(duì)數(shù)問(wèn)題就是乘方過(guò)程的求逆。橢圓曲線(xiàn)離散對(duì)數(shù)問(wèn)題（EllipticCurveDiscreteLogarithmProblem，ECCDLP）定義如下：給定素?cái)?shù)和橢圓曲線(xiàn)，是曲線(xiàn)上的兩個(gè)點(diǎn)，令，在已知的情況下，求出小于的正整數(shù)?？梢宰C明：已知比較容易，而由則是困難的，通常比離散對(duì)數(shù)問(wèn)題更難解。1.3計(jì)算Diffie-Hellman問(wèn)題給定循環(huán)群，階為素?cái)?shù)，為群上的一個(gè)任意生成元，計(jì)算Diffie-Hellman問(wèn)題定義為：對(duì)于隨機(jī)選擇的，給定，計(jì)算是困難的。２基于假名的全匿名認(rèn)證方案本方案共分為3個(gè)階段，分別為系統(tǒng)初始化、匿名注冊(cè)和身份認(rèn)證。方案中涉及的符號(hào)定義如表1所示。表1符號(hào)定義2.1系統(tǒng)初始化可信機(jī)構(gòu)選取隨機(jī)數(shù)作為主密鑰，秘密保存。設(shè)和是素?cái)?shù)階的兩個(gè)加法循環(huán)群，是的生成元。計(jì)算系統(tǒng)公鑰，選擇3個(gè)哈希函數(shù)，即：為的雙線(xiàn)性映射。由可信機(jī)構(gòu)公開(kāi)系統(tǒng)參數(shù)。2.2匿名注冊(cè)2.2.1客戶(hù)端注冊(cè)該階段客戶(hù)端用假名向可信機(jī)構(gòu)申請(qǐng)注冊(cè)，可信機(jī)構(gòu)為客戶(hù)端生成基于假名的私鑰完成注冊(cè)?？蛻?hù)端選取隨機(jī)數(shù)，計(jì)算，公鑰為，假名為?？蛻?hù)端將計(jì)算的發(fā)送給可信機(jī)構(gòu)，同時(shí)無(wú)需等待可信機(jī)構(gòu)的回復(fù)，計(jì)算與可信機(jī)構(gòu)的會(huì)話(huà)密鑰，其中?？尚艡C(jī)構(gòu)收到客戶(hù)端消息后，為客戶(hù)端生成基于假名的私鑰，同時(shí)計(jì)算會(huì)話(huà)密鑰，其中。可信機(jī)構(gòu)將計(jì)算的基于假名的私鑰用會(huì)話(huà)密鑰加密，并發(fā)送給客戶(hù)端?？蛻?hù)端收到消息后用會(huì)話(huà)密鑰解密得，然后計(jì)算基于真實(shí)身份的私鑰。注冊(cè)過(guò)程如圖2所示。圖2客戶(hù)端注冊(cè)階段注冊(cè)成功后，客戶(hù)端獲取基于其假名的私鑰，進(jìn)一步計(jì)算得到基于真實(shí)身份的私鑰。該私鑰僅客戶(hù)端知道，用于后續(xù)與服務(wù)器的身份認(rèn)證。2.2.2服務(wù)器端注冊(cè)該階段服務(wù)器用假名向可信機(jī)構(gòu)申請(qǐng)注冊(cè)，可信機(jī)構(gòu)為服務(wù)器生成基于假名的私鑰完成注冊(cè)。服務(wù)器選取隨機(jī)數(shù)，計(jì)算，公鑰為，假名為。服務(wù)器將計(jì)算的發(fā)送給可信機(jī)構(gòu)，同時(shí)無(wú)需等待可信機(jī)構(gòu)的回復(fù)。服務(wù)器計(jì)算與可信機(jī)構(gòu)的會(huì)話(huà)密鑰，其中。可信機(jī)構(gòu)收到服務(wù)器消息后，為服務(wù)器生成基于假名的私鑰，同時(shí)計(jì)算會(huì)話(huà)密鑰，其中，?？尚艡C(jī)構(gòu)將計(jì)算的基于假名的私鑰用會(huì)話(huà)密鑰加密，并發(fā)送給服務(wù)器。服務(wù)器收到消息后用會(huì)話(huà)密鑰解密，然后計(jì)算基于真實(shí)身份的私鑰。注冊(cè)過(guò)程如圖3所示。圖3服務(wù)器注冊(cè)階段注冊(cè)成功后，服務(wù)器獲取基于其假名的私鑰，進(jìn)一步計(jì)算得到基于真實(shí)身份的私鑰。該私鑰僅服務(wù)器知道，用于后續(xù)與客戶(hù)端的身份認(rèn)證。2.3身份認(rèn)證本階段客戶(hù)端與服務(wù)器相互進(jìn)行身份驗(yàn)證。客戶(hù)端將計(jì)算的信息用公私鑰簽名后發(fā)送給服務(wù)器進(jìn)行身份驗(yàn)證。同樣的方式，服務(wù)器生成的信息經(jīng)過(guò)公私鑰簽名發(fā)送給客戶(hù)端進(jìn)行驗(yàn)證。驗(yàn)證成功后獲取會(huì)話(huà)密鑰，用于后續(xù)通信。2.3.1服務(wù)器端驗(yàn)證用戶(hù)的身份客戶(hù)端選取隨機(jī)數(shù)，計(jì)算，選取時(shí)間戳，計(jì)算。計(jì)算簽名，客戶(hù)端將計(jì)算的以及時(shí)間戳發(fā)送給服務(wù)器。服務(wù)器收到客戶(hù)端發(fā)來(lái)的消息后，檢查時(shí)間戳的有效性。若時(shí)間戳無(wú)效，拒絕請(qǐng)求。若時(shí)間戳有效，驗(yàn)證簽名的有效性，即驗(yàn)證是否相等。若相等，則身份驗(yàn)證成功，服務(wù)器計(jì)算會(huì)話(huà)密鑰；否則，驗(yàn)證失敗。2.3.2客戶(hù)端認(rèn)證服務(wù)器的身份服務(wù)器選擇隨機(jī)數(shù)，計(jì)算，選取時(shí)間戳，計(jì)算。計(jì)算簽名，服務(wù)器將計(jì)算的以及時(shí)間戳發(fā)送給客戶(hù)端，同時(shí)服務(wù)器計(jì)算會(huì)話(huà)密鑰?？蛻?hù)端收到服務(wù)器發(fā)來(lái)的消息后，先檢查時(shí)間戳的有效性。若時(shí)間戳無(wú)效，拒絕請(qǐng)求。若時(shí)間戳有效，驗(yàn)證簽名的有效性，即驗(yàn)證是否相等。若不相等，驗(yàn)證失敗；若相等，則身份驗(yàn)證成功，客戶(hù)端計(jì)算會(huì)話(huà)密鑰。至此，客戶(hù)端與服務(wù)器認(rèn)證了彼此身份，客戶(hù)端與服務(wù)器便可通過(guò)會(huì)話(huà)密鑰加密信息進(jìn)行后續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸。驗(yàn)證如圖4所示。圖4客戶(hù)端-服務(wù)器身份認(rèn)證階段2.4安全性分析匿名性?？蛻?hù)端與服務(wù)器向可信機(jī)構(gòu)申請(qǐng)注冊(cè)時(shí)將自己的身份用隨機(jī)數(shù)加密。即使被攻擊者截獲，攻擊者也無(wú)法猜出客戶(hù)端與服務(wù)器的真實(shí)身份。重放攻擊。方案引入時(shí)間戳，因此可抵抗重放攻擊。相互認(rèn)證。方案中客戶(hù)端與服務(wù)器使用其公私鑰和隨機(jī)數(shù)對(duì)信息進(jìn)行簽名來(lái)驗(yàn)證雙方的身份。攻擊者不知道客戶(hù)端與服務(wù)器的私鑰以及選取的隨機(jī)數(shù)。因此，只有具有正確私鑰和隨機(jī)數(shù)的合法用戶(hù)才能計(jì)算簽名。中間人攻擊?？蛻?hù)端和服務(wù)器向可信機(jī)構(gòu)申請(qǐng)注冊(cè)時(shí)，客戶(hù)端與服務(wù)器分別與可信機(jī)構(gòu)協(xié)商會(huì)話(huà)密鑰，可信機(jī)構(gòu)將計(jì)算的私鑰用會(huì)話(huà)密鑰加密傳給客戶(hù)端與服務(wù)器，客戶(hù)端與服務(wù)器分別用各自的會(huì)話(huà)密鑰解密得到私鑰，因此中間人無(wú)法獲取用戶(hù)和客戶(hù)端的私鑰。會(huì)話(huà)密鑰安全性。會(huì)話(huà)密鑰是由客戶(hù)端和服務(wù)器分別隨機(jī)選取隨機(jī)數(shù)計(jì)算得出的。要想獲取會(huì)話(huà)密鑰，必須先解決CDH困難問(wèn)題。因此，該方案具有會(huì)話(huà)密鑰安全性。2.5效率分析在預(yù)估方案的計(jì)算成本前，先定義一些符號(hào)：PM表示橢圓曲線(xiàn)上的點(diǎn)乘法運(yùn)算，PA代表橢圓曲線(xiàn)上的點(diǎn)加法運(yùn)算，H代表散列運(yùn)算運(yùn)算。效率分析比