CN101170411A - 一种轻型接入认证方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种轻型接入认证方法。本发明所提供的轻型接入认证方法，包括以下步骤：1)由可信第三方将消息MSG加密后写入第一实体；2)由第二实体向第一实体获取数据；2.1)由第二实体发送数据请求分组给第一实体；2.2)由第一实体根据数据请求向第二实体发送数据响应分组；3)收到数据后，由第二实体向可信第三方获取密钥；3.1)由第二实体向可信第三方发送密钥请求分组；3.2)由可信第三方根据密钥请求分组向第二实体发送密钥响应分组；4)第二实体根据密钥响应分组得到第一实体消息MSG的明文。本发明提供的轻型接入认证方法可广泛应用在设备及环境受限制的条件下，使得接入认证简单化和轻型化。
Description
发明领域
本发明涉及一种轻型接入认证方法。
背景技术
对于无线网络来说，如无线局域网或无线城域网等，其安全问题远比有线以太网严重的多。射频识别标签(RFID)同样面临安全问题，在进行安全通信之前，必须有效地解决RFID中读写器和电子标签之间的安全认证及密钥协商问题。
根据电子标签的使用场合和应用环境，电子标签大概可以分为三种：1)高级的电子标签，具有可读可写功能，具有一定的存储空间和计算能力；2)中档次的电子标签，跟高级标签相比，性能稍差一些，功能类似；3)低档次的电子标签，只用来记录一些数据信息，保证信息能够被读写器读出即可，一般来说没有存储功能和计算能力，也不能再次写入信息，这种标签如超市商品标价标签等。
对于前两种电子标签，我们可以通过认证协议来保证电子标签和读写器之间的信道安全，而对于第三种电子标签，由于电子标签本身没有计算和存储能力，也没有身份等信息，只是一个存放了信息的介质，通过现有的认证方案来实现安全是不可行的。
像现有的无线网络的安全方案，如：无线局域网中的WAPI安全协议、IEEE802.11i、无线城域网IEEE802.16e等安全方案，对协议各方都有计算、存储等基本性能要求，或多或少地可以用于前两种电子标签，而对于第三种电子标签是根本无法应用的。因此，必须设计新的安全方案来实现第三种电子标签的安全性。
发明内容
本发明为解决背景技术存在的上述技术问题，而提供一种轻型接入认证方法。
本发明的技术解决方案是：本发明为一种轻型接入认证方法，其特殊之处在于：该方法包括以下步骤：
1)由可信第三方将消息MSG加密后写入第一实体；
2)由第二实体向第一实体获取数据；
2.1)由第二实体发送数据请求分组给第一实体；
2.2)由第一实体根据数据请求向第二实体发送数据响应分组；
3)收到数据后，由第二实体向可信第三方获取密钥；
3.1)由第二实体向可信第三方发送密钥请求分组；
3.2)由可信第三方根据密钥请求分组向第二实体发送密钥响应分组；
4)第二实体根据密钥响应分组得到第一实体消息MSG的明文。
上述步骤1)之前还包括有通过可信第三方建立系统参数的步骤。
上述系统参数包括：两个q阶的循环群(G1，+)和(G2，·)；P为G1的生成元；令e为G1和G2上的双线性变换，即e：G1×G1→G2；可信第三方随机选取自己的私钥 ，其对应公钥为QTTP＝STTPP∈G1；EK(M)表示使用对称加密算法对消息M加密，加密密钥为K。
上述步骤1)中可信第三方将消息MSG加密后写入第一实体的具体步骤如下：
1.1)可信第三方随机选取一个密钥标识PKeyID，并将该密钥标识作为一个公钥，计算其对应的私钥为SKeyID＝PKeyID·STTP，并将私钥安全保存；
1.2)可信第三方选取一个秘密随机数r，计算K＝r·QTTP·PKeyID；然后，使用K加密MSG获得相应密文CMSG，即计算CMSG＝EK(MSG)；最后，计算CP＝r·P，并将CP和PKeyID及CMSG一起写入第一实体。
上述步骤2.1)中数据请求分组为一个内容为空的消息。
上述步骤2.2)中数据响应分组内容包括
| PKeyID | CP | CMSG |
其中：
PKeyID字段：为可信第三方所选取并写入第一实体的PKeyID值；
CP字段：为可信第三方所计算的并写入第一实体的CP值，其值等于r·P；
CMSG字段：为可信第三方所写入第一实体信息MSG的密文。
上述步骤3.1)中密钥请求分组内容包括
| ID2 | TTP | PKeyID | Nonce |
其中：
ID2字段：第二实体的身份信息；
TTP字段：可信第三方的身份信息；
PKeyID字段：所请求的密钥标识；
Nonce字段：第二实体选取的一次性随机数。
上述步骤3.2)中当可信第三方收到第二实体的密钥请求分组后，可以对第二实体的身份有效性进行验证，如果其身份无效，结束，否则，构造密钥响应分组发送给第二实体。
上述步骤3.2)中密钥响应分组内容包括
| ID2 | TTP | CSKeyID | CP1 | Nonce | MIC |
其中：
ID2字段：第二实体的身份；
TTP字段：可信第三方的身份；
CSkeyID字段：所请求的密钥SKeyID的密文，计算过程为：可信第三方选取一个秘密随机数r1，计算K1＝r1·QTTP·ID2，并由K1导出一个加密密钥EK和一个完整校验密钥IK；然后，使用EK加密SKeyID获得相应密文CSKeyID，即计算CSKeyID＝EEK(SKeyID)；
CP1字段：CP1＝r1·P；
Nonce字段：第二实体所选取的一次性随机数；
MIC字段：使用由K1导出的完整性校验密钥IK对该字段之前所以字段求取MIC。
上述步骤4)中当第二实体收到密钥响应分组后，验证Nonce是否自己所选随机数，如果不是，结束，否则，重新计算K1＝CP1·S2并由其导出加密密钥EK和完整校验密钥IK，利用IK可以重新计算MIC并与接收的MIC进行比较来验证该分组的有效性，如果验证有效，则利用EK解密CSKeyID得到SKeyID明文，在得到SKeyID明文后，根据数据响应分组的内容，计算K＝CP·SKeyID，最后，利用K作为密钥解密CMSG即可得到MSG明文。
本发明利用身份公钥机制来实现接入认证，其具有以下优点：
1、维护工作量小。本发明基于身份公钥机制，不需要像传统公钥那样维护PKI；
2、节约通信开销。在认证过程中无须传送数字证书，节约通信开销；
3、增加了身份鉴别功能，能够避免基于身份公钥机制中难以进行身份有效性验证的缺点；
4、采用椭圆曲线上的双线性对，能够在不降低安全性的基础上，缩短安全数据的长度，从而大大地提高计算和通信性能。
5、本发明可广泛应用在设备及环境受限制(如内存小等)的条件下，如读写器和电子标签，IC卡等，使得接入认证简单化和轻型化。
附图说明
图1为本发明的方法流程示意图。
具体实施方式
本发明的方法是通过一个可信第三方(TTP)来实现，该可信第三方可以是认证服务器或其它可实现认证的设备，可信第三方负责用户实体身份的物理鉴别、系统参数生成以及用户参数建立过程。
参见图1，下面以读写器和电子标签为例，本发明的具体实现方法如下：
1)首先由可信第三方建立系统参数，该系统参数包括：两个q阶的循环群(G1，+)和(G2，·)；P为G1的生成元；令e为G1和G2上的双线性变换，即e：G1×G1→G2；TTP随机选取自己的私钥 ，其对应公钥为QTTP＝STTPP∈G1；EK(M)[这里K为下标]表示使用对称加密算法对消息M加密，加密密钥为K；
这里读写器的身份ID2为其公钥，其私钥为Si＝STTPID2，电子标签无须计算公、私钥对。
该步骤只是在首次应用时来建立系统参数，建立好后，在以后的重复应用中则无须该步骤；
2)由可信第三方将消息MSG加密后写入电子标签；
2.1)可信第三方随机选取一个密钥标识PKeyID，并将该密钥标识作为一个公钥，计算其对应的私钥为SKeyID＝PKeyID·STTP，并将私钥安全保存；
2.2)可信第三方选取一个秘密随机数r，计算K＝r·QTTP·PKeyID；然后，使用K加密MSG获得相应密文CMSG，即计算CMSG＝EK(MSG)；最后，计算CP＝r·P，并将CP和PKeyID及CMSG一起写入电子标签；
这样，就完成了可信第三方把信息MSG安全写入电子标签的过程。
3)由读写器向电子标签获取数据；
3.1)由读写器发送数据请求给电子标签；该数据请求分组为一个内容为空的消息。
3.2)由电子标签根据数据请求向读写器发送数据响应分组；
其中数据响应分组内容包括
| PKeyID | CP | CMSG |
其中：
PKeyID字段：为可信第三方所选取并写入电子标签的PKeyID值；
CP字段：为可信第三方所计算的并写入电子标签的CP值，其值等于r·P；
CMSG字段：为可信第三方所写入电子标签信息MSG的密文。
4)收到数据后，由读写器向可信第三方获取密钥；
4.1)由读写器向可信第三方发送密钥请求分组；
其中密钥请求分组内容包括
| ID2 | TTP | PKeyID | Nonce |
其中：
ID2字段：读写器的身份信息；
TTP字段：可信第三方的身份信息；
PKeyID字段：所请求的密钥标识；
Nonce字段：读写器选取的一次性随机数。
4.2)由可信第三方根据密钥请求分组向读写器发送密钥响应分组；
可信第三方收到读写器的密钥请求分组后，可以对读写器的身份有效性进行验证，如果其身份无效，结束，否则，构造密钥响应分组发送给读写器；
其中密钥响应分组内容包括
| ID2 | TTP | CSKeyID | CP1 | Nonce | MIC |
其中：
ID2字段：读写器的身份；
TTP字段：可信第三方的身份；
CSkeyID字段：所请求的密钥SKeyID的密文，计算过程为：可信第三方选取一个秘密随机数r1，计算K1＝r1·QTTP·ID2，并由K1导出一个加密密钥EK和一个完整校验密钥IK；然后，使用EK加密SKeyID获得相应密文CSKeyID，即计算CSKeyID＝EEK(SKeyID)；
CP1字段：CP1＝r1·P；
Nonce字段：读写器所选取的一次性随机数；
MIC字段：使用由K1导出的完整性校验密钥IK对该字段之前所以字段求取MIC。
5)读写器根据密钥响应分组得到电子标签消息MSG的明文。
当读写器收到密钥响应分组后，验证Nonce是否自己所选随机数，如果不是，结束，否则，重新计算K1＝CP1·S2并由其导出加密密钥EK和完整校验密钥IK，利用IK可以重新计算MIC并与接收的MIC进行比较来验证该分组的有效性，如果验证有效，则利用EK解密CSKeyID得到SKeyID明文，在得到SKeyID明文后，根据数据响应分组的内容，计算K＝CP·SKeyID，最后，利用K作为密钥解密CMSG即可得到MSG明文。
通过以上流程，利用过程2)可以实现数据信息的安全写入功能；利用过程3)-5)可以完成数据信息的读取功能，从而，实现了电子标签的安全接入认证过程。
名词解释：
ID1：第一实体的身份信息；
ID2：第二实体的身份信息；
Nonce：一次性随机数；
PKeyID：密钥标识，作为公钥使用；
SKeyID：与PkeyID对应的私钥；
MSG：写入第一实体的信息。
Claims (10)
1.一种轻型接入认证方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
1)由可信第三方将消息MSG加密后写入第一实体；
2)由第二实体向第一实体获取数据；
2.1)由第二实体发送数据请求分组给第一实体；
2.2)由第一实体根据数据请求向第二实体发送数据响应分组；
3)收到数据后，由第二实体向可信第三方获取密钥；
3.1)由第二实体向可信第三方发送密钥请求分组；
3.2)由可信第三方根据密钥请求分组向第二实体发送密钥响应分组；
4)第二实体根据密钥响应分组得到第一实体消息MSG的明文。
2.根据权利要求1所述的轻型接入认证方法，其特征在于：所述步骤1)之前还包括有通过可信第三方建立系统参数的步骤。
3.根据权利要求2所述的轻型接入认证方法，其特征在于：所述系统参数包括：两个q阶的循环群(G1，+)和(G2，·)；P为G1的生成元；令e为G1和G2上的双线性变换，即e：G1×G1→G2；可信第三方随机选取自己的私钥 ，其对应公钥为QTTP＝STTPP∈G1；EK(M)表示使用对称加密算法对消息M加密，加密密钥为K。
4.根据权利要求1或2或3所述的轻型接入认证方法，其特征在于：所述步骤1)中可信第三方将消息MSG加密后写入第一实体的具体步骤如下：
1.1)可信第三方随机选取一个密钥标识PKeyID，并将该密钥标识作为一个公钥，计算其对应的私钥为SKeyID＝PKeyID·STTP，并将私钥安全保存；
1.2)可信第三方选取一个秘密随机数r，计算K＝r·QTTP·PKeyID；然后，使用K加密MSG获得相应密文CMSG，即计算CMSG＝EK(MSG)；最后，计算CP＝r·P，并将CP和PKeyID及CMSG一起写入第一实体。
5.根据权利要求4所述的轻型接入认证方法，其特征在于：所述步骤2.1)中数据请求分组为一个内容为空的消息。
6.根据权利要求5所述的轻型接入认证方法，其特征在于：所述步骤2.2)中数据响应分组内容包括
其中：
PKeyID字段：为可信第三方所选取并写入第一实体的PKeyID值；
CP字段：为可信第三方所计算的并写入第一实体的CP值，其值等于r·P；
CMSG字段：为可信第三方所写入第一实体信息MSG的密文。
7.根据权利要求6所述的轻型接入认证方法，其特征在于：所述步骤3.1)中密钥请求分组内容包括
其中：
ID2字段：第二实体的身份信息；
TTP字段：可信第三方的身份信息；
PKeyID字段：所请求的密钥标识；
Nonce字段：第二实体选取的一次性随机数。
8.根据权利要求7所述的轻型接入认证方法，其特征在于：所述步骤3.2)中当可信第三方收到第二实体的密钥请求分组后，可以对第二实体的身份有效性进行验证，如果其身份无效，结束，否则，构造密钥响应分组发送给第二实体。
9.根据权利要求8所述的轻型接入认证方法，其特征在于：所述步骤3.2)中密钥响应分组内容包括
其中：
ID2字段：第二实体的身份；
TTP字段：可信第三方的身份；
CSkeyID字段：所请求的密钥SKeyID的密文，计算过程为：可信第三方选取一个秘密随机数r1，计算K1＝r1·QTTP·ID2，并由K1导出一个加密密钥EK和一个完整校验密钥IK；然后，使用EK加密SKeyID获得相应密文CSKeyID，即计算CSKeyID＝EEK(SKeyID)；
CP1字段：CP1＝r1·P；
Nonce字段：第二实体所选取的一次性随机数；
MIC字段：使用由K1导出的完整性校验密钥IK对该字段之前所以字段求取MIC。
10.根据权利要求9所述的轻型接入认证方法，其特征在于：所述步骤4)中当第二实体收到密钥响应分组后，验证Nonce是否自己所选随机数，如果不是，结束，否则，重新计算K1＝CP1·S2并由其导出加密密钥EK和完整校验密钥IK，利用IK可以重新计算MIC并与接收的MIC进行比较来验证该分组的有效性，如果验证有效，则利用EK解密CSKeyID得到SKeyID明文，在得到SKeyID明文后，根据数据响应分组的内容，计算K＝CP·SKeyID，最后，利用K作为密钥解密CMSG即可得到MSG明文。
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