CN102546650A - 无线传感器网络与因特网互联通信的端到端安全保障方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的无线传感器网络与因特网互联通信的端到端安全保障方法，将一部分认证和访问控制的工作转移到无线传感器网络的网关中进行，并采用基于椭圆曲线签密技术的非对称密钥协商方式，将计算量大的解签密运算放在Internent远程终端中进行，而对称密钥解密运算放在传感器节点中进行，与改进的基于ECC的SSL协议和改进的基于椭圆曲线身份的TLS协议相比，有效减少了传感器节点的能量消耗，加强了访问控制和隐私保护并能抵抗DoS攻击。

Description

无线传感器网络与因特网互联通信的端到端安全保障方法

技术领域

本发明涉及计算机网络技术领域，尤其涉及一种无线传感器网络与因特网互联通信的端到端安全保障方法。

背景技术

随着无线传感器网络技术的飞速发展，迫切地需要利用IP技术(特别是IPv6技术)将传感器网络与Internet进行互联，使用远程终端(包括PC、手机、PDA等)通过Internet对传感器节点进行远程访问、控制和管理，将互联网中人与人之间的连接和通信扩展到人与物、物与物之间的连接和通信，实现物联网的最终目的。在这种开放的环境中，当涉及到一些敏感信息的传输和应用时，为传感器节点与Internent远程终端的通信建立端到端的安全连接是十分关键和急待解决的问题。现有Internet中的端到端安全通信协议(比如SSL和TLS协议)都是为两个Internet终端进行互联通信而设计的，都是基于公钥体制的对称的认证和密钥管理方案，因为传感器节点的资源有限，这些方案无法直接应用于无线传感器网络与Internet的互联通信中。

现有的一些改进方案都是基于SSL或TLS协议的，比如用基于ECC的D-H密钥协商算法替代SSL中基于RSA的D-H密钥协商算法做认证及密钥交换，用基于椭圆曲线身份密码体制的D-H密钥协商算法或双线性对运算替代TLS中基于公钥证书的D-H密钥协商算法做认证及密钥交换。这两种改进方案虽然都减少了传感器节点的能量消耗，但是传感器节点端的负载依然与Internent远程终端的负载相当，而传感器节点端的能力却比Internent远程终端弱得多。另外，改进的方案无法提供对Internent远程终端的隐私保护，也没有实现访问控制并抵抗DoS攻击。

因此，当下需要迫切解决的一个技术问题就是：如何能够提出一种有效的措施，以解决现有技术存在的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种无线传感器网络与因特网互联通信的端到端安全保障方法，有效减少传感器节点的能量消耗，加强访问控制和隐私保护并能抵抗DoS攻击。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种无线传感器网络与因特网互联通信的端到端安全保障方法，包括：

部署若干个无线传感器子网并进行参数设定；

用户提供身份ID并验证身份的有效性；

有效身份的用户发送访问请求并验证访问权限；

具有访问权限的用户与传感器节点进行密钥协商，并与节点进行密钥的确认；

确认有效时进行消息传送。

进一步地，所述参数设定包括全局网络参数设定、节点参数设定和用户参数设定。

进一步地，所述全局网络参数包括乘法群

一个大于2¹⁶⁰的素数p、有限域F_p、有限域F_p上的椭圆曲线E(F_p)、椭圆曲线E(F_p)上的一个基点G、G在椭圆曲线E(F_p)上的一个素数阶n，安全长度等于|p|、能将任意长度的字符串转换成椭圆曲线E(F_p)上的一个点的哈希映射H、强无碰撞的单向杂凑函数hash、带密钥k的强无碰撞的单向杂凑函数h_k、采用密钥k的对称加密算法的E_k、以及与E_k对应的采用密钥k的对称解密算法D_k。

进一步地，所述节点参数设定包括节点所属子网的网络密钥、ID、私钥、公钥、有效期限和证书。

进一步地，所述用户参数设定包括用户所能访问子网的通行证、私钥、公钥、有效期限和证书。

进一步地，所述F_p上的椭圆曲线，满足E：y²≡(x³+ax+b)mod p，其中a，b∈F_p，满足a，b∈F_p且4a³+27b²≠0(modp)；

进一步地，所述乘法群

进一步地，所述有限域F_p＝[0，1，...，p-1]。

综上，本发明提供的无线传感器网络与因特网互联通信的端到端安全保障方法，将一部分认证和访问控制的工作转移到无线传感器网络的网关中进行，并采用基于椭圆曲线签密技术的非对称密钥协商方式，将计算量大的解签密运算放在Internent远程终端中进行，而对称密钥解密运算放在传感器节点中进行，与改进的基于ECC的SSL协议和改进的基于椭圆曲线身份的TLS协议相比，有效减少了传感器节点的能量消耗，加强了访问控制和隐私保护并能抵抗DoS攻击。

附图说明

图1是本发明的一种无线传感器网络与因特网互联通信的端到端安全保障方法的流程示意图；

图2是本发明的无线传感器网络与Internet互联通信的示意图；

图3是本发明的Internet用户与传感器节点的交互流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1所示一种无线传感器网络与因特网互联通信的端到端安全保障方法的流程示意图，包括：

S101，部署若干个无线传感器子网并进行参数设定；

S102，用户提供身份ID并验证身份的有效性；

S103，有效身份的用户发送访问请求并验证访问权限；

S104，具有访问权限的用户与传感器节点进行密钥协商，并与节点进行密钥的确认；

S105，确认有效时进行消息传送。具体的参照图2以用户U通过远程终端设备访问节点i为例。

1)部署阶段

服务提供商为他所提供的服务设置系统参数，描述如下：

乘法群 $Z_n^{*}=[\mathrm{1,2},...,n-1];$

p：p是一个大素数且p＞2¹⁶⁰；

F_p：有限域F_p＝[0，1，...，p-1]；

E(F_p)：有限域F_p上的椭圆曲线，满足E：y²≡(x³+ax+b)modp，其中a，b∈F_p，满足a，b∈F_p且4a³+27b²≠0(modp)；

G：椭圆曲线E(F_p)上的一个基点

n：G在椭圆曲线E(F_p)上的一个素数阶，安全长度约等于|p|；

H：哈希映射，能将任意长度的字符串转换成椭圆曲线E(F_p)上的一个点；

hash：  强无碰撞的单向杂凑函数；

h_k：带密钥k的强无碰撞的单向杂凑函数；

E_k：采用密钥k的对称加密算法；

D_k：采用密钥k的对称解密算法，与E_k对应。

服务提供商部署若干个无线传感器子网，每个子网有一个网关，网关是可信任的且能力强大无能量限制。对于传感器节点i所在的子网j，网关标识为

服务提供商选择一个随机整数

作为子网j的网络密钥。对于子网j中的每一个传感器节点，比如节点i，被分配一个唯一的ID_i，一个私钥

一个公钥P_i＝(S_i·G)modp，一个有效期限T_i。服务提供商用自己的私钥

对ID_i，P_i，T_i用ECDSA算法进行签名生成节点i的证书Cert_i。然后生成s_j·H(sub_j)。服务提供商将子网j中所有传感器节点的Cert_i以及s_j·H(sub_j)和他自己的公钥P_SP＝(S_SP·G)modp存储在子网j的网关中。

2)  注册阶段

用户U向服务提供商告知自己的身份ID_U，服务提供商验证该身份的有效性，为其分配一个私钥

一个公钥P_U＝(S_U·G)modp，一个有效期限T_U。并用自己的私钥S_SP对ID_U，P_U，T_U用ECDSA算法进行签名生成U的证书Cert_U。接着对该用户进行授权，比如该用户只能够访问子网j中的传感器节点，则计算通行证s_j·H(ID_U)·H(sub_j)，将其与H(ID_U)、Cert_U和他自己的公钥P_SP一起通过安全的渠道授予该用户，并将部署阶段设置的系统参数也告知该用户。

3)请求阶段

所有发送的信息都需要附加一个消息认证码来确保整条消息在发送过程中没有被篡改，这个消息认证码可以用MD5、SHA等算法生成，所有收到的消息也都需要先验证消息认证码，以下描述过程中不再赘述。

3.1U发送一条请求消息包括Cert_U、H(ID_U)和s_j·H(ID_U)·H(sub_j)和当前的时戳TS_U给节点i。

3.2当该消息到达网关处，网关检查这条消息的目的地址是否为该子网中的某一传感器节点，如果不是，则直接丢弃这条消息。否则验证时戳TS_U是否新鲜，然后用服务提供商的公钥P_SP用ECDSA算法对Cert_U进行解签名，验证Cert_U是否有效，如果有效，网关得到ID_U的有效公钥P_U。接着将收到的H(ID_U)与他自己存储的s_j·H(sub_j)进行点乘运算，将得到的结果与接收到的s_j·H(ID_U)·H(sub_j)作比较，如果不相等，证明U无权访问该网络中的任何节点，包括节点i，网关终止此次会话。如果相等，证明U有权访问子网j中的节点i。

3.3网关记录此次U与i的会话，将存储的i的证书Cert_i发送给U。U用同样的方法验证Cert_i的有效性来得到i的有效公钥P_i。如果验证通过，U发送一个确认信息给网关。网关收到该确认信息后，将H(ID_U)、P_U用他与节点i之间的共享密钥加密后发送给i。

4)密钥协商阶段

4.1节点i选择一个随机整数

计算临时密钥k＝hash((x·P_U)modp)，将其按照将要采用的加密算法和签名算法所需要的密钥长度分成临时加密密钥k₁和临时签名密钥k₂。

4.2节点i用临时加密密钥k₁生成

用临时签名密钥k₂生成TS_i为节点i当前的时戳。再生成签名s＝x/(r+S_i)，发送签密密文{c，r，s}给U。

4.3  U计算u＝(s·S_U)modn，恢复临时密钥k＝hash((u·P_i+u·r·G)modp)，将其按照将要采用的解密算法和签名验证算法所需要的密钥长度分成临时解密密钥k₁和临时签名验证密钥k₂。

4.4U用临时解密密钥k₁解密

如果TS_i是新鲜的，ID_i和H(ID_U)是有效的，则用临时签名验证密钥k₂计算

如果r^*与接收到的r相等，U接受xG，否则U终止会话。

4.5U选择一个随机整数

计算共享密钥θ＝y·(xG)，用临时密钥k₁生成

用临时密钥k₂生成

TS_U为U当前的时戳。U发送{c′，r′}给节点i。

5)密钥确认阶段

5.1节点i用临时密钥k₁解密

计算共享密钥θ^*＝x·(yG)。如果TS_U是新鲜的，ID_i是有效的，节点用接收到的ID_U计算H(ID_U)，如果计算的结果与先前收到的H(ID_U)相等，则证明ID_U是有效的，至此节点i得知了U的真实身份。i计算

如果r′^*与接收到的r′相等，节点i接受θ^*＝x·(yG)作为共享密钥并确信U已经拥有此密钥。否则节点i终止会话。

5.2节点i利用共享密钥θ^*＝x·(yG)生成

TS′_i是当前节点i的时戳。节点i将{v}发送给U。

5.3U利用他计算的共享密钥θ＝y·(xG)解密{v}，如果TS′_i是新鲜的，ID_i和ID_U是有效的，U接受θ＝y·(xG)作为共享密钥并确信i已经拥有此密钥。否则U终止会话。

至此，U可以发送任何用该共享密钥加密的请求消息给节点i并等到i的回复消息来访问、控制和管理节点i。整个交互过程可参见图3。

以上对本发明所提供的无线传感器网络与因特网互联通信的端到端安全保障方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种无线传感器网络与因特网互联通信的端到端安全保障方法，其特征在于，包括：

部署若干个无线传感器子网并进行参数设定；

用户提供身份ID并验证身份的有效性；

有效身份的用户发送访问请求并验证访问权限；

具有访问权限的用户与传感器节点进行密钥协商，并与节点进行密钥的确认；

确认有效时进行消息传送。

2.根据权利要求1所述的无线传感器网络与因特网互联通信的端到端安全保障方法，其特征在于：

所述参数设定包括全局网络参数设定、节点参数设定和用户参数设定。

3.根据权利要求2所述的无线传感器网络与因特网互联通信的端到端安全保障方法，其特征在于：

所述全局网络参数包括乘法群 

一个大于2¹⁶⁰的素数p、有限域F_p、有限域F_p上的椭圆曲线E(F_p)、椭圆曲线E(F_p)上的一个基点G、G在椭圆曲线E(F_p)上的一个素数阶n，安全长度等于|p|、能将任意长度的字符串转换成椭圆曲线E(F_p)上的一个点的哈希映射H、强无碰撞的单向杂凑函数hash、带密钥k的强无碰撞的单向杂凑函数h_k、采用密钥k的对称加密算法的E_k、以及与E_k对应的采用密钥k的对称解密算法D_k。

4.根据权利要求2所述的无线传感器网络与因特网互联通信的端到端安全保障方法，其特征在于：

所述节点参数设定包括节点所属子网的网络密钥、ID、私钥、公钥、有效期限和证书。

5.根据权利要求2所述的无线传感器网络与因特网互联通信的端到端安全保障方法，其特征在于：

所述用户参数设定包括用户所能访问子网的通行证、私钥、公钥、有效期限和证书。

6.根据权利要求3所述的无线传感器网络与因特网互联通信的端到端 安全保障方法，其特征在于：

所述F_p上的椭圆曲线，满足E：y²≡(x³+ax+b)modp，其中a，b∈F_p，满足a，b∈F_p 且4a³+27b²≠0(modp)。

7.根据权利要求3所述的无线传感器网络与因特网互联通信的端到端安全保障方法，其特征在于：

所述乘法群

8.根据权利要求3所述的无线传感器网络与因特网互联通信的端到端安全保障方法，其特征在于：

所述有限域F_p＝[0，1，...，p-1]。 

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