CN103532713A - 传感器认证和共享密钥产生方法和系统以及传感器 - Google Patents

Abstract

本申请提供了传感器认证和共享密钥产生方法和系统以及相应的传感器。根据本申请的传感器认证和共享密钥产生方法可包括：传感器向应用系统发送ID和数字证书；应用系统验证ID和数字证书，若验证通过，则随机生成会话密钥，并使用数字证书中的公钥加密所述会话密钥形成加密消息，发送给传感器；传感器使用数字证书对应的私钥解密所收到的加密消息，对解密得到的会话密钥进行单向散列函数计算，形成散列值，并将所述散列值发送给应用系统；以及应用系统验证所收到的散列值，若验证通过，则向传感器发送认证成功消息。通过本申请，无需对CA进行改造便能以较为简单的算法和较少步骤完成认证和密钥共享，以降低对传感器资源的需求和消耗。

Description

传感器认证和共享密钥产生方法和系统以及传感器

技术领域

本申请涉及传感器认证和共享密钥产生方法和系统以及传感器。

背景技术

传感器是一种典型的物联网终端设备，具有低成本、低功耗等特点，集成有信息采集、数据处理等多种功能，通过采集和处理覆盖区域里被检测对象的信息，并发送给业务应用系统。传感器设备具有即插即用的特点，该特点使传感器设备具备广泛的适用性，同时也带来了安全问题，例如，攻击者可能在合法传感器设备休眠或离线的时间间隙，使用非法的传感器设备替换原有合法的设备，这样，业务平台接收到的数据很有可能是攻击者控制上传的虚假数据，从而给整个业务的正常运行造成严重影响。

为了保护合法传感器设备的正常使用，避免非法传感器设备接入网络，在即插即用传感器接入应用系统时，需要通过安全认证协议对传感器的合法性进行认证，使得应用系统仅接受合法传感器采集的数据。另外，为防止传感器与应用系统之间传输的数据被攻击者截获，传感器与应用系统之间需要协商生成共享密钥，使用共享密钥对传输的数据进行保护。与此同时，由于传感器成本较低，存储和运算能力有限，因此应用于传感器设备的安全机制应该具有较低的存储和运算开销。

公钥基础设施PKI（Public Key Infrastructure）是目前广泛应用的利用非对称加密技术建立的提供安全服务的基础设施，使用由可信证书机构颁发的公钥证书，能够为网络应用提供加密、数字签名、数据完整性保护、数字信封等服务。

在现有的传感器认证方法中，已有基于PKI技术的物联网认证系统，通过PKI体系，完成了上位机对多个传感器的认证工作。但由于上位机没有身份认证的功能，需要将证书发送给CA，由CA对证书进行认证，上位机接收CA的认证结果。由于普通CA机构并不具有此功能，需要单独建设具有此种服务的CA机构并且需要依赖CA完成对证书的认证工作。

现有技术中还存在电子设备接口间基于公钥证书的认证密钥协商和更新方法。该方法采用Diffie-Hellman密钥交换技术来生成共享秘密；通过HMAC密钥杂凑函数保证所生成的共享秘密的一致性和协议消息的完整性；在完全认证的情况下，通过使用签名技术来保证证书的发送者确实持有与证书中公钥相对应的私钥，从而确定设备的合法性；在重新认证的情况下，通过使用持有共享密钥这一事实来确认设备的合法性。但是，该方法的算法复杂，通信流程多，难以较好应用于对资源受限的即插即用传感器。

发明内容

为了解决现有技术中需要改造CA或算法流程较复杂的问题，本申请提出了一种传感器认证和共享密钥产生方法和系统以及相应的传感器。

根据本申请的一个方面，提供了一种传感器认证和共享密钥产生方法，包括：传感器向应用系统发送ID和数字证书；应用系统验证ID和数字证书，若验证通过，则随机生成会话密钥，并使用所述数字证书中的公钥加密所述会话密钥形成加密消息，发送给传感器；传感器使用所述数字证书对应的私钥解密所收到的加密消息，对解密得到的会话密钥进行单向散列函数计算，形成散列值，并将所述散列值发送给应用系统；以及应用系统验证所收到的散列值，若验证通过，则向传感器发送认证成功消息。

根据本申请的另一个方面，提供了一种传感器，包括：发送模块，发送传感器的ID和数字证书；接收模块，接收加密消息；解密模块，使用所述数字证书对应的私钥对接收到的加密消息进行解密得到解密信息；计算模块，对解密得到的解密信息进行单向散列函数计算，形成散列值，其中，所述发送模块进一步发送所述散列值。

根据本申请的再一个方面，提供了一种传感器认证和共享密钥产生系统，包括：第一接收模块，接收传感器发送的ID和数字证书；第一验证模块，验证接收到的ID和数字证书；会话密钥生成模块，随机生成会话密钥；加密模块，使用所述数字证书中的公钥加密所述会话密钥形成加密消息；发送模块，将所述加密消息发送给传感器；第二接收模块，接收传感器发送的散列值；以及第二验证模块，验证接收到的散列值。

通过本申请，无需对CA进行改造便能以较为简单的算法和较少步骤完成认证和密钥共享，以降低对传感器资源的需求和消耗。

附图说明

图1是根据本申请一个实施方案的传感器认证和共享密钥产生方法的流程图；

图2是根据本申请一个实施方案的传感器的框图；

图3是根据本申请另一个实施方案的传感器的框图；以及

图4是根据本申请一个实施方案的传感器认证和共享密钥产生系统的框图。

具体实施方式

下面参照附图，对本申请的实施方案进行详细说明。

图1示出了根据本申请一个实施方案的传感器认证和共享密钥产生方法的操作过程。

根据本实施方案，可在传感器中预先配置唯一的身份标识ID、私钥、以及与私钥对应的数字证书，其中数字证书由CA机构颁发，私钥由传感器秘密存储。

如图1所示，在步骤S1002，传感器向应用系统发送ID和数字证书。应用系统在收到ID和数字证书之后，在步骤S1004，对ID和数字证书进行验证。若验证通过，则应用系统随机生成会话密钥，并使用数字证书中的公钥加密所述会话密钥形成加密消息，然后发送给传感器。之后，在步骤S1006，传感器使用私钥解密所收到的加密消息，对解密得到的会话密钥进行单向散列函数计算，形成散列值，并将所述散列值发送给应用系统。其中，可采用任何公开的单向散列函数进行计算。应用系统在步骤S1008对所收到的散列值进行验证，若验证通过，则向传感器发送认证成功消息。

根据图1所示的方法，在无需对CA进行改造的前提下，能以较为简单的算法和较少步骤完成认证和密钥共享，从而降低对传感器资源的需求和消耗。

根据一个实施例，可在应用系统中设置合法的传感器ID列表，应用系统可根据传感器ID列表和系统设置来判断传感器是否为合法设备。例如，应用系统可以通过设置白名单、黑名单等方式作为判断传感器ID是否合法的依据。应用系统验证ID和数字证书可以是：验证ID的有效性，验证ID与数字证书名称的一致性，以及验证数字证书的有效性等。

根据一个实施例，若应用系统对ID和数字证书的验证通过，则应用系统与传感器采用会话密钥进行后续的加密通信。

根据一个实施例，应用系统对ID和数字证书验证通过，除了随机生成会话密钥之外，应用系统还可生成随机数。应用系统使用数字证书中的公钥加密所述随机数和所述会话密钥形成加密消息，发送给传感器。这种情况下，传感器使用私钥解密所收到的加密消息，并对解密得到的随机数和会话密钥进行单向散列函数计算，形成散列值，并将其发送给应用系统进行后续的散列值验证。通过使用随机数，可防止重放攻击。

图2和图3是根据本申请实施方案的传感器的框图。

如图2所示的传感器可包括发送模块202、接收模块204、解密模块206以及计算模块208。发送模块202可发送传感器的ID和数字证书，接收模块204可接收加密消息，解密模块206可使用数字证书对应的私钥对接收到的加密消息进行解密得到解密信息，计算模块208可对解密得到的解密信息进行单向散列函数计算，形成散列值。发送模块202可进一步发送计算模块208所形成的散列值。

如图3所示的传感器可包括发送模块302、接收模块304、解密模块306、计算模块308以及存储模块310，其中，发送模块302、接收模块304、解密模块306和计算模块308与图2所示的发送模块202、接收模块204、解密模块206和计算模块208类似，此处不再赘述。存储模块310可存储传感器ID、私钥以及与该私钥对应的数字证书等。

接下来参照图4，描述根据本申请实施方案的传感器认证和共享密钥产生系统。

如图4所示，传感器认证和共享密钥产生系统可包括第一接收模块402、第一验证模块404、会话密钥生成模块406、加密模块408、发送模块410、第二接收模块412和第二验证模块414。

第一接收模块402可接收传感器发送的ID和数字证书，第一验证模块404可对第一接收模块402接收到的ID和数字证书进行验证。会话密钥生成模块406可随机生成会话密钥，加密模块408则可使用数字证书中的公钥对会话密钥加密从而形成加密消息。发送模块410可将加密模块408形成的加密消息发送给传感器。第二接收模块412可接收传感器发送的散列值，交由第二验证模块414进行散列值验证。

根据一个实施例，若第二验证模块对接收到的散列值验证成功，则发送模块向传感器发送认证成功消息。

根据一个实施例，第一验证模块验证ID和数字证书可包括：验证ID的有效性，验证ID与数字证书名称的一致性，以及验证数字证书的有效性。

根据一个实施例，会话密钥生成模块除了随机生成会话密钥之外，还生成随机数。加密模块使用公钥加密随机数和会话密钥，从而形成加密消息。

本申请的实施方案利用PKI技术，通过在传感器中预置数字证书，实现应用系统对传感器的身份认证，并在应用系统和传感器之间生成共享密钥，保护两者之间的通信数据。由于数字证书通常需要占用约1KB的存储空间，因此本申请的实施方案可仅占用约1KB的系统存储空间。传感器只进行一次解密运算和单向函数计算，即可完成身份认证和共享密钥协商的过程，公钥解密运算可采用RSA算法或ECC椭圆曲线算法。所需运算简单，协议交互步骤少，对传感器能力要求较低，且能有效减少传感器能源的消耗，延长无源传感器的使用寿命。

以上参照附图对本申请的示例性的实施方案进行了描述。本领域技术人员应该理解，上述实施方案仅仅是为了说明的目的而所举的示例，而不是用来进行限制。凡在本申请的教导和权利要求保护范围下所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本申请要求保护的范围内。

Claims (10)

1.传感器认证和共享密钥产生方法，包括：

传感器向应用系统发送ID和数字证书；

应用系统验证ID和数字证书，若验证通过，则随机生成会话密钥，并使用所述数字证书中的公钥加密所述会话密钥形成加密消息，发送给传感器；

传感器使用所述数字证书对应的私钥解密所收到的加密消息，对解密得到的会话密钥进行单向散列函数计算，形成散列值，并将所述散列值发送给应用系统；以及

应用系统验证所收到的散列值，若验证通过，则向传感器发送认证成功消息。

2.如权利要求1所述的方法，其中，若应用系统向传感器发送认证成功消息，则应用系统与传感器采用所述会话密钥进行加密通信。

3.如权利要求1所述的方法，其中，应用系统验证ID和数字证书包括：验证ID的有效性，验证ID与数字证书名称的一致性，以及验证数字证书的有效性。

4.如权利要求1所述的方法，其中，应用系统对ID和数字证书验证通过后，随机生成随机数和会话密钥，并使用所述数字证书中的公钥加密所述随机数和所述会话密钥形成加密消息，发送给传感器，

传感器使用私钥解密所收到的加密消息，对解密得到的随机数和会话密钥进行单向散列函数计算，形成散列值。

5.传感器，包括：

发送模块，发送传感器的ID和数字证书；

接收模块，接收加密消息；

解密模块，使用所述数字证书对应的私钥对接收到的加密消息进行解密得到解密信息；以及

计算模块，对解密得到的解密信息进行单向散列函数计算，形成散列值，

其中，所述发送模块进一步发送所述散列值。

6.如权利要求5所述的传感器，进一步包括存储模块，存储ID、私钥以及与该私钥对应的数字证书。

7.传感器认证和共享密钥产生系统，包括：

第一接收模块，接收传感器发送的ID和数字证书；

第一验证模块，验证接收到的ID和数字证书；

会话密钥生成模块，随机生成会话密钥；

加密模块，使用所述数字证书中的公钥加密所述会话密钥形成加密消息；

发送模块，将所述加密消息发送给传感器；

第二接收模块，接收传感器发送的散列值；以及

第二验证模块，验证接收到的散列值。

8.如权利要求7所述的系统，其中，若第二验证模块对接收到的散列值验证成功，则所述发送模块向传感器发送认证成功消息。

9.如权利要求7所述的系统，其中，第一验证模块验证ID和数字证书包括：验证ID的有效性，验证ID与数字证书名称的一致性，以及验证数字证书的有效性。

10.如权利要求7所述的系统，其中，会话密钥生成模块随机生成会话密钥和随机数，

其中，加密模块使用所述数字证书中的公钥加密所述随机数和所述会话密钥形成加密消息。

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