CN103929741A - 一种基于函数认证的无线体域网数据加密与传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种无线体域网数据加密与传输方法，涉及无线通信技术安全认证领域，体域网中节点与节点之间、节点与体域网协调器之间容易存在伪节点进行信息攻击，提出了一种基于函数认证的数据加密方案来保证数据的安全传输保护用户信息的隐私。并对数据进行加密，在相邻节点之间进行聚合的时候进行节点之间的相互认证，对节点和协调器进行相互认证，防止伪装的节点入网，保证体域网敏感微数据的安全传输。

Description

一种基于函数认证的无线体域网数据加密与传输方法

技术领域

本发明涉及无线传感网络技术和无线通信技术领域，具体是无线体域网系统中用户数据加密、安全认证技术。

背景技术

无线体域网（wireless body sensor networks,WBSNs）是基于无线传感网络的，附着于人的身体上，并且由一套小巧、可移动的具有通信能力的传感器和一个身体主站构成，是以人体周围的小型设备如可携带的手表，传感器、手机或植入设备等为对象的无线通信网络系统，用于收集人体生理信息，是一种多跳的无线传感网络。其中的每个对象都可以看成是一个节点，这些节点都具有数据采集能力、处理能力和无线通信能力。每个用户都可以构建一个专属的WBSNs，每个WBSNs前端节点与随身携带的个人终端进行无线通信和数据同步，这样就可以实时了解自己的身体状态，生物传感器在一定的时间间隔内收集用户身上的敏感微数据SMD_s（sensitive micro data,SMD_s），然后通过无线技术（如BlueTooth、WLAN、WiMAX、ZigBee等）将其转发给体域网协调器(body sensor network coordinator，B_snC）/体域网集线器（body sensor network hub,B_snH）,这些B_snC/B_snH再将收集到的SMD_s通过蜂窝网、WLAN以及WiMAX等无线通信技术转发给数据处理中心、远程服务器或者是医疗中心。授权的用户、用户的亲属、医师等可以通过无线网络与计算机等医疗终端建立联系，再经过Internet与远程服务器或者数据处理中心进行信息共享，这样医师或其他工作人员可以在最快的时间内得到被监控对象的医疗信息和情况。但是由于无线体域网中各个传感器节点S（sensor，S）发送SMD_s到B_snC以及B_snC转发这些数据到远程服务器RS（remote server，RS）都是通过无线通信技术，而无线信道的开放性和不可控性使得信息在传输过程中极不安全。随着信息化和传感器技术的发展，如何解决医疗应用中用户信息和位置等隐私问题是电子医疗发展过程当中亟待解决的问题。如果无法满足用户对数据安全保密、传输可靠以及位置保密的要求，电子医疗和相关服务的应用和发展将遭受很大的阻碍。攻击者可以伪装成体域网中的节点S向协调器B_snS注入错误信息，并可以发起DoS攻击、重传攻击等，或者攻击者在一定距离窃取无线信道中的SMDs，使得传输过程中的信息极不安全。

发明内容

考虑到无线体域网中节点与节点之间、节点与体域网协调器之间容易存在伪节点进行信息攻击，又无线通信的无连接使得信息在传输过程中极容易被窃取，本发明就以上问题进行研究，提出了一种基于函数认证的数据加密方案来保证数据的安全传输以及保护用户信息的隐私。提出了基于多项式的认证加密方案来保证体域网中的传感器节点安全入网，并对数据进行加密，保证SMD_s的安全传输。即是在节点S_j向节点S_l进行聚合，即相邻节点之间进行聚合的时候容易出现伪装的节点进行入网，本发明提出了适合于无线体域网节点的认证机制保证节点间的安全入网。

一种基于函数认证的无线体域网数据加密与传输方法，包括：无线体域网中传感器节点广播发送包含自己身份标识符和伪随机码的信息来寻找相邻节点进行聚合；传感器节点与无线体域网协调器之间安全认证阶段，具体包括：传感器节点S_i向协调器B_snC广播一条包括节点和协调器身份标识符的信息，传感器节点调用多项式函数生成节点与协调器之间的密钥，并将包含节点、协调器身份标识符和密钥的信息(Sid_i,B_snCid_l,K_i→l)广播出去，其中Sid_i是传感器节点身份标识符，B_snCid_l是无线体域网协调器身份标识符，K_i→l是节点S_i和节点S_j之间的密钥。协调器接收到广播信息后，根据节点的身份标识符生成自己的密钥，协调器比较两个密钥值，如果相等，协调器给广播节点发送一个确认信息，S_i接受到确认信息后比较双方的密钥是否相等，如果相等，S_i与协调器之间建立连接传送数据。

传感器节点S_i寻找相邻节点S_j具体包括：节点S_i预先设定用于认证的伪随机码nonce,节点S_i向外界广播包含自己的身份标识符Sid_i和伪随机码nonce的信息，节点S_j比较接收到的伪随机码与自己的伪随机码，如果相等，S_i与S_j是相邻节点。所述节点聚合进一步包括：节点S_j收到广播发送节点S_i的节点标识符Sid_i后，节点S_j记录节点S_i到自己的邻接节点表中,调用密钥生成函数计算节点S_j与节点S_i的密钥K_j→i=f(Sid_j,Sid_i)，然后根据密钥K_j→i和伪随机数nonce调用哈希函数HashF(K_j→i,nonce)生成认证消息Aut=(K_j→i,nonce)，S_j将认证消息和自己的身份标识符(Sid_i,Sid_j,Aut)一并反馈给节点S_i，S_i根据接收到的邻居节点身份标识符Sid_j调用函数计算自己与节点S_j之间的密钥K_i→j=f(Sid_i,Sid_j)，根据K_i→j和nonce调用哈希函数HashF(K_i→j,nonce)生成自己的验证信息Ver=(Key_i→j,nonce)，节点S_i比较认证消息Aut与验证信息Ver的值，如果相等则S_j是S_i的邻接节点，聚合节点S_j和S_i。传感器节点S_i调用多项式函数生成节点S_i与协调器B_snC之间的密钥具体包括：节点根据自己的身份标识符Sid_i和协调器的身份标识符B_snCid_l调用密钥生成函数生成节点对协调器的密钥Key_i→l=f(Sid_i,B_snCid_l)，其中Key_i→l是节点与体域网协调器之间的密mⁱ,n^j为函数的变量，当计算该密钥时分别用参数Sid_i,B_snCid_l替换。节点S_i将信息(Sid_i,B_snCid_l,Key_i→l)广播出去，B_snC接收到广播信息后，调用密钥生成函数生成协调器对节点S_i的密钥Key_l→i，即Key_l→i=f(B_snCid_l,Sid_i)，B_snC比较Key_l→i与Key_i→l的值，如果相等，B_snC记录该节点身份标识符到自己的访问表中。传感器S_i与协调器之间建立连接后传送数据，在t时刻,即每个体域网数据采集周期R₁时刻，节点通过节点对协调器的密钥Key_i→l对敏感微数据SMD_s等进行加密操作，生成加密消息然后，节点根据SMD_s和Key_i→l调用哈希函数HashF()生成各自固定位数的哈希序列hash_il(),即传感器节点将该哈希序列值作为认证码，生成的密文信息为 $C_i^{R_1}=E(\left(\right\{\mathrm{SMD}{s}_i^{R_1},R_1\},{\mathrm{Key}}_{i\→l}),{\mathrm{hash}}_{\mathrm{il}}({\mathrm{SMDs}}_i^{R_1},{\mathrm{Key}}_{i\→l})),$ 然后随同传感器节点的身份标识符Sid_i和协调器身份标识符B_snCid_l即发送给协调器，协调器计算密钥对加密消息进行解密，得到明文数据协调器将明文数据与Key_l→i进行哈希运算得到哈希序列再与接收到的哈希序列进行比较，如果不相等丢弃数据。协调器调用函数计算密钥Key_l→i=f(B_snCid_l,Sid_i)。更进一步，协调器接收传感器节点发送的数据，对接收到的一系列数据与哈希函数进行异或操作更新密钥，即根据公式： ${\mathrm{Key}}_l^{R_n}={\mathrm{Key}}_l^0\⊕\underset{n=1}{\overset{R}{\⊕}}\mathrm{hash}\left({\mathrm{SMDs}}_l^n\right)$ 确定新密钥。

本发明提出了一种基于函数认证的数据加密方法保证数据的安全传输保护用户信息的隐私。对节点聚合过程中进行节点之间的相互认证，节点和协调器之间相互认证，克服了相邻节点之间进行聚合时候伪装节点入网，向协调器注入错误信息，解决体域网数据传输过程中的安全性。

附图说明

图1本发明的BSN整体结构图；

图2本发明的节点与节点之间的安全认证流程；

图3本发明的节点与协调器之间的安全认证流程；

图4本发明的数据加密/解密传输过程；

图5本发明的密钥更新过程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施作进一步的详细阐明。

图1是本发明的WBSNs整体结构图。无线体域网中的用户植入有各种可穿戴式的传感器来搜集生理特征参数，如血液传感器、脉搏传感器、心跳传感器、位置传感器等，通过这些传感器所搜集的信息，无线体域网系统可以精确并且实时的监控体域网用户的微数据信息。在本发明中，系统中的传感器与相互认证过的传感器节点可以互相学习，聚合信息，然后统一将体域网敏感微数据转发给协调器或者是体域网集线器，这个协调器设置为簇头节点，簇头节点将所搜集到的体域网信息经过无线通信技术（如WLAN、WiMAX、ZigBee）与外网连接，发送到远程医疗中心、远程服务器、或数据处理中心，医师或者授权用户可以实时方便的查看用户信息，系统中的传感器节点也可以直接将数据发送给协调器。

本发明中体域网系统包括：体域网用户群、穿戴式/植入式生物传感器、数据收集中心（B_snC/B_snH等）、远程数据处理中心（RS、医疗中心等）。由于结点的计算能力有限且发送功率要比较低才能保证体域网中节点电池的生存寿命，所以本发明中对节点数据采用对称密钥进行加密，体域网协调器端生成一个两变量的t维多项式在一个有限域F_p范围内，其中F_p是素数，并且多项式满足f(m,n)=f(n,m)，这些多项式也固化在节点和B_snH中。

图2是本发明的节点与节点之间的安全认证流程。节点预先设定用于认证的伪随机码nonce,节点S_i寻找相邻节点S_j时，向外界广播信息，信息中包含自己的身份标识符Sid_i和伪随机码nonce，如果节点S_j是节点S_i的相邻节点，接收到广播信息后将接收到的伪随机码与自己的伪随机码作比较，如果不相等，说明不是自己的相邻节点或者是伪造的节点，不做处理。如果相等，说明是自己的相邻节点，对节点进一步判断并聚合，节点S_j记录下节点S_i到自己的邻接节点表中，即将<Sid_i,Sid_j>记录到邻接表中，此时S_j会给S_i一个反馈信息以表明它就是要找的邻接节点，节点S_j在接收到节点S_i的身份标识符Sid_i后，根据自己的身份标识符，调用函数计算节点S_j与节点S_i的密钥K_i→j，即K_i→j=f(Sid_i,Sid_j)，表示节点S_i与节点S_j之间的密钥，然后根据K_ij和nonce调用哈希函数HashF(K_i→j,nonce)生成认证消息Aut=(K_i→j,nonce)，S_j将认证消息和自己的身份标识符(Sid_i,Sid_j,Aut)一并反馈给广播发送节点S_i，S_i根据接收到的邻居节点身份标识符Sid_j计算节点S_i的密钥K_i→j=f(Sid_i,Sid_j)，根据节点S_i与节点S_j的密钥K_i→j和伪随机数nonce调用哈希函数HashF(K_i→j,nonce)生成自己的验证信息Ver=(K_i→j,nonce)，节点S_i比较认证消息Aut与验证信息Ver的值，如果不相等，判断节点S_j不是S_i的邻接节点，相等则是S_i的邻接节点，将节点S_j与S_i聚合。这样的双向认证方式保证了节点之间的安全，防止攻击者伪造一个虚假节点来注入错误信息，或者发起DoS攻击。节点之间经过安全认证后，可以互相聚合信息，学习，便于收集和管理。

图3是本发明中节点与协调器之间的合法认证过程。节点要经过合法认证才可以入网，以保证无线体域网数据的隐私安全。首先节点S_i向协调器B_snC广播一条信息，此条信息包括节点S_i的身份标识符Sid_i和协调器的身份标识符B_snCid_l，节点根据要加入的B_snC身份标识符和自己的身份标识符，调用多项式函数生成节点与协调器之间的密钥Key_i→l（节点生成的S_i与协调器B_snC之间的密钥，其中t为传感器节点采集数据的周期R₁），即Key_i→l=f(Sid_i,B_snCid_l)，节点将信息(Sid_i,B_snCid_l,Key_i→l)广播出去，协调器接收到广播信息后，根据节点的身份标识符Sid_i生成自己的密钥Key_l→i（体域网协调器B_snC生成的与节点S_i之间的密钥），即Key_l→i=f(B_snCid_l,Sid_i)，由于f(m.n)=f(n,m)，B_snC会比较Key_l→i与Key_i→l的值，如果相等，说明节点合法，B_snC记录这个节点<B_snCid_l,S_i>（协调器B_snCid_l的访问列表）到自己的访问表中，B_snC给广播节点S_i发送一个确认信息ACK(B_snCid_l,Sid_i,Key_li)，S_i接受到确认信息后比较双方的密钥Key_l→i与Key_i→l是否相等，如果相等，节点记录这个合法体域网协调器<S_i,B_snCid_l>（节点S_i的访问列表）到自己的访问列表中，这样S_i与协调器之间建立安全连接，这种双向认证的方式保证了节点和体域网协调器的合法性，防止伪造或篡改，一个安全的网络连接建立了，也保证了数据可以安全传输。

图4是本发明的数据加密/解密过程，进一步确保数据的安全性，防止攻击者肆意窃听和篡改数据。

（一）节点与体域网建立安全连接后就开始传送数据，设定节点采集数据的时间轮回R固定，在数据传输的第一时间，即在时间R₁，传感器节点S_i通过与体域网协调器建立安全连接时生成的密钥Key_i→l对敏感微数据SMD_s等进行加密操作，生成加密消息然后节点将敏感微数据SMD_s和节点S_i与体域网协调器之间的密钥Key_i→l一起调用哈希函数HashF()生成各自固定位数的哈希序列hash_i→l(),即是传感器节点利用这个哈希序列值作为认证码，生成密文信息为 $C_i^{R_1}=E(\left(\right\{\mathrm{SMD}{s}_i^{R_1},R_1\},{\mathrm{Key}}_{i\&RightArrow;l}),{\mathrm{hash}}_{\mathrm{il}}({\mathrm{SMDs}}_i^{R_1},{\mathrm{Key}}_{i\&RightArrow;l})),$ 然后随同自己的身份标识符Sid_i和协调器身份标识符B_snCid_l即发送给体域网协调器，协调器接收到密文信息后对信息进行解密，协调器通过接收的身份标识符可以调用密钥生成函数生成密钥，即Key_l→i=f(B_snCid_l,Sid_i)，然后用生成的密钥Key_l→i进行解密得到明文数据，无线体域网协调器再将得到的明文数据与自己生成的Key_l→i调用哈希函数HashF()进行运算，得到再与接收到的哈希序列进行比较，如果不相等就丢弃数据。

（二）更进一步，在传输过程中，本发明还可根据采集到的动态和静态数据产生更新密钥，其具体过程如下：体域网协调器在传输过程中，通过与以往搜集到的数据有关的哈希函数进行异或运算，累计对以前的数据进行异或操作以达到更新密钥，即调用公式更新密钥，式中体域网协调器用初始密钥与之后每R个周期接受到的数据的哈希值进行异或处理，形成新的加密密钥，实现动态更新密钥。这样，数据传输更加安全，攻击者要攻破这个密钥必须要知道之前收集到的所有数据，而传感器节点发送的数据本来不多，攻击者在距离一定范围截获数据必然有一定的损失，所以这种更新密钥的方法有效的提高了数据的安全性。

图5是本发明的密钥更新过程。节点和协调器分别在传输过程中利用之前搜集的数据更新密钥。节点和协调器根据各自固化的多项式密钥异或处理之前收集到的数据的哈希值，即调用公式使得密钥动态更新，攻击者难以攻破，除非截获之前传输的全部信息，这种动态密钥加密方法提高了无线体域网数据在传输过程中的安全性。

Claims (6)

1.一种基于函数认证的无线体域网数据加密与传输方法，其特征在于，所述方法包括：无线体域网中传感器节点广播发送包含自己身份标示符和伪随机码的信息寻找相邻节点进行聚合；传感器节点与无线体域网协调器之间安全认证阶段，具体包括：传感器节点S_i向协调器B_snC广播一条包括节点和协调器身份标识符的信息，传感器节点调用多项式函数生成节点与协调器之间的密钥，并将包含节点、协调器身份标识符和密钥的信息(Sid_i,B_snCid_l,Key_i→l)广播出去，协调器接收到广播信息后，根据节点的身份标识符生成自己的密钥，协调器比较两个密钥值，如果相等，协调器给广播节点发送一个确认信息，S_i接受到确认信息后比较双方的密钥是否相等，如果相等，S_i与协调器之间建立连接传送数据。

2.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，传感器节点S_i寻找相邻节点S_j具体包括：节点S_i预先设定用于认证的伪随机码nonce,节点S_i向外界广播包含自己的身份标识符Sid_i和伪随机码nonce的信息，节点S_j比较接收到的伪随机码与自己的伪随机码，如果相等，S_i与S_j是相邻节点。

3.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，所述节点聚合进一步包括：节点S_j收到节点S_i广播发送的身份标识符Sid_i后，节点S_j记录节点S_i的Sid_i到自己的邻接节点表中,调用函数计算节点S_j与节点S_i的密钥K_j→i=f(Sid_j,Sid_i)，然后根据密钥K_j→i和伪随机数nonce调用哈希函数HashF(K_j→i,nonce)生成认证消息Aut=(K_j→i,nonce)，S_j将认证消息和自己的身份标识符(Sid_i,Sid_j,Aut)一并反馈给节点S_i，S_i根据接收到的邻居节点身份标识符Sid_j调用函数计算自己与节点S_j之间的密钥K_i→j=f(Sid_i,Sid_j)，根据密钥K_i→j和伪随机数nonce调用哈希函数HashF(K_i→j,nonce)生成自己的验证信息Ver=(K_i→j,nonce)，节点S_i比较认证消息Aut与验证信息Ver的值，如果相等则S_j是S_i的邻接节点，聚合节点S_j和S_i。

4.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，传感器节点S_i调用多项式函数生成节点S_i与协调器B_snC之间的密钥具体包括：节点根据自己的身份标识符Sid_i和协调器的身份标识符B_snCid_l调用多项式函数生成节点对协调器的密钥Key_i→l=(Sid_i,B_snCid_l)，节点S_i将信息(Sid_i,B_snCid_l,Key_i→l)广播出去，B_snC接收到广播信息后，调用密钥生成函数生成协调器对节点的密钥Key_l→i，即Key_l→i=f(B_snCid_l,Sid_i)，B_snC比较Key_l→i与Key_i→l的值，如果相等，B_snC记录该节点身份标识符到自己的访问表中。

5.根据权利要求书4所述的方法，其特征在于，传感器S_i与协调器之间建立连接后传送数据，在采集数据周期R₁时刻，节点通过节点对协调器的密钥Key_i→l对敏感微数据SMD_s等进行加密操作，生成加密消息然后，节点根据敏感微数据SMD_s和节点与协调器之间的密钥Key_i→l调用哈希函数HashF()生成各自固定位数的哈希序列hash_il(),即传感器节点将该哈希序列值作为认证码，生成的密文信息为 $C_i^{R_1}=E(\left(\right\{\mathrm{SMD}{s}_i^{R_1},R_1\},{\mathrm{Key}}_{i\&RightArrow;l}),{\mathrm{hash}}_{\mathrm{il}}({\mathrm{SMDs}}_i^{R_1},{\mathrm{Key}}_{i\&RightArrow;l})),$ 然后随同传感器节点的身份标识符Sid_i和协调器身份标识符B_snCid_l即发送给协调器，协调器计算密钥对加密消息进行解密，得到明文数据协调器将明文数据与密钥Key_l→i进行哈希运算得到哈希序列再与接收到的哈希序列进行比较，如果不相等丢弃数据。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述协调器调用的密钥生成函数为Key_l→i=f(B_snCid_l,Sid_i)。

根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在数据传输中，协调器接收传感器节点发送的数据，对接收到的一系列数据与哈希函数进行异或操作更新密钥，即根据公式： ${\mathrm{Key}}_l^{R_n}={\mathrm{Key}}_l^0\&CirclePlus;\underset{n=1}{\overset{R}{\&CirclePlus;}}\mathrm{hash}\left({\mathrm{SMDs}}_l^n\right)$ 确定新密钥。