CN104917616B - 一种基于智能卡的软件定义网络中网络设备认证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能卡的软件定义网络中网络设备认证方法，主要包括：模块初始化；模块认证；设备更换。本发明在软件定义网络架构下，不需要公钥基础设备，只需要网络中配置一个可信认证机构，减少了公钥基础设施的投入，提高了系统的设置效率；将SDN中网络设备的身份同网络设备的使用地点、具体操作人和使用环境绑定，并存储于智能卡中，提高了网络设备升级或更换的效率；SDN网络设备认证同时需要读取智能卡和输入网络设备使用密码，能够有效防止智能卡被盗用带来的安全风险，提高了SDN中网络设备的认证安全性；本发明尽量采用杂凑函数作为密码学组件实施构造，可以有效提高SDN中网络设备认证的效率。

Description

一种基于智能卡的软件定义网络中网络设备认证方法

技术领域

本发明提出一种基于智能卡的软件定义网络中网络设备认证方法，属于通讯领域。

背景技术

随着互联网技术的快速发展，软件定义网络(Software Defined Networking，SDN)由于其通过使用控制器将网络控制平面与数据平面分离开来，提高了网络安全、可管理和控制的能力，在很多行业都有良好的应用空间，而目前SDN存在首要的问题就是安全问题。此外，对于SDN中的控制器来说，获得真实数据平面的参数是实施控制和管理的必要操作。因此，对SDN中网络设备实施认证，并且协商会话密钥，从而用密码学的方法建立安全可信的通信路径，既是保证控制器收集网络设备参数的来源真实性，又是保证系统安全通讯的必要工作。

SDN中网络设备认证指的是控制器对网络设备实施的认证，发生在网络设备接入SDN中的时候。这种接入有两种典型情况，一是为了扩大网络的规模，SDN中增加一个新的网络设备；二是原有网络设备发生损坏，SDN中用一台新的网络设备替换旧的网络设备。目前，该类认证可以使用传统公钥和私钥的方法实施认证，即利用公钥基础设施完成网络设备和控制器的双向认证，毫无疑问这种认证方法是可行的。但是，由于需要利用公钥基础设施，这种认证方法建设和布置比较困难，认证时需要多次传递各实体的公钥信息。另外，传统网络设备认证和设备实体绑定，设备更新替换需要重新获得新设备的会话密钥，设备更换和升级时间较长。随着SDN的推广和应用，控制器管理网络设备的数量逐渐增多，网络设备的认证效率要求也在逐步提高，需要一种消耗系统资源较少的网络设备认证方法。智能卡是一种集成电路卡，广泛地应用于金融、身份证和社会保障等领域，它继承了磁卡以及其它集成电路卡的所有优点，并有极高的安全、保密、防伪能力。因此，本发明提出一种基于智能卡的软件定义网络中网络设备认证方法，对SDN应用和推广有十分重要的理论价值和现实意义。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于克服现有技术解决SDN中网络设备认证的不足，提出一种基于智能卡的软件定义网络中网络设备认证方法。本方法中网络设备实体可读取智能卡，由可信认证机构对网络设备的使用地点、具体操作人和使用环境组成的网络设备身份进行配置，并将身份秘密值存储在智能卡中，据此在可信认证机构的帮助下完成网络设备和控制器的双向认证。该方法能够有效解决网络设备认证问题，也可以避免相对复杂的公钥基础设施，同时网络设备更换和升级非常简单。

为了实现上述目的，本发明的第一方面的实施例公开了一种基于智能卡的软件定义网络中网络设备认证方法，包括以下步骤：A：可信认证机构生成所述可信认证机构与控制器之间的长期密钥，并向控制器发送所述长期密钥；B：第一网络设备将自身的身份信息通过智能卡发送给所述可信认证机构；C：所述可信认证机构对所述智能卡中所述第一网络设备的身份信息进行加密，并将加密后的信息通过所述智能卡写回所述第一网络设备中；D：第一网络设备向所述控制器发送包含所述第一网络设备的身份信息和经过可信认证机构加密后的信息的第一数据包；E：所述控制器根据接收到的所述第一数据包和所述长期密钥进行计算，并向所述可信认证机构发送包含所述计算结果的第二数据包；F：所述可信认证机构对所述第二数据包进行解密，并根据所述长期密钥对所述解密后的数据进行验证，若满足验证条件，所述可信认证机构对解密后的数据进行加密，将包含加密后的信息的第三数据包写回所述控制器；G：所述控制器对所述第三数据包的数据进行解密并验证，若满足验证条件，所述控制器对解密后数据进行计算，并将包含所述计算结果的第四数据包发送给所述第一网络设备；以及H：所述第一网络设备对所述第四数据包进行解密并验证，若满足验证条件，则认证成功，否则认证失败。

根据本发明实施例的一种基于智能卡的软件定义网络中网络设备认证方法，在软件定义网络架构下，不需要公钥基础设备，只需要网络中配置一个可信认证机构，减少了公钥基础设施的投入，提高了系统的设置效率；将SDN中网络设备的身份同网络设备的使用地点、具体操作人和使用环境绑定，并存储于智能卡中，提高了网络设备升级或更换的效率；SDN网络设备认证同时需要读取智能卡和输入网络设备使用密码，能够有效防止智能卡被盗用带来的安全风险，提高了SDN中网络设备的认证安全性；本发明尽量采用杂凑函数作为密码学组件实施构造，可以有效提高SDN中网络设备认证的效率。

另外，根据本发明上述实施例的一种基于智能卡的软件定义网络中网络设备认证方法，还可以具有如下附加的技术特征：

进一步地，在步骤A中，所述可信认证机构随机选择两个素数p、q和一个随机值作为主密钥和一个杂凑函数所述可信认证机构公开p，q和H(·)的具体参数，所述可信认证机构选择一个随机值作为可信认证机构和控制器之间的长期密钥，然后所述可信认证机构通过安全方式将长期密钥K_CT发送给控制器，其中表示：长期密钥是由位数长度小于q位的二进制数0和1组成的随机字符串，并且不包括全为0的字符串；其中所述的表示：将由二进制数0和1组成的字符串通过杂凑函数H映射到群中。

进一步地，在步骤C中，所述可信认证机构收到所述智能卡后，读取所述第一网络设备的身份ID_NE，并利用所述ID_NE计算所述第一网络设备的加密身份值SID_NE和DID_NE，其中：

SID_NE＝E_Kx(ID_NE||ID_TA)

DID_NE＝H(ID_NE)^Kx mod p

所述可信认证机构将所述SID_NE、DID_NE和杂凑函数H(·)存储在所述智能卡中，

其中，SID_NE＝E_Kx(ID_NE||ID_TA)表示SID_NE的计算过程，先将网络设备的身份ID_NE和可信认证机构的身份ID_TA组合起来形成ID_NE||ID_TA，然后用主密钥加密得出SID_NE；DID_NE＝H(ID_NE)^Kxmod p表示DID_NE的计算过程，先得出网络设备的身份ID_NE的杂凑函数值H(ID_NE)，然后求主密钥Kx次幂，并求结果的p模得出DID_NE。

进一步地，在步骤C和步骤D之间，还存在以下步骤：

CD1：所述第一网络设备接收到所述智能卡后，选择一个随机值作为网络设备使用密码，读取所述智能卡，得到智能卡中的所述SID_NE和所述DID_NE；

CD2：网络设备输入网络设备使用密码K_NE，利用智能卡中的加密身份值SID_NE、DID_NE和杂凑函数H(·)，计算两个在所述网络设备使用密码保护下的加密身份值，具体为：

用TID_NE存储替换智能卡中的SID_NE，用RID_NE存储替换智能卡中的DID_NE，

其中，("0"||K_NE)表示将所述密码K_NE和字符"0"组合，输入杂凑函数H(·)，将H("0"||K_NE)和SID_NE按位异或得出TID_NE；("1"||K_NE)表示所述RID_NE将所述密码K_NE和字符"1"组合，输入杂凑函数H(·)，将H("1"||K_NE)和DID_NE按位异或得出RID_NE。

进一步地，在步骤D中，所述第一网络设备读取所述智能卡，输入所述第一网络设备的身份ID_NE和所述第一网络设备使用密码K_NE；所述第一网络设备产生一个随机值并获取当前系统时间T₁作为时间戳，利用所述智能卡中存储的所述TID_NE、所述RID_NE和所述H(·)，计算

A＝H(ID_NE)^a mod p

所述第一网络设备给所述控制器发送所述第一数据包Data₁＝{ID_TA,T₁,A,C_NT}。

进一步地，在步骤E中，所述控制器检查收到所述第一数据包的时间与所述第一数据包内的时间戳T₁是否在一个预设的时间差内，如果是则继续以下步骤，否则退出，发出认证失败消息；所述控制器获取当前时间T₂，并根据所述控制的身份ID_CL和所述长期密钥K_CT

计算

所述控制器向所述可信认证机构发送所述第二数据包Data₂＝{ID_TA,ID_CL,T₂,C_CT}。

进一步地，在步骤F中，所述可信认证机构检查收到所述第二数据包的时间与所述第二数据包内时间戳T₂是否在一个预设的时间差内，如果是则继续以下步骤，否则退出，发出认证失败消息；

所述可信认证机构利用所述长期密钥K_CT解密所述第二数据包Data₂中的所述C_CT，得到ID_TA，T₂和Data₁；所述可信认证机构所述第二数据包Data₂中ID_TA和T₂是否和C_CT解密出来的ID_TA和T₂取值相同，如果不同退出认证模块，发出认证失败消息，否则继续运行以下步骤；

所述可信认证机构取出所述第一数据包Data₁中的ID_TA,T₁,A,C_NT，计算解密C_NT，得到SID_NE,ID_NE,ID_CL；所述可信认证机构检查解密C_NT得出的ID_CL是否与所述第二数据包Data₂中ID_CL的值相同，如果不同退出认证模块，发出认证失败消息，否则继续运行以下步骤；

所述可信认证机构用所述主密钥Kx解密SID_NE，得出ID_NE和ID_TA，检查解密C_NT和解密SID_NE得到的所述第一网络设备的身份ID_NE是否相同，如果相同则继续以下步骤，否则退出认证模块，发出认证失败消息；

所述可信认证机构计算给所述控制器的验证值获取当前时间戳T₃，并利用V₁、ID_NE、ID_CL和长期密钥K_CT计算加密值C_TC，所述可信认证机构发送第三数据包Data₃＝{ID_CL,T₃,C_TC}给控制器。

进一步地，在步骤G中，所述控制器检查收到所述第三数据包的时间与所述第三数据包内时间戳T₃是否在一个预设的时间差内，如果是则继续以下步骤，否则退出，发出认证失败消息；

所述控制器利用所述长期密钥K_CT解密C_TC，得到ID_NE，ID_CL，T₃和V₁；所述控制器判断从所述第一网络设备收到的ID_NE和解密C_TC得到的ID_NE是否相同，如果相同则继续以下步骤，否则退出认证模块，发出认证失败消息；

所述控制器获取当前时间T₄，并产生一个随机值利用解密得到的ID_NE，ID_CL和V₁，先后计算发送给所述第一网络设备的验证值V₂和C_CN，其中：V₂＝H(ID_NE||ID_CL||T₄||V₁)

C_CN的计算公式为：

C_CN＝H("0"||V₂||b)

所述控制器发送第四数据包Data₄＝(ID_CL,T₄,b,C_CN)给所述第一网络设备，并存储验证值V₂为所述控制器和所述第一网络设备的会话密钥。

进一步地，在步骤H中，所述第一网络设备检查收到所述第四数据包的时间与所述第四数据包中的时间戳T₄否在一个预设的时间差内，如果是则继续以下步骤，否则退出，发出认证失败消息；

所述第一网络设备计算验证值V₁，V₂和C_CN，所述第一网络设备检查计算出的C_CN是否等于所述第四数据包Data₄中收到的C_CN，如果相等通过认证否则退出认证模块，发出认证失败消息。

进一步地，在步骤H后，还包括以下步骤：

I：当所述第一网络设备出现故障或者升级时，将所述智能卡从所述第一网络设备中取出放入第二网络设备中；

J：所述第二网络设备读取所述加密身份值RID_NE和TID_NE记为RID_old和TID_old，读取会话密钥的保护值V₃记为

K：所述第二网络设备选择一个随机值作为所述第二网络设备的使用密码。输入第一网络设备所述密码K_NE和所述第二网络设备密码K_NE2，计算新的加密身份值RID_NE和TID_NE，其中

计算新的会话密钥保护值存储并替换原有值RID_NE、TID_NE和V₃。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一种基于智能卡的软件定义网络中网络设备认证方法流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

主要的数学符号及算法解释：

1)加解密运算：本发明中使用的加密运算E_K(·)，可以是任意加密密钥为K的对称加密运算。对应的解密运算D_K(·)的解密密钥为相同的K。对于任意输入M，加解密运算符合如下公式：M＝D_K(E_K(M))，并且没有密钥K，求解上式是困难的。

2)杂凑运算：本发明中使用的抗碰撞杂凑函数具备两个基本特性：单向性和抗碰撞性；单向性是指只能从杂凑函数输入推导出输出，而不能从杂凑函数输出计算出输入；抗碰撞性是指不能同时找到两个不同的输入使杂凑函数输出结果完全相同。

3)异或运算：本发明中使用的异或运算指的是异或运算符两边元素a和b按位进行异或，并输出最终结果。

4)组合运算：本发明中使用的组合运算a||b，指的是组合运算符||两边元素a和b按位首尾相连，并输出最终结果。

5)模幂运算：本发明中使用的模幂运算(a)^b mod p，指的是数a做b次幂运算，然后取模p的结果，并最终输出。

以下结合附图描述根据本发明实施例的。

图1是本发明一种基于智能卡的软件定义网络中网络设备认证方法流程图。请参考图1，在本实施例中，SDN认证环境包含五个实体：可信认证机构、控制器、智能卡、第一网络设备和第二网络设备，其中可信认证机构的身份为ID_TA，控制器的身份为ID_CL，网络设备的身份为ID_NE。

流程一：模块初始化

可信认证机构生成初始参数，配置和分发其和控制器之间的长期密钥，接收、配置并分发第一网络设备的智能卡。控制器存储其和可信认证机构的长期密钥。网络设备初始化接收和配置智能卡。该模块功能的具体实现分为7步：

步骤1：可信认证机构随机选择2个大素数p和q。可信认证机构再选择一个大的随机值作为主密钥和一个杂凑函数可信认证机构公开p，q和H(·)的具体参数。可信认证机构选择一个大的随机值作为可信认证机构和控制器之间的长期密钥，然后可信认证机构通过安全方式将长期密钥K_CT发送给控制器。其中，所述的“通过安全方式将长期密钥K_CT发送给控制器”表示：可以是指定安全可信人员传送该密钥，也可以通过安全文件流转渠道传送该密钥，也可以在控制器设置之前在可信认证机构内进行安全的密钥注入；其中所述的“大的随机值”表示：长期密钥是由位数足够长但小于q位的二进制数0和1组成的随机字符串(并且不包括全为0的字符串)；其中所述的“杂凑函数”表示：将由二进制数0和1组成的字符串通过杂凑函数H映射到群中。

步骤2：第一网络设备把自身的身份ID_NE∈{0,1}^*写入智能卡中。其中所述的“身份ID_NE∈{0,1}^*”主要包括第一网络设备的使用地点、具体操作人和使用环境。

步骤3：第一网络设备通过安全方式把智能卡提交给可信认证机构。其中所述的“安全方式提交给可信认证机构”可以是指定安全可信人员传送，也可以通过安全文件流转渠道传送。

步骤4：可信认证机构收到智能卡后，读取第一网络设备的身份ID_NE，并利用其计算第一网络设备的加密身份值SID_NE和DID_NE，具体为SID_NE＝E_Kx(ID_NE||ID_TA)和DID_NE＝H(ID_NE)^Kxmodp。然后，可信认证机构将如上2个加密身份值SID_NE、DID_NE和杂凑函数H(·)存储在智能卡中。此时，智能卡中存储的是SID_NE，DID_NE和H(·)。

步骤5：可信认证机构通过安全方式返回智能卡给第一网络设备。其中，SID_NE＝E_Kx(ID_NE||ID_TA)表示SID_NE的计算过程，先将第一网络设备的身份ID_NE和可信认证机构的身份ID_TA组合起来形成ID_NE||ID_TA，然后用主密钥加密得出SID_NE。DID_NE＝H(ID_NE)^Kxmod p表示DID_NE的计算过程，先得出第一网络设备的身份ID_NE的杂凑函数值H(ID_NE)，然后求主密钥Kx次幂，并求结果的p模得出DID_NE。同理，以下步骤中加密和求幂过程类似于本步骤执行。

步骤6：第一网络设备接收到智能卡后，选择一个大的随机值作为第一网络设备使用密码。然后读取智能卡，得到智能卡中的加密身份值SID_NE和DID_NE。

步骤7：第一网络设备输入第一网络设备使用密码K_NE，利用智能卡中的加密身份值SID_NE、DID_NE和杂凑函数H(·)，计算2个在第一网络设备使用密码保护下的加密身份值，具体是和然后，用TID_NE存储替换智能卡中的SID_NE，用RID_NE存储替换智能卡中的DID_NE。此时，智能卡中存储的参数是TID_NE、RID_NE和H(·)。其中，表示TID_NE的计算过程为先将第一网络设备使用密码K_NE和字符"0"组合起来形成("0"||K_NE)，然后将其输入杂凑函数H(·)，最后将结果H("0"||K_NE)和SID_NE按位异或得出TID_NE。表示RID_NE的计算过程，先将第一网络设备使用密码K_NE和字符"1"组合起来形成("1"||K_NE)，然后将其输入杂凑函数H(·)，最后将结果H("1"||K_NE)和DID_NE按位异或得出RID_NE。同理，以下步骤中异或过程类似于本步骤执行。

流程二：模块认证

第一网络设备接入网络时向控制器发出认证需求和挑战，控制器通过将挑战和需求转发给可信认证机构，在可信认证机构的帮助下完成和第一网络设备的双向认证，并形成控制器和第一网络设备间会话密钥。该模块功能的具体实现分为5步：

步骤8：第一网络设备正式接入网络时，读取智能卡，输入第一网络设备的身份ID_NE和第一网络设备使用密码K_NE。第一网络设备产生一个随机值并获取当前系统时间T₁作为时间戳，利用智能卡中存储的TID_NE，RID_NE和H(·)，计算A＝H(ID_NE)^a mod p，和最后，第一网络设备发送第一数据包Data₁＝{ID_TA,T₁,A,C_NT}给控制器。

步骤9：控制器收到第一网络设备发来的第一数据包Data₁，检查第一数据包Data₁内的时间戳T₁是否新鲜，如果时间戳新鲜继续以下步骤，否则退出认证模块，发出认证失败消息。控制器获取当前时间T₂，并利用长期密钥K_CT计算最后，控制器发送第二数据包Data₂＝{ID_TA,ID_CL,T₂,C_CT}给可信认证机构。其中，所述的“检查数据包内的时间戳T₁是否新鲜”表示收到数据包的时刻和T₁所示时间相比，是否在合理的时间差内，如果是在合理的时间差内就称时间戳T₁是“新鲜”，否则为“不新鲜”。同理，以下步骤中判断所收到时间戳是否新鲜过程类似于本步骤。

步骤10：可信认证机构收到控制器发来的数据包Data₂，检查第二数据包Data₂内时间戳T₂是否新鲜，如果时间戳新鲜继续以下步骤，否则退出认证模块，发出认证失败消息。可信认证机构利用长期密钥K_CT解密第二数据包Data₂中的C_CT，如公式所示，得到ID_TA，T₂和Data₁。可信认证机构检查收到的第二数据包Data₂中ID_TA和T₂是否和C_CT解密出来的ID_TA和T₂取值相同，如果不同退出认证模块，发出认证失败消息，否则继续运行以下步骤。可信认证机构取出Data₁中的ID_TA,T₁,A,C_NT，并计算并用其解密C_NT，如公式所示，得到SID_NE,ID_NE,ID_CL。可信认证机构检查解密C_NT得出的ID_CL是否同和接收到Data₂中ID_CL的值相同，如果不同退出认证模块，发出认证失败消息，否则继续运行以下步骤。可信认证机构用自己的主密钥Kx解密SID_NE，如(ID_NE||ID_TA)＝D_Kx(SID_NE)公式所示，得出ID_NE和ID_TA，并检查解密C_NT和解密SID_NE得到的第一网络设备的身份ID_NE是否相同，如果相同则继续以下步骤，否则退出认证模块，发出认证失败消息。可信认证机构计算给控制器的验证值然后获取当前时间戳T₃，并利用V_i、ID_NE、ID_CL和长期密钥K_CT计算加密值C_TC，如公式所示。最后，可信认证机构发送数据包Data₃＝{ID_CL,T₃,C_TC}给控制器。

步骤11：控制器收到可信认证机构发来的第三数据包Data₃，检查第三数据包Data₃内时间戳T₃是否新鲜，如果新鲜继续以下步骤，否则退出认证模块，发出认证失败消息。控制器利用长期密钥K_CT解密C_TC，如公式所示，得到ID_NE，ID_CL，T₃和V₁。控制器判断从第一网络设备收到的ID_NE和解密C_TC得到的ID_NE是否相同，如果相同则继续以下步骤，否则退出认证模块，发出认证失败消息。控制器获取当前时间T₄，并产生一个随机值利用解密得到的ID_NE，ID_CL和V₁，先后计算发送给第一网络设备的验证值V₂和C_CN，具体如V₂＝H(ID_NE||ID_CL||T₄||V₁)和C_CN＝H("0"||V₂||b)公式所示。最后，控制器发送第四数据包Data₄＝(ID_CL,T₄,b,C_CN)给第一网络设备，并存储验证值V₂为控制器和第一网络设备的会话密钥。

步骤12：第一网络设备收到控制器发来的第四数据包Data₄，检查第四数据包Data₄中的时间戳T₄是否新鲜，如果新鲜继续如下步骤，否则退出认证模块，发出认证失败消息。为了同控制器发送的验证值进行对比，第一网络设备计算验证值V₁，V₂和C_CN，如公式V₂＝H(ID_NE||ID_CL||T₄||V₁)和C_CN＝H("0"||V₂||b)所示。第一网络设备检查计算出的C_CN是否等于第四数据包Data₄中收到的C_CN，如果相等通过认证，V₂为控制器和第一网络设备的会话密钥，否则退出认证模块，发出认证失败消息。第一网络设备使用密码保护下的会话密钥并将V₃存储于智能卡中。此时，智能卡中存储的参数是TID_NE、RID_NE、V₃和H(·)。

流程三：设备更换

网络设备需要更换为网络设备2时，网络设备2利用原有智能卡存储的数据完成智能卡存储数据的更换。该模块功能的具体实现为3步：

步骤13：当网络设备出现故障或者需要升级更换为网络设备2时，将智能卡从网络设备中取出放入网络设备2中。

步骤14：网络设备2读取秘密身份值RID_NE和TID_NE记为RID_old和TID_old，读取会话密钥的保护值V₃记为

步骤15：网络设备2选择一个大的随机值作为网络设备2使用密码。输入网络设备使用密码K_NE和网络设备2使用密码K_NE2，计算新的秘密身份值RID_NE和TID_NE，如

计算新的会话密钥保护值存储并替换原有值RID_NE、TID_NE和V₃。网络设备2可以通过读取智能卡中存储的V₃，计算同控制器的会话密钥V₂，如公式所示。因为，身份ID_NE∈{0,1}^*主要包括网络设备的使用地点、具体操作人和使用环境，因此网络设备和网络设备2的ID_NE相同。

另外，本发明实施例的一种基于智能卡的软件定义网络中网络设备认证方法的其它构成以及作用对于本领域的技术人员而言都是已知的，为了减少冗余，不做赘述。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种基于智能卡的软件定义网络中网络设备认证方法，其特征在于，包括以下步骤：

A：可信认证机构生成所述可信认证机构与控制器之间的长期密钥，并向控制器发送所述长期密钥；

B：第一网络设备将自身的身份信息通过智能卡发送给所述可信认证机构；

C：所述可信认证机构对所述智能卡中所述第一网络设备的身份信息进行加密，并将加密后的信息通过所述智能卡写回所述第一网络设备中；

D：第一网络设备向所述控制器发送包含所述第一网络设备的身份信息和经过可信认证机构加密后的信息的第一数据包；

E：所述控制器根据接收到的所述第一数据包和所述长期密钥进行计算，并向所述可信认证机构发送包含所述计算结果的第二数据包；

F：所述可信认证机构对所述第二数据包进行解密，并根据所述长期密钥对所述解密后的数据进行验证，若满足验证条件，所述可信认证机构对解密后的数据进行加密，将包含加密后的信息的第三数据包写回所述控制器；

G：所述控制器对所述第三数据包的数据进行解密并验证，若满足验证条件，所述控制器对解密后数据进行计算，并将包含所述计算结果的第四数据包发送给所述第一网络设备；以及

H：所述第一网络设备对所述第四数据包进行解密并验证，若满足验证条件，则认证成功，否则认证失败。

2.根据权利要求1所述的基于智能卡的软件定义网络中网络设备认证方法，其特征在于，在步骤A中，所述可信认证机构随机选择两个素数p、q和一个随机值作为主密钥和一个杂凑函数H:所述可信认证机构公开p，q和H(·)的具体参数，所述可信认证机构选择一个随机值作为可信认证机构和控制器之间的长期密钥，然后所述可信认证机构通过安全方式将长期密钥K_CT发送给控制器，其中表示：长期密钥是由位数长度小于q位的二进制数0和1组成的随机字符串，并且不包括全为0的字符串；其中所述的“H:”表示：将由二进制数0和1组成的字符串通过杂凑函数H映射到群中。

3.根据权利要求2所述的基于智能卡的软件定义网络中网络设备认证方法，其特征在于，在步骤C中，所述可信认证机构收到所述智能卡后，读取所述第一网络设备的身份ID_NE，并利用所述ID_NE计算所述第一网络设备的加密身份值SID_NE和DID_NE，其中：

SID_NE＝E_Kx(ID_NE||ID_TA)

DID_NE＝H(ID_NE)^Kxmod p

所述可信认证机构将所述SID_NE、DID_NE和杂凑函数H(·)存储在所述智能卡中，

其中，SID_NE＝E_Kx(ID_NE||ID_TA)表示SID_NE的计算过程，先将网络设备的身份ID_NE和可信认证机构的身份ID_TA组合起来形成ID_NE||ID_TA，然后用主密钥加密得出SID_NE；DID_NE＝H(ID_NE)^Kxmod p表示DID_NE的计算过程，先得出网络设备的身份ID_NE的杂凑函数值H(ID_NE)，然后求主密钥Kx次幂，并求结果的p模得出DID_NE。

4.根据权利要求3所述的基于智能卡的软件定义网络中网络设备认证方法，其特征在于，在步骤C和步骤D之间，还存在以下步骤：

CD1：所述第一网络设备接收到所述智能卡后，选择一个随机值作为网络设备使用密码，读取所述智能卡，得到智能卡中的所述SID_NE和所述DID_NE；

CD2：网络设备输入网络设备使用密码K_NE，利用智能卡中的加密身份值SID_NE、DID_NE和杂凑函数H(·)，计算两个在所述网络设备使用密码保护下的加密身份值，具体为：

用TID_NE存储替换智能卡中的SID_NE，用RID_NE存储替换智能卡中的DID_NE，

其中，("0"||K_NE)表示将所述密码K_NE和字符"0"组合，输入杂凑函数H(·)，将H("0"||K_NE)和SID_NE按位异或得出TID_NE；("1"||K_NE)表示所述RID_NE将所述密码K_NE和字符"1"组合，输入杂凑函数H(·)，将H("1"||K_NE)和DID_NE按位异或得出RID_NE。

5.根据权利要求4所述的基于智能卡的软件定义网络中网络设备认证方法，其特征在于，在步骤D中，所述第一网络设备读取所述智能卡，输入所述第一网络设备的身份ID_NE和所述第一网络设备使用密码K_NE；所述第一网络设备产生一个随机值并获取当前系统时间T₁作为时间戳，利用所述智能卡中存储的所述TID_NE、所述RID_NE和所述H(·)，计算：

A＝H(ID_NE)^a mod p

所述第一网络设备给所述控制器发送所述第一数据包Data₁＝{ID_TA,T₁,A,C_NT}。

6.根据权利要求5所述的基于智能卡的软件定义网络中网络设备认证方法，其特征在于，在步骤E中，所述控制器检查收到所述第一数据包的时间与所述第一数据包内的时间戳T₁是否在一个预设的时间差内，如果是则继续以下步骤，否则退出，发出认证失败消息；

所述控制器获取当前时间T₂，并根据所述控制的身份ID_CL和所述长期密钥K_CT计算

所述控制器向所述可信认证机构发送所述第二数据包Data₂＝{ID_TA,ID_CL,T₂,C_CT}。

7.根据权利要求6所述的基于智能卡的软件定义网络中网络设备认证方法，其特征在于，在步骤F中，所述可信认证机构检查收到所述第二数据包的时间与所述第二数据包内时间戳T₂是否在一个预设的时间差内，如果是则继续以下步骤，否则退出，发出认证失败消息；

所述可信认证机构利用所述长期密钥K_CT解密所述第二数据包Data₂中的所述C_CT，得到ID_TA，T₂和Data₁；所述可信认证机构所述第二数据包Data₂中ID_TA和T₂是否和C_CT解密出来的ID_TA和T₂取值相同，如果不同退出认证模块，发出认证失败消息，否则继续运行以下步骤；

所述可信认证机构取出所述第一数据包Data₁中的ID_TA,T₁,A,C_NT，计算解密C_NT，得到SID_NE,ID_NE,ID_CL；所述可信认证机构检查解密C_NT得出的ID_CL是否与所述第二数据包Data₂中ID_CL的值相同，如果不同退出认证模块，发出认证失败消息，否则继续运行以下步骤；

所述可信认证机构用所述主密钥Kx解密SID_NE，得出ID_NE和ID_TA，检查解密C_NT和解密SID_NE得到的所述第一网络设备的身份ID_NE是否相同，如果相同则继续以下步骤，否则退出认证模块，发出认证失败消息；

所述可信认证机构计算给所述控制器的验证值获取当前时间戳T₃，并利用V₁、ID_NE、ID_CL和长期密钥K_CT计算加密值C_TC，所述可信认证机构发送第三数据包Data₃＝{ID_CL,T₃,C_TC}给控制器。

8.根据权利要求7所述的基于智能卡的软件定义网络中网络设备认证方法，其特征在于，在步骤G中，所述控制器检查收到所述第三数据包的时间与所述第三数据包内时间戳T₃是否在一个预设的时间差内，如果是则继续以下步骤，否则退出，发出认证失败消息；

所述控制器利用所述长期密钥K_CT解密C_TC，得到ID_NE，ID_CL，T₃和V₁；所述控制器判断从所述第一网络设备收到的ID_NE和解密C_TC得到的ID_NE是否相同，如果相同则继续以下步骤，否则退出认证模块，发出认证失败消息；

所述控制器获取当前时间T₄，并产生一个随机值利用解密得到的ID_NE，ID_CL和

V₁，先后计算发送给所述第一网络设备的验证值V₂和C_CN，其中：

V₂＝H(ID_NE||ID_CL||T₄||V₁)

C_CN的计算公式为：

C_CN＝H("0"||V₂||b)

所述控制器发送第四数据包Data₄＝(ID_CL,T₄,b,C_CN)给所述第一网络设备，并存储验证值V₂为所述控制器和所述第一网络设备的会话密钥。

9.根据权利要求8所述的基于智能卡的软件定义网络中网络设备认证方法，其特征在于，在步骤H中，所述第一网络设备检查收到所述第四数据包的时间与所述第四数据包中的时间戳T₄否在一个预设的时间差内，如果是则继续以下步骤，否则退出，发出认证失败消息；

所述第一网络设备计算验证值V₁，V₂和C_CN，所述第一网络设备检查计算出的C_CN是否等于所述第四数据包Data₄中收到的C_CN，如果相等通过认证否则退出认证模块，发出认证失败消息。

10.根据权利要求9所述的基于智能卡的软件定义网络中网络设备认证方法，其特征在于，在步骤H后，还包括以下步骤：

I：当所述第一网络设备出现故障或者升级时，将所述智能卡从所述第一网络设备中取出放入第二网络设备中；

J：所述第二网络设备读取所述加密身份值RID_NE和TID_NE记为RID_old和TID_old，读取会话密钥的保护值V₃记为V₃ ^old，

K：所述第二网络设备选择一个随机值作为所述第二网络设备的使用密码;输入第一网络设备所述密码K_NE和所述第二网络设备密码K_NE2，计算新的加密身份值RID_NE和TID_NE，其中

计算新的会话密钥保护值存储并替换原有值RID_NE、TID_NE和V₃。