CN105099696A - 通过网络的参与方认证设备的方法以及为此设立的参与方 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过网络的参与方认证设备的方法以及为此设立的参与方。本发明以一种用于通过网络的参与方认证设备、特别是传感器或执行器的方法为出发点。为了认证，在此参与方确定第一运动信息、从设备接收第二运动信息并且将第一运动信息与第二运动信息进行比较。

Description

通过网络的参与方认证设备的方法以及为此设立的参与方

技术领域

本发明涉及用于通过网络的参与方对设备进行认证的方法、为此设立的参与方以及计算机程序，所述计算机程序被设立用于执行所述方法之一的所有步骤。

背景技术

在不同的设备之间的安全通信在增长地联网的世界中变得越发重要并且在许多应用领域中是对于可接受性和因此也对于相应应用的经济成功的重要前提。这（根据应用）包括不同的保护目标，例如要传输的数据的机密的维护、参与节点的相互认证或者数据完整的确保。

为了实现这些保护目标，通常使用合适的密码的方法，其一般可以分成两种不同类型：对称方法，在其中发送器和接收器拥有相同的密码的密钥；以及非对称方法，在其中发送器利用公共的（即潜在攻击者也可能已知的）接收器密钥对要传输的数据进行加密，但是仅仅可以利用所属的私人密钥进行解密，所述私人密钥理想情况下仅仅对于接收器是已知的。

非对称方法此外具有如下缺点：非对称方法通常具有非常高的计算复杂度。因此，非对称方法仅仅有条件地适于资源受限的节点例如传感器、执行器等等，这些节点通常仅仅拥有相对较小的计算能力以及小的存储器并且应当高能效地工作，例如基于电池运行或使用能量获得（Harvesting）。此外，经常仅仅可以利用有限的带宽来用于数据传输，这使得具有2048或者更多比特长度的非对称密钥的交换不具有吸引力。

而在对称方法中必须保证：不仅接收器而且发送器拥有相同的密钥。在此，所属的密钥管理一般而言是非常高要求的任务。在移动无线电领域中，密钥例如借助SIM卡置入移动电话中并且所属的网络于是可以将相应的密钥分配给SIM卡的明确的标识。而在无线LAN的情况下，通常在网络配置时进行要使用的密钥的手动输入（通常通过输入口令）。但是前提条件是，要连接的设备拥有相应的用户接口。应该在未来（通常大量）连接到“物联网”的本地网络中的许多设备、诸如传感器或执行器出于占用面积或成本原因而没有这种接口。

大多在目前所使用的用于将没有自己的操作接口的集成部件、如传感器和执行器连接到例如住宅自动化中的本地网络上的解决方案仅仅少量地提供安全性以防到本地网络中的恶意入侵者。典型地，用户将中央网关设置到确定的运行模式中，在该运行模式中该网关主动地搜索新的设备，例如搜索传感器或执行器，并且将每个找到的新设备添加到该网络中。因此，所有在搜索阶段探测到的设备划分为值得信任的。而目标是安全的连接，该连接保证在网络中分布的数据的机密和完整以及数据和参与该网络的网络节点的可靠性。

除了安全性之外，对于这种设备至本地网络上的连接的另外的要求是:即使通过技术上不精通的用户也能够快速并且简单地进行该连接。

发明内容

本发明涉及按照独立的方法权利要求的方法以及被设立用于执行所述方法之一的计算机程序和参与方。对于要连接的设备的认证，该设备尤其可以是无自己的用户接口的传感器或执行器，在此采用运动信息的比较。参与方确定运动信息、从要认证的设备接收运动信息并且为了认证相互比较运动信息。如果运动信息相互一致（或者其相关性处于预先确定的阈值之上），则该设备可以被认证为合法的，如果不是，则保持认证不成功。

通过引入基于物理行动的运动数据明显使得对网络的攻击者而言对认证的胡乱干预变得困难。因此，能够实现要连接到网络上的设备的特别安全的认证。由此可以信任，稍后连接的设备也是所期望的设备而不是进入该系统的入侵者。网络的其他参与方因此也可以信任从该设备获得的数据。对于该方法不需要中央基础设施，例如与常见的PKI解决方案相反。

想代替所期望的设备而将有害设备渗入到网络中的攻击者必须检测装置、如网络参与方或要认证的设备的运动并且因此在认证时必须在场。这样，使得例如通过因特网的攻击成为不可能。在住宅自动化（所述住宅自动化是本发明的优选的应用领域）的环境中，这会意味着：攻击者在房子里面，这可以明显比经过网络或无线电连接的攻击更容易地防止。

如果认证是成功的（也即如果运动信息的比较是成功的），尤其是达到或者超过在第一和第二运动信息之间的预先确定的相关性，那么参与方能够以以下为出发点：该设备是值得信任的并且优选开始该设备至网络的连接。

在有利的实施中，第一运动信息是关于参与方运动的信息，第二运动信息是关于设备运动的信息。在该变型方案中，参与认证的装置也直接通过要相互比较的运动信息相互连接。

关于其自身运动的运动信息可以在参与方和设备中优选地通过传感器检测。为此例如提供微机电加速度传感器，因为所述加速度传感器可以小并且适宜地来实现并且对于该方法可以检测足够精确的运动图谱。

运动信息的比较可以以多种方式来进行。在一种变型方案中，将特征性的运动图谱相互比较。在此，运动图谱可以来自相同的、确定的时间间隔。代替运动变化或除了运动变化之外，也可以比较运动幅度。特别优选的是，比较时间上的运动变化，尤其是在考虑检测的绝对时刻的情况下。对此，可以确定不同的运动的装置的同步运动。在一种优选的实施例中，以以下为出发点：通过以下方式进行设备的认证，使该设备与网络参与方共同地、也即以相同方式并且同时地运动。这例如可以通过如下方式来进行：这两个装置通过用户同时运动或者相互碰撞。这种运动或这种碰撞在这两个装置中在相同的时间产生相同的运动图谱。通过传送的信息的比较，参与方可以保证由用户所希望的设备也是用户与其通信、也即执行设备认证的设备。

为了保证通信后来不被另外的设备接管，例如可以进行所交换的信息的签名，例如也基于加速度信息或运动信息。

如果该设备被安全地认证，那么参与方可以将该设备连接到网络上。对此，尤其是指：参与方与该设备建立安全的通信连接。因为在参与方和设备之间的通信在认证之后也不是机密的，所以有利的是，这两者针对对称加密方法基于在两者之间的传输信道的特性生成共同的、机密密钥。借助物理层安全的这种密钥生成相对于不在场的攻击者是非常安全的并且不要求在前的密钥管理。因此，这两种方法理想地被补充并且总体上提供了用于认证设备和将设备连接到网络上的安全的方法。

为了保证设备的认证和随后的设备至网络上的连接不能任何时候、而是仅仅可以按照经授权的用户的愿望地进行，认证的执行（尤其是运动信息的比较）可以依赖于通过用户终端对参与方的将设备连接到网络上的在前要求。因此，用户通过其智能电话、平板电脑等而具有对“是否可以或者从何时起可以进行认证设备以及必要时将设备连接到网络上”的控制。

为了能够使得该要求不被窃听、操纵或者由攻击者录制，在用户终端和参与方之间的通信应当有利地受保护地进行。用户终端应当就其而言在网络中或者在参与方处已经被认证。用户终端和网关可以经由本地网络或经由另外的网络、尤其是因特网彼此连接。

在一种特别优选的实施中，在参与方中以从用户终端接收要求开始一个时间间隔，在该时间间隔结束时在以下情况下参与方中断要连接的设备的连接，即到那时为止或者从该设备没有接收到运动信息、或者所检测的与所接收的运动信息的比较不成功、或者该连接不成功地结束。

由此，明显提高了该方法针对攻击者的安全性。除了要连接的设备的运动信息之外，攻击者现在也必须知道为该信息或连接方法开放的时间段。这明显使得攻击者一一尝试不同的可能的运动信息变得困难。

所描述的方法可以特别有利地使用在本地的网络中，其中新的节点应当通过网关来认证或者必要时被连接。

所介绍的方法在安全的认证中相较于常规的用于认证和通信保护的方法是特别适宜的，例如所述方法本身比常规的非对称的加密方法带来更少的硬件要求并且不需要如常规的对称加密方法那样的密钥管理。

附图说明

随后参考附图并且借助实施例进一步描述本发明。其中：

图1示意性地示出示例的本地网络，设备应该连接到该网络上，和

图2示意性地示出用于认证设备和将设备利用网关连接到本地网络上的方法的示例过程。

具体实施方式

期望的是，通常描述的“物联网”由几十亿集成的设备组成，所述设备彼此在共同的公共的网络中连接，如计算机和服务器在如今的因特网中那样。多个所述的“物”是传感器和执行器，所述传感器和执行器与有因特网能力的网关连接并且利用该网关构成本地网络。这样的网络的参与方或网络节点可以借助线缆连接的、无线电支持的、光学的或其他通信交换数据。

这样的本地网络的一个实例是传感器和执行器针对住宅自动化（智能家庭）的连接。这样的本地网络典型地由私人运行。可以从PC或移动终端出发经由因特网访问中央网关。用户因此可以远距离地从本地网络中获得信息并且控制该本地网络。

在图1中示意地示出一个示例的本地网络10。该网络10星形地被构造并且具有中央网关3。参与方/网络节点12、13、15和16被连接到网络10上，即与网络10受保护地通信。在此参与方12和13以及15和16可以分别是传感器执行器对。利用14来表示要新连接到网络10上的设备。12、13、15和16到中央网关3的连接已经是受保护的（通过实的连接线示出），而要连接的设备14尽管可以与中央网络进行通信，但是通信连接还不是受保护的（通过虚的连接线来表明）。受保护在此表示：特别是通过密码的方法保证通信数据的完整、通信数据的机密、参与方的可靠性中的至少一个。

此外，在图1中示出用户终端1和2。在此例如可以是计算机、如台式PC或移动终端、如智能电话、笔记本电脑或平板电脑。用户终端1具有到因特网4的连接11。网络10的中央网关3也具有到因特网4的连接31。在用户终端1和网关3之间的通信因此可以经由因特网进行。用户终端2经由本地网络10与中央网关连接并且因此可以与该网关进行通信。

新设备到本地网络上的连接可以分两个阶段进行。在例如可以被称为安装阶段的第一阶段期间，在用户终端和网关之间建立安全的连接。用户终端在此是用户可以经由用户接口进行操作的设备，特别是涉及计算机、如PC和笔记本电脑以及移动终端、如智能电话和平板电脑。

在用户终端和网关之间的安全通信的建立或者还有保证在此可以以不同方式进行。例如用户终端可以将为用户终端的身份和为用户终端的公共密钥产生证书的请求传递给网关。对此，网关接收用户终端的身份和公共密钥，产生证书并且将证书发送给用户终端。在网关和用户终端之间的通信在此可以经由本地网络、因特网或通过两个设备之间的直接连接来进行。

在第二阶段、连接阶段中，于是进行新设备、例如传感器或执行器到本地网络上的连接。对此，用户终端将连接新设备的请求发送到网关。用户终端和网关之间的通信对此应该是受保护的。例如该通信可以加密地进行。从用户终端到网关的消息也可以设置有用户终端的签名。于是网关可以检查该签名，该用户终端是否是允许请求的设备。通信的保护可以基于安装阶段的认证来进行。

如果网关确定用于将新设备连接到本地网络上的请求来自值得信任的用户终端，那么网关准备并进行相应的连接。对此，例如网关开始以下方法，在该方法中网关通过与要连接的设备的信息交换取得机密的对称密钥的一致作为网络中的其他受保护的通信的基础。随后，网关还可以可选地通知用户终端连接成功或失败。

在所概述的方法中，用户终端的认证被保证，但是要连接的新设备的认证是可能的攻击点。虽然可以论证：如果用户期望没有攻击者，那么用户仅从用户终端开始连接方法，尽管如此在连接阶段期间的攻击是可能的。攻击者可以在连接阶段期间假装是值得信任的、阻碍真正要连接的节点的连接并且在其位置处连接到网络中。如果网关在连接阶段期间执行节点身份的检查，那么不值得信任的参与方的这样的连接本身是可能的，因为网关通常不认识要连接的节点的身份，而是能够最大程度上检查，节点的所传递的身份是否对应于允许的身份的规则或列表。

现在提出，要连接的设备的认证利用合适的措施更安全地实行。在图2中示意性地示出方法的示例过程。

在第一步骤201中，用户终端1、2将设备14连接到网络上的（可选的）要求传递到网络的参与方3。对此，设备14首先应该被认证，以便防止其他设备（例如攻击者到网络上）的误会的连接。对此，网关3在步骤202中从设备14接收消息。该消息包含设备14的运动信息，网关3将所述运动信息与本身检测的运动信息进行比较。

在一种示例的实施方式中，可以通过以下方式产生运动信息，即用户同时相互移动参与方3和设备14，即利用两者执行同步运动。也可以的是，利用两个装置之一碰撞另外的装置。在这两种情况下，在两个装置中得出关于时间变化的运动图谱，所述运动图谱相互相应地或强烈地相关。运动变化例如可以借助加速度传感器（例如MEMS加速度传感器）不仅在参与方3中而且在要连接的设备14中被检测。

网络参与方3现在从设备14获得由该设备所检测的运动信息并且将所述运动信息与本身检测的运动信息进行比较。例如特征性的运动图谱、已经超过预先给定的最小幅度的运动或在预先给定的时间段之内的运动可以相互进行比较。

如果通过用户终端1、2的可选的要求是成功的，那么可以从要求的时刻起进行例如运动过程的比较。两个装置的同步运动在该实例中因此在该要求之后进行。

除了运动过程本身之外，也可以将运动信息的具体的确定时刻引入到比较中。如果在运动过程中包含足够相关的运动图谱，所述运动图谱也必须在相同的时间段内或在相同的时刻被检测，那么对此成功的比较不足够。

只有当运动信息的比较得出运动信息一致或超出预先确定的相关性时，网络参与方3现在才开始设备14的连接。

为了还更安全地实行该方法而提出，为要连接的设备的连接预先给定时限。当用户终端1、2的请求抵达参与方3时，相应的时间间隔开始运行。现在也可以设想多种替代的设计方案，所述设计方案必须在时间间隔期满时结束设备14的认证和随后到网络上的连接的步骤。如果连接（例如密钥议定）没有在时间间隔内结束（即步骤203不处于图2中的时间间隔△t之内）。替代地，也可以仅需要，步骤202、即运动信息的传递或运动信息的（成功的）比较必须处于时间间隔之内（诸如在图2中的实例中被满足）。也可以为不同步骤的结束设置不同长度的时间间隔。对于不同的间隔分别提出10秒和2分钟之间的时间段。该时间段为多种常见的系统提供足够用于密钥议定的时间并且为到网络中的可能的入侵者开放仅仅窄的时间窗口。时间间隔可以通过参与方3中的单调上升的计数器来轻易地实现。

在步骤203中现在进行设备14到参与方3上的连接，例如通过两个装置之间的同步密钥的议定，例如基于参与方3和设备14之间的通信信道的特性（物理层安全）。成功的连接或认证或连接的中断可以在可选的步骤204中由参与方3通知给用户终端1、2。

所描述的方法例如可以用在将传感器连接到本地网络上，特别是用于将基于无线电的最小型传感器无线地连接到本地网络中的网关上，其中该网关又与因特网连接。

Claims (14)

1.用于通过网络（10）的参与方（3）认证设备（14）、特别是传感器或执行器的方法，其特征在于，为了认证，所述参与方（3）

-确定第一运动信息，

-从所述设备（14）接收第二运动信息，

-将所述第一运动信息与所述第二运动信息进行比较。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一运动信息是关于所述参与方（3）的运动的信息并且所述第二运动信息是关于所述设备（14）的运动的信息。

3.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述参与方（3）根据所述比较、特别是在超过第一和第二运动信息之间的预先确定的相关性的情况下开始所述设备（14）的连接。

4.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述参与方（3）利用传感器、尤其是利用加速度传感器检测所述第一运动信息。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一和第二运动信息关于其时间变化进行比较。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述比较中考虑加速度信息的相应检测的绝对时刻。

7.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述参与方（3）通过以下方式连接所述设备，即所述参与方与所述设备（14）特别是基于所述参与方（3）和所述设备（14）之间的传输信道的特性为所述网络（10）之内的受保护的通信议定密钥。

8.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述参与方（3）从用户终端（1、2）接收将所述设备（14）连接到所述网络（10）上的要求。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述用户终端（1、2）和所述参与方（3）经由受保护的通信连接进行通信。

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，在所述参与方（3）中以接收所述要求开始一个时间间隔，在所述时间间隔结束时在以下情况下所述参与方（3）中断要连接的设备（14）的连接，即到那时为止或者从所述设备（14）没有接收到运动信息、或者所检测的与所接收的运动信息的比较不成功、或者所述连接不成功地结束。

11.根据前述权利要求之一所述的方法，其特征在于，所述网络（10）是本地网络并且所述网络（10）的参与方（3）的所述本地网络的网关。

12.网络（10）的参与方（3），所述参与方被设立用于：为了认证设备（14）确定第一运动信息，从所述设备（14）接收第二运动信息并且将所述第一运动信息与所述第二运动信息进行比较。

13.计算机程序，其被设立用于执行根据权利要求1至11之一所述的方法的所有步骤。

14.机器可读的存储介质，带有存储在其上的根据权利要求13的计算机程序。