CN105245305A - 智能传感器网络中的轻量级安全同步方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种智能传感器网络中的轻量级安全同步方法，包括如下步骤：步骤S1，认证阶段：在传感器节点和应用程序两者之间广播认证消息；步骤S2，时间戳传递阶段：时间戳信息通过轻量的加密算法进行传递以保证通信的安全性；步骤S3，时间同步阶段：考虑认证阶段和时间戳传递阶段的脉冲传播时延，从而进行时间同步调整。本发明可以被运用到ISO/IEC/IEEE？21451中；充分满足了同步机制中的安全需求，提高了安全性，一些虚假和无效的信息将在传输过程中被丢弃；在只有微小延迟的代价下提高了时间同步的安全性能，同时可以运用于基于ISO/IEC/IEEE？21451的传感器网络中。

Description

智能传感器网络中的轻量级安全同步方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，具体地，涉及一种ISO/IEC/IEEE21451智能传感器网络中的轻量级安全同步方法。

背景技术

随着通信技术，嵌入式技术，传感器技术的迅猛发展，传感器网络已经被运用到了很多领域。然而，传感器网络通信协议及标准的多样性极大地限制了传感器网络的异构融合和良性发展。ISO/IEC/IEEE21451标准的制定，使得基于不同通信协议的传感器可以相互交换信息。作为一个融合大量异构传感节点的分布式系统，ISO/IEC/IEEE21451标准中规定的传感器网络通过及时的物理的改变来控制和相互作用。时间同步作为传感器网络的支撑技术，其设计和应用具有关键作用。然而由于硬件时钟的限制，传感器节点上时钟可能会与系统时钟存在时间差，这将限制控制网络的性能，如响应时间抖动，不能完成时间敏感任务和分布式系统对象间的实时通信任务。因此，ISO/IEC/IEEE21451标准下的传感网络亟需一个时间同步方法来实现系统时间的同步。

同时，传统的同步方法NTP和GPS因复杂度和能量问题、代价及尺寸因素都不适用于资源受限的传感器网络。而一些基于传感器网络的时间同步算法例如RBS算法，它通过采用接受者之间进行同步的方法，在关键路径中排除了发送方发送时间和访问时间对同步精度造成的影响，得到了很好的同步精度。然而RBS对网络有一定的要求，同时其有很大的交换次数，当节点很大时，将会造成相当高的能耗。ISO/IEC/IEEE21541标准为传感器接入网络提供了信息和通信模型，而已有的时间同步方法并不完全支持ISO/IEC/IEEE21541标准中规定的通信协议，因此它们都无法运用于ISO/IEC/IEEE21451标准。

ISO/IEC/IEEE21451：智能传感器接口与通信标准；

NTP：网络时间协议(NetworkTimeProtocol)；

GPS：全球定位系统(GlobalPositioningSystem)；

RBS算法：参照广播时间同步算法(ReferenceBroadcastSynchronizationAlgorithm)；

SOAP：简单对象访问协议(SimpleObjectAccessProtocol)。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的是提供一种ISO/IEC/IEEE21451智能传感器网络中的轻量级安全同步方法，本发明在实现精确的时间同步和性能之间取得了较好的平衡，同时，满足了可信性、完整性、保密性、不可抵赖性以及可行性等多种安全需求。本发明通过轻量的加密算法传递时间戳信息以保证通信的安全性，并且减少了为了更精确的时间同步而消耗的计算时间，同时这一时间同步机制可以运用到ISO/IEC/IEEE21451传感器网络接口与通信协议中。

在实现传感器网络同步机制的时候，本发明首先使得应用程序和传感器之间相互得到认证。之后，时间戳信息将通过轻量加密算法传递，根据接收到的时间戳，传感器的当地时间将会进行调整以实现时间同步。在这一过程中，充分保证了时间同步中的安全性，同时延迟时间并没有明显的变化。

为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的。

一种智能传感器网络中的轻量级安全同步方法，包括如下步骤：

步骤S1，认证阶段：

在传感器和应用程序两者之间相互广播认证消息；

步骤S2，时间戳传递阶段：

时间戳信息通过轻量的加密算法进行传递以保证通信的安全性；

步骤S3，时间同步阶段：

考虑认证阶段和时间戳传递阶段的脉冲传播时延，从而进行时间同步调整。

优选地，在步骤S1中，传感器和应用程序分别作为节点，所述认证消息采用如下形式：

{U_ID，K_N，ExpT,SIG_SK[h(U_ID//ExpT//K_N)]}；

其中，U_ID表示节点的ID，K_N表示节点的密钥，ExpT表示动态调整的截止时间，h()为通过一个哈希函数得到U_ID、ExpT、K_N三个信息的哈希值，SIG_SK[]表示通过一个主节点的私钥SK得到的签名，运算符//表示将不同的信息合并。

优选地，所述步骤S1具体包括如下步骤：

应用程序节点或传感器节点首先作为发送者生成U_ID、K_N、ExpT、SIG_i，并且广播认证消息至相对应的传感器节点或应用程序节点，传感器节点或应用程序节点作为接收者验证接收到的发送者的签名SIG_i的有效性以及发送者的身份，完成一次认证；其中，SIG_i表示作为发送者的节点i的签名；

重复上述过程，实现网络上所有节点之间的消息认证。

优选地，所述步骤S2中，节点通过等式得到自己的密钥其中，表示节点i的密钥，ID_i表示节点i的ID，x表示应用程序自己的密钥；网络上每一个节点均得到其余节点的密钥。

优选地，所述轻量的加密算法包括如下步骤：

步骤S201：加密算法的初始化阶段：应用程序节点和传感器节点之间相互共享了密钥；应用程序通过哈希函数加密应用程序节点的ID和应用程序节点的密钥x，得到其中，表示节点i的密钥；

步骤S202：进入应用程序节点发送时间戳阶段：应用程序节点通过哈希函数计算应用程序节点的ID和得到h；通过哈希函数计算时间戳timestamp，得到HMAC，并将h与timestamp做异或运算得到C，最后应用程序节点广播C和HMAC；其中，h表示节点ID和它对应的密钥通过哈希运算得到的哈希值，HMAC表示时间戳通过哈希运算得到的哈希值，C表示h与timestamp做异或运算得到的值；

所述ID和与h之间的关系式为：

所述时间戳timestamp与HMAC之间的关系式为：HMAC＝hash(timestamp)；

所述timestamp与C之间的关系式为：

步骤S203：进入传感器节点接收时间戳阶段：首先传感器节点通过哈希函数计算传感器节点ID和得到h；然后将C与h做异或运算得到时间戳timestamp′；之后将计算得到的时间戳timestamp′，通过哈希函数运算得到HMAC′；最后判断计算得到的HMAC′与应用程序节点广播的HMAC是否相等，如果二者相等，则时间戳将按照时间同步阶段的计算进行调整，并且同步传感器节点的当地时钟；其中，HMAC′表示传感器节点通过获得的节点ID，哈希运算后，再与C异或运算得到的新的时间戳，最后再对时间戳通过哈希函数运算得到的值；

所述时间戳timestamp′与HMAC′之间的关系式为：HMAC′＝hash(timestamp′)；

所述timestamp′与C之间的关系式为：

优选地，所述步骤S3中：

在认证阶段，脉冲传播时延d为：

其中，T₁表示在认证阶段应用程序发送认证信息的时间，T₂表示传感器节点接收到认证信息的时间，T₃表示传感器节点广播它的认证信息的时间，T₄表示应用程序接收到传感器节点所发出的认证信息的时间；

时钟偏移△为：

$\mathrm{\Δ}=\frac{(T_2-T_1)+(T_4-T_3)}{2};$

在时间戳传递阶段，应用程序节点在T₅时发送时间戳，传感器节点在T₆时接收时间戳，其中，T₅表示应用程序发送时间戳信息的时间，T₆表示传感器节点接收到时间戳的时间；

表示应用程序发送认证信息到达IEEE1588时钟时的时间；

表示IEEE1588时钟发送应用程序所发送的认证信息的时间；

表示传感器节点返回认证信息到达IEEE1588时钟时的时间；

表示IEEE1588时钟发送传感器节点所返回的认证信息的时间；

其中，D₁、D₂分别表示外出延迟，其中，D₁具体表示应用程序发送认证信息时到IEEE1588时钟时的外出延迟时间差，D₂具体表示从IEEE1588到传感器节点接收到认证信息时的外出延迟时间差；D₃、D₄分别表示进入延迟，其中，D₃具体表示传感器节点返回认证信息到IEEE1588时钟时的进入延迟时间差，D₄具体表示从IEEE1588时钟到应用程序接收到传感器节点返回的认证信息是时的进入延迟时间差；

通过以上的公式，得到时间戳传递阶段真实的脉冲传播时延d′为：

$d^{\′}=d+\frac{(D_1+D_2)-(D_3+D_4)}{2}$

通过计算所得到的真实的脉冲传播时延d′，同步时间戳T₆被调整为以下的时间：

T₆＝T₅+d′+Δ。

优选地，所述步骤S3中，应用程序节点为主节点，传感器节点为从属节点，在考虑脉冲传播时延时，应用程序的当地时间被利用以同步传感器节点的当地时间。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、在传统的时间同步机制中，虽然在其中考虑到了安全需求，并且利用对称密钥来认证同步消息，然而它们都导致了高通信符合并且无法运用在ISO/IEC/IEEE21451中；而在本发明中，传感器节点间传送的信息都是按照扩展的SOAP定义的结构传送的，可以被运用到ISO/IEC/IEEE21451中。

2、在本发明中，通过利用签名、节点ID的设置以及节点各自拥有的密钥和哈希函数的使用，使得认证阶段和时间戳传递阶段都充分满足了同步机制中的安全需求，提高了安全性，一些虚假和无效的信息将在传输过程中被丢弃。

3、本发明加入只会带来时间延迟的微小增加，但是本发明在只有微小延迟的代价下提高了时间同步的安全性能，同时可以运用于基于ISO/IEC/IEEE21451的传感器网络中。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为传感器节点和应用程序间的相互认证示意图；

图2为认证阶段和时间戳传递阶段中的时间戳示意图；

图3为接收信息包的比较示意图；

图4为延迟时间的比较示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

实施例

本实施例提供了一种ISO/IEC/IEEE21451智能传感器网络中的轻量级安全同步方法，包括如下步骤：

步骤S1，认证阶段：

传感器和应用程序将在两者之间广播认证消息，广播消息的形式如下所示，{U_ID，K_N，ExpT,SIG_SK[h(U_ID//ExpT//K_N)]}，其中U_ID表示节点的ID，K_N表示节点的密钥，ExpT表示动态调整的截止时间，h(...)通过一个哈希函数所得到的以上三个信息的哈希值，SIG_Sk［...]表示通过一个私钥得到的签名。

认证阶段具体如下所示，如图1。首先，应用程序生成U_ID、K_N、ExpT、SIG_i并且广播认证消息，传感器节点将会验证应用程序节点的签名的有效性以及应用程序节点的身份。一旦发送者(应用程序节点或传感器节点)将以上信息发送给相应的接受者(传感器节点或应用程序节点)，传感器节点将能够在网络调度之前通过预先加载私钥核实接收的信息。因为每个节点都将发送类似的广播信息，因此，它将在网络上预先完成一个认证，同时，节点之间的密钥交换也将在此时完成。

步骤S2，时间戳传递阶段：

在时间戳传递阶段，时间戳信息将通过轻量的加密算法传递以保证通信的安全性。应用程序拥有自己的密钥x，节点将通过等式得到自己的密钥所有的节点都将得到其余节点的密钥。我们假设，应用程序和传感器节点将用N1和N2表示，应用程序和传感器已经共享了各自的密钥。

在算法初始化阶段，所有的对称密钥都已经秘密的共享好。一开始，应用程序节点用哈希函数加密ID和x，得到接着进入应用程序节点发送时间戳阶段：应用程序节点通过哈希函数计算ID和得到h；通过哈希函数计算时间戳timestamp，得到HMAC，并将h与HMAC做异或运算得到C，最后应用程序广播C和HMAC。接下来进入传感器节点接收时间戳阶段：首先传感器节点同样通过哈希函数计算ID和得到h；然后将C与h做异或运算得到时间戳timestamp′；之后将计算得到的时间戳timestamp′；通过哈希函数运算得到HMAC′；最后判断计算得到的HMAC′与应用程序广播的HMAC是否相等，如果二者相等，则时间戳将按在时间同步阶段计算的进行调整并且同步传感器节点的当地时钟。

1：初始化

2： $\∀u\∈N_i,$ 令 $K_N^i\←hash({\mathrm{ID}}_i,x)$

3：应用程序发送时间戳阶段

4： $h\←hash({\mathrm{ID}}_i,K_N^i)$

5：HMAC←hash(timestamp)

6： $C\←\mathrm{timestamp}\⊕h$

7：广播<C，HMAC>

8：传感器节点接收时间戳阶段

9： $h\&LeftArrow;hash({\mathrm{ID}}_i,K_N^i)$

10： ${\mathrm{timestamp}}^{\&prime;}\&LeftArrow;C\&CirclePlus;h$

11：HMAC′←hash(timestamp′)

12：if(HMAC′＝HMAC)

13：调整时间并结束时间同步

14：endif

15：else退出

步骤S3，时间同步阶段：

在时间同步阶段，时间同步将会考虑传播时延从而进行进一步调整。在认证阶段和时间戳传递阶段时间戳传递如图2所示。

在认证阶段，脉冲传播延迟d为：

$d=\frac{(T_2-T_1)+(T_4-T_3)}{2}$

时钟偏移△为：

$\mathrm{\&Delta;}=\frac{(T_2-T_1)+(T_4-T_3)}{2}$

在时间戳传递阶段，应用程序节点在T₅是发送时间戳，传感器节点在T₆时接收时间戳。

${\hat{T}}_1=T_1+D_1$

${\hat{T}}_2=T_2-D_2$

${\hat{T}}_3=T_3+D_3$

${\hat{T}}_4=T_4-D_4$

其中，D₁D₂代表外出延迟，D₃D₄代表进入延迟。

通过以上的公式，我们可以得到真实的延迟为：

$d^{\&prime;}=d+\frac{(D_1+D_2)-(D_3+D_4)}{2}$

通过计算所得到的延迟，同步时间戳T₆将被调整为以下的时间：

T₆＝T₅+d′+Δ

在时间同步过程中，应用程序节点是主节点，而传感器节点是从属节点。因此在考虑传播延迟的时候，应用程序的当地时间将被利用以同步传感器的当地时间。

本实施例提供的ISO/IEC/IEEE21451智能传感器网络中的轻量级安全同步方法，节点间传送的信息都是按照扩展的SOAP定义的结构传送的，可以被运用到ISO/IEC/IEEE21451中。

本实施例中，通过利用签名，传感器节点ID的设置，以及各自拥有的密钥和哈希函数的使用，使得认证阶段和时间戳传递阶段都充分满足了同步机制中的安全需求。同时如图3所示，红色的线代表了采用了该算法后收到信息包变化的曲线，而绿色的线代表了没有采用该算法收到信息包变化的曲线。结果表明该算法提高了安全性，一些虚假和无效的信息将在传输过程中被丢弃。

如图4所示，红色的线代表采用该算法后时间延迟变化的曲线，绿色的线代表未采用该算法时间延迟变化的曲线。这一结果表明，算法的加入只会带来时间延迟的微小增加。

综上，该算法在只有微小延迟的代价下提高了时间同步的安全性能，同时可以运用于基于ISO/IEC/IEEE21451的传感器网络中。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (7)

1.一种智能传感器网络中的轻量级安全同步方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，认证阶段：

在传感器和应用程序两者之间相互广播认证消息；

步骤S2，时间戳传递阶段：

时间戳信息通过轻量的加密算法进行传递以保证通信的安全性；

步骤S3，时间同步阶段：

考虑认证阶段和时间戳传递阶段的脉冲传播时延，从而进行时间同步调整。

2.根据权利要求1所述的智能传感器网络中的轻量级安全同步方法，其特征在于，在步骤S1中，传感器和应用程序分别作为节点，所述认证消息采用如下形式：

{U_ID，K_N，ExpT，SIG_SK［h(U_ID//ExpT//K_N)]}；

其中，U_ID表示节点的ID，K_N表示节点的密钥，ExpT表示动态调整的截止时间，h()为通过一个哈希函数得到U_ID、ExpT、K_N三个信息的哈希值，SIG_SK[]表示通过一个主节点的私钥SK得到的签名，运算符//表示将不同的信息合并。

3.根据权利要求2所述的智能传感器网络中的轻量级安全同步方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括如下步骤：

应用程序节点或传感器节点首先作为发送者生成U_ID、K_N、ExpT、SIG_i，并且广播认证消息至相对应的传感器节点或应用程序节点，传感器节点或应用程序节点作为接收者验证接收到的发送者的签名SIG_i的有效性以及发送者的身份，完成一次认证；其中，SIG_i表示作为发送者的节点i的签名；

重复上述过程，实现网络上所有节点之间的消息认证。

4.根据权利要求1所述的智能传感器网络中的轻量级安全同步方法，其特征在于，所述步骤S2中，节点通过等式得到自己的密钥其中，表示节点i的密钥，ID_i表示节点i的ID，x表示应用程序自己的密钥；网络上每一个节点均得到其余节点的密钥。

5.根据权利要求4所述的智能传感器网络中的轻量级安全同步方法，其特征在于，所述轻量的加密算法包括如下步骤：

步骤S201：加密算法的初始化阶段：应用程序节点和传感器节点之间相互共享了密钥；应用程序通过哈希函数加密应用程序节点的ID和应用程序节点的密钥x，得到其中，表示节点i的密钥；

步骤S202：进入应用程序节点发送时间戳阶段：应用程序节点通过哈希函数计算应用程序节点的ID和得到h；通过哈希函数计算时间戳timestamp，得到HMAC，并将h与timestamp做异或运算得到C，最后应用程序节点广播C和HMAC；其中，h表示节点ID和它对应的密钥通过哈希运算得到的哈希值，HMAC表示时间戳通过哈希运算得到的哈希值，C表示h与timestamp做异或运算得到的值；

所述ID和与h之间的关系式为：

所述时间戳timestamp与HMAC之间的关系式为：HMAC＝hash(timestamp)；

所述timestamp与C之间的关系式为：

步骤S203：进入传感器节点接收时间戳阶段：首先传感器节点通过哈希函数计算传感器节点ID和得到h；然后将C与h做异或运算得到时间戳timestamp′；之后将计算得到的时间戳timestamp′，通过哈希函数运算得到HMAC′；最后判断计算得到的HMAC′与应用程序节点广播的HMAC是否相等，如果二者相等，则时间戳将按照时间同步阶段的计算进行调整，并且同步传感器节点的当地时钟；其中，HMAC′表示传感器节点通过获得的节点ID，哈希运算后，再与C异或运算得到的新的时间戳，最后再对时间戳通过哈希函数运算得到的值；

所述时间戳timestamp′与HMAC′之间的关系式为：HMAC′＝hash(timestamp′)；

所述timestamp′与C之间的关系式为：

6.根据权利要求1所述的智能传感器网络中的轻量级安全同步方法，其特征在于，所述步骤S3中：

在认证阶段，脉冲传播时延d为：

其中，T₁表示在认证阶段应用程序发送认证信息的时间，T₂表示传感器节点接收到认证信息的时间，T₃表示传感器节点广播它的认证信息的时间，T₄表示应用程序接收到传感器节点所发出的认证信息的时间；

时钟偏移Δ为：

$\mathrm{\&Delta;}=\frac{(T_2-T_1)+(T_4-T_3)}{2};$

在时间戳传递阶段，应用程序节点在T₅时发送时间戳，传感器节点在T₆时接收时间戳，其中，T₅表示应用程序发送时间戳信息的时间，T₆表示传感器节点接收到时间戳的时间；

表示应用程序发送认证信息到达IEEE1588时钟时的时间；

表示IEEE1588时钟发送应用程序所发送的认证信息的时间；

表示传感器节点返回认证信息到达IEEE1588时钟时的时间；

表示IEEE1588时钟发送传感器节点所返回的认证信息的时间；

其中，D₁、D₂分别表示外出延迟，其中，D₁具体表示应用程序发送认证信息时到IEEE1588时钟时的外出延迟时间差，D₂具体表示从IEEE1588到传感器节点接收到认证信息时的外出延迟时间差；D₃、D₄分别表示进入延迟，其中，D₃具体表示传感器节点返回认证信息到IEEE1588时钟时的进入延迟时间差，D₄具体表示从IEEE1588时钟到应用程序接收到传感器节点返回的认证信息是时的进入延迟时间差；

通过以上的公式，得到时间戳传递阶段真实的脉冲传播时延d′为：

$d^{\&prime;}=d+\frac{(D_1+D_2)-(D_3+D_4)}{2}$

通过计算所得到的真实的脉冲传播时延d′，同步时间戳T₆被调整为以下的时间：

T₆＝T₅+d′+Δ。

7.根据权利要求6所述的智能传感器网络中的轻量级安全同步方法，其特征在于，所述步骤S3中，应用程序节点为主节点，传感器节点为从属节点，在考虑脉冲传播时延时，应用程序的当地时间被利用以同步传感器节点的当地时间。