CN105307164B - 一种可穿戴设备的认证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可穿戴设备的认证方法，所述方法利用物理不可克隆函数的激励‑响应随机性，引入伪随机函数、异或运算和单向认证函数等轻量级算子实现智能手机与可穿戴设备的相互认证。在智能手机与可穿戴设备交互过程中，可穿戴设备的伪身份标识符和预共享密值等敏感数据通过匿名的方式进行传输，保证了交互数据的安全性。同时，引入动态更新机制，提高了会话周期的新鲜性和随机性，避免恶意攻击者进行重放、假冒等攻击。本方法采用轻量级的密码学算子实现智能手机与可穿戴设备的相互认证，适用于资源受限的可穿戴设备应用场景。

Description

一种可穿戴设备的认证方法

技术领域

本发明涉及可穿戴设备技术领域，具体的说，涉及一种可穿戴设备的认证方法。

背景技术

随着无线通信技术的不断发展，可穿戴设备能够对用户的信息数据进行感知、分析、存储以及提供智能服务。因而，多数情况下，可穿戴设备会利用WiFi、蓝牙等短距离无线通信技术对用户的数据信息进行实时采集。例如，用户可以通过手持设备在WiFi环境下可以实时获取个人的短信、行踪等信息。

由于无线通信技术本身具有的开放性，并且可穿戴设备获取的信息中包括用户的敏感信息，因此可穿戴设备和外部终端进行数据交互的过程中极易受到恶意攻击。现有技术中，通过对可穿戴设备中控制模块和通讯模块间设置安全模块，进而对可穿戴设备和外部终端的信息交互进行安全操作。

但现有技术也存在一定的不足。通过对可穿戴设备设置安全模块会额外添加芯片至可穿戴设备当中，进而增加设备集成化设计的难度，同时提高了芯片设计的成本。

发明内容

针对以上不足，本发明提出了一种可穿戴设备的认证方法。解决了原有可穿戴设备由于添加安全模块所造成的设备集成化困难，芯片设计成本增高的问题。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种可穿戴设备的认证方法，其特征在于，包括：

智能终端产生第一伪随机数r_p，并将所述第一伪随机数r_p发送至所述可穿戴设备；

所述可穿戴设备接收所述第一伪随机数r_p，生成第二伪随机数r_D；计算第一变量和第二变量其中PUF为物理不可克隆函数,PID_D为预存的伪身份标识符，S_D为预存的第一预共享密值；计算第三变量和第四变量其中为单向认证函数，k_D为预存的预共享密钥；计算得到第五变量和第六变量并将所述第二伪随机数r_D、第四变量S₄和第六变量S₆发送至所述智能终端；

所述智能终端接收所述第二伪随机数r_D、第四变量S₄和第六变量S₆，提取智能终端预存的所述伪身份标识符PID_D、第一预共享密值S_D、第二预共享密值S′_D和预共享密钥k_D，计算得到第七变量并将第七变量S₇和所述第二预共享密值S′_D进行比较，若相等则认证继续，否则认证终止；

若认证继续，所述智能终端计算第八变量 和第九变量将所述第九变量S₉发送至所述可穿戴设备；

所述可穿戴设备接收所述第九变量S₉，计算第十变量 并将第九变量S₉和第十变量S₁₀进行比较，若相等则通过认证，否则认证失败。

本发明所述的可穿戴设备的认证方法，通过可穿戴设备对其预存数据进行物理不可克隆运算及哈希函数运算等多种运算后发送给智能终端，智能终端对接收的数据进行认证判断，若判断认证继续，智能终端会对其预存数据进行哈希函数运算及异或运算等多种运算后发送给可穿戴设备，可穿戴设备对接收的数据进行运算以及认证判断以完成认证。本发明采用软件算法认证的形式，避免了在可穿戴设备中设置安全模块所造成的设备集成化设计难度提高，芯片设计成本增加的问题。

附图说明

为了更加清楚地说明本发明示例性实施例的技术方案，下面对描述实施例中所需要用到的附图做一简单介绍。显然，所介绍的附图只是本发明所要描述的一部分实施例的附图，而不是全部的附图，对于本领域普通技术人员，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图得到其他的附图。

图1是本发明实施例一提供的可穿戴设备的认证方法的流程图。

图2是本发明实施例二提供的可穿戴设备的认证方法的流程图。

图3是本发明实施例二提供的可穿戴设备的认证方法可穿戴设备与智能终端数据交互示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下将结合本发明实施例中的附图，通过具体实施方式，完整地描述本发明的技术方案。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下获得的所有其他实施例，均落入本发明的保护范围之内。

实施例一

图1给出了本实施例一提供的可穿戴设备的认证方法的流程图。

如图1，本实施例一提供的可穿戴设备的认证方法，包括：

S101、智能终端产生第一伪随机数r_p，并将所述第一伪随机数r_p发送至所述可穿戴设备。

需要说明的是，智能终端是通过其内部的随机函数发生器生成第一伪随机数r_p。其中，随机函数发生器的作用在于生成一个给定的范围内的随机数。

智能终端将第一伪随机数r_p发送给可穿戴设备并以此作为访问请求，进而开启一个新的会话周期。

S102、所述可穿戴设备接收所述第一伪随机数r_p，生成第二伪随机数r_D；计算第一变量和第二变量其中PUF为物理不可克隆函数,PID_D为预存的伪身份标识符，S_D为预存的第一预共享密值；计算第三变量和第四变量其中H_kD为单向认证函数，k_D为预存的预共享密钥；计算得到第五变量和第六变量并将所述第二伪随机数r_D、第四变量S₄和第六变量S₆发送至所述智能终端。

其中，步骤S102包括以下子步骤：

第一，所述可穿戴设备接收所述第一伪随机数r_p，生成第二伪随机数r_D。

在接收到所述第一伪随机数r_p之后，所述可穿戴设备通过内部随机函数发生器生成第二伪随机数r_D。

第二，计算第一变量和第二变量 其中PUF为物理不可克隆函数,PID_D为预存的伪身份标识符，S_D为预存的第一预共享密值。

需要说明的是，所述可穿戴设备预存储伪身份标识符PID_D、第一预共享密值S_D和预共享密钥k_D，三者均为密码学中基本参数。物理不可克隆函数PUF是利用物理不可克隆函数PUF所属不同芯片在制造过程中引入的随机差异，通过输入一个输入信号，获取具有唯一性的响应信号。

进而，预存的第一预共享密值S_D与预存的伪身份标识符PID_D首先需要经过异或运算，之后经过物理不可克隆函数PUF进行运算，得到第一变量S₁。

第一变量S₁与预存的伪身份标识符PID_D进行异或运算，之后经过物理不可克隆函数PUF进行运算，得到第二变量S₂。

第三，计算第三变量和第四变量其中为单向认证函数，k_D为预存的预共享密钥。

这里需要说明的是单向认证函数可以为所述预共享密钥k_D的哈希函数。哈希函数又称为散列函数，是基本的密码技术，通常用来构造数据的“短指纹”，保护数据的完整性。这里是将(S_D||r_p)散列成固定长度为所述预共享密钥k_D的短消息串。

而(S_D||r_p)则是将预存的第一预共享密值S_D与所述第一伪随机数r_p进行数据串联。其中，数据串联是指将预存的第一预共享密值S_D对应的内存空间与所述第一伪随机数r_p对应的内存空间进行串联，使两者在内存中的存储位置相连。

得到第三变量S₃之后，将第三变量S₃与第一变量S₁进行异或运算，从而得到第四变量S₄。

第四，计算得到第五变量和第六变量

得到第四变量S₄之后，将所述第四变量S₄与预存的伪身份标识符PID_D进行数据串联，之后经过所述预共享密钥k_D的哈希函数处理后得到第五变量S₅。

得到第五变量S₅之后，对所述第五变量S₅和第二变量S₂进行异或运算，从而得到第六变量S₆。

第五，将所述第二伪随机数r_D、第四变量S₄和第六变量S₆发送至所述智能终端。

这里需要说明的是，所述可穿戴设备将所述第二伪随机数r_D、第四变量S₄和第六变量S₆以级联的形式发送至所述智能终端。这里所指的级联就是之前所述的数据串联。

S103、所述智能终端接收所述第二伪随机数r_D、第四变量S₄和第六变量S₆，提取智能终端预存的所述伪身份标识符PID_D、第一预共享密值S_D、第二预共享密值S′_D和预共享密钥k_D，计算得到第七变量并将第七变量S₇和所述第二预共享密值S′_D进行比较，若相等则认证继续，否则认证终止；

若认证继续，所述智能终端计算第八变量 和第九变量将所述第九变量S₉发送至所述可穿戴设备。

其中，步骤S103包括以下子步骤：

第一，所述智能终端接收所述第二伪随机数r_D、第四变量S₄和第六变量S₆，提取智能终端预存的所述伪身份标识符PID_D、第一预共享密值S_D、第二预共享密值S′_D和预共享密钥k_D，计算得到第七变量

这里需要指出的是，所述智能终端预存储伪身份标识符PID_D、第一预共享密值S_D、第二预共享密值S′_D和预共享密钥k_D。并且，所述智能终端预存的伪身份标识符PID_D与所述可穿戴设备预存储伪身份标识符PID_D相同；所述智能终端预存的第一预共享密值S_D与所述可穿戴设备预存的第一预共享密值S_D相同；所述智能终端预存的预共享密钥k_D与所述可穿戴设备预存的预共享密钥k_D相同。

预存的第一预共享密值S_D与所述第一伪随机数r_p首先数据串联，之后经过所述预共享密钥k_D的哈希函数处理后，与所述第四变量S₄进行异或运算后得到第七变量S₇。

第二，将第七变量S₇和所述第二预共享密值S′_D进行比较，若相等则认证继续，否则认证终止。

这里需要说明的是，由于第四变量通过第三变量S₃与第一变量S₁进行展开可以得到：

进而，第七变量

可以这样理解：第四变量S₄是对第一变量S₁进行了一次加密的过程，而第七变量S₇是对加密后的第四变量S₄进行解密的过程。根据异或运算性质因此第七变量S₇的理论输出结果应为

此时，第七变量S₇的输出结果会与所述智能终端预存的所述第二预共享密值S′_D进行比较，若相等则认证继续，否则认证终止。

第三，若认证继续，所述智能终端计算第八变量和第九变量

认证继续之后，所述智能终端通过如下计算得到第八变量：

其中由于所述第六变量S₆可以进行如下化简：

进而，将第六变量S₆代入第八变量S₈可以得到：

其中，由于所述第二预共享密值S′_D与相等，因此第六变量S₆中的与第八变量中的S₈中是相等的，进而第八变量中的S₈的理论输出结果应为：

得到第八变量S₈之后，将第一预共享密值S_D与预共享密钥r_D进行数据串联后经过哈希函数处理后的输出结果与第八变量S₈进行异或运算，从而得到第九变量

第四，将所述第九变量S₉发送至所述可穿戴设备。

S104、所述可穿戴设备接收所述第九变量S₉，计算第十变量 并将第九变量S₉和第十变量S₁₀进行比较，若相等则通过认证，否则认证失败。

其中，步骤S104包括以下子步骤：

第一，所述可穿戴设备接收所述第九变量S₉，计算第十变量

其中，所述可穿戴设备将与第二变量进行异或运算后，得到第十变量

第二，将第九变量S₉和第十变量S₁₀进行比较，若相等则通过认证，否则认证失败。

其中，第九变量 而第十变量 两者在理论上是相等的，若出现不等情况，则说明在认证过程中出现错误，从而认证失败。

本发明实施例一所提出的可穿戴设备的认证方法，通过智能终端与可穿戴设备之间采用软件算法认证的形式，避免了在可穿戴设备中设置安全模块所造成的设备集成化设计难度提高，芯片设计成本增加的问题。

实施例二

图2是本发明实施例二提供的可穿戴设备的认证方法的流程图。

由图2所示，一种可穿戴设备的认证方法，包括：步骤S101至步骤S106。其中，步骤S101-S104实施例一中已经描述，这里不再重复。此外，还包括有：

S105、更新所述智能终端预存储所述可穿戴设备的伪身份标识符PID_D、第一预共享密值S_D和第二预共享密值S′_D。

当步骤S103结束之后，所述智能终端会对其预存的伪身份标识符PID_D、第一预共享密值S_D和第二预共享密值S′_D进行更新，其更新的过程如下：

将现有第二预共享密值S′_D赋给第一预共享密值：S_D＝S′_D；

将步骤S103计算得到的第八变量S₈赋给所述第二预共享密值：S′_D＝S₈；

根据更新后的第一预共享密值S_D通过计算得到更新后的伪身份标识符：

值得注意的是，第一预共享密值S_D、第二预共享密值S′_D和伪身份标识符PID_D的更新过程是依次更新，因而更新的顺序不能颠倒。

S106、更新所述可穿戴设备预存储伪身份标识符PID_D和第一预共享密值S_D。

当步骤S104结束之后，所述可穿戴设备会对其预存的伪身份标识符PID_D和第一预共享密值S_D进行更新，其更新的过程如下：

将步骤S102计算得到的第一变量S₁赋给第一预共享密值：S_D＝S₁；

根据更新后的第一预共享密值S_D通过计算得到更新后的伪身份标识符：

进而，图3是本发明实施例二提供的可穿戴设备的认证方法可穿戴设备与智能终端数据交互示意图。

由图3所示，可穿戴设备的认证方法可穿戴设备与智能终端数据交互过程如下：

首先，智能终端生成第一伪随机数r_p，并将其发送至可穿戴设备；

之后，可穿戴设备会根据第一伪随机数r_p生成相应的第二伪随机数r_D，并通过预存的伪身份标识符PID_D、第一预共享密值S_D以及预共享密钥k_D，进而生成第一变量S₁至第六变量S₆；之后将第二伪随机数r_D、第四变量S₄和第六变量S₆以级联形式发送至智能终端；

之后，智能终端接收第二伪随机数r_D、第四变量S₄和第六变量S₆，同时提取自身预存的伪身份标识符PID_D、第一预共享密值S_D、第二预共享密值S′_D以及预共享密钥k_D，进而生成第七变量S₇，之后将第二预共享密值S′_D与第七变量S₇进行比较；若相等则判定认证继续，智能终端通过计算得到第八变量S₈和第九变量S₉并将第九变量S₉发送至可穿戴设备，并且更新预存的伪身份标识符PID_D、第一预共享密值S_D和第二预共享密值S′_D；

最后，所述可穿戴设备接收第九变量S₉后，计算第十变量S₁₀并将第九变量S₉和第十变量S₁₀进行比较；若相等则通过认证，否则认证失败，可穿戴设备更新预存的伪身份标识符PID_D和第一预共享密值S_D。

本发明实施例二通过在可穿戴设备与智能终端相互认证的过程中，更新可穿戴设备预存的伪身份标识符和第一预共享密值，更新智能终端预存的伪身份标识符、第一预共享密值和第二预共享密值，进而保证每次更新认真结束之后，可穿戴设备与智能终端预存的数据与之前的数据不同，从而保证了认证过程的可靠性。

上述仅为本发明的较佳实施例及所运用的技术原理。本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行的各种明显变化、重新调整及替代均不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由权利要求的范围决定。

Claims (7)

1.一种可穿戴设备的认证方法，其特征在于，包括：

智能终端产生第一伪随机数r_p，并将所述第一伪随机数r_p发送至所述可穿戴设备；

所述可穿戴设备接收所述第一伪随机数r_p，生成第二伪随机数r_D；计算第一变量和第二变量其中PUF为物理不可克隆函数,PID_D为预存的伪身份标识符，S_D为预存的第一预共享密值；计算第三变量和第四变量其中为单向认证函数，k_D为预存的预共享密钥；所述单向认证函数为所述预共享密钥k_D的哈希函数；计算得到第五变量和第六变量并将所述第二伪随机数r_D、第四变量S₄和第六变量S₆发送至所述智能终端；

所述智能终端接收所述第二伪随机数r_D、第四变量S₄和第六变量S₆，提取智能终端预存的所述伪身份标识符PID_D、第一预共享密值S_D、第二预共享密值S′_D和预共享密钥k_D，计算得到第七变量并将第七变量S₇和所述第二预共享密值S′_D进行比较，若相等则认证继续，否则认证终止；

若认证继续，所述智能终端计算第八变量 和第九变量将所述第九变量S₉发送至所述可穿戴设备；

所述可穿戴设备接收所述第九变量S₉，计算第十变量 并将第九变量S₉和第十变量S₁₀进行比较，若相等则通过认证，否则认证失败。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述物理不可克隆函数PUF是利用其所属不同芯片在制作过程中引入的随机差异，通过输入一个输入信号，获取具有唯一性的响应信号。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述智能终端通过随机函数发生器生成第一伪随机数r_p。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，

所述智能终端预存储伪身份标识符PID_D、第一预共享密值S_D、第二预共享密值S′_D和预共享密钥k_D；

所述可穿戴设备预存储伪身份标识符PID_D、第一预共享密值S_D和预共享密钥k_D。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，还包括：

更新所述智能终端预存储所述可穿戴设备的伪身份标识符PID_D、第一预共享密值S_D和第二预共享密值S′_D；

更新所述可穿戴设备预存储伪身份标识符PID_D和第一预共享密值S_D。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述智能终端预存的伪身份标识符PID_D与所述可穿戴设备预存储伪身份标识符PID_D相同；

所述智能终端预存的第一预共享密值S_D与所述可穿戴设备预存的第一预共享密值S_D相同；

所述智能终端预存的预共享密钥k_D与所述可穿戴设备预存的预共享密钥k_D相同。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可穿戴设备将所述第二伪随机数r_D、第四变量S₄和第六变量S₆以级联的形式发送至所述智能终端。