CN107360571B - 在移动网络中的匿名相互认证和密钥协商协议的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在移动网络中的匿名相互认证与密钥协商协议，协议包括如下步骤：A、注册阶段：合法移动设备用户发起请求将自己的信息注册到服务器上；B、认证和密钥协商阶段。本发明解决了在移动网络中服务器认证匿名移动设备，并建立共享会话密钥，保证了通信双方的隐私信息不被泄露，并且也保障了移动设备之间信息传递的安全性，在同类的协议中有更高的安全性和效率。

Description

在移动网络中的匿名相互认证和密钥协商协议的方法

技术领域

本发明涉及一种在移动网络中的匿名相互认证和密钥协商协议的方法

背景技术

目前网络通信技术的不断发展，人们越来越多的通过移动设备的网络连接进行通信，但是在这样的环境中，通信双发的信息很有可能被攻击者窃取，造成通信用户的隐私信息的泄露，进而对用户造成巨大的损失，甚至利用用户的隐私信息进行违法行为，为了保护用户的私密信息以及通信的内容，匿名认证被提出来，它能够对用户身份进行匿名，同时也能够是用户之间通过服务器实现匿名相互认证并建立共享密钥。

在移动网络中的匿名认证和密钥协商协议能够为移动设备提供匿名的相互认证和密钥协商，由于要通信的双方都是匿名，所以不仅攻击者不知道他们的身份，他们自己也不知道通信双方的身份信息，所以需要一个可信任的服务器作为认证的媒介，最终进行完成匿名相互认证和密钥协商。有很多像这样相互认证的协议，他们大多都采用对称加密算法，并且有很多并不是安全的，不能够抵挡常见的攻击，即使协议安全，因为采用了对称加密等算法，所以很消耗移动设备和服务器的资源，计算时间长。本发明中没有采用对称加密等算法，而是基于哈希函数和异或操作，所以计算简单，计算复杂度低，移动设备与服务器之间也不需要存储太多的信息，并且经过安全性分析可知道本发明是安全的，能够抵挡各类攻击。移动设备通过向服务器注册，所以获得了虚拟身份，在通信的时候通过虚拟身份进行通信，并且在每次协议运行之后都更改了虚拟身份，导致攻击者无法跟踪移动的设备信息，从而更加安全的保证用户的隐私性，总之无论是安全性还是资源消耗方面的考虑，本发明都是很有优势的。

在目前的很多研究中，很多协议都被证明有安全性的问题，而没有安全性问题的都采用耗时的对称加密算法，而且很多是基于智能卡，而最新的研究表明一般的智能卡的信息是可以被窃取的，所以说基于智能卡的协议也是被证明不安全的，而要研究出绝对安全的智能卡在现有的技术条件以及资源考虑下是不可能的。而发明也考虑到这些问题，不采用智能卡，只采用最简单的操作设计协议，并能够达到协议的目的，最终能够适用于移动网络中的移动设备。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种在移动网络中匿名相互认证和密钥协商协议。

为了解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：

本发明提供一种在移动网络中的匿名相互认证和密钥协商协议，其特征在于，包括以下步骤：

A、注册阶段:合法移动设备首先会发送身份信息给服务器进行注册，具体步骤如下：

A1：移动设备M选择自己ID_M，通过秘密通道发送给服务器R；

A2：服务器生成密钥x_M，然后计算VID_M＝h(ID_M||x_M||x)，并且存储[VID_M，ID_M，x_M]，服务器通过秘密通道发送[VID_M，x_M，h(x)]给移动设备；

A3：移动设备收到并存储[VID_M，x_M，h(x)]；

B、认证和密钥协商阶段，假设两个合法注册的移动设备M₁和M₂想要通过服务器相互认证并且建立共享密钥，具体步骤如下：

B1：移动设备M₁生成随机数n_M1和r_M1，并且计算

H₁＝h(x_M1||VID_M1||V₁||n_M1)，然后发送m₁＝{VID_M1，V₁，H₁，n_M1}给移动设备；

B2：M₂接收信息m₁然后生成随机数n_M2和r_M2，并计算H₂＝h(x_M2||VID_M2||n_m2)，最后发送m₂＝{VID_M1，VID_M2，V₁，H₁，H₂，n_M1，n_M2}给服务器R；

B3：当服务器接收到信息m₂，服务器检查H₁，如果验证不通过，则终止协议，否则计算r_M1，并且验证H₂，如果验证不通过，则终止协议；否则生成x′_M1，x′_M2，n_R，并且计算VID′_M1＝h(ID_M1||x′_M1||x)，

VID′_M2＝h(ID_M2||x′_M2||x)，

H₃＝h(x_M2||VID′_M1||VID′_M2||V_M1||V_M2||V₂||n_R)，并且更新[VID′_M1，ID_M1，x′_M1]和[VID′_M2，ID_M2，x′_M2]，最后发送信息m₃＝{VID′_M1，VID′_M2，V_M1，V_M2，H₃，V₂，n_R}给移动设备M₂；

B4：移动设备M₂接收到信息m₃之后，首先检查H₃，如果验证不通过则终止协议，否则计算

并且更新数据，再计算

生成r_M2，计算SK＝h(h(x)||r_M1||r_M2||VID′_M1||VID′_M2)，

V₄＝h(SK||n_M1)，H₄＝h(r_M1||VID′_M1||V_M1||V₃||V₄||n_M2||n_R，最后发送消息m₄＝{VID′_M1，V_M1，V₃，V₄，H₄，n_M2，n_R}给M₁；

B5：当M₁收到消息m₄以后，首先检查H₄，如果验证不通过，则终止协议，否则计算

并更新[VID′_M1，x′_M1，h(x)]，再计算

SK＝h(h(x)||r_M1||r_M2||VID′_M1||VID′_M2)，并检查V₄，如果验证不通过则终止协议，否则计算V₅＝h(SK||n_M2)，然后发送信息m₅＝{V₅}给M₂；

B6：当M₂收到信息m₅以后，检查V₅，如果验证不通过，则终止协议，否则协议执行完成，M₁和M₂之间建立了共享密钥SK；

在上述步骤A到B中，各符号代表含义为：M为合法移动用户；R为可信任的服务器；ID_M为用户的身份信息；x_M为用户与服务器共享的私密信息；h(x)为x的哈希值；SK为会话密钥，r_M和n_M为移动设备生成的随机数，x是只有服务器的自己知道的私密密钥，n_R是随基数。

本发明所达到的有益效果是：

本发明解决了在移动网络中移动设备的身份信息、通信信息等隐私信息的保护，防止通信双方的私密信息被攻击者窃取，并且通过协议的运行能够建立共享的会话密钥，并且通过服务器实现了相互认证。在同类协议中，本发明只采用了异或与哈希操作，计算复杂度非常低，并且能够很高的安全性标准，能够抵抗各种攻击，实现了资源消耗与安全性的最大化。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明认证与密钥协商阶段的流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

图1所示，一种在移动网络中的匿名相互认证和密钥协商协议，其特征在于，包括以下步骤：

A、注册阶段：合法移动设备首先会发送身份信息给服务器进行注册，具体步骤如下：

A1：移动设备M选择自己ID_M，通过秘密通道发送给服务器R；

A2：服务器生成密钥x_M，然后计算VID_M＝h(ID_M||x_M||x)，并且存储[VID_M，ID_M，x_M]，服务器通过秘密通道发送[VID_M，x_M，h(x)]给移动设备；

A3：移动设备收到并存储[VID_M，x_M，h(x)]；

B、认证和密钥协商阶段，假设两个合法注册的移动设备M₁和M₂想要通过服务器相互认证并且建立共享密钥，具体步骤如下：

B1：移动设备M₁生成随机数n_M1和r_M1，并且计算

H₁＝h(x_M1||VID_M1||V₁||n_M1)，然后发送m₁＝{VID_M1，V₁，H₁，n_M1}给移动设备；

B2：M₂接收信息m₁然后生成随机数n_M2和r_M2，并计算H₂＝h(x_M2||VID_M2||n_m2)，最后发送m₂＝{VID_M1，VID_M2，V₁，H₁，H₂，n_M1，n_M2}给服务器R；

B3：当服务器接收到信息m₂，服务器检查H₁，如果验证不通过，则终止协议，否则计算r_M1，并且验证H₂，如果验证不通过，则终止协议；否则生成x′_M1，x′_M2，n_R，并且计算VID′_M1＝h(ID_M1||x′_M1||x)，

VID′_M2＝h(ID_M2||x′_M2||x)，

H₃＝h(x_M2||VID′_M1||VID′_M2||V_M1||V_M2||V₂||n_R)，并且更新[VID′_M1，ID_M1，x′_M1]和[VID′_M2，ID_M2，x′_M2]，最后发送信息m₃＝{VID′_M1，VID′_M2，V_M1，V_M2，H₃，V₂，n_R}给移动设备M₂；

B4：移动设备M₂接收到信息m₃之后，首先检查H₃，如果验证不通过则终止协议，否则计算

并且更新数据，再计算

生成r_M2，计算SK＝h(h(x)||r_M1||t_M2||VID′_M1||VID′_M2)，

V₄＝h(SK||n_M1)，H₄＝h(r_M1||VID′_M1||V_M1||V₃||V₄||n_M2||n_R，最后发送消息m₄＝{VID′_M1，V_M1，V₃，V₄，H₄，n_M2，n_R}给M₁；

B5：当M₁收到消息m₄以后，首先检查H₄，如果验证不通过，则终止协议，否则计算

并更新[VID′_M1，x′_M1，h(x)]，再计算

SK＝h(h(x)||r_M1||r_M2||VID′_M1||VID′_M2)，并检查V₄，如果验证不通过则终止协议，否则计算V₅＝h(SK||n_M2)，然后发送信息m₅＝{V₅}给M₂；

B6：当M₂收到信息m₅以后，检查V₅，如果验证不通过，则终止协议，否则协议执行完成，M₁和M₂之间建立了共享密钥SK；

在上述步骤A到B中，各符号代表含义为：M为合法移动用户；R为可信任的服务器；ID_M为用户的身份信息；x_M为用户与服务器共享的私密信息；h(x)为x的哈希值；SK为会话密钥，r_M和n_M为移动设备生成的随机数，x是只有服务器的自己知道的私密密钥，n_R是随基数。

该协议可以抵抗很多已知攻击，其安全性分析如下。

(1)会话密钥的私有性：在协议中SK＝h(h(x)||r_M1||r_M2||VID′_M1||VID′_M2)，其中r_M1与r_M2都是移动设备所私有的，攻击者是无法获取的，所以能够保证会话密钥的私有性。

(2)移动设备与服务器之间的身份认证：服务器需要对设备身份信息进行验证。服务器检查H₁和H₂，如果验证通过表明M₁与M₂身份的合法性，否则认为这是攻击者所发送，并且终止协议。

(3)前向安全性：在协议中，每次协议运行所奖励的会话密钥都是由随机数r_M1与r_M2所生成的，即每次所建立的会话密钥都是不同的。即使攻击者可能拿到用户的私密信息x_M，但是也无法获取对应的随机数，即无法获得会话密钥，使得协议具有前向安全性。

(4)抵抗已知会话密钥攻击：由于移动设备之间建立的会话密钥每次都是不同的，因为是根据随机数r_M1与r_M2所生成的，所以即使攻击者获取了某次的会话密钥，但是也无法得知其他时候生成的会话密钥。

(5)抵抗口令猜测攻击：由于会话密钥是通过随机数r_M1与r_M2所生成的，所以攻击者想要猜测会话密钥是几乎不可能的，而且由于协议运行中会通过哈希函数进行验证，如果有验证不通过，协议会马上终止，从而能够抵抗口令猜测攻击。

(6)抵抗伪造攻击：如果攻击者想要伪装成为其他合法注册用户，由于私密信息x_M只有该合法用户和服务器知道，所以攻击者是无法伪装成为其他合法用户的，所以能够抵抗为伪造攻击的。

(7)抵抗中间人攻击：由于移动设备与服务器之间共享私密信息x_M，所以想要发动中间人攻击，必须知道某个移动设备的x_M，否则无法发动中间人攻击，因为服务器和移动设备都会进行验证，一旦验证不通过，则终止协议。

(8)抵抗重放攻击：在协议中，每轮协议的运行都会生成随机数r_M和n_M，所以旧的消息是无法通过验证的，如果验证不通过则终止协议，所以攻击者是无法发动重放攻击的。

(9)实现匿名性：在协议中，由于通信的移动设备都是使用虚拟身份信息，所以攻击者是无法知道用户的身份信息的，只有服务器知道通信双方的身份信息，从而实现了匿名性。

(10)实现了不可追踪性：由于在每次的协议运行中，通信的移动设备的虚拟身份信息都被服务器进行了更新，从而供着无法知道不同的信息是否来自同一个移动设备，从而保证不可追踪性。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.在移动网络中的匿名相互认证和密钥协商协议的方法，其特征在于，包括以下步骤：

A、注册阶段:合法移动设备首先会发送身份信息给服务器进行注册，具体步骤如下：

A1:移动设备M选择自己ID_M，通过秘密通道发送给服务器R；

A2:服务器生成密钥x_M,然后计算VID_M＝h(ID_M||x_M||x)，并且存储[VID_M，ID_M，x_M],服务器通过秘密通道发送[VID_M，x_M，h(x)]给移动设备；

A3:移动设备收到并存储[VID_M，x_M，h(x)]；

B、认证和密钥协商阶段,假设两个合法注册的移动设备M₁和M₂想要通过服务器相互认证并且建立共享密钥，具体步骤如下：

B1:移动设备M₁生成随机数n_M1和r_M1,并且计算

H₁＝h(x_M1||VID_M1||V₁||n_M1)，然后发送m₁＝{VID_M1，V₁，H₁，n_M1}给移动设备；

B2:M₂接收信息m₁然后生成随机数n_M2和r_M2，并计算H₂＝h(x_M2||VID_M2||n_m2)，最后发送m₂＝{VID_M1，VID_M2，V₁，H₁，H₂，n_M1，n_M2}给服务器R；

B3:当服务器接收到信息m₂，服务器检查H₁,如果验证不通过，则终止协议，否则计算r_M1，并且验证H₂，如果验证不通过，则终止协议；否则生成x′_M1，x′_M2，n_R，并且计算VID′_M1＝h(ID_M1||x′_M1||x)，

VID′_M2＝h(ID_M2||x′_M2||x)，

H₃＝h(x_M2||VID′_M1||VID′_M2||V_M1||V_M2||V₂||n_R)，并且更新[VID′_M1，ID_M1，x′_M1]和[VID′_M2，ID_M2，x′_M2]，最后发送信息m₃＝{VID′_M1，VID′_M2，V_M1，V_M2，H₃，V₂，n_R}给移动设备M₂；

B4:移动设备M₂接收到信息m₃之后，首先检查H₃,如果验证不通过则终止协议，否则计算

并且更新数据，再计算

生成r_M2，计算SK＝h(h(x)||r_M1||r_M2||VID′_M1||VID′_M2)，

V₄＝h(SK||n_M1)，H₄＝h(r_M1||VID′_M1||V_M1||V₃||V₄||n_M2||n_R，最后发送消息m₄＝{VID′_M1，V_M1，V₃，V₄，H₄，n_M2，n_R}给M₁；

B5:当M₁收到消息m₄以后，首先检查H₄,如果验证不通过，则终止协议，否则计算

并更新[VID′_M1，x′_M1，h(x)]，再计算

SK＝h(h(x)||r_M1||r_M2||VID′_M1||VID′_M2)，并检查V₄，如果验证不通过则终止协议，否则计算V₅＝h(SK||n_M2)，然后发送信息m₅＝{V₅}给M₂；

B6:当M₂收到信息m₅以后，检查V₅，如果验证不通过，则终止协议，否则协议执行完成，M₁和M₂之间建立了共享密钥SK；

在上述步骤A到B中，各符号代表含义为：M为合法移动用户；R为可信任的服务器；ID_M为用户的身份信息；x_M为用户与服务器共享的私密信息；h(x)为x的哈希值；SK为会话密钥，r_M和n_M为移动设备生成的随机数,x是只有服务器的自己知道的私密密钥,n_R是随机数。

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