CN107426176B - 一种支持混淆和零知识的安全水下传输方法 - Google Patents

一种支持混淆和零知识的安全水下传输方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种支持混淆和零知识的安全水下传输方法，包括如下步骤：(1)初始化阶段，网关GW生成密钥材料，并将密钥材料分发给水下潜航器A和水下潜航器B；(2)邻居发现阶段，水下潜航器A和水下潜航器B在水下相遇时，两者将生成临时身份并广播；(3)数据传输阶段，发送方先生成双方的一次身份信息，并进行数据加密和签名，然后将相关信息发送到接收方，接收方接收到信息后，先验证自身是否为正确接收方，然后计算发送方的临时身份，并解密和验证收到的数据。本发明方法能够防止敌手探测水下航行器的相关信息或进行计数，解决目前水下无线通信的问题。

Description

一种支持混淆和零知识的安全水下传输方法
技术领域
本发明涉及一种支持混淆和零知识的安全水下传输方法，属于水下无线通信安全技术。
背景技术
在过去几年中，水下无线通信(简称UWC)技术已经广泛应用于各种领域，如国家安全与防御、海底站点收集科学数据、环境污染监测系统、离岸石油工业的遥控和灾难发现与预警。为了确保水下航行器之间的通信安全，需要设计相应的数据传输协议，为传输的信息提供完整性和机密性保护。
无论技术如何实现，UWC系统的典型数据传输协议包括三个实体：网关GW、水下航行器A和水下潜航器B。实际上，这三个实体主要分为两个阶段，即初始化阶段和数据传输阶段。在初始化阶段，网关GW生成并部署水下航行器A和水下潜航器B的密钥材料。在数据传输阶段，水下航行器A将签名并加密的数据发送给水下潜航器B。在这种数据传输协议中，发送的消息不应被对手篡改或解密。否则，UWC系统可能收集不正确的数据，导致错误的决定。
水下数据传输协议的严重问题主要有如下几个方面：
(1)缺乏安全性的基础设施。由于复杂的通信环境和水下航行器有限的资源，不适合部署传统的安全基础设施，如公钥基础设施(简称PKI)和对称密钥分发基础设施。因此，需要使用身份加密(简称IBC)技术来保护传输的数据。通过使用IBC，网关GW从其身份生成并部署水下航行器A和水下潜航器B的密钥材料，而水下航行器A和水下潜航器B只是使用这些密钥材料来保护传输的数据，而无需在数据传输过程中咨询网关GW。不幸的是，目前的水下协议仍然是基于传统的安全基础设施。
(2)可混淆性是水下数据传输协议的另一个严重问题。由于水下无线信道的开放性，恶意敌手很容易得到传输数据中包含的身份，跟踪水下航行器，并对其进行攻击。因此，期望设计具有混杂性的数据传输协议，其中水下航行器使用可变的身份而不是一个固定的身份。通过这样做，攻击者将无法确定具体的航行器信息和数目，然而在目前的水下安全协议中，混淆性特征在很大程度上被忽视。
(3)零知识是水下数据传输协议的第三个严重问题。在水下环境中，当两个航行器相遇时，他们可能彼此不了解，也不能传递他们的真实身份。在这种情况下，航行器必须能够传递消息而不知道彼此的任何信息。
水下无线通信的基于身份的数据传输协议具有可信度和零知识，应当满足以下的要求：(1)混淆：应该保证在发送每条消息时，水下航行器使用一次性身份，通过这样做，敌手将无法跟踪水下航行器或计数；(2)零知识：应该保证，即使水下航空器不知道彼此的任何信息也可以在不暴露自己真实身份的情况下传送信息；(3)保密：应该保证敌手不能在此协议中解密发送的消息；(4)完整性：应该保证敌手不能在本协议中篡改传输的消息；(5)高效率：应保证协议的计算，通信和存储成本都较低。
总之，为水下无线通信设计一个基于身份的数据传输协议是一个非常重要的任务，原因有四个：第一，水下航行器不能暴露任何有关其真实身份的信息；第二，有些时候水下航行器对彼此之间并不了解；第三，水下无线通信要求敌方不能对航行器进行计数；第四，水下环境缺乏实现上述安全目标的基础设施。当前建立在用于密钥管理的安全基础设施上方案可以满足上述要求(3)、(4)和(5)，但要求(1)和(2)被广泛的忽视了。更重要的是，在关注这个研究课题时，我们发现没有加密原语可以直接应用于解决上述所有问题。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种支持混淆和零知识的安全水下数据传输方法，防止敌手探测水下航行器的相关信息或进行计数，解决目前水下无线通信的问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为。
一种支持混淆和零知识的安全水下传输方法，包括如下步骤：
(1)初始化阶段：网关GW生成密钥材料，并将密钥材料分发给水下潜航器A和水下潜航器B
网关GW生成自身私钥skGW、公共密码参数pub、水下潜航器A私钥skA和水下潜航器B私钥skB，并通过预先建立好的安全信道分配给水下潜航器A和水下潜航器B，使得水下潜航器A和水下潜航器B拥有各自的密钥材料；
(2)邻居发现阶段：水下潜航器A和水下潜航器B在水下相遇时，两者将生成临时身份并广播；
(3)数据传输阶段：实现发送方与接收方之间的通信
当水下潜航器A需要向水下潜航器B发送消息M时，水下潜航器A首先基于双方的临时身份计算双方的一次性身份和对应参数，随后基于双方的临时身份生成共享密钥，并对信息M进行签名和加密，最后将签名、加密信息、双方的一次性身份和对应参数发送给水下潜航器B；
当水下潜航器B接收到信息时，首先对接收到的信息进行去混淆，验证自身是否为正确的接收方，并计算发送方的临时身份，随后恢复出共享密钥，并使用验证算法和解密算法来验证并解密接收到的信息，水下潜航器B就接收到了水下潜航器A发送的信息。
有益效果：本发明提供的支持混淆和零知识的安全水下传输方法，基于身份加密技术来代替现有方案中基于传统的安全基础设施，结合双线性映射，使得每个水下航行器均生成临时身份，并在通信过程中采用一次性身份来实现混淆，能够防止敌手探测水下航行器的相关信息或进行计数，同时数据的加密和签名操作保证了数据传送的完整性和加密性，能够有效解决目前水下无线通信的问题。通过分析，该方法符合水下无线通信所要求的安全性目标。
附图说明
图1为本发明的水下无线通信的系统模型。
图2为本发明的实施流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1、图2所示为一种支持混淆和零知识的安全水下传输方法，包括三种实体，分别是网关GW、水下潜航器A和水下潜航器B；该方法包括三个主要阶段，分别是初始化阶段、邻居发现阶段和数据传输阶段。下面就三种实体在三个阶段的实施过程，加以具体说明。
(一)初始化阶段：网关GW生成自身私钥skGW、公共密码参数pub、水下潜航器A私钥skA和水下潜航器B私钥skB，并通过预先建立好的安全信道分配给水下潜航器A和水下潜航器B，使得水下潜航器A和水下潜航器B拥有各自的密钥材料。
步骤(101)：网关GW使用InitSys算法生成自身私钥skGW和公共密码参数pub，该过程描述为{pub,skGW}←InitSys()，具体计算过程如下：
(a1)创建一个双线性映射对e:G×G→GT，其中G为阶数为q的加法群，GT为阶数为q的加法群，g∈G为生成元；
(a2)随机生成私钥skGW∈Zq，计算公钥
Figure BDA0001318771180000041
Zq为0～q的整数集合；
(a3)计算公共密码参数pub＝{G,GT,q,g,pkGW}。
步骤(102)：网关GW使用Gensk算法生成水下潜航器A的私钥skA和水下潜航器B的私钥skB，上述过程的描述及计算过程如下：
Figure BDA0001318771180000042
VA为水下潜航器A的真实身份；
Figure BDA0001318771180000043
VB为水下潜航器B的真实身份。
步骤(103)：在密钥材料生成完成后，网关GW通过预先建立好的安全信道将密钥材料分配给水下潜航器A和水下潜航器B；初始化阶段完成后，网关GW拥有(pub,skGW)，水下潜航器A拥有(VA,skA,pub)，水下潜航器B拥有(VB,skB,pub)。
(二)邻居发现阶段：水下潜航器A和水下潜航器B在水下相遇时，两者将生成临时身份并广播。
水下潜航器A生成一个随机数NA∈Zq，水下潜航器B生成一个随机数NB∈Zq，使用GenTID算法生成水下潜航器A的临时身份TIDA和水下潜航器B的临时身份TIDB；
上述过程的描述及计算过程如下：
Figure BDA0001318771180000044
Figure BDA0001318771180000045
将临时身份广播后，水下潜航器A得到
Figure BDA0001318771180000046
水下潜航器B得到
Figure BDA0001318771180000047
(三)数据传输阶段Ⅰ：当水下潜航器A需要向水下潜航器B发送消息M时，水下潜航器A首先基于双方的临时身份计算双方的一次性身份和对应参数，随后基于双方的临时身份生成共享密钥，并对信息M进行签名和加密，最后将签名、加密信息、双方的一次性身份和对应参数发送给水下潜航器B。
步骤(301)：水下潜航器A使用Confusing算法生成双方的一次性身份OTIA和OTIB和对应参数paraA和paraB；该过程描述为{OTIA,OTIB,paraA,paraB}←Confusing(TIDA,TIDB,pub)，具体计算过程如下：
(b1)生成两个随机数rA,rB∈Zq，计算
(b2)计算
Figure BDA0001318771180000052
(b3)计算paraA＝rA+h0(t)∈Zq，paraB＝rB+h0(t)∈Zq，其中h0:GT→Zq为哈希函数；
步骤(302)：水下潜航器A使用GenkA算法生成共享密钥sk，该过程描述为sk←GenkA(skA,TIDA,TIDB,NA,pub)，
Figure BDA0001318771180000053
步骤(303)：水下潜航器A使用SignM算法对信息M进行签名，该过程描述为σ←SignM(sk,M,pub)，σ＝h3(h0(sk),M)∈Zq，其中h3:Zq→Zq为哈希函数；
步骤(304)：水下潜航器A使用EncM算法对信息M进行加密，，该过程描述为τ←EncM(h0(sk),M,pub)，τ＝h0(sk)+Mmodq；
步骤(305)：水下潜航器A将(τ,σ,OTIA,OTIB,paraA,paraB)发送给水下潜航器B。
(四)数据传输阶段Ⅱ：当水下潜航器B接收到信息时，首先对接收到的信息进行去混淆，验证自身是否为正确的接收方，并计算发送方的临时身份，随后恢复出共享密钥，并使用验证算法和解密算法来验证并解密接收到的信息，水下潜航器B就接收到了水下潜航器A发送的信息。
步骤(401)：水下潜航器B接收到水下潜航器A发送的信息(τ,σ,OTIA,OTIB,paraA,paraB)后，首先使用Deconfusing算法去混淆，验证自身是否为正确的接收方，并计算发送方的临时身份；该过程描述为{TIDA,TIDB}←Deconfusing(skB,NB,OTIA,OTIB,paraA,paraB,pub)，具体计算过程如下：
(d1)计算
Figure BDA0001318771180000054
rA＝paraA-h0(t)，rB＝paraB-h0(t)；
(d2)检查
Figure BDA0001318771180000055
是否成立，若不成立，则终止后续计算，因为该信息不是发送给水下潜航器B的；
步骤(402)：计算得到发送方的临时身份；
步骤(403)：水下潜航器B使用GenkB算法恢复出共享密钥sk，该过程描述为sk←GenkB(skB,NB,TIDA,TIDB,pub)，
步骤(404)：水下潜航器B使用VerM算法对接收信息进行验证，该过程描述为{T,F}←VerM(sk,M,σ,pub)，σ'＝h3(h0(sk),M)∈Zq，判断σ'＝σ是否成立，若成立，则验证正确并返回T，若不成立，则验证失败并返回F；
步骤(405)：水下潜航器B使用DecM算法对接收信息进行解密，该过程描述为M←DecM(sk,τ,pub)，M＝τ-h0(sk)modq，水下潜航器B得到水下潜航器A发送的消息M。
由上可以得知，在初始化阶段中，网关GW并未生成水下航行器的公钥。因此，避免了公钥的证书管理，此外，在数据传输阶段，水下潜航器A和水下潜航器B不需要咨询网关GW来生成共享密钥。因此，本发明适用于缺乏安全基础设施的水下环境。
由上可以得知，在邻居发现阶段，水下航行器生成的临时身份将用于建立后续的数据通信，而其自身的真实信息并未暴露，因此本发明方法具有零知识特征。
由上可以得知，在数据传输阶段，水下潜航器A使用一次性身份来发送数据，并且敌手无法提取真实身份。因而这将对敌手造成混淆，而错误的认为存在许多的水下航行器。水下潜航器A向水下潜航器B发送的将被签名和加密，而敌手无法解密和篡改消息。因此，本发明方法可以为传输的消息提供完整性和机密性保护。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种支持混淆和零知识的安全水下传输方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)初始化阶段：网关GW生成密钥材料，并将密钥材料分发给水下潜航器A和水下潜航器B
网关GW生成自身私钥skGW、公共密码参数pub、水下潜航器A私钥skA和水下潜航器B私钥skB，并通过预先建立好的安全信道分配给水下潜航器A和水下潜航器B，使得水下潜航器A和水下潜航器B拥有各自的密钥材料；
网关GW使用InitSys算法生成自身私钥skGW和公共密码参数pub；该过程描述为{pub,skGW}←InitSys()，具体计算过程如下：
(a1)创建一个双线性映射对e:G×G→GT，其中G为阶数为q的加法群，GT为阶数为q的加法群，g∈G为生成元；
(a2)随机生成私钥skGW∈Zq，计算公钥
Figure FDA0002272800850000011
Zq为0～q的整数集合；
(a3)计算公共密码参数pub＝{G,GT,q,g,pkGW}；
网关GW使用Gensk算法生成水下潜航器A的私钥skA和水下潜航器B的私钥skB；该过程的描述及计算过程如下：
{skA}←Gensk(VA,pub,skGW)：
Figure FDA0002272800850000012
VA为水下潜航器A的真实身份；
{skB}←Gensk(VB,pub,skGW)：
Figure FDA0002272800850000013
VB为水下潜航器B的真实身份；
在密钥材料生成完成后，网关GW通过预先建立好的安全信道将密钥材料分配给水下潜航器A和水下潜航器B；初始化阶段完成后，网关GW拥有(pub,skGW)，水下潜航器A拥有(VA,skA,pub)，水下潜航器B拥有(VB,skB,pub)
(2)邻居发现阶段：水下潜航器A和水下潜航器B在水下相遇时，两者将生成临时身份并广播；
水下潜航器A生成一个随机数NA∈Zq，水下潜航器B生成一个随机数NB∈Zq，使用GenTID算法生成水下潜航器A的临时身份TIDA和水下潜航器B的临时身份TIDB；该过程的描述及计算过程如下：
Figure FDA0002272800850000021
Figure FDA0002272800850000022
将临时身份广播后，水下潜航器A得到
Figure FDA0002272800850000023
水下潜航器B得到
Figure FDA0002272800850000024
(3)数据传输阶段：实现发送方与接收方之间的通信
(31)当水下潜航器A需要向水下潜航器B发送消息M时，水下潜航器A首先基于双方的临时身份计算双方的一次性身份和对应参数，随后基于双方的临时身份生成共享密钥，并对信息M进行签名和加密，最后将签名、加密信息、双方的一次性身份和对应参数发送给水下潜航器B；
水下潜航器A使用Confusing算法生成双方的一次性身份OTIA和OTIB和对应参数paraA和paraB，描述为{OTIA,OTIB,paraA,paraB}←Confusing(TIDA,TIDB,pub)，具体计算过程如下：
(b1)生成两个随机数rA,rB∈Zq，计算
Figure FDA0002272800850000025
(b2)计算
Figure FDA0002272800850000026
(b3)计算paraA＝rA+h0(t)∈Zq，paraB＝rB+h0(t)∈Zq，其中h0:GT→Zq为哈希函数；
水下潜航器A使用GenkA算法生成共享密钥sk，然后使用共享密钥sk、SignM算法和EncM算法对信息M进行签名和加密，信息M的签名记为σ，加密后的信息M记为τ；该过程的描述及计算过程如下：
(c1)sk←GenkA(skA,TIDA,TIDB,NA,pub)：计算
Figure FDA0002272800850000027
(c2)σ←SignM(sk,M,pub)：计算σ＝h3(h0(sk),M)∈Zq，其中h3:Zq→Zq为哈希函数；
(c3)τ←EncM(h0(sk),M,pub)：计算τ＝h0(sk)+Mmodq；
在完成上述计算后，水下潜航器A将(τ,σ,OTIA,OTIB,paraA,paraB)发送给水下潜航器B；
(32)当水下潜航器B接收到信息时，首先对接收到的信息进行去混淆，验证自身是否为正确的接收方，并计算发送方的临时身份，随后恢复出共享密钥，并使用验证算法和解密算法来验证并解密接收到的信息，水下潜航器B就接收到了水下潜航器A发送的信息；
水下潜航器B接收到水下潜航器A发送的信息(τ,σ,OTIA,OTIB,paraA,paraB)后，首先使用Deconfusing算法去混淆，验证自身是否为正确的接收方，并计算发送方的临时身份，描述为{TIDA,TIDB}←Deconfusing(skB,NB,OTIA,OTIB,paraA,paraB,pub)，具体计算过程如下：
(d1)计算
Figure FDA0002272800850000031
rA＝paraA-h0(t)，rB＝paraB-h0(t)；
(d2)检查
Figure FDA0002272800850000032
是否成立，若不成立，则终止后续计算，因为该信息不是发送给水下潜航器B的；
(d3)计算
Figure FDA0002272800850000033
得到发送方的临时身份；
水下潜航器B使用GenkB算法恢复出共享密钥sk，再使用VerM算法和DecM算法对接收信息进行验证与解密；
上述过程的描述及计算过程如下：
(e1)sk←GenkB(skB,NB,TIDA,TIDB,pub)：计算
Figure FDA0002272800850000034
(e2){T,F}←VerM(sk,M,σ,pub)：计算σ'＝h3(h0(sk),M)∈Zq，判断σ'＝σ是否成立，若成立，则验证正确并返回T，若不成立，则验证失败并返回F；
(e3)M←DecM(sk,τ,pub)：计算M＝τ-h0(sk)modq，水下潜航器B得到水下潜航器A发送的消息M。
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