CN110768954B - 适用于5g网络设备的轻量级安全接入认证方法及应用 - Google Patents

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CN110768954B CN201910885958.6A CN201910885958A CN110768954B CN 110768954 B CN110768954 B CN 110768954B CN 201910885958 A CN201910885958 A CN 201910885958A CN 110768954 B CN110768954 B CN 110768954B
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Abstract

本发明属于通信网络安全技术领域，公开了一种适用于5G网络设备的轻量级安全接入认证方法及应用，选择大素数，为所有注册的SN，注册的UE和注册的MD分别选择三个变量，选择两个安全的hash函数，实现系统设置；针对不同实体，完成服务网注册、设备注册；单个UE的接入认证和密钥协商；海量MD群组接入认证和密钥协商。本发明降低了信令成本、通信成本和存储成本。可以有效减少信令开销，避免信令冲突；针对海量MD的LSAA协议中，SN直接通过验证聚合消息验证码则可完成一组MD的认证，有效减少通信以及计算开销。使用扩展的切比雪夫混沌映射，每个MD可与SN安全地协商出不同的会话密钥且耗费较少的开销。

Description

适用于5G网络设备的轻量级安全接入认证方法及应用
技术领域
本发明属于通信网络安全技术领域，尤其涉及一种适用于5G网络设备的轻量级安全接入认证方法及应用。
背景技术
目前，最接近的现有技术：到2020年，第五代(5G)移动通信系统将进入全面商用阶段。移动互动游戏，虚拟现实(VR)和全线图像等新移动服务应用将纳入5G系统的技术要求。此外，业界和学术界也在努力将5G应用的范围从当前的人员通信扩展到更广泛的领域，如人机协作通信，超密集接入物联网(IoT)，车载网络和新工业信息。自2016年以来，3GPP委员会一直在制定5G标准，其目标是超大带宽，高容量，高密度站点和高可靠性，以涵盖新的用例。在未来的5G时代，全球约有50亿人通过移动设备连接到移动网络。此外，由于未来5G网络中对物联网设备或MTC设备(MD)的支持，每平方公里至少100万台设备和总共1000亿台设备将连接到3GPP 5G网络。主要有两种类型的3GPP标准移动设备：普通用户设备(UE)和大规模机器类型通信设备MD。用户，设备和3GPP 5G网络之间的通信受到3GPP工作组所制定的标准化的安全机制的保护。
最重要的安全机制之一是实现相互认证并在设备和网络之间建立不同的会话密钥，以确保后续的安全通信。特别是需要安全、高效的接入认证和密钥协商协议，以确保大规模设备并发连接的通信安全性和数据传输效率。在现有的方案中，有部分方案由于协议设计局限等存在着一些安全漏洞，例如，中间人攻击、重定向攻击、DoS攻击和身份隐私泄露等。除了安全问题之外，当前已有的认证和密钥协商(AKA)机制由于采用了较多的双线性映射操作、模指数操作、点乘操作等等存在着一些性能问题，例如耗费较多的计算开销、通信开销等。由于当前3GPP标准中没有用于大规模设备并发连接的认证协议，因此当大规模MD同时连接到3GPP网络时，每个MD需要执行全过程的标准AKA协议，会产生大量的信令开销和通信开销，导致服务网(SN)节点和家庭网(HN)节点上的严重的信令拥塞。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有的标准AKA机制和现有的相关协议存在中间人攻击、重定向攻击、DoS攻击、身份隐私泄露、耗费较多的计算开销、通信开销。
(2)目前的3GPP标准缺乏大规模的设备认证机制，海量设备同时执行标准AKA协议会产生严重的信令拥塞。
解决上述技术问题的难度：开发一种新的接入认证协议来克服上述漏洞并实现网络与普通UE和大规模MD之间的认证和密钥协议，该协议具有强大的安全性，且同时耗费合理的开销。
解决上述技术问题的意义：针对5G网络中的UE和海量MD，设计一种新的安全、轻量级接入认证协议来满足5G网络中较高的安全需求以及耗费较低认证开销的需求，保证通信的安全性且同时节省通信资源。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种适用于5G网络设备的轻量级安全接入认证方法及应用。
本发明是这样实现的，一种适用于5G网络设备的轻量级安全接入认证方法，所述适用于5G网络设备的轻量级安全接入认证方法包括以下步骤：
第一步，选择大素数，为所有注册的SN，注册的UE和注册的MD分别选择三个变量，选择两个安全的hash函数，实现系统设置；
第二步，针对不同实体，完成服务网注册、设备注册；
第三步，单个UE的接入认证和密钥协商；
第四步，海量MD群组接入认证和密钥协商。
进一步，所述第一步的系统设置具体包括：
(1)选择一个大素数p；
(2)为所有注册的SN，注册的UE和注册的MD分别选择三个变量：Ksn，Kue，Kmd∈(-∞，+∞)；
(3)选择两个安全的hash函数H1,H2:{1，0}*→Zp *；
(4)公开{p,Ksn,Kue,Kmd,H1,H2}。
进一步，所述第二步的注册阶段包括：
(1)服务网SN注册，KGC在离线状态下执行以下过程：
a)每个SN SNj通过安全信道将其唯一标识
Figure BDA0002207302640000031
发送到KGC；
b)KGC收到来自SNj的消息后，为SNj选择一个主密钥sj∈Zp *，然后计算切比雪夫多项式
Figure BDA0002207302640000032
最后，KGC安全地向每个SNj发送
Figure BDA0002207302640000033
和sj；其中，
Figure BDA0002207302640000034
作为SNj的公钥是公开的；
(2)设备注册：
a)用户设备UE注册，每个用户设备UE通过安全信道将其唯一标识
Figure BDA0002207302640000035
发送到KGC；KGC收到后为每个UEi选择一个主密钥ui∈Zp *和变量
Figure BDA0002207302640000036
Figure BDA0002207302640000037
KGC计算切比雪夫多项式
Figure BDA0002207302640000038
KGC将以下信息安全地加载到UEi的智能卡SC中：唯一身份标识
Figure BDA0002207302640000039
Figure BDA00022073026400000310
和ui；在每个UEi成功注册后，对于每个UEi，KGC计算
Figure BDA00022073026400000311
并且将H1
Figure BDA00022073026400000312
发送给每个SN SNj，每个SNj为所有注册成功的UE建立一个数据库；
b)MTC设备MD注册，存在于某个MTC群组中的群成员MDi通过安全信道将其身份标识
Figure BDA00022073026400000313
以及群组标识GID发送给KGC；KGC收到后；首先根据MTC群组成员的综合能力选出MTC群主MDn；然后为MTC群组选择主密钥mg∈Zp *和一个变量
Figure BDA00022073026400000314
然后KGC为每个成员MDi选择一个主密钥mi∈Zp *和一个变量
Figure BDA0002207302640000041
随后，KGC计算切比雪夫多项式
Figure BDA0002207302640000042
和
Figure BDA0002207302640000043
最后，KGC将以下信息安全地加载到MDi的智能卡SC中：唯一身份
Figure BDA0002207302640000044
MTC组标识GID，
Figure BDA0002207302640000045
mg和mi，信息在每个MDi和KGC之间秘密共享；在每个MDi成功注册后，对于每个MDi，KGC计算
Figure BDA0002207302640000046
并且将
Figure BDA0002207302640000047
Figure BDA0002207302640000048
发送给每个SNj；每个SNj为所有注册成功的MTC群组建立一个数据库。
进一步，所述第三步的单个UE的接入认证和密钥协商具体包括：
(1)UEi→SNj：接入认证请求消息
Figure BDA0002207302640000049
UEi接收到SNj广播的公共消息
Figure BDA00022073026400000410
和
Figure BDA00022073026400000411
后发送接入认证请求消息；
(2)SNj→UEi:用户认证请求消息
Figure BDA00022073026400000412
SNj接收到UEi的接入认证请求消息后给UEi发送用户认证请求消息；
(3)UEi→SNj:用户认证响应消息(MAC3)，UEi接收到SNj用户认证请求消息后给SNj发送认证响应消息；
(4)SNj检查所接收的MAC3以确认与UEi建立相同的会话密钥。
进一步，所述UEi→SNj：接入认证请求消息
Figure BDA00022073026400000413
UEi接收到SNj广播的公共消息
Figure BDA00022073026400000414
和
Figure BDA00022073026400000415
后，执行以下步骤：
a)预计算
Figure BDA00022073026400000416
b)选择xi∈Zp *并计算
Figure BDA00022073026400000417
c)计算
Figure BDA00022073026400000418
d)计算
Figure BDA00022073026400000419
e)计算
Figure BDA0002207302640000051
Figure BDA0002207302640000052
f)利用K1做加密运算
Figure BDA0002207302640000053
g)向SNj发送有关参数。
进一步，所述SNj→UEi:用户认证请求消息
Figure BDA0002207302640000054
SNj在接收到UEi的消息后进行下列步骤：
a)计算
Figure BDA0002207302640000055
b)解密
Figure BDA0002207302640000056
c)查看
Figure BDA0002207302640000057
是否存在于它的数据库中；如果存在，查看
Figure BDA0002207302640000058
然后跳到步骤d)；否则，SNj将含有
Figure BDA0002207302640000059
的认证数据请求消息发送给KGC，KGC查看UEi是否已经注册；如果已经注册，KGC就向SNj发送一个包含
Figure BDA00022073026400000510
的认证数据响应消息，然后SNj对该UEi执行上述过程；如果没有注册，则KGC向SNj发送认证数据请求失败消息，然后SNj向UEi发送接入认证请求失败消息；
d)计算
Figure BDA00022073026400000511
e)使用K'2验证MAC1；如果验证成功，则SNj成功验证了UEi，随后跳到步骤f)，否则，向UEi发送接入请求失败的消息；
f)选择yj∈Zp *并计算
Figure BDA00022073026400000512
g)计算
Figure BDA00022073026400000513
h)计算
Figure BDA00022073026400000514
i)计算会话密钥
Figure BDA00022073026400000515
j)将
Figure BDA00022073026400000516
使用K'1加密后发送给UEi。
进一步，所述UEi→SNj:用户认证响应消息(MAC3)，从SNj接收到消息后，UEi执行以下步骤：
a)解密获得
Figure BDA0002207302640000061
b)计算
Figure BDA0002207302640000062
c)通过使用K'3验证MAC2；如果验证成功，则UEi成功认证SNj，然后跳到步骤d)；否则向SNj发送认证请求失败消息；
d)计算会话密钥
Figure BDA0002207302640000063
e)计算
Figure BDA0002207302640000064
然后发送给SNj。
进一步，所述海量MD群组接入认证和密钥协商包括：
(1)MDi→MDn：接入请求消息
Figure BDA0002207302640000065
MTC组中的每个MDi都执行以下步骤：
a)预计算选择
Figure BDA0002207302640000066
和
Figure BDA0002207302640000067
b)选择xi，zi∈Zp *并计算
Figure BDA0002207302640000068
c)计算
Figure BDA0002207302640000069
d)计算
Figure BDA00022073026400000610
Figure BDA00022073026400000611
e)利用
Figure BDA00022073026400000612
加密得到
Figure BDA00022073026400000613
g)向MDn发送相关参数
(2)MDn→SNj：聚合接入请求消息
Figure BDA00022073026400000614
收到来自群组成员的消息后，除了和一般MDi相同的操作外，MDn要计算
Figure BDA00022073026400000615
Figure BDA00022073026400000616
最后要发送带有必要参数的聚合接入请求消息；
(3)SNj→MDi：群组认证请求消息
Figure BDA0002207302640000071
SNj在接收到MDn的消息后执行下列步骤：
a)计算
Figure BDA0002207302640000072
b)解密得到
Figure BDA0002207302640000073
c)检查
Figure BDA0002207302640000074
和GID是否在SNj的数据库中，如果在，查看群组成员关系和
Figure BDA0002207302640000075
然后跳转到d)；否则，SNj将包含
Figure BDA0002207302640000076
和GID的认证数据请求消息发送到KGC；KGC检查该MDi是否已注册，如果是，则KGC将包括
Figure BDA0002207302640000077
的认证数据响应消息发送到SNj，然后SNj执行上面的验证过程；如果未注册，则KGC将认证数据请求失败消息发送给SNj，然后SNj将接入请求失败消息发送给MDi；
d)计算
Figure BDA0002207302640000078
e)计算
Figure BDA0002207302640000079
f)通过使用K'G1和
Figure BDA00022073026400000710
验证MAC1，如果验证成功，SNj认证MTC群组并跳转到g)；否则，向MDi发送接入请求失败消息；
g)选择yj∈Zp *并计算
Figure BDA00022073026400000711
h)计算
Figure BDA00022073026400000712
和
Figure BDA00022073026400000713
i)利用中国剩余定理CRT计算
Figure BDA00022073026400000714
然后得到
Figure BDA00022073026400000715
Figure BDA00022073026400000716
j)计算
Figure BDA00022073026400000717
k)向MDi广播
Figure BDA00022073026400000718
(4)MDi→MDn：用户认证响应消息(MAC3i)，每个MDi收到广播消息后执行如下步骤：
a)解密
Figure BDA0002207302640000081
b)计算
Figure BDA0002207302640000082
和
Figure BDA0002207302640000083
c)利用K'G2和
Figure BDA0002207302640000084
验证
Figure BDA0002207302640000085
如果验证成功，则MDi验证SNj并跳转到d)；否则，将认证请求失败消息发送给SNj；
d)计算
Figure BDA0002207302640000086
e)计算
Figure BDA0002207302640000087
f)将MAC3i发送给SNj；
(5)MDn→SNj：聚合认证响应消息(MAC3)
收到来自群组成员的消息后，MDn将
Figure BDA0002207302640000088
发送给SNj；
(6)SNj检查接收的MAC3以确认与每个MDi建立了相同的会话密钥。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的适用于5G网络设备的轻量级安全接入认证方法的用户终端设备。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述的适用于5G网络设备的轻量级安全接入认证方法的海量机器类通信设备。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明用于UE的LSAA，使用基于扩展切比雪夫混沌映射的通用UE的轻量级安全接入认证(LSAA)协议，实现了UE和SN之间的相互认证和强密钥协商，可实现较强的安全属性，例如PFS/PBS和隐私保护。此外，针对UE的LSAA协议只需要三次信令交互，大大降低了信令成本、通信成本和存储成本。
本发明用于海量MD的LSAA。为了同时处理海量设备的连接，改进了针对一个UE的LSAA，并提出了一种新的针对海量MD的群组接入认证协议；在协议中，通过采用群组机制，可以有效减少信令开销，避免信令冲突。通过采用聚合消息验证码(AMAC)技术，多个消息验证码MAC聚合为一个消息，SN直接通过验证聚合消息验证码则可完成一组MD的认证，有效减少通信以及计算开销。通过使用扩展的切比雪夫混沌映射，每个MD可与SN安全地协商出不同的会话密钥且耗费较少的开销。
此外，本发明在确保安全性的前提下，通过使用中国剩余定理CRT，每个MD都可以以最小化通信和计算成本快速确认SN的合法性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的适用于5G网络设备的轻量级安全接入认证方法流程图。
图2是本发明实施例提供的注册阶段流程图。
图3是本发明实施例提供的UE认证和密钥协商阶段流程图。
图4是本发明实施例提供的海量MD群组接入认证和密钥协商阶段流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种适用于5G网络设备的轻量级安全接入认证方法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的适用于5G网络设备的轻量级安全接入认证方法包括以下步骤：
S101：选择大素数，为所有注册的SN，注册的UE和注册的MD分别选择三个变量，选择两个安全的hash函数，实现系统设置；
S102：针对不同实体，完成服务网注册、设备注册；
S103：单个UE的接入认证和密钥协商；
S104：海量MD群组接入认证和密钥协商。
下面结合附图对本发明的技术方案作详细的描述。
定义1(切比雪夫混沌映射)切比雪夫多项式：Tn(x)＝cos(n·arccos(x))其中x∈[-1，1]，Tn(x)：[-1，1]→[-1，1]。
根据定义1，Tn(x)如下所示。
Tn(x)＝2xTn-1(x)–Tn-2(x)，(n≥2)，其中T0(x)＝1，T1(x)＝x。
切比雪夫多项式具有以下两个重要属性：
定义2(半群性质)：切比雪夫多项式Tn(x)的半群性质定义如下：
Tr(Ts(x))＝cos(r·arc(cos(s·arccos(x))))
＝cos(rs·arccos(x))
＝Trs(x)
其中r和s是正整数且x∈[-1，1]。
定义3(可交换性)：切比雪夫多项式的交换性质：
Tr(Ts(x))＝Ts(Tr(x))。
定义4(增强型切比雪夫多项式)：在区间(-∞，+∞)上定义的增强型切比雪夫多项式的半群属性，其定义如下。
Tr(Ts(x))modp＝Trs(x)＝Ts(Tr(x))modp其中x∈(-∞，+∞)且p是一个大素数。
在多项式时间范围内基于增强的切比雪夫多项式给出以下两个困难问题：
定义5(基于混沌映射的离散对数(CMDL)问题)：给定任何x和y＝Tr(x)modp，通过任何多项式时间有界算法找到整数r是不可行的。
定义6(基于混沌映射的Diffie-Hellman(CMDH)问题)：给定任何x，Tr(x)modp和Ts(x)modp，通过任何多项式时间有界算法计算Trs(x)modp是不可行的。
为了清楚的说明本发明的技术方案，首先界定本发明中技术名词含义：
MD：机器类型通信设备；SN：服务网络；KGC：密钥管理中心；UE：用户设备；CRT:中国剩余定理；AMAC:聚合消息验证码；mMTC:海量机器类型通信；
本发明实施例提供的适用于5G网络设备的轻量级安全接入认证方法具体包括以下步骤：
第一步，选择大素数，为所有注册的SN，注册的UE和注册的MD分别选择三个变量，选择两个安全的hash函数，实现系统设置；
第二步，针对不同实体，完成服务网注册、设备注册；
第三步，单个UE的接入认证和密钥协商；
第四步，海量MD群组接入认证和密钥协商。
在本发明的优选实施例中，第一步的系统设置阶段包括：
密钥生成中心(KGC)执行以下步骤：
(1)选择一个大素数p；
(2)为所有注册的SN，注册的UE和注册的MD分别选择三个变量：Ksn，Kue，Kmd∈(-∞，+∞)；
(3)选择两个安全的hash函数H1,H2:{1，0}*→Zp *；
(4)公开{p,Ksn,Kue,Kmd,H1,H2}。
在本发明的优选实施例中，第二步的注册阶段包括：
针对不同实体，注册阶段包括以下两个过程：
(1)服务网SN注册，KGC在离线状态下执行以下过程：
a)每个SN SNj通过安全信道将其唯一标识
Figure BDA0002207302640000111
发送到KGC；
b)KGC收到来自SNj的消息后，为SNj选择一个主密钥sj∈Zp *，然后计算切比雪夫多项式
Figure BDA0002207302640000112
最后，KGC安全地向每个SNj发送
Figure BDA0002207302640000113
和sj；其中，
Figure BDA0002207302640000114
作为SNj的公钥是公开的；
(2)设备注册：
a)用户设备UE注册，每个用户设备UE通过安全信道将其唯一标识
Figure BDA0002207302640000115
发送到KGC；KGC收到后为每个UEi选择一个主密钥ui∈Zp *和变量
Figure BDA0002207302640000116
Figure BDA0002207302640000117
KGC计算切比雪夫多项式
Figure BDA0002207302640000118
KGC将以下信息安全地加载到UEi的智能卡SC中：唯一身份标识
Figure BDA0002207302640000119
和ui；在每个UEi成功注册后，对于每个UEi，KGC计算
Figure BDA0002207302640000121
并且将
Figure BDA0002207302640000122
Figure BDA0002207302640000123
发送给每个SN SNj，每个SNj为所有注册成功的UE建立一个数据库；
b)MTC设备MD注册，存在于某个MTC群组中的群成员MDi通过安全信道将其身份标识
Figure BDA0002207302640000124
以及群组标识GID发送给KGC；KGC收到后；首先根据MTC群组成员的综合能力选出MTC群主MDn；然后为MTC群组选择主密钥mg∈Zp *和一个变量
Figure BDA0002207302640000125
然后KGC为每个成员MDi选择一个主密钥mi∈Zp *和一个变量
Figure BDA0002207302640000126
随后，KGC计算切比雪夫多项式
Figure BDA0002207302640000127
和
Figure BDA0002207302640000128
最后，KGC将以下信息安全地加载到MDi的智能卡SC中：唯一身份
Figure BDA0002207302640000129
MTC组标识GID，
Figure BDA00022073026400001210
mg和mi，信息在每个MDi和KGC之间秘密共享；在每个MDi成功注册后，对于每个MDi，KGC计算
Figure BDA00022073026400001211
并且将
Figure BDA00022073026400001212
Figure BDA00022073026400001213
发送给每个SNj；每个SNj为所有注册成功的MTC群组建立一个数据库。
在本发明的优选实施例中，第三步的单个UE的接入认证和密钥协商阶段包括：
(1)UEi→SNj：接入认证请求消息
Figure BDA00022073026400001214
UEi接收到SNj广播的公共消息
Figure BDA00022073026400001215
和
Figure BDA00022073026400001216
后发送接入认证请求消息；
(2)SNj→UEi:用户认证请求消息
Figure BDA00022073026400001217
SNj接收到UEi的接入认证请求消息后给UEi发送用户认证请求消息；
(3)UEi→SNj:用户认证响应消息(MAC3)，UEi接收到SNj用户认证请求消息后给SNj发送认证响应消息；
(4)SNj检查所接收的MAC3以确认与UEi建立相同的会话密钥。
在本发明的优选实施例中，所述UEi→SNj：接入认证请求消息
Figure BDA0002207302640000131
UEi接收到SNj广播的公共消息
Figure BDA0002207302640000132
和
Figure BDA0002207302640000133
后，执行以下步骤：
a)预计算
Figure BDA0002207302640000134
b)选择xi∈Zp *并计算
Figure BDA0002207302640000135
c)计算
Figure BDA0002207302640000136
d)计算
Figure BDA0002207302640000137
e)计算
Figure BDA0002207302640000138
Figure BDA0002207302640000139
f)利用K1做加密运算
Figure BDA00022073026400001310
g)向SNj发送有关参数。
在本发明的优选实施例中，所述SNj→UEi:用户认证请求消息
Figure BDA00022073026400001311
SNj在接收到UEi的消息后进行下列步骤：
a)计算
Figure BDA00022073026400001312
b)解密
Figure BDA00022073026400001313
c)查看
Figure BDA00022073026400001314
是否存在于它的数据库中；如果存在，查看
Figure BDA00022073026400001315
然后跳到步骤d)；否则，SNj将含有
Figure BDA00022073026400001316
的认证数据请求消息发送给KGC，KGC查看UEi是否已经注册；如果已经注册，KGC就向SNj发送一个包含
Figure BDA00022073026400001317
的认证数据响应消息，然后SNj对该UEi执行上述过程；如果没有注册，则KGC向SNj发送认证数据请求失败消息，然后SNj向UEi发送接入认证请求失败消息；
d)计算
Figure BDA0002207302640000141
e)使用K'2验证MAC1；如果验证成功，则SNj成功验证了UEi，随后跳到步骤f)，否则，向UEi发送接入请求失败的消息；
f)选择yj∈Zp *并计算
Figure BDA0002207302640000142
g)计算
Figure BDA0002207302640000143
h)计算
Figure BDA0002207302640000144
i)计算会话密钥
Figure BDA0002207302640000145
j)将
Figure BDA0002207302640000146
使用K'1加密后发送给UEi。
在本发明的优选实施例中，所述UEi→SNj:用户认证响应消息(MAC3)，从SNj接收到消息后，UEi执行以下步骤：
a)解密获得
Figure BDA0002207302640000147
b)计算
Figure BDA0002207302640000148
c)通过使用K'3验证MAC2；如果验证成功，则UEi成功认证SNj，然后跳到步骤d)；否则向SNj发送认证请求失败消息；
d)计算会话密钥
Figure BDA0002207302640000149
e)计算
Figure BDA00022073026400001410
然后发送给SNj。
在本发明的优选实施例中，第四步的海量MD群组接入认证和密钥协商阶段包括：(假设MDn是MTC组中的群主)
(1)MDi→MDn：接入请求消息
Figure BDA00022073026400001411
组中的每个MDi都执行以下步骤：
a)预计算选择
Figure BDA00022073026400001412
和
Figure BDA00022073026400001413
b)选择xi，zi∈Zp *并计算
Figure BDA00022073026400001414
c)计算
Figure BDA0002207302640000151
d)计算
Figure BDA0002207302640000152
Figure BDA0002207302640000153
e)利用
Figure BDA0002207302640000154
加密得到
Figure BDA0002207302640000155
g)向MDn发送相关参数
(2)MDn→SNj：聚合接入请求消息
Figure BDA0002207302640000156
收到来自群组成员的消息后，除了和一般MDi相同的操作外，MDn要计算
Figure BDA0002207302640000157
Figure BDA0002207302640000158
最后要发送带有必要参数的聚合接入请求消息；
(3)SNj→MDi：群组认证请求消息
Figure BDA0002207302640000159
SNj在接收到MDn的消息后执行下列步骤：
a)计算
Figure BDA00022073026400001510
b)解密得到
Figure BDA00022073026400001511
c)检查
Figure BDA00022073026400001512
和GID是否在SNj的数据库中，如果在，查看群组成员关系和
Figure BDA00022073026400001513
然后跳转到d)；否则，SNj将包含
Figure BDA00022073026400001514
和GID的认证数据请求消息发送到KGC；KGC检查该MDi是否已注册，如果是，则KGC将包括
Figure BDA00022073026400001515
的认证数据响应消息发送到SNj，然后SNj执行上面的验证过程；如果未注册，则KGC将认证数据请求失败消息发送给SNj，然后SNj将接入请求失败消息发送给MDi；
d)计算
Figure BDA00022073026400001516
e)计算
Figure BDA00022073026400001517
f)通过使用K'G1和
Figure BDA0002207302640000161
验证MAC1，如果验证成功，SNj认证MTC群组并跳转到g)；否则，向MDi发送接入请求失败消息；
g)选择yj∈Zp *并计算
Figure BDA0002207302640000162
h)计算
Figure BDA0002207302640000163
和
Figure BDA0002207302640000164
i)利用中国剩余定理CRT计算
Figure BDA0002207302640000165
然后得到
Figure BDA0002207302640000166
Figure BDA0002207302640000167
j)计算
Figure BDA0002207302640000168
k)向MDi广播
Figure BDA0002207302640000169
(4)MDi→MDn：用户认证响应消息(MAC3i)，每个MDi收到广播消息后执行如下步骤：
a)解密
Figure BDA00022073026400001610
b)计算
Figure BDA00022073026400001611
和
Figure BDA00022073026400001612
c)利用K'G2和
Figure BDA00022073026400001613
验证
Figure BDA00022073026400001614
如果验证成功，则MDi验证SNj并跳转到d)；否则，将认证请求失败消息发送给SNj；
d)计算
Figure BDA00022073026400001615
e)计算
Figure BDA00022073026400001616
f)将MAC3i发送给SNj；
(5)MDn→SNj：聚合认证响应消息(MAC3)
收到来自群组成员的消息后，MDn将
Figure BDA00022073026400001617
发送给SNj；
(6)SNj检查接收的MAC3以确认与每个MDi建立了相同的会话密钥。
下面结合安全性分析对本发明的技术方案作进一步的描述。
第一，相互认证：针对一个UE的LSAA，一方面，SNj通过检查
Figure BDA00022073026400001618
和MAC1来认证UEi。一旦UEi无效，验证就会失败。另一方面，UEi通过验证MAC2来认证SNj，因为指定的SNj才能派生出
Figure BDA00022073026400001619
和相应的
Figure BDA0002207302640000171
对于大规模MD的LSAA，一方面，SNj通过检查
Figure BDA0002207302640000172
和验证聚合MAC1对MTC组进行认证。一旦有一个无效的MDi，验证就会失败。另一方面，每个MDi通过验证S来信任SNj，因为只有指定的SNj才能获得
Figure BDA0002207302640000173
和随机值zi，并进一步推导出有效值S。
第二，安全地协商会话密钥：对于UE的LSAA，在进行相互认证之后，UEi和SNj根据秘密值
Figure BDA0002207302640000174
协商出不同的会话密钥，而且这些秘密值的计算基于CMDH问题。任何没有(ui,xi)或(sj,yj)的敌手都无法计算出SKij。对于大规模MDs的LSAA，在进行相互认证后，MTC组中的每个MDi和SNj根据秘密值
Figure BDA0002207302640000175
协商一个不同的会话密钥，而这些数值的计算基于CMDH问题。如果没有相应的(mi,mg,xi)或(sj,yj)，敌手计算SKij是不可行的。
第三，身份匿名性：对于UE的LSAA，UEi用K1加密身份
Figure BDA0002207302640000176
仅由UEi和指定的SNj持有。因此，任何敌手都无法获得
Figure BDA0002207302640000177
对于大规模MD的LSAA，每个MDi用KM1i加密它的身份
Figure BDA0002207302640000178
和组身份GID，这些数据只在MDi和指定的SNj间共享。因此，任何敌手都无法获得
Figure BDA0002207302640000179
和GID。
第四，不可链接性：在本发明的LSAA中，每个加密消息E1i或E1随着随机数xi而变化。因此，任何敌手都无法区分任意两条消息是否来自同一MDi或UEi。
第五，完美前向/后向保密性(PFS/PBS)：对于UE的LSAA，根据计算
Figure BDA00022073026400001710
这些参数得出会话密钥SKij，其中xi和yj分别是MDi和SNj的秘密值。即使ui和sj这些秘密值都被泄露，由于CMDH和CMDL问题，敌手也无法获得
Figure BDA00022073026400001711
因此，针对UE的LSAA可以满足PFS/PBS。对于大规模MD的LSAA，通信双方根据秘密值
Figure BDA00022073026400001712
计算会话密钥SKij，其中xi和yj是分别是MDi和SNj的秘密值。即使mi,mg和sj这些秘密值都被泄露，敌手也无法获得
Figure BDA0002207302640000181
因此，用于大规模MD的LSAA可以实现PFS/PBS。
第六，抵抗多种协议攻击：对于UE的LSAA，可以使用随机数xi和yj来抵抗重放攻击。由于成功实现了UEi和SNj之间的相互认证和密钥协商，因此对手不可能伪装为合法的UEi和SNj来欺骗SNj或UEi或者发起MitM攻击。此外，由于这些重要消息都使用参数K1加密，并且由于CMDH问题攻击者无法导出K1，因此本发明可以抵御窃听攻击。对于大规模MD的LSAA，可以使用随机数xi和yj来抵抗重放攻击。由于完成了MTC组与SNj之间的相互认证和密钥协商，任何没有长期密钥或会话密钥的敌手都无法伪装合法的MDi/SNj来欺骗SNj/MDi或发起MitM攻击。此外，任何没有xi或sj的敌手都不可能计算参数KM1i，任何没有mg或sj的敌手都无法计算出参数KG1'。因此，任何敌手都不可能进行窃听攻击，因为这些秘密值是通过KM1i或KG1'加密的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种适用于5G网络设备的轻量级安全接入认证方法，其特征在于，所述适用于5G网络设备的轻量级安全接入认证方法包括以下步骤：
第一步，选择大素数，为所有注册的SN，注册的UE和注册的MD分别选择三个变量，选择两个安全的hash函数，实现系统设置；
第二步，针对不同实体，完成服务网注册、设备注册；
第三步，单个UE的接入认证和密钥协商；
第四步，海量MD群组接入认证和密钥协商；
所述第一步的系统设置具体包括：
(1)选择一个大素数p；
(2)为所有注册的SN，注册的UE和注册的MD分别选择三个变量：Ksn，Kue，Kmd∈(-∞，+∞)；
(3)选择两个安全的hash函数H1,H2:{1，0}*→Zp *；
(4)公开{p,Ksn,Kue,Kmd,H1,H2}；
所述第二步的注册阶段包括：
(1)服务网SN注册，KGC在离线状态下执行以下过程：
a)每个SNSNj通过安全信道将其唯一标识
Figure FDA0003128841700000011
发送到KGC；
b)KGC收到来自SNj的消息后，为SNj选择一个主密钥sj∈Zp *，然后计算切比雪夫多项式
Figure FDA0003128841700000012
最后，KGC安全地向每个SNj发送
Figure FDA0003128841700000013
和sj；其中，
Figure FDA0003128841700000014
作为SNj的公钥是公开的；
(2)设备注册：
a)用户设备UE注册，每个用户设备UE通过安全信道将其唯一标识
Figure FDA0003128841700000015
发送到KGC；KGC收到后为每个UEi选择一个主密钥ui∈Zp *和变量
Figure FDA0003128841700000016
Figure FDA0003128841700000017
KGC计算切比雪夫多项式
Figure FDA0003128841700000018
KGC将以下信息安全地加载到UEi的智能卡SC中：唯一身份标识
Figure FDA0003128841700000019
Figure FDA00031288417000000110
和ui；在每个UEi成功注册后，对于每个UEi，KGC计算
Figure FDA0003128841700000021
并且将H1
Figure FDA0003128841700000022
发送给每个SNSNj，每个SNj为所有注册成功的UE建立一个数据库；
b)MTC设备MD注册，存在于某个MTC群组中的群成员MDi通过安全信道将其身份标识
Figure FDA0003128841700000023
以及群组标识GID发送给KGC；KGC收到后；首先根据MTC群组成员的综合能力选出MTC群主MDn；然后为MTC群组选择主密钥mg∈Zp *和一个变量
Figure FDA0003128841700000024
然后KGC为每个成员MDi选择一个主密钥mi∈Zp *和一个变量
Figure FDA0003128841700000025
随后，KGC计算切比雪夫多项式
Figure FDA0003128841700000026
和
Figure FDA0003128841700000027
最后，KGC将以下信息安全地加载到MDi的智能卡SC中：唯一身份
Figure FDA0003128841700000028
MTC组标识GID，
Figure FDA0003128841700000029
mg和mi，信息在每个MDi和KGC之间秘密共享；在每个MDi成功注册后，对于每个MDi，KGC计算
Figure FDA00031288417000000210
并且将
Figure FDA00031288417000000211
Figure FDA00031288417000000212
发送给每个SNj；每个SNj为所有注册成功的MTC群组建立一个数据库；
所述第三步的单个UE的接入认证和密钥协商具体包括：
(1)
Figure FDA00031288417000000217
接入认证请求消息
Figure FDA00031288417000000213
UEi接收到SNj广播的公共消息
Figure FDA00031288417000000214
和
Figure FDA00031288417000000215
后发送接入认证请求消息；
(2)
Figure FDA00031288417000000218
用户认证请求消息
Figure FDA00031288417000000216
SNj接收到UEi的接入认证请求消息后给UEi发送用户认证请求消息；
(3)
Figure FDA00031288417000000219
用户认证响应消息(MAC3)，UEi接收到SNj用户认证请求消息后给SNj发送认证响应消息；
(4)SNj检查所接收的MAC3以确认与UEi建立相同的会话密钥；
所述
Figure FDA00031288417000000319
接入认证请求消息
Figure FDA0003128841700000031
UEi接收到SNj广播的公共消息
Figure FDA0003128841700000032
和
Figure FDA0003128841700000033
后，执行以下步骤：
a)预计算
Figure FDA0003128841700000034
b)选择xi∈Zp *并计算
Figure FDA0003128841700000035
c)计算
Figure FDA0003128841700000036
d)计算
Figure FDA0003128841700000037
e)计算
Figure FDA0003128841700000038
f)利用K1做加密运算
Figure FDA0003128841700000039
g)向SNj发送有关参数；
所述
Figure FDA00031288417000000320
用户认证请求消息
Figure FDA00031288417000000310
SNj在接收到UEi的消息后进行下列步骤：
a)计算
Figure FDA00031288417000000311
b)解密
Figure FDA00031288417000000312
Figure FDA00031288417000000313
c)查看
Figure FDA00031288417000000314
是否存在于它的数据库中；如果存在，查看
Figure FDA00031288417000000315
然后跳到步骤d)；否则，SNj将含有
Figure FDA00031288417000000316
的认证数据请求消息发送给KGC，KGC查看UEi是否已经注册；如果已经注册，KGC就向SNj发送一个包含
Figure FDA00031288417000000317
的认证数据响应消息，然后SNj对该UEi执行上述过程；如果没有注册，则KGC向SNj发送认证数据请求失败消息，然后SNj向UEi发送接入认证请求失败消息；
d)计算
Figure FDA00031288417000000318
e)使用K'2验证MAC1；如果验证成功，则SNj成功验证了UEi，随后跳到步骤f)，否则，向UEi发送接入请求失败的消息；
f)选择yj∈Zp *并计算
Figure FDA0003128841700000041
g)计算
Figure FDA0003128841700000042
h)计算
Figure FDA0003128841700000043
i)计算会话密钥
Figure FDA0003128841700000044
j)将
Figure FDA0003128841700000045
使用K'1加密后发送给UEi；
所述
Figure FDA00031288417000000419
用户认证响应消息(MAC3)，从SNj接收到消息后，UEi执行以下步骤：
a)解密获得
Figure FDA0003128841700000046
b)计算
Figure FDA0003128841700000047
c)通过使用K'3验证MAC2；如果验证成功，则UEi成功认证SNj，然后跳到步骤d)；否则向SNj发送认证请求失败消息；
d)计算会话密钥
Figure FDA0003128841700000048
e)计算
Figure FDA0003128841700000049
然后发送给SNj；
所述海量MD群组接入认证和密钥协商包括：
(1)
Figure FDA00031288417000000418
接入请求消息
Figure FDA00031288417000000410
MTC组中的每个MDi都执行以下步骤：
a)预计算选择
Figure FDA00031288417000000411
和
Figure FDA00031288417000000412
b)选择xi，zi∈Zp *并计算
Figure FDA00031288417000000413
c)计算
Figure FDA00031288417000000414
d)计算
Figure FDA00031288417000000415
Figure FDA00031288417000000416
e)利用
Figure FDA00031288417000000417
加密得到
Figure FDA0003128841700000051
g)向MDn发送相关参数
(2)
Figure FDA00031288417000000519
聚合接入请求消息
Figure FDA0003128841700000052
收到来自群组成员的消息后，除了和一般MDi相同的操作外，MDn要计算
Figure FDA0003128841700000053
Figure FDA0003128841700000054
最后要发送带有必要参数的聚合接入请求消息；
(3)
Figure FDA00031288417000000518
群组认证请求消息
Figure FDA0003128841700000055
SNj在接收到MDn的消息后执行下列步骤：
a)计算
Figure FDA0003128841700000056
b)解密得到
Figure FDA0003128841700000057
c)检查
Figure FDA0003128841700000058
和GID是否在SNj的数据库中，如果在，查看群组成员关系和
Figure FDA0003128841700000059
然后跳转到d)；否则，SNj将包含
Figure FDA00031288417000000510
和GID的认证数据请求消息发送到KGC；KGC检查该MDi是否已注册，如果是，则KGC将包括
Figure FDA00031288417000000511
的认证数据响应消息发送到SNj，然后SNj执行上面的验证过程；如果未注册，则KGC将认证数据请求失败消息发送给SNj，然后SNj将接入请求失败消息发送给MDi；
d)计算
Figure FDA00031288417000000512
e)计算
Figure FDA00031288417000000513
f)通过使用K'G1和
Figure FDA00031288417000000514
验证MAC1，如果验证成功，SNj认证MTC群组并跳转到g)；否则，向MDi发送接入请求失败消息；
g)选择yj∈Zp *并计算
Figure FDA00031288417000000515
h)计算
Figure FDA00031288417000000516
和
Figure FDA00031288417000000517
i)利用中国剩余定理CRT计算
Figure FDA0003128841700000062
然后得到
Figure FDA0003128841700000063
Figure FDA0003128841700000064
j)计算
Figure FDA0003128841700000065
k)向MDi广播
Figure FDA0003128841700000066
(4)
Figure FDA00031288417000000615
用户认证响应消息(MAC3i)，每个MDi收到广播消息后执行如下步骤：
a)解密
Figure FDA0003128841700000067
b)计算
Figure FDA0003128841700000068
和
Figure FDA0003128841700000069
c)利用K'G2和
Figure FDA00031288417000000610
验证
Figure FDA00031288417000000611
如果验证成功，则MDi验证SNj并跳转到d)；否则，将认证请求失败消息发送给SNj；
d)计算
Figure FDA00031288417000000612
e)计算
Figure FDA00031288417000000613
f)将MAC3i发送给SNj；
(5)
Figure FDA00031288417000000616
聚合认证响应消息(MAC3)
收到来自群组成员的消息后，MDn将
Figure FDA00031288417000000614
发送给SNj；
(6)SNj检查接收的MAC3以确认与每个MDi建立了相同的会话密钥。
2.一种应用如权利要求1所述的适用于5G网络设备的轻量级安全接入认证方法的用户终端设备。
3.一种应用如权利要求1所述的适用于5G网络设备的轻量级安全接入认证方法的海量机器类通信设备。
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