CN111740965A - 一种基于物理不可克隆方程的物联网设备认证方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于物理不可克隆方程的物联网设备认证方法，包括，设备注册阶段，服务器端给设备分配id和k，设备生成的随机地址序列，选定其bank k中的一个随机模块，将随机模块里的数据发送至服务器端数据库进行同步。更新地址选区阶段，服务器向设备发送新的k’，设备选中bank k’里的一个随机地址块，并将新的随机地址块里的数据加密发送至服务器端数据库进行同步。双向认证阶段，分别在设备和服务器端生成随机地址，从设备端和服务器端同步的存储模块中分别取出指定随机地址的对应存储数据进行比较认证。本发明具有保证设备的唯一性、设备和服务器进行双向认证的多重安全性，减少认证过程传输的数据量等优势。

Description

一种基于物理不可克隆方程的物联网设备认证方法
技术领域
本发明涉及一种基于物理不可克隆方程的物联网设备认证方法，属于身份认证领域。
背景技术
伴随社会及科学技术的高速发展，物联网应用的大规模产生带来终端设备数量剧增，而目前物联网终端设备安全防护措施不足，极易被克隆仿造，成为攻击点，导致物联网存在的安全风险要远大于传统互联网的安全风险。
同时在传统的双向认证中，密钥传递是通过明文进行的，易被处于“终端设备”和“服务器”通信线路之中的攻击者获取密钥进行攻击。如果采用认证双方具有某些“私密的共享信息”进行身份认证，从而建立信任，有可能因为终端设备或服务器中的一方被攻击者攻破，而“私密的共享信息”被获取。
因为物联网中大量的终端设备需要进行消息传送，物联网中的网络资源显得十分宝贵。通常认证方要获取一个n位的respond就要被认证方传输n位的challenge，而为了实现足够可靠的认证，要求要生成足够多的respond进行认证，这会导致传输的数据量很大，需要占用大量的网络资源。
发明内容
为了克服现有技术的缺点和不足，本发明公开了一种基于物理不可克隆方程的物联网设备认证方法，保证设备的唯一性、提高设备和服务器进行双向认证的多重安全性，并减少认证过程传输的数据量。
本发明中主要采用的技术方案为：
一种基于物理不可克隆方程的物联网设备认证方法，包括设备注册阶段、更新地址选区阶段和双向认证阶段，
所述设备注册阶段包括：
S1-1：服务器端发送u和所选用的地址选区序号k给设备端，其中k是用于选定设备端RAM存储模块中的bank k；
S1-2：设备端利用u对应产生其id号，同时利用真随机数发生器I生成行数Nr、列数Nc的随机地址矩阵RAM(k)；
S1-3：选定设备端RAM存储模块中的bank k中随机地址矩阵RAM(k)对应的随机模块，将随机模块里的存储数据R发送至服务器端的数据库DB进行同步存储；
所述更新地址选区阶段包括：
S2-1：服务器端发起更新，指定一个新的地址选区序号k’传送给设备端；
S2-2：设备端利用真随机数发生器I生成行数Nr、列数Nc的随机地址矩阵RAM(k’)；
S2-3：根据步骤S2-1服务器端指定的k’和步骤S2-2生成的随机地址矩阵RAM(k’)选定RAM存储模块中的bank k’的一个随机模块，将该随机模块中的存储内容R’和上一次双方同步的存储内容R进行异或加密得到密文，将密文送至服务器端；
S2-4：服务器端收到密文后与数据库DB中的存储数据R进行异或解密，得到R’，以更新服务器端数据库DB中的存储内容；
所述双向认证阶段包括：设备主动向服务器发送其id号，服务器端验证此设备已注册后，开启双向认证；被认证方从其同步的存储模块中随机选中地址序列为C的数据Data，将C和Data进行加密后传送至认证方；认证方收到数据，解密得到C’和Data，根据地址序列C’,从认证方的同步的存储模块中取出对应的数据Data’；将被认证方传送的数据Data和认证方从其存储模块中取出的Data’进行匹配比较，如果在误差允许的范围内匹配，则认为被认证方的存储模块中的数据与认证方的存储模块中的数据是同步的，被认证方被证明是安全可靠的。
优选地，所述的设备端采用基于物理不可克隆方程PUF的硬件电路，利用其上电后初始值呈现出一定的随机性，使得每一个设备的存储模块都具有唯一性和不可克隆性。
优选地，所述双向认证阶段的具体步骤如下：
S3-1：设备利用真随机数发生器I产生n位随机地址Cd，将n位的随机地址Cd作为线性移位寄存器I的seed，利用RAM(k,LFSR(Cd))从设备端RAM存储模块中取出2n-1组的数据Rd；利用Cd⊕Rd＝a将数据Rd进行异或加密得到a，并利用RAM(k,LFSR(a))从设备端RAM存储模块的bank k中取出服务器端密钥K’s，将a和设备id发送给服务器端；
S3-2：服务器端收到设备的id后，根据id判断此设备是否已经注册，若确认设备已注册，则继续双向认证，否则终止认证；
S3-3：服务器利用真随机数发生器II产生n位随机地址Cs，将n位的随机地址Cs作为线性移位寄存器II的seed，利用DBid(k,LFSR(Cs))从服务器的存储模块数据库DB中取出2n-1组的数据Rs；利用Cs⊕Rs＝b将数据Rs进行异或加密得到b，并利用DBid(k,LFSR(b))从服务器的数据库DB中取出设备端密钥K’d，将b发送给设备端；
S3-4：服务器端利用接收到的a根据DBid(k,LFSR(a))从服务器端的数据库DB中产生对应密钥Ks；利用Ks⊕Cs＝e将地址序列Cs用密钥Ks进行异或加密得到e，将数据e发送给设备端；
S3-5：设备利用步骤S3-2产生的密钥K’s对e进行异或解密得到地址C’s，即K’s⊕e＝C’s，从设备端RAM存储模块的bank k取出地址C’s对应的数据R’s，计算R’s与(C’s⊕b)之间的汉明距离fhd(R’s，C’s⊕b)，如果结果小于误差值τ，则证明服务器是安全可靠的，否则，终止认证，双向认证失败；
S3-6：设备端利用接收到的b根据RAM(k,LFSR(b))从设备端RAM存储模块的bank k中产生对应密钥Kd，利用Kd⊕Cd＝f将地址序列Cd用密钥Kd进行异或加密得到f，将数据f发送给服务器端；
S3-7：设备利用步骤S3-3产生的密钥K’d对f进行异或解密得到地址C’d，即K’d⊕f＝C’d，从服务器的数据库DB中取出地址C’d对应的数据R’d，计算R’d与(C’d⊕a)之间的汉明距离fhd(R’d，C’d⊕a)，如果结果小于误差值τ，则证明设备是安全可靠的，双向认证成功；否则认证失败，双向认证失败；
优选地，权利要求1-3所述的认证方法采用的认证设备包括设备端和服务器端，其中，所述设备端包括认证模块I、通信模块和PUF硬件电路，所述认证模块I中包括了线性反馈位移寄存器I和真随机数发生器I，所述PUF硬件电路中包括RAM存储模块，且RAM存储模块由若干个bank存储区块组成，认证模块I会产生随机地址序列传入PUF硬件电路中，PUF硬件电路中的RAM存储模块根据地址从其存储区块bank中取出所存储的数据送至认证模块I，所述服务器端包括认证模块II、网络接入网关和数据库DB，所述认证模块II包括线性反馈位移寄存器II和真随机数发生器II；所述数据库DB中记录设备id号、当前存储区块的地址选区序号、当前双方同步的数据，所述认证模块II将产生的随机地址序列通过网络接入网关传入数据库DB中，所述数据库DB中取出对应地址所存储的数据，通过加密或解密，将数据由网络接入网关通过通信模块与设备端进行交互。
有益效果：本发明提供一种基于物理不可克隆方程的物联网设备认证方法，具有如下优点：
1、本发明使用基于物理不可克隆方程(PUF)的硬件电路，为每一枚终端设备的芯片的存储模块产生唯一的、不可克隆的存储数据。
2、本发明采用更新认证双方存储模块内容的方式、从认证双方同步的存储模块中获取密钥的方式、数据进行加密传输的方式等，多重保障了认证双方通信的安全性。
3、本发明采用线性移位寄存器LFSR，用n位的challenge就可产生2n-1位的respond，极大减少了传输的数据量。
附图说明
图1是本发明的结构图；
图2是本发明的设备注册阶段的示意图；
图3是本发明的更新地址选区阶段数据加密的示意图；
图4是本发明的双向认证阶段的流程图；
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。
一种基于物理不可克隆方程的物联网设备认证方法，包括设备注册阶段、更新地址选区阶段和双向认证阶段，
如图2所示，所述设备注册阶段包括：
S1-1：服务器端发送u和所选用的地址选区序号k给设备端，其中k是用于选定设备端RAM存储模块中的bank k；
S1-2：设备端利用u对应产生其id号，同时利用真随机数发生器I生成行数Nr、列数Nc的随机地址矩阵RAM(k)；
S1-3：选定设备端RAM存储模块中的bank k中随机地址矩阵RAM(k)对应的随机模块，将随机模块里的存储数据R发送至服务器端的数据库DB进行同步存储；
所述更新地址选区阶段包括：
S2-1：服务器端发起更新，指定一个新的地址选区序号k’传送给设备端；
S2-2：设备端利用真随机数发生器I生成行数Nr、列数Nc的随机地址矩阵RAM(k’)；
S2-3：根据步骤S2-1服务器端指定的k’和步骤S2-2生成的随机地址矩阵RAM(k’)选定RAM存储模块中的bank k’的一个随机模块，将该随机模块中的存储内容R’和上一次双方同步的存储内容R进行异或加密得到密文，如图3所示为更新密钥加密过程，将密文送至服务器端；
S2-4：服务器端收到密文后与数据库DB中的存储数据R进行异或解密，得到R’，以更新服务器端数据库DB中的存储内容；
所述双向认证阶段包括：设备主动向服务器发送其id号，服务器端验证此设备已注册后，开启双向认证；被认证方从其同步的存储模块中随机选中地址序列为C的数据Data，将C和Data进行加密后传送至认证方；认证方收到数据，解密得到C’和Data，根据地址序列C’,从认证方的同步的存储模块中取出对应的数据Data’；将被认证方传送的数据Data和认证方从其存储模块中取出的Data’进行匹配比较，如果在误差允许的范围内匹配，则认为被认证方的存储模块中的数据与认证方的存储模块中的数据是同步的，被认证方被证明是安全可靠的。
优选地，所述的设备端采用基于物理不可克隆方程PUF的硬件电路，利用其上电后初始值呈现出一定的随机性，使得每一个设备的存储模块都具有唯一性和不可克隆性。
优选地，如图4所示，所述双向认证阶段的具体步骤如下：
S3-1：设备利用真随机数发生器I产生n位随机地址Cd，将n位的随机地址Cd作为线性移位寄存器I的seed，利用RAM(k,LFSR(Cd))从设备端RAM存储模块中取出2n-1组的数据Rd；利用Cd⊕Rd＝a将数据Rd进行异或加密得到a，并利用RAM(k,LFSR(a))从设备端RAM存储模块的bank k中取出服务器端密钥K’s，将a和设备id发送给服务器端；
S3-2：服务器端收到设备的id后，根据id判断此设备是否已经注册，若确认设备已注册，则继续双向认证，否则终止认证；
S3-3：服务器利用真随机数发生器II产生n位随机地址Cs，将n位的随机地址Cs作为线性移位寄存器II的seed，利用DBid(k,LFSR(Cs))从服务器的存储模块数据库DB中取出2n-1组的数据Rs；利用Cs⊕Rs＝b将数据Rs进行异或加密得到b，并利用DBid(k,LFSR(b))从服务器的数据库DB中取出设备端密钥K’d，将b发送给设备端；
S3-4：服务器端利用接收到的a根据DBid(k,LFSR(a))从服务器端的数据库DB中产生对应密钥Ks；利用Ks⊕Cs＝e将地址序列Cs用密钥Ks进行异或加密得到e，将数据e发送给设备端；
S3-5：设备利用步骤S3-2产生的密钥K’s对e进行异或解密得到地址C’s，即K’s⊕e＝C’s，从设备端RAM存储模块的bank k取出地址C’s对应的数据R’s，计算R’s与(C’s⊕b)之间的汉明距离fhd(R’s，C’s⊕b)，如果结果小于误差值τ，则证明服务器是安全可靠的，否则，终止认证，双向认证失败；
S3-6：设备端利用接收到的b根据RAM(k,LFSR(b))从设备端RAM存储模块的bank k中产生对应密钥Kd，利用Kd⊕Cd＝f将地址序列Cd用密钥Kd进行异或加密得到f，将数据f发送给服务器端；
S3-7：设备利用步骤S3-3产生的密钥K’d对f进行异或解密得到地址C’d，即K’d⊕f＝C’d，从服务器的数据库DB中取出地址C’d对应的数据R’d，计算R’d与(C’d⊕a)之间的汉明距离fhd(R’d，C’d⊕a)，如果结果小于误差值τ，则证明设备是安全可靠的，双向认证成功；否则认证失败，双向认证失败；
优选地，如图1所示，采用的认证设备包括设备端和服务器端，其中，所述设备端包括认证模块I、通信模块和PUF硬件电路，所述认证模块I中包括了线性反馈位移寄存器I和真随机数发生器I，所述PUF硬件电路中包括RAM存储模块，且RAM存储模块由若干个bank存储区块组成，认证模块I会产生随机地址序列传入PUF硬件电路中，PUF硬件电路中的RAM存储模块根据地址从其存储区块bank中取出所存储的数据送至认证模块I，所述服务器端包括认证模块II、网络接入网关和数据库DB，所述认证模块II包括线性反馈位移寄存器II和真随机数发生器II；所述数据库DB中记录设备id号、当前存储区块的地址选区序号、当前双方同步的数据，所述认证模块II将产生的随机地址序列通过网络接入网关传入数据库DB中，所述数据库DB中取出对应地址所存储的数据，通过加密或解密，将数据由网络接入网关通过通信模块与设备端进行交互。本发明中，网络接入网关接收来自设备端传来的数据，并将数据传至认证模块II。同时，认证模块II也会将生成的数据通过网络接入网关传送至设备。认证模块II将产生的随机地址序列传入数据库DB中，数据库DB根据地址从中取出所存储的数据送至认证模块II。
本发明中，设备端的存储模块是RAM，bank k为RAM中的一块存储区块。服务器端放入存储模块是即数据库DB。两端用的存储模块类型不同,但存储数据相同。
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 (4)

1.一种基于物理不可克隆方程的物联网设备认证方法，包括设备注册阶段、更新地址选区阶段和双向认证阶段，其特征在于：
所述设备注册阶段包括：
S1-1：服务器端发送u和所选用的地址选区序号k给设备端，其中k是用于选定设备端RAM存储模块中的bank k；
S1-2：设备端利用u对应产生其id号，同时利用真随机数发生器I生成行数Nr、列数Nc的随机地址矩阵RAM(k)；
S1-3：选定设备端RAM存储模块中的bank k中随机地址矩阵RAM(k)对应的随机模块，将随机模块里的存储数据R发送至服务器端的数据库DB进行同步存储；所述更新地址选区阶段包括：
S2-1：服务器端发起更新，指定一个新的地址选区序号k’传送给设备端；
S2-2：设备端利用真随机数发生器I生成行数Nr、列数Nc的随机地址矩阵RAM(k’)；
S2-3：根据步骤S2-1服务器端指定的k’和步骤S2-2生成的随机地址矩阵RAM(k’)选定RAM存储模块中的bank k’的一个随机模块，将该随机模块中的存储内容R’和上一次双方同步的存储内容R进行异或加密得到密文，将密文送至服务器端；
S2-4：服务器端收到密文后与数据库DB中的存储数据R进行异或解密，得到R’，以更新服务器端数据库DB中的存储内容；
所述双向认证阶段包括：设备主动向服务器发送其id号，服务器端验证此设备已注册后，开启双向认证；被认证方从其同步的存储模块中随机选中地址序列为C的数据Data，将C和Data进行加密后传送至认证方；认证方收到数据，解密得到C’和Data，根据地址序列C’,从认证方的同步的存储模块中取出对应的数据Data’；将被认证方传送的数据Data和认证方从其存储模块中取出的Data’进行匹配比较，如果在误差允许的范围内匹配，则认为被认证方的存储模块中的数据与认证方的存储模块中的数据是同步的，被认证方被证明是安全可靠的。
2.根据权利要求1所述的一种基于物理不可克隆方程的物联网设备认证方法，其特征在于：所述的设备端采用基于物理不可克隆方程PUF的硬件电路，利用其上电后初始值呈现出一定的随机性，使得每一个设备的存储模块都具有唯一性和不可克隆性。
3.根据权利要求1所述的一种基于物理不可克隆方程的物联网设备认证方法，其特征在于：所述双向认证阶段的具体步骤如下：
S3-1：设备利用真随机数发生器I产生n位随机地址Cd，将n位的随机地址Cd作为线性移位寄存器I的seed，利用RAM(k,LFSR(Cd))从设备端RAM存储模块中取出2n-1组的数据Rd；利用Cd⊕Rd＝a将数据Rd进行异或加密得到a，并利用RAM(k,LFSR(a))从设备端RAM存储模块的bank k中取出服务器端密钥K’s，将a和设备的id发送给服务器端；
S3-2：服务器端收到设备的id后，根据id判断此设备是否已经注册，若确认设备已注册，则继续双向认证，否则终止认证；
S3-3：服务器利用真随机数发生器II产生n位随机地址Cs，将n位的随机地址Cs作为线性移位寄存器II的seed，利用DBid(k,LFSR(Cs))从服务器的存储模块数据库DB中取出2n-1组的数据Rs；利用Cs⊕Rs＝b将数据Rs进行异或加密得到b，并利用DBid(k,LFSR(b))从服务器的数据库DB中取出设备端密钥K’d，将b发送给设备端；
S3-4：服务器端利用接收到的a根据DBid(k,LFSR(a))从服务器端的数据库DB中产生对应密钥Ks；利用Ks⊕Cs＝e将地址序列Cs用密钥Ks进行异或加密得到e，将数据e发送给设备端；
S3-5：设备利用步骤S3-2产生的密钥K’s对e进行异或解密得到地址C’s，即K’s⊕e＝C’s，从设备端RAM存储模块的bank k取出地址C’s对应的数据R’s，计算R’s与(C’s⊕b)之间的汉明距离fhd(R’s，C’s⊕b)，如果结果小于误差值τ，则证明服务器是安全可靠的，否则，终止认证，双向认证失败；
S3-6：设备端利用接收到的b根据RAM(k,LFSR(b))从设备端RAM存储模块的bank k中产生对应密钥Kd，利用Kd⊕Cd＝f将地址序列Cd用密钥Kd进行异或加密得到f，将数据f发送给服务器端；
S3-7：设备利用步骤S3-3产生的密钥K’d对f进行异或解密得到地址C’d，即K’d⊕f＝C’d，从服务器的数据库DB中取出地址C’d对应的数据R’d，计算R’d与(C’d⊕a)之间的汉明距离fhd(R’d，C’d⊕a)，如果结果小于误差值τ，则证明设备是安全可靠的，双向认证成功；否则认证失败，双向认证失败。
4.根据权利要求1所述的一种基于物理不可克隆方程的物联网设备认证方法，其特征在于：权利要求1-3所述的认证方法采用的认证设备包括设备端和服务器端，其中，所述设备端包括认证模块I、通信模块和PUF硬件电路，所述认证模块I中包括了线性反馈位移寄存器I和真随机数发生器I，所述PUF硬件电路中包括RAM存储模块，且RAM存储模块由若干个bank存储区块组成，认证模块I会产生随机地址序列传入PUF硬件电路中，PUF硬件电路中的RAM存储模块根据地址从其存储区块bank中取出所存储的数据送至认证模块I，所述服务器端包括认证模块II、网络接入网关和数据库DB，所述认证模块II包括线性反馈位移寄存器II和真随机数发生器II；所述数据库DB中记录设备id号、当前存储区块的地址选区序号、当前双方同步的数据，所述认证模块II将产生的随机地址序列通过网络接入网关传入数据库DB中，所述数据库DB中取出对应地址所存储的数据，通过加密或解密，将数据由网络接入网关通过通信模块与设备端进行交互。
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