CN112601221B - 一种基于时间信息的物联网动态ntru接入认证方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信领域，一种基于时间信息的物联网动态NTRU接入认证方法，包括如下步骤：系统用户HSS服务器发送初始化信息，电力物联网络终端设备

使用带有MD5函数的NTRU安全加密算法加密形成包含时间信息的认证信息，并发送给边缘计算MME服务器，边缘计算MME服务器接收到认证信息后计算三个相邻时间点的MD5函数以实现系统同步，边缘计算MME服务器使用MD5函数计算得到返回认证信息，电力物联网络终端设备

对边缘计算MME服务器的返回认证信息与本地信息进行对比验证，验证成功则建立加密安全信道。

Description

一种基于时间信息的物联网动态NTRU接入认证方法

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种基于时间信息的物联网动态NTRU接入认证方法。

背景技术

由于电力物联网感知层终端设备数量巨大、计算能力较低，已有的物联网安全接入协议不能满足电力物联网安全接入的应用要求，此外物联网络设备大多受到算力和功耗等资源限制，很难执行复杂的认证和加密算法。目前大多数物联网络认证方案采用椭圆曲线密码算法(Elliptic Curve Cryptography，ECC)，但是ECC算法涉及到点乘运算，计算效率低，不适合应用在低功耗嵌入式技术的物联网络终端中。同时，ECC算法的安全性对于椭圆曲线的的离散对数性能敏感，易被Shor算法破解，网络的抗攻击性能差。因此物联网络设备需要采用轻量级的安全认证技术，以提高在低功耗嵌入式物联网络终端的适用性。

发明内容

为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种基于时间信息的物联网动态NTRU接入认证方法，使用动态变化时间序列作为MD5函数秘钥，解决了固定MD5函数产生的内部攻击安全问题。

为了实现上述目标，本发明采用如下技术方案：一种基于时间信息的物联网动态NTRU接入认证方法，包括如下步骤：

步骤一：物联网接入系统的主要结构为：系统用户HSS(Home Subscriber Server)服务器与边缘计算MME(Mobility Management Entity)服务器相连接，边缘计算MME服务器与电力物联网络终端设备D_i相连接。

NTRU(Number Theory Research Unit)算法在环R上工作：

R＝Z[X]/(X^N-1)

在初始化阶段，系统用户HSS服务器发布{BOX_i，N，p，q，L_r，L_m，h_MME}作为整个系统参数，并把{g，L_f，L_g}作为非公开信息保存，其中BOX_i为产生MD5(Message-Digest Algorithm)函数所需满秩变化矩阵；(N，p，q)为满足NTRU算法的3个整数，即N为正质数，p和q为互质数且q大于p，通常p取2或者3；(L_r，L_m，L_f，L_g)为4个拥有整数{0，1}系数的N-1次多项式集，多项式满足公式：

其中F_i为系数，取值为0或1，xⁱ为变量，[F₀，F₁，…，F_N-1]为其向量形式，L_r，L_m，L_f，L_g分别指代不同的多项式F；g为一个多项式g∈L_g；h_MME为系统用户HSS服务器和边缘计算MME服务器之间的公钥，h_MME由如下步骤得到：

用*表示环R上的乘法运算，设F∈R，G∈R，定义H＝F*G为：

其系数(F*G)_k为：

系统用户HSS服务器向边缘计算MME服务器选择一个多项式f_MME∈L_f作为私钥，当存在多项式F_p∈R和多项式F_q∈R的条件下f_MME需满足：

F_p*f_MME≡1(mod p)

F_q*f_MME≡1(mod q)

上式含义为“≡”左边的式子对p或q取模的结果为1，称F_p和F_q分别为f_MME在模p和模q的情形下的乘法逆元。并根据式：

h_MME≡F_P*g(mod q)

计算公钥h_MME，通过系统用户HSS服务器将公私钥

对发送给边缘计算MME服务器，其中

是f_MME在环R上的逆。

同时系统用户HSS服务器为每一个电力物联网络终端设备D_i分配一个独有的N比特PID_i作为身份信息；

步骤二：边缘计算MME服务器和电力物联网络终端设备D_i分别根据接收到的BOX_i矩阵计算出MD5函数，MD5函数是由以下计算得到的：

将由年、月、日、小时、分钟构成的32bits电力物联网时间序列按8bits分割为4个字节{K₀，K₁，K₂，K₃}，分别经过4个满秩变化矩阵BOX_i：

进行矩阵变换，可以得到4组扩展序列{K₀₀，K₀₁，K₀₂，K₀₃}，{K₁₀，K₁₁，K₁₂，K₁₃}，

{K₂₀，K₂₁，K₂₂，K₂₃}，{K₃₀，K₃₁，K₃₂，K₃₃}：

从而得到128bits的MD5函数H:{1}^*→L^N-1N＝128，该MD5函数每分钟变换一次。其密钥为：

Key＝{K₀₀，K₀₁，K₀₂，K₀₃，K₁₀，K₁₁，K₁₂，K₁₃，K₂₀，K₂₁，K₂₂，K₂₃，K₃₀，K₃₁，K₃₂，K₃₃}

电力物联网络终端设备D_i向边缘计算MME服务器发送信息组M_i和经过MD5函数计算的包含时间信息的认证信息Auth₁。信息组M_i和认证信息Auth₁是由以下计算得到的：

首先随机选择一个多项式r_i∈L_r，并计算加密信息e_i：

生成身份验证码ICA_i：

其中，

为任选一个多项式

是

在环R上的逆，

为系统用户HSS服务器和电力物联网络终端设备D_i之间的公钥，

然后生成信息组M_i：

M_i＝(PID_i||e_i)

生成共享会话密钥SK_i：

SK_i＝H(PID_i||ICA_i)

生成认证信息Auth₁：

Auth₁＝H(M_i||SK_i)

电力物联网络终端设备D_i向边缘计算MME服务器发送信息{M_i，Auth₁}。

步骤三：在边缘计算MME服务器接收到电力物联网络终端设备D_i发来的认证请求后，获得{M_i，Auth₁}。从M_i通过解算e_i可以直接得到电力物联网络终端设备D_i公钥信息h_MME，解算过程如下：

首先计算多项式a，选取a的系数在区间[-q/2，q/2]内：

a≡f_MME*e_i(mod q)

解密后的信息h_MME为：

h_MME≡F_p*a(mod p)

并利用下式计算身份认证码IAC_MME：

边缘计算MME服务器计算三个相邻时间点的MD5函数H_-1、H₀和H₁来实现电力物联网络终端设备D_i和边缘计算MME服务器之间的同步特性，密钥分别为Key_-1、Key₀和Key₁：

Key_j＝{K_j，00，K_j，01，K_j，02，K_j，03，K_j，10，K_j，11，K_j，12，K_j，13，K_j，20，K_j，21，K_j，22，K_j，23，K_j，30，K_j，31，K_j，32，K_j，33}，j＝-1，0，1；

根据接收到的PID_i信息和计算得到的IAC_MME信息，分别使用H_j(j＝-1，0，1)计算得到三个共享会话秘钥信息SK_j，i信息：

SK_j，i＝H_j(PID_i||IAC_MME)，j＝-1，0，1；

进一步使用MD5函数计算得到三个认证信息：

H_j(M_i||SK_j，i)，j＝-1，0，1；

将这三个认证信息分别与电力物联网络终端设备D_i发送的认证信息Auth₁进行对比，如果有其中一个结果匹配，则边缘计算MME服务器认为电力物联网络终端设备D_i接入是合法的。

步骤四：边缘计算MME服务器将通过MD5函数计算得到的返回认证信息Auth₂发送给电力物联网络终端设备D_i，Auth₂计算如下：

Auth₂＝H(PID_i||IAC_MME||SK_i)

其中MD5函数H是边缘计算MME服务器经过步骤三判断得到的来自物联网终端设备D_i认证请求的MD5函数。

步骤五：接收到边缘计算MME服务器的认证信息后，电力物联网络终端设备D_i首先验证PID_i防止网络攻击，然后计算本地的H(PID_i||IAC_MME||SK_i)并与Auth₂进行对比验证。如果比对一致，则认为该边缘计算MME服务器是合法服务器可以接入。建立电力物联网络终端设备D_i与边缘计算MME服务器之间的加密安全信道，并通过共享会话密钥SK_i进行数据加密。否则结束接入过程，并重新发起接入认证。

可选地，步骤二中，当采用不同参数N的NTRU算法时，可以通过采用不同数量和压缩比的满秩变化矩阵，实现物联网络时间序列的扩展，以实现不同参数N所对应的MD5函数H:{1}^*→L^N-1。N可以为127。

传统NTRU算法通过发送电力物联网络终端设备D_i时间序列为边缘计算MME服务器提供时间信息，在本发明中由于MD5函数H包含时间信息{K₀，K₁，K₂，K₃}，并且网络时间变换，因此不需要发送传统NTRU算法所需时间信息，在提高网络接入安全性情况下，同时减小了网络数据传输量。

当攻击者截断了以前认证过程中的信息，就可以利用这些信息对设备或服务器发动重放攻击。重放攻击分两种情况，一种是模仿电力物联网络终端设备D_i，一种是模仿边缘计算MME服务器。当攻击者模仿电力物联网络终端设备D_i时，重放{M_i，Auth₁}信息给边缘计算MME服务器；当攻击者模仿边缘计算MME服务器时，攻击者重放Auth₂信息给电力物联网络终端设备D_i。由于电力物联网络终端设备D_i和边缘计算MME服务器采用的MD5函数H随时间变化，同时认证信息和共享会话密钥使用了这个随时间变化的MD5函数，因此具有较强的抗重放攻击性能。

本发明达到的有益效果：本发明是一种基于时间信息的电力物联网络动态NTRU接入认证方法。通过全网同步时间变化，构建了NTRU算法中的一种随时间变化的动态变化的MD5函数，进一步增强了物联网络的相互认证的安全性，可以提高抵抗重放攻击等量子攻击性能。该方法计算量小，不增加已有NTRU安全认证技术的交互数据量，适应于计算量和功耗受限的嵌入式物联网络安全认证。

附图说明

图1为电力物联网络终端设备D_i安全接入流程；

图2为电力物联网时间序列；

图3为MD5函数密钥扩展；

图4为基于时间变换的NTRU安全认证的登认证阶段。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均包括在本发明的保护范围之内。

图1是电力物联网络终端设备D_i安全接入具体流程。电力物联网是一种大规模工业级物联网，其体系结构包括了物联网感知延伸层、网络传输层和平台应用层三种典型的网络结构。NB-IoT和eMTC设备连接移动基站，LoRa和Sigfox设备通过专用物联网网关设备接入具有边缘计算功能的边缘计算MME服务器。边缘计算MME服务器具有接入和边缘计算能力，可以实现不同标准的电力物联网络终端设备D_i安全认证和接入。经过安全认证后的数据由边缘计算MME服务器传输给系统用户HSS服务器。在安全认证过程中，系统用户HSS服务器保存安全认证所需要的公有密钥、私有密钥和用户身份等信息，并通过边缘计算MME服务器实现电力物联网安全认证信息的更新。

图2是电力物联网时间序列。电力物联网络需要对电力物联网络终端设备D_i采集到的数据进行时间记录，因此是一种时间同步的物联网络。考虑到成本和功耗要求，以及网络系统对于时间信息的要求，电力物联网络的同步精度较低，通常的精度要求在分钟级。根据电力物联网时间同步要求，由年、月、日、小时、分钟构成了一组32bits时间序列，这个序列随时间动态变化。

图3是MD5函数密钥扩展。本发明根据电力物联网络时间同步性能，提出了一种基于时间信息的动态MD5函数生成方式，全网系统不需要进行全网更新，可以实现NTRU算法的动态更新。在NTRU安全认证算法中，需要使用安全的MD5函数进行计算。在现有算法和认证方案中，MD5函数需要系统用户HSS服务器通过安全途径同步到边缘计算MME服务器、接入点(Access Point，AP)和移动节点(Mobile Node，MN)中，MD5函数在全网同步使用时间长，更新速度慢，当存在内部攻击时，长时间静态MD5函数缺少动态变化，使得网络系统的易被攻击。在工业强度NTRU安全级别中，采用128bits强度对称加密系统，在传统的NTRU算法中，采用的是固定的MD5函数，当内部攻击者取得相关信息后，有足够时间计算破解MD5函数，使得网络存在被攻击风险。本发明中将32bits时间序列扩展至128bits的MD5函数秘钥，按分钟动态改变MD5函数密钥，可以有效抵抗内部攻击风险。具体拓展过程如图三所示，将32bits电力物联网时间序列按8bits分割为4个字节{K₀，K₁，K₂，K₃}，分别经过4个满秩变化矩阵BOX_i进行矩阵变换，可以得到4组扩展序列{K₀₀，K₀₁，K₀₂，K₀₃}，{K₁₀，K₁₁，K₁₂，K₁₃}，{K₂₀，K₂₁，K₂₂，K₂₃}，{K₃₀，K₃₁，K₃₂，K₃₃}，从而得到128bits的MD5函数H:{1}^*→L^N-1N＝128，该MD5函数每分钟变换一次。

图4是基于时间变换的NTRU安全认证的登认证阶段。在该阶段中，系统用户HSS服务器统一管理整个电力物联网，边缘计算MME服务器负责物联网终端的管理、安全认证、数据解密等功能。图4所示认证工作分为以下几个步骤：

在系统初始化阶段，由系统用户HSS服务器向边缘计算MME服务器发布网络初始化信息，由边缘计算MME服务器向电力物联网络终端设备D_i发布网络初始化信息。

电力物联网络终端设备D_i需要接入时只需要和边缘计算MME服务器进行认证，安全接入加密算法采用基于时间信息的动态NTRU算法，具体过程如下：

首先电力物联网络终端设备D_i发起认证登录并向边缘计算MME服务器发送经过MD5函数加密的带有时间信息的认证信息；然后边缘计算MME服务器通过计算三个相邻时间点的MD5函数对认证信息进行比对，计算反馈认证信息并发送给电力物联网络终端设备D_i；最后电力物联网络终端设备D_i将边缘计算MME服务器的反馈认证信息与本地认证信息的MD5函数计算结果进行对比，若匹配则合法接入，完成安全认证。

电力物联网络终端设备D_i将数据信息进行加密发送给边缘计算MME服务器。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种基于时间信息的物联网动态NTRU接入认证方法，其特征在于：该基于时间信息的物联网中，系统用户HSS服务器连接边缘计算MME服务器，边缘计算MME服务器通过电力物联网络的物联网网关连接电力物联网络终端设备D_i，该基于时间信息的物联网动态NTRU接入认证方法包括如下步骤

步骤一、系统用户HSS服务器发送初始化信息，系统用户HSS服务器发布{BOX_i，N，p，q，L_r，L_m，h_MME}作为整个系统参数，并把{g，L_f，L_g}作为非公开信息保存，其中BOX_i为产生MD5函数所需满秩变化矩阵，N，p，q为满足NTRU算法的3个整数，N为正质数，p和q为互质数且q大于p，通常p取2或者3，L_r，L_m，L_f，L_g为4个拥有整数{0，1}系数的N-1次多项式集，每个多项式满足公式

f_i＝{1，0}，其中，其中f_I为系数，取值为0或1，Xⁱ为变量X的i次方，[F₀，F₁，…，F_N-1]为多项式F的向量形式，L_r，L_m，L_f，L_g分别指代不同的多项式F；g为一个多项式，g∈L_g；h_MME为系统用户HSS服务器和边缘计算MME服务器之间的公钥，NTRU算法在环R上工作：R＝Z[X]/(X^N-1)，其中Z是整数环，X为变量，N为前文所述满足NTRU算法的整数N，X^N为X的N次方，Z[X]则是Z与X组合得到的整系数多项式环，X^N-1是Z[X]的理想I，Z[X]/(X^N-1)表示的是Z[X]关于I的商环Z[X]/I；用*表示环R上的乘法运算，定义多项式A∈环R，多项式B∈环R，多项式H＝A*B为：

其系数(A*B)_k满足

其中0≤k≤N-1，(A*B)_k代表H中X的k次方X^k的系数，0≤m≤N-1，0≤n≤N-1，m+n≡k(modN)表示m+n对N取模的结果为k，0≤i≤k，k+1≤j≤N-1，

是∑_{m+n≡k(modN)}A_mB_n的展开形式；系统用户HSS服务器向边缘计算MME服务器发送一个多项式f_MME∈L_f作为私钥，当存在多项式F_p∈环R和多项式F_q∈环R的条件下f_MME需满足：F_p*f_MME≡1(mod p)，F_q*f_MME≡1(modq)，意思是F_p*f_MME对p取模的结果为1，F_q*f_MME对q取模的结果为1，称F_p和F_q分别为f_MME在模p和模q的情形下的乘法逆元，根据式h_MME≡F_P*g(mod q)，计算公钥h_MME，即h_MME对q取模的结果为F_P*g，通过系统用户HSS服务器将公私钥

对发送给边缘计算MME服务器，其中

是f_MME在环R上的逆，同时系统用户HSS服务器为每一个电力物联网络终端设备D_i分配一个独有的PID_i作为身份信息，其中PID_i为N个比特单位，任选一个多项式

作为私钥，

是

在环R上的逆，

为系统用户HSS服务器和电力物联网络终端设备D_i之间的公钥，

公私钥对

在电力物联网络终端设备D_i部署前设置，或通过系统用户HSS服务器经边缘计算MME服务器发送给电力物联网络终端设备D_i；

步骤二：边缘计算MME服务器和电力物联网络终端设备D_i分别根据接收到的BOX_i矩阵计算出MD5函数，MD5函数是由以下计算得到的：

将由年、月、日、小时、分钟构成的32bits电力物联网时间序列按8bits分割为4个字节{K₀，K₁，K₂，K₃}，分别经过4个满秩变化矩阵BOX_i：

进行矩阵变换，其中W_i，00代表第i个矩阵BOX_i中第0行第0列的数，可以得到4组扩展序列{K₀₀，K₀₁，K₀₂，K₀₃}，{K₁₀，K₁₁，K₁₂，K₁₃}，{K₂₀，K₂₁，K₂₂，K₂₃}，{K₃₀，K₃₁，K₃₂，K₃₃}：

从而得到128bits的MD5函数H:{1}^*→L^N-1，即把任意输入映射为满足NTRU算法要求的N-1次多项式，该MD5函数每分钟变换一次；其密钥为：

Key＝{K₀₀，K₀₁，K₀₂，K₀₃，K₁₀，K₁₁，K₁₂，K₁₃，K₂₀，K₂₁，K₂₂，K₂₃，K₃₀，K₃₁，K₃₂，K₃₃}

电力物联网络终端设备D_i向边缘计算MME服务器发送信息组M_i和经过MD5函数计算的包含时间信息的认证信息Auth₁，信息组M_i和认证信息Auth₁是由以下计算得到的：

首先随机选择一个多项式r_i∈L_r，并计算加密信息e_i：

生成身份验证码ICA_i：

然后生成信息组M_i：

M_i＝(PID_i||e_i)

生成共享会话密钥SK_i：

SK_i＝H(PID_i||ICA_i)

生成认证信息Auth₁：

Auth₁＝H(M_i||SK_i)

电力物联网络终端设备D_i向边缘计算MME服务器发送信息{M_i，Auth₁}；

步骤三：在边缘计算MME服务器接收到电力物联网络终端设备D_i发来的认证请求后，获得{M_i，Auth₁}，从M_i通过解算e_i可以直接得到电力物联网络终端设备D_i公钥信息h_MME，解算过程如下：

首先计算多项式a，选取a的系数在区间[-q/2，q/2]内：

a≡f_MME*e_i(mod q)

解密后的信息h_MME为：

h_MME≡F_p*a(mod p)

并利用下式计算身份认证码IAC_MME：

边缘计算MME服务器计算三个相邻时间点的MD5函数H_-1、H₀和H₁来实现电力物联网络终端设备D_i和边缘计算MME服务器之间的同步特性，密钥分别为Key_-1、Key₀和Key₁：

Key_j＝{K_j，00，K_j，01，K_j，02，K_j，03，K_j，10，K_j，11，K_j，12，K_j，13，K_j，20，K_j，21，K_j，22，K_j，23，K_j，30，K_j，31，K_j，32，K_j，33}，j＝-1，0，1；

根据接收到的PID_i信息和计算得到的IAC_MME信息，分别使用H_j(j＝-1，0，1)计算得到三个共享会话秘钥信息SK_j，i信息：

SK_j，i＝H_j(PID_i||IAC_MME)，j＝-1，0，1；

使用MD5函数计算得到三个认证信息：

H_j(M_i||SK_j，i)，j＝-1，0，1；

将这三个认证信息分别与电力物联网络终端设备D_i发送的认证信息Auth₁进行对比，如果有其中一个结果匹配，则边缘计算MME服务器认为电力物联网络终端设备D_i接入是合法的；

步骤四：边缘计算MME服务器将通过MD5函数计算得到的返回认证信息Auth₂发送给电力物联网络终端设备D_i，Auth₂计算如下：

Auth₂＝H(PID_i||IAC_MME||SK_i)

其中MD5函数H是边缘计算MME服务器经过步骤三判断得到的来自物联网终端设备D_i认证请求的MD5函数；

步骤五：接收到边缘计算MME服务器的认证信息后，电力物联网络终端设备D_i首先验证PID_i防止网络攻击，然后计算本地的H(PID_i||IAC_MME||SK_i)并与Auth₂进行对比验证，如果比对一致，则认为该边缘计算MME服务器是合法服务器可以接入，建立电力物联网络终端设备D_i与边缘计算MME服务器之间的加密安全信道，并通过共享会话密钥SK_i进行数据加密，否则结束接入过程，并重新发起接入认证。

2.根据权利要求1所述的一种基于时间信息的物联网动态NTRU接入认证方法，其特征在于：当选用不同参数N时，通过采用不同数量和压缩比的满秩变化矩阵，实现物联网络时间序列的扩展，以实现不同参数N所对应的MD5函数H:{1}^*→L^N-1。

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