CN113162949A - 一种基于区块链的工业物联网设备跨域身份认证方案 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于区块链的工业物联网设备跨域身份认证方案，属于工业物联网领域，用于解决工业物联网设备的跨域身份认证问题。本发明针对现有物联网设备身份认证方案的证书管理、对可信第三方的依赖等问题，提出了一种基于区块链的工业物联网设备跨域身份认证方案。通过本方案，位于不同管理域(Domain)的对等工业物联网设备可以完成双向的身份认证并共享通信密钥以完成安全的通信。在本方案中，通过使用区块链在对等域之间建立信任，从而消除了对受信任第三方的依赖；并通过使用无证书公钥加密(CertificatelessSignature,简称CLS)，解决了证书管理问题。

Description

一种基于区块链的工业物联网设备跨域身份认证方案

技术领域：

本发明属于工业物联网领域，具体涉及一种基于区块链的工业物联网设备跨域身份认证方案。

背景技术：

随着工业物联网(Industrial Internet of Tings,简称IIoT)的快速发展，过去独立生产的工厂正在逐步整合和互连，以提高生产率。一个完整的制造过程通常由跨多个领域的多家工厂和供应商完成。因此，位于不同管理域(Domain)中的IIoT 设备需要互连和共享信息。多个域之间的通信需求导致跨域身份验证问题。但是，大多数现有的身份验证方案都依赖于受信任的第三方或具有较高的证书管理成本。本方案基于[1]中提出的无证书签名算法，提出了一种基于区块链的工业物联网设备跨域身份认证方案。在本方案中，通过使用区块链在对等域之间建立信任，从而消除了对受信任第三方的依赖；并通过使用无证书公钥加密(Certificateless Signature,简称CLS)，解决了证书管理问题。

发明内容

本发明针对现有物联网设备身份认证方案的证书管理、对可信第三方的依赖等问题，提出了一种基于区块链的工业物联网设备跨域身份认证方案。通过本方案，位于不同管理域(Domain)的对等工业物联网设备可以完成双向的身份认证并共享通信密钥以完成安全的通信。具体技术方案如下：

架构总览

如图1所示，在身份认证系统架构中，有多个参与身份认证的域(Domain)，每个域中包含的实体包括多个IIoT设备、一个区块链服务节点(BSN)、一个密钥生成中心(KGC)。此外，还有多个域共同组成的区块链(Blockchain)。

(1)工业物联网(Industrial Internet of Things,IIoT)设备：

IIoT设备是参与跨域通信的实体，这类设备一般是生产过程的参与者，负责收集数据或执行制造任务。在本方案中，唯一身份标识ID和ECDH公钥m被预置在各个IIoT设备中。注册过程和身份认证过程都由IIoT设备发起，通过注册阶段，IIoT与KGC共同完成公私钥对的生成，在获得公私钥对后，IIoT设备可以生成签名并向域外的设备发送身份认证请求。

(2)密钥生成中心(Key Generation Center,KGC):

KGC负责管理域中IIoT设备的身份，并为域内的IIoT设备生成部分密钥。此外，KGC会验证来自外部域中的IIoT设备的身份验证请求。KGC存储了一组来自于IIoT设备的身份标识(ID₁，ID₂，…，ID_i)，它们的临时身份标识 (TID₁，TID₂，…，TID_i)及其对应的公共密钥(PK₁，PK₂，…，PK_i)。每个临时身份都有一个到期时间,设备的身份过期后，KGC将撤消其临时身份和相应的公共密钥。此外，KGC还负责响应来自域外IIoT设备的身份认证请求。

(3)区块链服务节点(Blockchain Serve Node,简称BSN)：

BSN是启用了联盟链的节点，负责维护区块链分布式账本。BSN负责响应来自本域内KGC的请求，将本域内IIoT身份信息写入区块链分布式账本或从账本中获取域外IIoT设备的身份信息。

(4)区块链：

区块链提供去中心化服务来存储信息。每个域将其域标识符DID，IIoT设备公钥列表PK₁，PK₂，…，PK_i以及临时身份标识列表TID₁，TID₂，…，TID_i和 KGC的系统参数params存储到区块链分布式账本中，上述信息将用于跨域身份验证。每个域的BSN维护全局区块链分布式账本，通过从区块链分布式账本中检索数据，每个域都可以轻松地获取其他域的共享信息。

身份认证方案

1)初始化阶段：生成域标识符、设备临时身份标识符以及系统公共参数，并将这些参数通过区块链分布式账本共享，用于后续的注册和身份认证。

2)注册阶段：在注册阶段，IIoT设备D_i生成了其私钥SK_i和公钥PK_i；KGC_A得到D_i公钥PK_i，并且将PK_i上传至区块链分布式账本中。

3)身份认证阶段：在此阶段，来自域A的IIoT设备D_i向自域B的设备D_k发起身份验证，完成后，自域B的IIoT设备D_k尝试向自域A的设备D_i发起身份验证，最终，两设备间完成了双向认证过程并交换了通信密钥。

有益效果

本发明针对现有物联网设备身份认证方案的证书管理、对可信第三方的依赖等问题，提出了一种基于区块链的工业物联网设备跨域身份认证方案。在本方案中，通过使用区块链在对等域之间建立信任，从而消除了对受信任第三方的依赖；并通过使用无证书公钥加密(Certificateless Signature,简称CLS)，解决了证书管理问题。

附图说明

图1.架构总览

图2.注册阶段流程

图3.身份认证阶段流程

具体实施方式：

基于[1]中无证书签名的算法设计了身份认证方案如下，其中涉及的主要符号和标志如表1所示：

表1

1.初始化阶段

初始化阶段的目的是生成域标识符、设备临时身份标识符以及系统公共参数，并将这些参数通过区块链分布式账本共享，用于后续的注册和身份认证。

初始化阶段中，每个域中会执行下列步骤，以A域的初始化过程为例：

1)在KGC_A和A域中的IIoT设备(D₁，D₂，…，D_i)中预置系统公共参数 params_A＝(G_q,P,Pub_A,H₁,H₂,H₃)用于无证书签名和验证。其中，G_q是在有限域

上阶为q的加法循环群；P是G_q的基点；Pub_A＝sP是KGC_A的公钥，其中

是KGC_A的主密钥；H₁，H₂，H₃是三个哈希函数，分别为：

2)KGC_A为A域生成域标识符DID_A，该域标识符用于区分各域，一但生成并公布后不可以更改；然后，KGC_A为域内IIoT设备D_i生成唯一身份标识ID_i，并预置在D_i内；最后，KGC_A计算与IIoT设备D_i间的通信密钥TK_i＝Hash(ID_i||s)，并将T_i预置在D_i中。完成此步骤后，IIoT设备(D₁，D₂，…，D_i)分别得到一个唯一身份标识(ID₁，ID₂，…，ID_i)以及通信密钥(TK₁，TK₂，…，TK_i)；同时， KGC_A也保留了上述身份标识及其对应通信密钥。

3)A域中的IIoT设备D_i生成随机数N₁，计算t₁＝Hash(ID_i||N₁),然后向KGC_A发送临时身份标识生成申请并附上(t₁，N₁)；

4)在接受到来自D_i的消息后，KGC_A计算t′₁＝Hash(ID_i||N₁)，如果t₁＝t′₁成立，则生成随机数N₂，并计算t₂＝Hash(ID_i||N₁||N₂)，然后发送(t₂,N₂)至D_i，并计算并保存

作为D_i的临时身份标识；如果t₁＝t′₁不成立，则拒绝 D_i的请求；

5)在收到(t₂,N₂)后，D_i计算t′₂＝Hash(ID_i||N₁||N₂)，如果t₂＝t′₂成立，则计算并保存

作为自身的临时身份标识。

重复步骤3-5，直到域内的所有IIoT设备都得到临时身份标识。

6)KGC_A为临时身份标识TID_i设置有效期限D_i，若TID_i到期，则重复步骤3-5 使IIoT设备重新获得一个临时身份标识。KGC_A将域标识符DID_A、域内IIoT设备临时身份标识(TID₁，TID₂，…，TID_i)及其对应到期时间(D₁，D₂，…，D_i)、 KGC_A的系统公共参数params_A发送至BSN_A。

7)BSN_A将上述参数上传至区块链分布式账本，若上传成功，则向KGC_A发送写入区块链分布式账本成功的响应。

8)KGC_A收到来自BSN_A的写入成功响应，则初始化成功。

2注册阶段

注册过程如图2所示，在注册阶段，IIoT设备D_i生成了其私钥SK_i和公钥PK_i， KGC_A得到D_i公钥PK_i，并且将PK_i上传至区块链分布式账本中。

A域中IIoT设备D_i发起的注册过程具体如下：

1)IIoT设备D_i向KGC_A发送注册请求并附上其临时身份标识TID_i。

2)KGC_A首先检查临时标识TID_i是否过期。如果TID_i没有过期，则KGC_A在

中随机选择r_i，并计算R_i＝r_iP，h_i＝H₁(TID_i，R_i)，s_i＝(r_i+h_is)modq，其中 P是G_q的基点，s是主密钥，之后，KGC_A向D_i发送响应，并附上部分密钥(s_i，R_i)；

3)收到响应后，D_i在

中随机选择x_i并将x_i设置为其秘密值，并将SK_i＝ (s_i，x_i)设置为其私钥。然后D_i计算P_i＝x_iP，u_i＝H₂(TID_i，P_i)，Q_i＝R_i+ u_iP_i，然后计算其自身公钥PK_i＝(R_i，Q_i)，之后，D_i将P_i发送到KGC_A。

4)KGC_A计算u_i＝H₂(TID_i，P_i)，Q_i＝R_i+u_iP_i，将D_i公钥设置为PK_i＝ (R_i，Q_i)，然后将PK_i以及TID_i发送至BSN_A。

5)BSN_A将PK_i、TID_i和DID_A关联，并写入分布式账本。

6)写入成功后，BSN_A向KGC_A发送写入成功的响应。

7)KGC_A收到写入成功的响应后，则作注册成功，将注册结果通知到D_i。

在步骤3)中，为了节约D_i的通信开销，没有向KGC_A发送其完整公钥，而是发送了中间值P_i，并由KGC_A在步骤4)再次计算出D_i的公钥。

3身份认证阶段

身份认证过程如图3所示。在此阶段，首先由来自域A的IIoT设备D_i向自域B的设备D_k发起身份验证，最终D_i和D_k完成双向身份认证并建立了通信密钥，具体步骤如下：

1)D_i首先生成消息M_i＝m_i||TID_i，其中m_i是D_i的ECDH公钥。然后D_i在

中随机选择t_i并计算T_i＝t_iP＝(T_ix，T_iy)，其中T_ix，T_iy分别表示T_i的x坐标和 y坐标。D_i计算h_i＝H₁(TID_i，R_i),计算u_i＝H₂(TID_i，P_i)，u_i＝H₂(TID_i， P_i)，

然后D_i将身份认证请求，签名σ_i＝

(T_i，τ_i)和M_i发送到KGC_B。

2)当收到来自D_i的身份认证请求后，KGC_B向BSN_B发送一个请求，以获取 TID_i对应域的系统参数和D_i的公钥。

3)BSN_B从区块链分布式账本中获得TID_i对应域A的系统参数params_A和D_i的公钥PK_i。

4)BSN_B将params_A和PK_i发送到KGC_B.

5)KGC_B根据收到params_A和PK_i，重新计算h_i＝H₁(TID_i，R_i)，v_i＝ H₃(M_i，h_i，PK_i，T_i)，r_i＝T_ixmodq，并检查τ_iT_i＝v_iP+r_i(Q_i+h_iPub_A)是否成立，其中Pub_A为KGC_A的公钥；若τ_iT_i＝v_iP+r_i(Q_i+h_iPub_A)成立，则证明签名的合法性，代表认证请求确认，KGC_B将M_i发送到域B中的D_k；

6)D_k在接受到M_i后，生成消息M_k＝m_k||TID_k，其中m_k是D_k的ECDH公钥。然后D_k在

中随机选择t_k并计算T_k＝t_kP，然后计算h_k＝H₁(TID_k，R_k)，以及u_k＝H₂(TID_k，P_k)，v_k＝H₃(M_k，h_k，PK_k，T_k)，

其中r_k为随机数。然后D_k将签名σ_k＝(T_k，τ_k)和M_k发送到KGC_A；

7)KGC_A向BSN_A发送一个请求，以获取TID_k对应域的系统参数和D_k的公钥；

8)BSN_A从区块链分布式账本中获得TID_k对应域的系统参数params_B和D_k的公钥PK_k，

9)BSN_A将params_B和PK_k发送到KGC_A；

10)KGC_A根据收到params_B和PK_k，KGC_A重新计算h_k＝H₁(TID_k，R_k)， v_k＝H₃(M_k，h_k，PK_k，T_k)，r_k＝T_kxmodq,其中T_kx为T_k的x坐标。然后计算 T_k＝v_kP+r_k(Q_k+h_kPub_B)，其中Pub_B为KGC_B的公钥，Q_k为D_k的部分公钥，若等式成立则证明签名的合法性，KGC_B会将M_k发送到域A中的D_i。

在身份认证阶段后，D_j和D_k交换了各自生成的ECDH密钥m_i和m_k。根据 ECDH密钥交换算法，D_j和D_k可以生成相同的通信密钥，用于双方的数据交换。

[1]Jia X,He D,Liu Q,et al.An efficient provably-securecertificateless signature scheme for Internet-of-Things deployment[J].Ad HocNetworks,2018,71:78-87。

Claims (4)

1.一种基于区块链的工业物联网设备跨域身份认证方案，其特征在于：基于身份认证系统架构，

所述的身份认证系统架构包括多个参与身份认证的域Domain以及多个域共同组成的区块链Blockchain，每个域中包括多个工业物联网IIoT设备、一个区块链服务节点BSN和一个密钥生成中心KGC；

所述的IIoT设备是参与跨域通信的实体，负责收集数据或执行制造任务，各个IIoT设备预置了唯一身份标识ID和ECDH公钥m；

所述的密钥生成中心KGC负责管理域中IIoT设备的身份，并为域内的IIoT设备生成部分密钥；KGC负责验证来自外部域中的IIoT设备的身份认证请求；KGC存储域内IIoT设备的身份标识(ID₁，ID₂，...，ID_i)，域内IIoT设备的临时身份标识(TID₁，TID₂，...，TID_i)及其对应的公共密钥(PK₁，PK₂，...，PK_i)；每个临时身份都有一个到期时间，IIoT设备的身份过期后，KGC将撤消其临时身份和相应的公共密钥；

所述的区块链服务节点BSN是启用了联盟链的节点，负责维护区块链分布式账本；BSN负责响应来自本域内KGC的请求，将本域内IIoT身份信息写入区块链分布式账本或从账本中获取域外IIoT设备的身份信息；

所述的区块链Blockchain用于提供去中心化服务来存储信息，每个域将其域标识符DID，IIoT设备公共密钥(PK₁，PK₂，...，PK_i)、临时身份标识列表(TID₁，TID₂，...，TID_i)和KGC的系统参数params存储到区块链分布式账本中，上述信息将用于跨域身份验证；每个域的BSN维护全局区块链分布式账本，通过从区块链分布式账本中检索数据，用于使每个域都轻松获取其他域的共享信息；

认证方案具体包括：初始化阶段、注册阶段以及身份认证阶段；

初始化阶段：生成每个域的域标识符DID，域内所有IIoT设备的唯一身份标识、临时身份标识符以及系统参数，并将所述这些参数通过区块链分布式账本共享，用于后续的注册和身份认证；

注册阶段：用于将有注册需求的IIoT设备D_i的临时身份标识TID_i、公钥PK_i以及D_i所在域的域标识符DID_A相关联并上传至区块链分布式账本中；

身份认证阶段：用于对来自不同域的两个IIoT设备间的双向身份验证；域A的设备D_i向域B的设备D_k发起身份验证，完成后，自域B的IIoT设备D_k尝试向自域A的设备D_i发起身份验证，最终，两设备间完成了双向认证过程并交换了通信密钥。

2.根据权利要求1所述的一种基于区块链的工业物联网设备跨域身份认证方案，其特征在于：

初始化阶段具体包括：

1)初始化每个域的系统公共参数params_A＝(G_q，P，Pub_A，H₁，H₂，H₃)：

对于任意域A，在KGC_A和A域中的IIoT设备(D₁，D₂，...，D_i)中预置系统公共参数params_A＝(G_q，P，Pub_A，H₁，H₂，H₃)用于无证书签名和验证，其中，G_q是在有限域

上阶为q的加法循环群；P是G_q的基点；Pub_A＝sP是KGC_A的公钥，其中

是KGC_A的主密钥；H₁，H₂，H₃是三个哈希函数，分别为：H₁：

H₂：

H₃：

2)生成每个域的域标识符DID、域内IIoT设备的唯一身份标识ID、以及KGC与域内IIoT设备的通信密钥TK：

KGC_A为A域生成域标识符DID_A用于区分各域；然后，KGC_A为A域内IIoT设备D_i生成唯一身份标识ID_i，并预置在D_i内；最后，KGC_A计算KGC_A与IIoT设备D_i间的通信密钥TK_i＝Hash(ID_i||s)，并将TK_i预置在D_i中；同时，KGC_A也保留了上述域标识符DID_A、IIoT设备身份标识ID_i及其对应通信密钥TK_i；

3)生成每个域内所有IIoT设备的临时身份标识TID：

任意域A中的IIoT设备D_i生成随机数N₁，计算t₁＝Hash(ID_i||N₁)，然后向KGC_A发送临时身份标识生成申请并附上(t₁，N₁)；

在接受到来自D_i的消息后，KGC_A计算t′₁＝Hash(ID_i||N₁)，如果t₁＝t′₁成立，KGC_A则生成随机数N₂，计算t₂＝Hash(ID_i||N₁||N₂)，然后发送(t₂，N₂)至D_i，接下来计算并保存

作为D_i的临时身份标识；如果t₁＝t′₁不成立，则拒绝D_i的请求；

在收到(t₂，N₂)后，D_i计算t′₂＝Hash(ID_i||N₁||N₂)，如果t₂＝t′₂成立，IIoT设备D_i则计算并保存

作为自身的临时身份标识；

KGC_A为临时身份标识TID_i设置有效期限D_i，若TID_i到期，则使IIoT设备重新获得一个临时身份标识；

4)每个域的KGC将上述参数写入区块链

任意域A中的KGC_A将KGC_A的系统公共参数params_A、域标识符DID_A、域内IIoT设备临时身份标识(TID₁，TID₂，...，TID_i)及其对应到期时间(D₁，D₂，...，D_i)发送至BSN_A；

BSN_A继续上传至区块链分布式账本，若上传成功，则向KGC_A发送写入区块链分布式账本成功的响应；

KGC_A收到来自BSN_A的写入成功响应，则初始化成功。

3.根据权利要求1所述的一种基于区块链的工业物联网设备跨域身份认证方案，其特征在于：

注册过程具体包括：

1)域A中的IIoT设备D_i向KGC_A发送注册请求并附上D_i的临时身份标识TID_i；

2)KGC_A向D_i发送响应，并附上部分密钥(s_i，R_i)，具体为：KGC_A首先检查临时标识TID_i是否过期，如果TID_i没有过期，则KGC_A在

中随机选择r_i，并计算R_i＝r_iP，h_i＝H₁(TID_i，R_i)，s_i＝(r_i+h_is)mod q，其中P是G_q的基点，s是主密钥，之后，KGC_A向D_i发送响应，并附上部分密钥(s_i，R_i)；

3)D_i收到响应后，向KGC_A发送中间值P_i，用于节约D_i的通信开销，具体为：D_i在

中随机选择x_i并将x_i设置为其秘密值，将SK_i＝(s_i，x_i)设置为私钥，然后D_i计算P_i＝x_iP，u_i＝H₂(TID_i，P_i)，Q_i＝R_i+u_iP_i，接下来，D_i计算自身公钥PK_i＝(R_i，Q_i)，之后，D_i将中间值P_i发送到KGC_A；

4)KGC_A根据接收到的中间值P_i计算D_i的公钥PK_i，并将公钥PK_i以及域A中IloT设备D_i的临时身份标识TID_i发送至BSN_A，其中，D_i的公钥PK_i的计算表达式即为前一步3)中的计算表达式；

5)BSN_A将PK_i、TID_i和DID_A关联，并写入区块链分布式账本；

6)写入成功后，BSN_A向KGC_A发送写入成功的响应；

7)KGC_A收到写入成功的响应后，则注册成功，将注册结果通知到D_i。

4.根据权利要求1所述的一种基于区块链的工业物联网设备跨域身份认证方案，其特征在于：

身份认证阶段具体步骤如下：

1)域A中的D_i向域B的KGC_B发送身份认证请求，并发送签名σ_i＝(T_i，τ_i)和消息M_i，所述消息的表达公式如下：

M_i＝m_i||TID_i，

其中m_i是D_i的ECDH公钥；

所述签名的计算公式如下：

T_i＝t_iP＝(T_ix，T_iy)，

u_i＝H₂(TID_i，P_i)，

h_i＝H₁(TID_i，R_i)，

u_i＝H₂(TID_i，P_i)

其中，t_i表示

中的任意数，T_ix，T_iy分别表示T_i的x坐标和y坐标；

2)当KGC_B收到来自D_i的身份认证请求后，KGC_B向BSN_B发送一个请求，以获取TID_i对应域A的系统参数params_A和D_i的公钥PK_i；

3)BSN_B从区块链分布式账本中获得TID_i对应域A的系统参数params_A和D_i的公钥PK_i；

4)BSN_B将params_A和PK_i发送到KGC_B；

5)KGC_B根据收到params_A和PK_i，重新计算h_i＝H₁(TID_i，R_i)，v_i＝H₃(M_i，h_i，PK_i，T_i)，r_i＝T_ixmodq，并检查τ_iT_i＝v_iP+r_i(Q_i+h_iPub_A)是否成立，其中Pub_A为KGC_A的公钥，若τ_iT_i＝v_iP+r_i(Q_i+h_iPub_A)成立，则证明签名的合法性，代表认证请求确认，KGC_B将M_i发送到域B中的D_k；

6)D_k在接受到M_i后，生成消息M_k＝m_k||TID_k，其中m_k是D_k的ECDH公钥，TID_k为D_k的临时身份标识。然后D_k在

中随机选择t_k并计算T_k＝t_kP，然后计算h_k＝H₁(TID_k，R_k)，以及u_k＝H₂(TID_k，P_k)，v_k＝H₃(M_k，h_k，PK_k，T_k)，

其中r_k为随机数。然后D_k将签名σ_k＝(T_k，τ_k)和M_k发送到KGC_A；

7)KGC_A向BSN_A发送一个请求，以获取TID_k对应域的系统参数params_B和D_k的公钥PK_k；

8)BSN_A从区块链分布式账本中获得TID_k对应域的系统参数params_B和D_k的公钥PK_k；

9)BSN_A将params_B和PK_k发送到KGC_A；

10)KGC_A根据收到params_B和PK_k，KGC_A重新计算h_k＝H₁(TID_k，R_k)，v_k＝H₃(M_k，h_k，PK_k，T_k)，r_k＝T_kxmodq，其中T_kx为T_k的x坐标，计算τ_kT_k＝v_kP+r_k(Q_k+h_kPub_B)，其中Pub_B为KGC_B的公钥，Q_k为D_k的部分公钥，若等式成立则证明签名的合法性，KGC_B会将M_k发送到域A中的D_i。

完成上述步骤后，D_i和D_k分别得到了对方包含在消息M_k，M_i中的ECDH公钥m_k，m_i，该ECDH公钥可用于通信密钥的生成。

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