CN115150828A - 一种基于位置密码的无人机身份认证及密钥协商方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于位置密码的无人机身份认证及密钥协商方法,包括以下步骤;步骤1:无人机身份注册:无人机节点UAVi是需要验证其身份、位置信息真伪性的实体;地面站GCS是对证明者位置信息进行完整性验证的可信实体,存储有标准位置信息特征数据库;用于辅助证明的僚机UAVPi与地面站GCS共同计算生成共享会话密钥K;步骤2:认证:在地面站与无人机将完成相互的身份认证与对无人机地理位置安全的认证以及双方对称密钥的协商,最终将协商出160bits的对称密钥;步骤3:更新CRP。本发明基于位置密码的认证方案加强对无人机位置信息的保护,使用不可克隆函数对无人机的身份进行认证,可以达到无法被模仿的作用。
Description
技术领域
本发明涉及无人机身份认证技术领域,具体涉及一种基于位置密码的无人机身份认证及密钥协商方法。
背景技术
针对无人机网络这种通信双方资源都比较受限制的网络环境中,双方身份认证和会话密钥协商协议一般都是通过使用公私钥体制来验证数字签名,从而认证双方的身份,这种体制不仅需要用到证书颁发机构来颁发数字证书而且还需要一定的算力来运行公私钥体制的加解密运算。
并且对于无人机以及物联网设备,使用单一特征进行认证的安全性较低,而基于位置特征进行认证是一个趋势。但是GPS的通信过程和无人机网络同样使用公共信道,因此其存在严重的安全问题,例如容易被欺骗攻击,故考虑使用基于位置密码的认证方案。
现有技术缺乏对无人机位置信息进行认证,无人机的位置信息要比身份信息更容易假冒,其有可能并不在自己声称的位置,所以对位置信息的认证同样不能忽视。而且GPS的通信过程和无人机网络同样使用公共信道,因此其存在严重的安全问题,无人机很容易在不经意间被欺骗。
发明内容
为了克服以上技术的缺点,本发明的目的在于提供一种基于位置密码的无人机身份认证及密钥协商方法,基于位置密码的认证方案加强对无人机位置信息的保护,使用不可克隆函数对无人机的身份进行认证,可以达到无法被模仿的作用。
为了实现上述目的,本发明采用的技术方案是:
一种基于位置密码的无人机身份认证及密钥协商方法,包括以下步骤;
步骤1:无人机身份注册:
无人机节点UAVi是需要验证其身份、位置信息真伪性的实体;地面站GCS是对证明者位置信息进行完整性验证的可信实体,存储有标准位置信息特征数据库;用于辅助证明的僚机UAVPi与地面站GCS共同计算生成共享会话密钥K,无人机身份注册则是需要无人机节点将自己的PUF等信息通过安全信道在地面站的特征数据库中进行登记注册,并预先协商秘密值用于后续密码学计算;
步骤2:认证:
在地面站与无人机将完成相互的身份认证与对无人机地理位置安全的认证以及双方对称密钥的协商,SHA-1函数的输出为160bits,最终将协商出160bits的对称密钥;
步骤3:更新CRP。
所述步骤1主要包括以下步骤;
无人机首先进行以下动作
(1)使用随机数产生器产生32bits随机数C,将其作为物理不可克隆函数的输入即挑战,生成320位bits的响应R=PUF(C),并获取此时的地理位置cl,用经纬度表示。
(2)将注册消息RMSG1{(C,R),cl}通过无人机与地面站之间的安全信道发送给地面站;
当地面站收到消息RMSG1{(C,R),cl}后将执行以下动作:
所述步骤2具体流程如下:
首先无人机按以下步骤执行:
(2)用响应R和无人机的真实编号IDUAV计算关于r1的摘要:
计算将要在公共信道发送的所有信息的摘要:
(5)再计算MSG1的摘要,判断其是否来自可信节点且没有被篡改:
如果M2′==M2则说明该消息来自无人机UAVi,且未被篡改过。否则说明该消息来源不可靠,地面站将做丢包处理并且终止流程;
(6)对之前的计算结果中的r1′联合无人机的响应R和真实编号IDUAV计算摘要:
如果M′1==M1则说明关键信息r1的计算没有问题,否则r1有可能被篡改,即终止流程;
(7)使用位置密码学对无人机UVAi进行位置验证,具体步骤如下(假设消息按照光速传播,从无人机UAVi也可称UVAP1到地面站和各僚机UVAP2、UVAP3、UVAP4之间的通信时间分别为t1、t2、t3):
(9)用响应R和无人机的真实编号IDUAV计算关于r2的摘要:
计算将要在公共信道发送的所有信息的摘要:
(10)将认证消息MSG2{Y,M3,M4}通过公共信道发送给对应无人机;
当无人机收到消息MSG2{Y,M3,M4}后将执行以下动作:
(11)计算消息MSG2的摘要,判断其是否来自可信节点且没有被篡改
如果M4′==M4则说明该消息来自编号为IDGS的地面站,且未被篡改过,否则说明该消息来源不可靠,将会丢弃报文并且终止流程。同时判断如果计算出的r′2==r1则说明地面站根据无人机发送的GPS信息检测到了欺骗攻击,此时的无人机需要做出警惕动作,例如爬升高度以降低遭受地面攻击这的新高攻击强度、或者启用蜂窝网络等设备辅助地理位置检测以获取真实地理位置等方式来抵抗GPS的攻击。以上两种情况都会使无人机将做丢包处理并且终止流程;
对之前的计算结果中的r′1联合无人机的响应R和真实编号IDUAV计算摘要:
如果M′3==M3则说明关键信息r2的计算没有问题,否则r2有可能被篡改,即终止流程;
所述步骤(7)主要包括以下步骤:
(7)a:地面站选择密钥K1并通过内部秘密通道传递给僚机UAVP2、UAVP3、UAVP4各自生成一个信息串V1、V2、V3。
(7b):各僚机分别将密钥和信息串发送给证明者,确保他们能在T时刻同时到达待验证的无人机UAVi;
(7c):待验证的无人机UAVi在T时刻计算Ki+1=PRG(Vi,Ki),(i=1,2,3),将K4广播给所有验证者。
(7d):在T+ti时刻,UAVPi对K4进行验证,如果所有验证者都通过了对K4的验证则可知待验证无人机UAVi通过了对位置的验证。
所述步骤3具体为:
计算响应掩码
计算将要在公共信道发送的所有信息的摘要:
(3)将认证消息MSG3{C*,mR*M5,M6}通过公共信道发送给地面站;
当地面站收到消息MSG3{C*,mR*M5,M6}后将执行以下动作:
(4)首先计算消息MSG3的摘要,判断其是否来自可信节点且没有被篡改:
使用无人机的之前的响应R验证解密出的响应是否正确:
验证M5′:如果M5′==M5则说明上述所有计算均正确完成,即无人机已经正确解密出r2且地面站也正确解密出更新的响应R*;否则说明之前的计算出现了问题,有可能就是遭受了中间人攻击或其他攻击,在此情况将终止流程;
(5)更新无人机UAVi的挑战相应对为刚刚计算出的c*,R*′,即令(C,R)=(C*,R*′);
本发明的有益效果:
第一,本发明利用物理不可克隆函数和位置密码学实现了对无人机的身份和位置的双重认证,该协议不仅能对无人机的位置进行校验,抵抗基于位置的共谋攻击,还可以对身份进行校验。
第二,本发明将密钥协商协议与认证协议相结合,无人机之间以及无人机与地面站的通信使用密文进行安全传输,能生成160位的随机字符串作为群组通信的通信密钥,该协议够抵抗重放攻击、伪造身份攻击和中间人攻击。
第三,本发明基于PUF的特性,即使无人机被敌方捕获,敌手也无法复制无人机的身份特征,从而有效地降低了群组内无人机被冒充从而窃取数据的风险。
附图说明:
图1为本发明流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步详细说明。
如图1所示:一种基于位置密码的无人机身份认证及密钥协商方法,包括以下步骤;
步骤1:无人机身份注册。
在本发明中,无人机节点UAVi是需要验证其身份、位置信息真伪性的实体;地面站GCS是对证明者位置信息进行完整性验证的可信实体,存储有标准位置信息特征数据库;用于辅助证明的僚机UAVPi与地面站GCS共同计算生成共享会话密钥K;
无人机首先进行以下动作
(1)使用随机数产生器产生32bits随机数C,将其作为物理不可克隆函数的输入即挑战,生成320位的响应R=PUF(C),并获取此时的地理位置cl,用经纬度表示。
(2)将消息MSG1{(C,R),cl}通过无人机与地面站之间的安全信道发送给地面站;
当地面站收到消息MSG1{(C,R),cl}后将执行以下动作:
步骤2:认证
本阶段为该协议的主体阶段,在本阶段地面站与无人机将完成相互的身份认证与对无人机地理位置安全的认证以及双方对称密钥的协商,最终将协商出160bits的对称密钥。具体流程如下
首先无人机按以下步骤执行
(2)用响应R和无人机的真实编号IDUAV计算关于r1的摘要:
计算将要在公共信道发送的所有信息的摘要:
(5)再计算MSG1的摘要,判断其是否来自可信节点且没有被篡改:
如果M2′==M2则说明该消息来自无人机UAVi,且未被篡改过。否则说明该消息来源不可靠,地面站将做丢包处理并且终止流程;
(6)对之前的计算结果中的r′1联合无人机的响应R和真实编号IDUAV计算摘要:
如果M′1==M1则说明关键信息r1的计算没有问题,否则r1有可能被篡改,即终止流程;
(7)使用位置密码学对无人机UAVi进行位置验证,具体步骤如下(假设消息按照光速传播,从无人机UAVi也可称UAVO1到地面站和各僚机UAVP2、UAVP3、UAVO4之间的通信时间分别为t1、t2、t3):
(7)a:地面站选择密钥K1并通过内部秘密通道传递给僚机UAVP2、UAVP3、UAVP4各自生成一个信息串V1、V2、V3。
(7b):各僚机分别将密钥和信息串发送给证明者,确保他们能在T时刻同时到达待验证的无人机UAVi;
(7c):待验证的无人机UAVi在T时刻计算Ki+1=PRG(Vi,Ki),(i=1,2,3),将K4广播给所有验证者。
(7d):在T+ti时刻,UAVPi对K4进行验证,如果所有验证者都通过了对K4的验证则可知待验证无人机UAVi通过了对位置的验证。
(9)用响应R和无人机的真实编号IDUAV计算关于r2的摘要:
计算将要在公共信道发送的所有信息的摘要:
(10)将认证消息MSG2{Y,M3,M4}通过公共信道发送给对应无人机;
当无人机收到消息MSG2{Y,M3,M4}后将执行以下动作
(11)计算消息MSG2的摘要,判断其是否来自可信节点且没有被篡改
如果M4′==M4则说明该消息来自编号为IDGS的地面站,且未被篡改过,否则说明该消息来源不可靠,将会丢弃报文并且终止流程。同时判断如果计算出的r′2==r1则说明地面站根据无人机发送的GPS信息检测到了欺骗攻击,此时的无人机需要做出警惕动作,例如爬升高度以降低遭受地面攻击这的新高攻击强度、或者启用蜂窝网络等设备辅助地理位置检测以获取真实地理位置等方式来抵抗GPS的攻击。以上两种情况都会使无人机将做丢包处理并且终止流程;
对之前的计算结果中的r′1联合无人机的响应R和真实编号IDUAV计算摘要:
如果M′3==M3则说明关键信息r2的计算没有问题,否则r2有可能被篡改,即终止流程;
步骤3:更新CRP
计算响应掩码
计算将要在公共信道发送的所有信息的摘要:
当地面站收到消息MSG3{C*,mR*M5,M6}后将执行以下动作:
(4)首先计算消息MSG3的摘要,判断其是否来自可信节点且没有被篡改:
使用无人机的之前的响应R验证解密出的响应是否正确:
验证M5′:如果M5′==M5则说明上述所有计算均正确完成,即无人机已经正确解密出r2且地面站也正确解密出更新的响应R*;否则说明之前的计算出现了问题,有可能就是遭受了中间人攻击或其他攻击,在此情况将终止流程;
(5)更新无人机UAVi的挑战相应对为刚刚计算出的c*,R*′,即令(C,R)=(C*,R*′);
Claims (5)
1.一种基于位置密码的无人机身份认证及密钥协商方法,其特征在于,包括以下步骤;
步骤1:无人机身份注册:
无人机节点UAVi是需要验证其身份、位置信息真伪性的实体;地面站GCS是对证明者位置信息进行完整性验证的可信实体,存储有标准位置信息特征数据库;用于辅助证明的僚机UAVPi与地面站GCS共同计算生成共享会话密钥K,无人机身份注册则是需要无人机节点将自己的PUF等信息通过安全信道在地面站的特征数据库中进行登记注册,并预先协商秘密值用于后续密码学计算;
步骤2:认证:
在地面站与无人机将完成相互的身份认证与对无人机地理位置安全的认证以及双方对称密钥的协商,最终将协商出160bits的对称密钥;
步骤3:更新CRP。
2.根据权利要求1所述的一种基于位置密码的无人机身份认证及密钥协商方法,其特征在于,所述步骤1主要包括以下步骤;
无人机首先进行以下动作
(1)使用随机数产生器产生32bits随机数C,将其作为物理不可克隆函数的输入即挑战,生成320位的响应R=PUF(C),并获取此时的地理位置cl,用经纬度表示;
(2)将消息MSG1{(C,R),cl}通过无人机与地面站之间的安全信道发送给地面站;
当地面站收到消息MSG1{(C,R),cl}后将执行以下动作:
3.根据权利要求1所述的一种基于位置密码的无人机身份认证及密钥协商方法,其特征在于,所述步骤2具体流程如下:
首先无人机按以下步骤执行:
(2)用响应R和无人机的真实编号IDUAV计算关于r1的摘要:
计算将要在公共信道发送的所有信息的摘要:
(5)再计算MSG1的摘要,判断其是否来自可信节点且没有被篡改:
如果M2′==M2则说明该消息来自无人机UAVi,且未被篡改过。否则说明该消息来源不可靠,地面站将做丢包处理并且终止流程;
(6)对之前的计算结果中的r′1联合无人机的响应R和真实编号IDUAV计算摘要:
如果M′1==M1则说明关键信息r1的计算没有问题,否则r1有可能被篡改,即终止流程;
(7)使用位置密码学对无人机UVAi进行位置验证:
(9)用响应R和无人机的真实编号IDUAV计算关于r2的摘要:
计算将要在公共信道发送的所有信息的摘要:
(10)将认证消息MSG2{Y,M3,M4}通过公共信道发送给对应无人机;
当无人机收到消息MSG2{Y,M3,M4}后将执行以下动作;
(11)计算消息MSG2的摘要,判断其是否来自可信节点且没有被篡改
如果M4′==M4则说明该消息来自编号为IDGS的地面站,且未被篡改过,否则说明该消息来源不可靠,将会丢弃报文并且终止流程,同时判断如果计算出的r′2==r1则说明地面站根据无人机发送的GPS信息检测到了欺骗攻击,此时的无人机需要做出警惕动作;
对之前的计算结果中的r′1联合无人机的响应R和真实编号IDUAV计算摘要:
如果M′3==M3则说明关键信息r2的计算没有问题,否则r2有可能被篡改,即终止流程;
4.根据权利要求3所述的一种基于位置密码的无人机身份认证及密钥协商方法,其特征在于,所述步骤(7)主要包括以下步骤:假设消息按照光速传播,从无人机UAVi也可称UAVP1到地面站和各僚机UAVP2、UAVP3、UAVP4之间的通信时间分别为t1、t2、t3:
(7a):地面站选择密钥K1并通过内部秘密通道传递给僚机UAVP2、UAVP3、UAVP4各自生成一个信息串V1、V2、V3;
(7b):各僚机分别将密钥和信息串发送给证明者,确保他们能在T时刻同时到达待验证的无人机UAVi;
(7c):待验证的无人机UAVi在T时刻计算Ki+1=PRG(Vi,Ki),(i=1,2,3),将K4广播给所有验证者;
(7d):在T+ti时刻,UAVPi对K4进行验证,如果所有验证者都通过了对K4的验证则可知待验证无人机UAVi通过了对位置的验证。
5.根据权利要求1所述的一种基于位置密码的无人机身份认证及密钥协商方法,其特征在于,所述步骤3具体为:
计算响应掩码
计算将要在公共信道发送的所有信息的摘要:
(3)将认证消息MSG3{C*,mR*M5,M6}通过公共信道发送给地面站;
当地面站收到消息MSG3{C*,mR*M5,M6}后将执行以下动作:
(4)首先计算消息MSG3的摘要,判断其是否来自可信节点且没有被篡改:
使用无人机的之前的响应R验证解密出的响应是否正确:
验证M5′:如果M5′==M5则说明上述所有计算均正确完成,即无人机已经正确解密出r2且地面站也正确解密出更新的响应R*;否则说明之前的计算出现了问题,有可能就是遭受了中间人攻击或其他攻击,在此情况将终止流程;
(5)更新无人机UAVi的挑战相应对为刚刚计算出的c*,R*′,即令(C,R)=(C*,R*′);
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