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

一种基于位置密码的无人机身份认证及密钥协商方法 Download PDF

Info

Publication number
CN115150828A
CN115150828A CN202210816177.3A CN202210816177A CN115150828A CN 115150828 A CN115150828 A CN 115150828A CN 202210816177 A CN202210816177 A CN 202210816177A CN 115150828 A CN115150828 A CN 115150828A
Authority
CN
China
Prior art keywords
aerial vehicle
unmanned aerial
ground station
response
message
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202210816177.3A
Other languages
English (en)
Inventor
马建峰
刁东辉
习宁
张俊伟
魏大卫
马承彦
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Xidian University
Original Assignee
Xidian University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Xidian University filed Critical Xidian University
Priority to CN202210816177.3A priority Critical patent/CN115150828A/zh
Publication of CN115150828A publication Critical patent/CN115150828A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04WWIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W12/00Security arrangements; Authentication; Protecting privacy or anonymity
    • H04W12/06Authentication
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04LTRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L9/00Cryptographic mechanisms or cryptographic arrangements for secret or secure communications; Network security protocols
    • H04L9/08Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0861Generation of secret information including derivation or calculation of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0877Generation of secret information including derivation or calculation of cryptographic keys or passwords using additional device, e.g. trusted platform module [TPM], smartcard, USB or hardware security module [HSM]
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04WWIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W12/00Security arrangements; Authentication; Protecting privacy or anonymity
    • H04W12/04Key management, e.g. using generic bootstrapping architecture [GBA]
    • H04W12/043Key management, e.g. using generic bootstrapping architecture [GBA] using a trusted network node as an anchor
    • H04W12/0431Key distribution or pre-distribution; Key agreement
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04WWIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W12/00Security arrangements; Authentication; Protecting privacy or anonymity
    • H04W12/60Context-dependent security
    • H04W12/63Location-dependent; Proximity-dependent
    • HELECTRICITY
    • H04ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04WWIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W84/00Network topologies
    • H04W84/02Hierarchically pre-organised networks, e.g. paging networks, cellular networks, WLAN [Wireless Local Area Network] or WLL [Wireless Local Loop]
    • H04W84/04Large scale networks; Deep hierarchical networks
    • H04W84/06Airborne or Satellite Networks

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Security & Cryptography (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

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

一种基于位置密码的无人机身份认证及密钥协商方法
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:
(3)为该无人机生成一个160bits的专属实际编号
Figure BDA0003742486570000031
与一个320bits的专属秘密值
Figure BDA0003742486570000032
根据专属编号
Figure BDA0003742486570000033
和其发来的响应R计算出匿名编号:
Figure BDA0003742486570000034
将该无人机的挑战响应对(C,R)、实际编号
Figure BDA0003742486570000035
专属秘密值
Figure BDA0003742486570000036
与其匿名编号
Figure BDA0003742486570000037
存入其数据库中;
(4)将该无人机的专属编号
Figure BDA0003742486570000038
专属秘密值
Figure BDA0003742486570000039
和地面站编号IDGS作为RMSG2通过安全信道发送给无人机。
当无人机收到地面站的消息
Figure BDA00037424865700000310
将执行以下动作:
(5)根据地面站发送的编号
Figure BDA00037424865700000311
计算出匿名编号:
Figure BDA00037424865700000312
然后将无人机得到的编号
Figure BDA00037424865700000313
安全秘密值
Figure BDA00037424865700000314
和地面站编号IDGS与存入无人机内置的安全存储区,如TPM。
所述步骤2具体流程如下:
首先无人机按以下步骤执行:
(1)将C作为输入使用PUF函数计算出响应
Figure BDA0003742486570000041
生成160bits随机数r1,并利用R计算出随机数r1的掩码:
Figure BDA0003742486570000042
Figure BDA0003742486570000043
(2)用响应R和无人机的真实编号IDUAV计算关于r1的摘要:
Figure BDA0003742486570000044
计算将要在公共信道发送的所有信息的摘要:
Figure BDA0003742486570000045
(3)将认证消息
Figure BDA0003742486570000046
通过公共信道发送给地面站认证中心;
当地面站收到消息
Figure BDA0003742486570000047
后将执行以下动作:
(4)地面站将首先根据MSG1中的IDGS对比自身编号,如果不匹配将直接终止流程。如果匹配,地面张将根据匿名编号
Figure BDA0003742486570000048
找到对应的实际编号
Figure BDA0003742486570000049
继而再找到与该无人机提前协商的秘密值
Figure BDA00037424865700000410
(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:
Figure BDA00037424865700000411
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;
根据上一步加密中间消息X计算出随机数:
Figure BDA00037424865700000412
Figure BDA00037424865700000413
(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:
Figure BDA0003742486570000051
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):
(8)如果无人机通过了对位置的验证则令r2=K4,否则令r2=r1使用响应R和秘密值
Figure BDA0003742486570000052
对上一步生成的随机数r2加密:
Figure BDA0003742486570000053
使用两方生成的随机数r1、r2以及响应R做摘要生成结果将用作加密通信的对称密钥:
Figure BDA0003742486570000054
(9)用响应R和无人机的真实编号IDUAV计算关于r2的摘要:
Figure BDA0003742486570000055
计算将要在公共信道发送的所有信息的摘要:
Figure BDA0003742486570000056
(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
Figure BDA0003742486570000065
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;
据加密消息Y、无人机UAVi的响应R和秘密值
Figure BDA0003742486570000061
计算来自地面站的的随机数:
Figure BDA0003742486570000062
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:
Figure BDA0003742486570000063
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;
(12)使用两方生成的随机数r1、r2以及响应R做摘要生成结果将用作加密通信的对称密钥:
Figure BDA0003742486570000064
到此就完成了对称密钥的协商,后续部分将对无人机与地面站预留的挑战响应对进行更新,确保流程的前向后向安全性。
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:
(1)地面站生成32bits随机数C*,将其当作挑战输入
Figure BDA0003742486570000071
得到320bits响应
Figure BDA0003742486570000072
更新数据库中的匿名编号
Figure BDA0003742486570000073
计算响应掩码
Figure BDA0003742486570000074
(2)使用来自地面站的随机数r2和无人机的真实编号IDUAV计算关于响应R*的摘要:
Figure BDA0003742486570000075
计算将要在公共信道发送的所有信息的摘要:
Figure BDA0003742486570000077
(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:
Figure BDA0003742486570000076
如果M6′==M6则说明该消息来自编号为
Figure BDA0003742486570000087
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。
再根据响应掩码、秘密值
Figure BDA0003742486570000081
和会话密钥
Figure BDA0003742486570000082
来计算出更新后的挑战:
Figure BDA0003742486570000083
使用无人机的之前的响应R验证解密出的响应是否正确:
Figure BDA0003742486570000084
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*′);
根据更新后的响应更新无人机UAVi的匿名编号
Figure BDA0003742486570000085
Figure BDA0003742486570000086
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:
(3)为该无人机生成一个160bits的专属编号
Figure BDA0003742486570000101
与一个320bits的专属秘密值
Figure BDA0003742486570000102
根据专属编号
Figure BDA0003742486570000103
和其发来的响应R计算出匿名编号:
Figure BDA0003742486570000104
将该无人机的挑战响应对(C,R)、实际编号
Figure BDA0003742486570000105
专属秘密值
Figure BDA0003742486570000106
与其匿名编号
Figure BDA0003742486570000107
存入其数据库中;
(4)将该无人机的专属编号
Figure BDA0003742486570000108
专属秘密值
Figure BDA0003742486570000109
和地面站编号IDGS作为MSG2通过安全信道发送给无人机。
当无人机收到地面站的消息
Figure BDA00037424865700001010
将执行以下动作:
(5)根据地面站发送的编号
Figure BDA00037424865700001011
计算出匿名编号:
Figure BDA00037424865700001012
然后将无人机得到的编号
Figure BDA00037424865700001013
安全秘密值
Figure BDA00037424865700001014
和地面站编号IDGS与存入无人机内置的安全存储区,如TPM。
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
(1)将C作为输入使用PUF函数计算出响应
Figure BDA00037424865700001015
生成160bits随机数r1,并利用R计算出随机数r1的掩码:
Figure BDA00037424865700001016
Figure BDA00037424865700001017
(2)用响应R和无人机的真实编号IDUAV计算关于r1的摘要:
Figure BDA0003742486570000111
计算将要在公共信道发送的所有信息的摘要:
Figure BDA0003742486570000112
(3)将认证消息
Figure BDA0003742486570000113
通过公共信道发送给地面站认证中心;
当地面站收到消息
Figure BDA0003742486570000114
后将执行以下动作:
(4)地面站将首先根据MSG1中的IDGS对比自身编号,如果不匹配将直接终止流程。如果匹配,地面张将根据匿名编号
Figure BDA0003742486570000115
找到对应的实际编号
Figure BDA0003742486570000116
继而再找到与该无人机提前协商的秘密值
Figure BDA0003742486570000117
(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:
Figure BDA0003742486570000118
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;
根据上一步加密中间消息X计算出随机数:
Figure BDA0003742486570000119
Figure BDA00037424865700001110
(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:
Figure BDA00037424865700001111
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。
(8)如果无人机通过了对位置的验证则令r2=K4,否则令r2=r1使用响应R和秘密值
Figure BDA0003742486570000121
对上一步生成的随机数r2加密:
Figure BDA0003742486570000122
使用两方生成的随机数r1、r2以及响应R做摘要生成结果将用作加密通信的对称密钥:
Figure BDA0003742486570000123
(9)用响应R和无人机的真实编号IDUAV计算关于r2的摘要:
Figure BDA0003742486570000124
计算将要在公共信道发送的所有信息的摘要:
Figure BDA0003742486570000125
(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
Figure BDA0003742486570000131
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;
根据加密消息Y、无人机UVAi的响应r和秘密值
Figure BDA0003742486570000132
计算来自地面站的的随机数:
Figure BDA0003742486570000133
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:
Figure BDA0003742486570000134
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;
(12)使用两方生成的随机数r1、r2以及响应R做摘要生成结果将用作加密通信的对称密钥:
Figure BDA0003742486570000141
到此就完成了对称密钥的协商,后续部分将对无人机与地面站预留的挑战响应对进行更新,确保流程的前向后向安全性;
步骤3:更新CRP
(1)地面站生成32bits随机数C*,将其当作挑战输入
Figure BDA0003742486570000142
得到320bits响应
Figure BDA0003742486570000143
更新数据库中的匿名编号
Figure BDA0003742486570000144
计算响应掩码
Figure BDA0003742486570000145
(2)使用来自地面站的随机数r2和无人机的真实编号IDUAV计算关于响应R*的摘要:
Figure BDA0003742486570000146
计算将要在公共信道发送的所有信息的摘要:
Figure BDA0003742486570000147
(3)将认证消息
Figure BDA0003742486570000148
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:
Figure BDA0003742486570000149
如果M6′==M6则说明该消息来自编号为
Figure BDA00037424865700001410
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。
再根据响应掩码、秘密值
Figure BDA0003742486570000151
和会话密钥
Figure BDA0003742486570000152
来计算出更新后的挑战:
Figure BDA0003742486570000153
使用无人机的之前的响应R验证解密出的响应是否正确:
Figure BDA0003742486570000154
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*′);
根据更新后的响应更新无人机UAVi的匿名编号
Figure BDA0003742486570000155
Figure BDA0003742486570000156

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)为该无人机生成一个160bits的专属实际编号
Figure FDA0003742486560000021
与一个320bits的专属秘密值
Figure FDA0003742486560000022
根据专属编号
Figure FDA0003742486560000023
和其发来的响应R计算出匿名编号:
Figure FDA0003742486560000024
将该无人机的挑战响应对(C,R)、实际编号
Figure FDA0003742486560000025
专属秘密值
Figure FDA0003742486560000026
与其匿名编号
Figure FDA0003742486560000027
存入其数据库中;
(4)将该无人机的专属编号
Figure FDA0003742486560000028
专属秘密值
Figure FDA00037424865600000214
和地面站编号IDGS作为RMSG2通过安全信道发送给无人机;
当无人机收到地面站的消息
Figure FDA0003742486560000029
将执行以下动作:
(5)根据地面站发送的编号
Figure FDA00037424865600000210
计算出匿名编号:
Figure FDA00037424865600000211
然后将无人机得到的编号
Figure FDA00037424865600000212
安全秘密值
Figure FDA00037424865600000213
和地面站编号IDGS与存入无人机内置的安全存储区。
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:
(1)将C作为输入使用PUF函数计算出响应
Figure FDA0003742486560000031
生成160bits随机数r1,并利用R计算出随机数r1的掩码:
Figure FDA0003742486560000032
Figure FDA0003742486560000033
(2)用响应R和无人机的真实编号IDUAV计算关于r1的摘要:
Figure FDA0003742486560000034
计算将要在公共信道发送的所有信息的摘要:
Figure FDA0003742486560000035
(3)将认证消息
Figure FDA0003742486560000036
通过公共信道发送给地面站认证中心;
当地面站收到消息
Figure FDA0003742486560000037
后将执行以下动作:
(4)地面站将首先根据MSG1中的IDGS对比自身编号,如果不匹配将直接终止流程,如果匹配,地面张将根据匿名编号
Figure FDA0003742486560000038
找到对应的实际编号
Figure FDA0003742486560000039
继而再找到与该无人机提前协商的秘密值
Figure FDA00037424865600000310
(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:
Figure FDA00037424865600000311
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;
根据上一步加密中间消息X计算出随机数:
Figure FDA00037424865600000312
Figure FDA00037424865600000313
(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:
Figure FDA0003742486560000041
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:
(8)如果无人机通过了对位置的验证则令r2=K4,否则令r2=r1使用响应R和秘密值
Figure FDA0003742486560000042
对上一步生成的随机数r2加密:
Figure FDA0003742486560000043
使用两方生成的随机数r1、r2以及响应R做摘要生成结果将用作加密通信的对称密钥:
Figure FDA0003742486560000044
(9)用响应R和无人机的真实编号IDUAV计算关于r2的摘要:
Figure FDA0003742486560000045
计算将要在公共信道发送的所有信息的摘要:
Figure FDA0003742486560000046
(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
Figure FDA0003742486560000047
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;
据加密消息Y、无人机UAVi的响应R和秘密值
Figure FDA0003742486560000051
计算来自地面站的的随机数:
Figure FDA0003742486560000052
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:
Figure FDA0003742486560000053
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;
(12)使用两方生成的随机数r1、r2以及响应R做摘要生成结果将用作加密通信的对称密钥:
Figure FDA0003742486560000054
到此就完成了对称密钥的协商,后续部分将对无人机与地面站预留的挑战响应对进行更新,确保流程的前向后向安全性。
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:
(1)地面站生成32bits随机数C*,将其当作挑战输入
Figure FDA0003742486560000061
得到320bits响应
Figure FDA0003742486560000062
更新数据库中的匿名编号
Figure FDA0003742486560000063
计算响应掩码
Figure FDA0003742486560000064
(2)使用来自地面站的随机数R2和无人机的真实编号IDUAV计算关于响应R*的摘要:
Figure FDA0003742486560000065
计算将要在公共信道发送的所有信息的摘要:
Figure FDA0003742486560000066
(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:
Figure FDA0003742486560000071
如果M6′==M6则说明该消息来自编号为
Figure FDA0003742486560000072
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;
再根据响应掩码、秘密值
Figure FDA0003742486560000073
和会话密钥
Figure FDA0003742486560000074
来计算出更新后的挑战:
Figure FDA0003742486560000075
使用无人机的之前的响应R验证解密出的响应是否正确:
Figure FDA0003742486560000076
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*′);
根据更新后的响应更新无人机UAVi的匿名编号
Figure FDA0003742486560000077
CN202210816177.3A 2022-07-12 2022-07-12 一种基于位置密码的无人机身份认证及密钥协商方法 Pending CN115150828A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210816177.3A CN115150828A (zh) 2022-07-12 2022-07-12 一种基于位置密码的无人机身份认证及密钥协商方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210816177.3A CN115150828A (zh) 2022-07-12 2022-07-12 一种基于位置密码的无人机身份认证及密钥协商方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115150828A true CN115150828A (zh) 2022-10-04

Family

ID=83413022

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210816177.3A Pending CN115150828A (zh) 2022-07-12 2022-07-12 一种基于位置密码的无人机身份认证及密钥协商方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115150828A (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116528229A (zh) * 2023-07-03 2023-08-01 北京中科网芯科技有限公司 5g安全通信方法及其系统
CN117560155A (zh) * 2023-11-13 2024-02-13 兰州理工大学 一种基于pwtap协议的身份认证方法

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080044027A1 (en) * 2003-10-29 2008-02-21 Koninklijke Philips Electrnics, N.V. System and Method of Reliable Foward Secret Key Sharing with Physical Random Functions
CN106972917A (zh) * 2017-03-15 2017-07-21 西安电子科技大学 用户运行轨迹的安全验证方法
CN106992855A (zh) * 2017-03-15 2017-07-28 西安电子科技大学 基于离散轨迹的密钥交换方法
CN107976690A (zh) * 2017-11-17 2018-05-01 西安电子科技大学 一种智能协同环境下的多无人机抗gps欺骗方法
CN108270572A (zh) * 2017-12-22 2018-07-10 中国电子科技集团公司第三十研究所 一种基于位置和口令的密钥交换协议
RU2730368C1 (ru) * 2020-01-10 2020-08-21 федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации Способ криптографической защиты каналов связи между наземной станцией управления и одновременно несколькими управляемыми с нее беспилотными летательными аппаратами
CN113068187A (zh) * 2021-02-20 2021-07-02 西安电子科技大学 一种无人机辅助的终端接入认证方法、系统、设备及应用
CN114244531A (zh) * 2021-12-20 2022-03-25 上海交通大学 基于强puf的轻量级自更新消息认证方法
CN114679268A (zh) * 2022-03-29 2022-06-28 湖北工业大学 无人机间相互认证与密钥协商的方法、可存储介质

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080044027A1 (en) * 2003-10-29 2008-02-21 Koninklijke Philips Electrnics, N.V. System and Method of Reliable Foward Secret Key Sharing with Physical Random Functions
CN106972917A (zh) * 2017-03-15 2017-07-21 西安电子科技大学 用户运行轨迹的安全验证方法
CN106992855A (zh) * 2017-03-15 2017-07-28 西安电子科技大学 基于离散轨迹的密钥交换方法
CN107976690A (zh) * 2017-11-17 2018-05-01 西安电子科技大学 一种智能协同环境下的多无人机抗gps欺骗方法
CN108270572A (zh) * 2017-12-22 2018-07-10 中国电子科技集团公司第三十研究所 一种基于位置和口令的密钥交换协议
RU2730368C1 (ru) * 2020-01-10 2020-08-21 федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военная академия связи имени Маршала Советского Союза С.М. Буденного" Министерства обороны Российской Федерации Способ криптографической защиты каналов связи между наземной станцией управления и одновременно несколькими управляемыми с нее беспилотными летательными аппаратами
CN113068187A (zh) * 2021-02-20 2021-07-02 西安电子科技大学 一种无人机辅助的终端接入认证方法、系统、设备及应用
CN114244531A (zh) * 2021-12-20 2022-03-25 上海交通大学 基于强puf的轻量级自更新消息认证方法
CN114679268A (zh) * 2022-03-29 2022-06-28 湖北工业大学 无人机间相互认证与密钥协商的方法、可存储介质

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
PRIYANKA MALL ET AL.: "PUF-Based Authentication and Key Agreement Protocols for IoT, WSNs, and Smart Grids: A Comprehensive Survey", IEEE INTERNET OF THINGS JOURNAL, 11 January 2022 (2022-01-11) *
TEJASVI ALLADI ET AL.: "SecAuthUAV: A Novel Authentication Scheme for UAV-Ground Station and UAV-UAV Communication", IEEE TRANSACTIONS ON VEHICULAR TECHNOLOGY, 22 October 2020 (2020-10-22) *
朱辉等: "面向无人机网络的密钥管理和认证协议", 工程科学与技术, no. 03, 24 April 2019 (2019-04-24) *
郭琰等: "无线传感器网络中基于共享密钥的互认证和密钥协商方案", 中国科技论文, no. 08, 23 April 2016 (2016-04-23) *
阙梦菲等: "物联网中基于位置的数字签名方案", 计算机研究与发展, 15 July 2018 (2018-07-15) *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN116528229A (zh) * 2023-07-03 2023-08-01 北京中科网芯科技有限公司 5g安全通信方法及其系统
CN116528229B (zh) * 2023-07-03 2023-09-05 北京中科网芯科技有限公司 5g安全通信方法及其系统
CN117560155A (zh) * 2023-11-13 2024-02-13 兰州理工大学 一种基于pwtap协议的身份认证方法
CN117560155B (zh) * 2023-11-13 2024-06-07 兰州理工大学 一种基于pwtap协议的身份认证方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104683112B (zh) 一种基于rsu协助认证的车‑车安全通信方法
Bagga et al. On the design of mutual authentication and key agreement protocol in internet of vehicles-enabled intelligent transportation system
CN109698754B (zh) 基于环签名的车队安全管理系统及方法、车辆管理平台
CN101902476B (zh) 移动p2p用户身份认证方法
CN106330910A (zh) 车联网中基于节点身份和信誉的强隐私保护双重认证方法
CN115150828A (zh) 一种基于位置密码的无人机身份认证及密钥协商方法
CN112039918B (zh) 一种基于标识密码算法的物联网可信认证方法
CN113905351B (zh) 一种基于区块链和机密计算的车联网认证方法
CN107493165B (zh) 一种具有强匿名性的车联网认证及密钥协商方法
CN113395166B (zh) 一种基于边缘计算的电力终端云边端协同安全接入认证方法
CN111212400B (zh) 基于秘密共享和移动终端的抗量子计算车联网系统及其认证方法
CN111711607B (zh) 一种基于区块链的流式微服务可信加载与验证方法
CN108933665B (zh) 轻量级V2I组通信身份验证协议应用在VANETs中的方法
CN110636051A (zh) 一种基于多用户ca数字证书的区块链交易方法
WO2023024487A1 (zh) 一种基于区块链的互联车辆认证系统和方法
KR102435030B1 (ko) 안전한 드론 통신 프로토콜
CN116388995A (zh) 一种基于puf的轻量级智能电网认证方法
CN115499119A (zh) 一种基于puf的具备隐私保护的车辆认证方法
CN116015807A (zh) 一种基于边缘计算的轻量级终端安全接入认证方法
Akram et al. Blockchain-based privacy-preserving authentication protocol for UAV networks
Ma et al. A robust authentication scheme for remote diagnosis and maintenance in 5G V2N
CN109766716A (zh) 一种基于可信计算的匿名双向认证方法
CN110752934B (zh) 拓扑结构下网络身份交互认证的方法
CN113364598A (zh) 一种车联网环境下隐私保护的批量认证方法
CN114389812B (zh) 一种基于puf的车联网轻量级隐私保护批量认证方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination