CN116614807A - 无线局域网与多接入边缘计算的轻量级认证密钥交换方法 - Google Patents

无线局域网与多接入边缘计算的轻量级认证密钥交换方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种无线局域网与多接入边缘计算的轻量级认证密钥交换方法，属于无线局域网环境中多接入边缘计算领域。该方法由终端设备、MEC服务器、无线控制器AC三方参与身份认证与会话密钥交换，包括终端设备注册步骤、MEC服务器注册步骤以及认证密钥交换步骤。MEC服务器在AC处注册并登陆，随时准备为终端设备提供服务；终端设备首先在AC处注册，使用MEC服务器前，在AC处登陆，通过与MEC服务器协商产生本次通信使用的会话密钥并完成交换，然后终端设备与MEC服务器之间的通信采用交换所得会话密钥进行加密传输。本发明具有计算量小，安全性高等优势。

Description

无线局域网与多接入边缘计算的轻量级认证密钥交换方法
技术领域
本发明涉及无线局域网环境中多接入边缘计算领域，特别是涉及基于边缘计算的终端设备轻量级身份认证与会话密钥交换方法。
背景技术
在WLAN环境下，由于原有的网络设备缺乏改造空间，因此目前的MEC部署方案通常是将MEC服务器接入到瘦AP（Access Point，无线接入点）+AC（Access Controller，无线控制器）组网系统下。由于WLAN环境通常处于室内，且不同区域的WLAN通常会有不同的密码，因此WLAN环境下的无线通信相比于蜂窝网络要更加安全，受攻击的可能性更小。但是这并不代表WLAN环境下不会受到攻击，事实上，目前的WLAN环境通常被认为是不够安全的，这主要是因为AC本身较弱的性能难以承担更高安全级别的认证加密方式，因为更高级别的安全性往往也意味着更庞大的计算量。因此，WLAN环境下的AC并不能像蜂窝网络中的云服务器那样作为可信任第三方辅助密钥协商过程。
申请公布号为CN113094722A的中国发明专利公开了一种三方口令密钥认证交换方法；申请公布号为CN113094721A的中国发明专利公开了一种基于模上错误学习的后量子口令认证密钥交换方法。以上专利虽能在一定程度上简化计算量，提高安全性，但仍有待于进一步改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种无线局域网与多接入边缘计算的轻量级认证密钥交换方法，以解决目前WLAN环境中无线控制器性能不能满足MEC应用安全性要求的问题。在本方法中，AC仅使用异或运算与哈希运算进行终端设备和MEC服务器的身份验证，MEC服务器将椭圆曲线算法整合进密钥协商过程，从而提高安全性。
本发明所采用的技术解决方案是：
无线局域网与多接入边缘计算的轻量级认证密钥交换方法，该方法由终端设备、MEC服务器以及无线控制器参与完成，包括以下步骤：
（1）终端设备注册
由终端设备提供自己的真实身份并在无线控制器处注册为合法终端设 备，无线控制器记录并保存终端设备真实身份，由无线控制器为该终端设备生成虚拟 身份、认证信息、密钥协商参数；
为第i个终端设备，为的真实身份；
（2）MEC服务器注册
由MEC服务器提供自己的真实身份以及所选定的椭圆曲线上的有限 循环加法群参数 及公钥发送给无线控制器，由无线控制器记录并保存 MEC服务器的真实身份，并为之生成认证信息；
为第j个的MEC服务器，为的真实身份，为椭圆曲线上的 有限循环加法群参数，为的公钥，，为的长期私钥；
（3）认证密钥交换
当终端设备使用多接入边缘计算时，终端设备首先要连接无线局域网，并 向无线控制器发起多接入边缘计算请求，无线控制器收到终端设备请求后，协助完 成其与MEC服务器的身份认证与密钥交换。
本发明的原理及有益技术效果如下：
本发明提出一种无线局域网与多接入边缘计算的轻量级认证密钥交换方法，该方法能够利用MEC服务器的性能优势来弥补无线控制器的性能缺陷，无线控制器只负责对终端设备进行身份认证，并提供虚拟id以及对应的验证信息来保证终端设备的匿名性与不可追踪性，密钥协商过程交给性能较强的MEC服务器负责。二者配合从而实现了高安全性的密钥协商过程，同时兼顾了无线控制器对接入终端设备的控制能力，能够充分发挥无线控制器在网络管理、负载均衡、统计计费等方面的功能。
本发明有效解决目前WLAN环境中无线接入控制器性能不能满足MEC服务器应用安全性要求的问题。在本方法中，无线控制器仅使用异或运算与哈希运算进行终端设备和MEC服务器的身份验证，MEC服务器将椭圆曲线算法整合进密钥协商过程，从而提高安全性。
具体地，本发明轻量级认证密钥交换方法还具有以下优点：
本方法实现了终端设备、无线控制器AC及MEC服务器的身份认证。AC主要依靠 对终端设备的虚拟id进行验证，并配合注册时确认的和对终端设备与MEC服务器 的身份进行验证，而终端设备与MEC服务器之间则是利用椭圆曲线算法的特性，依靠和进行身份验证。
本方法实现了匿名性与不可追踪性。终端设备在登陆验证时不使用真实身份，而 是使用AC分配的伪身份以及伪身份的验证信息，终端设备每次登录时AC都会为终 端设备分配新的和并进行加密传输，从而确保终端设备每次登录使用完全不同 的伪身份，因此本方法能够实现匿名性和不可追踪性。
本方法实现了完美前向安全。会话密钥，注： 计算SK总共有三种公式，三者是等价的，密钥交换方法中使用了其中两种用于两个协议主 体分别计算SK，而此处的公式是为了方便理解给出的，没有在协议中使用。其中的和 是临时生成的随机数，这两个随机数分别参与了终端设备和MEC服务器的椭圆曲线运算，并 各自配合其他秘密参数一起组成了会话密钥。由于这两个随机数的存在，即使攻击者获取 到了当前会话密钥的所有秘密参数，也无法恢复过去的会话密钥，因此本方法能够实现完 美前向安全。
本方法可防止内部攻击。假设攻击者通过某些手段获取了AC中存储的 等数据。由于终端设备在登陆时使用的身份信息为伪身份，真实id是通过加密 传输的，因此即使攻击者获取到了AC中存储的全部id数据，也无法将其与终端设备真实身 份相匹配。另一方面，由于本方法中AC只负责身份认证，终端设备与MEC服务器间的密钥协 商是独立进行的，密钥协商过程使用了安全的椭圆曲线算法保障安全，因此即使AC被攻击 者完全控制，终端设备与MEC服务器间的通信仍然是安全的，无法被监听。因此本方法能够 抵抗来自内部的攻击。
本方法可防止重放攻击。本方法的每一次消息传输都伴随着时间戳以及验证 信息一同传输，每当主体接收到消息后，会首先检查时间戳的有效性，同时验证以 保证时间戳未被修改。只有在确定时间戳有效的情况下，本方法才会继续执行，因此本方法 能够抵抗重放攻击。
本方法可防止盗取智能卡攻击。智能卡中包含 八条数据，其中是公开信息，需 要在登录时配合真实id用于验证身份，而，，都需要攻击者获取不到的终端设备信息参与计算。也 就是说，即使攻击者获取到了智能卡中的全部信息，也不会威胁通信的安全，因此本方法能 够抵抗盗取智能卡攻击。
本方法能够防止伪装攻击。伪装攻击指攻击者通过破解某些消息伪装成合法主体，并与其他主体建立会话密钥。在本方法中，由于身份验证机制的存在，无论攻击者想要伪装成哪一个主体，都必须获取到该主体拥有的全部秘密信息才能通过验证，因此本方法能够抵抗伪装攻击。
本方法能够防止中间人攻击。中间人攻击是指攻击者通过在认证过程中拦截双方 信息，在两个实体之间分别与对方建立会话密钥。本方法的登陆验证过程总共需要四次消 息传递，前三次消息传递使用验证信息验证消息完整性以及发送者身份，最后一 次消息传递为了安全传输使用了对称加密传输，因此攻击者即使拦截到消息也 无法修改或伪装。本方法最后生成的会话密钥构成为， 其中的通过求得，通过求得，而攻击者 无法在多项式时间内求解和，因此攻击者既无法通过身份验证，也无法计算出会话 密钥，所以本方法能够抵抗中间人攻击。
本方法能够抵抗临时秘密泄露攻击。临时秘密泄露攻击允许攻击者获取通信主体 临时生成的随机数的值。在本方法中共使用了7个随机数，其中3个是注册阶段生成的，攻击 者无法获取，剩下4个随机数为，其中和作为虚拟身份信息 是可以公开的，参与的运算，参与 的运算，可以发现这些随机数要么与其他秘密信息配合计算，要么不会影响通信安全性，因 此即使本方法所有的临时随机数泄露也不会导致认证与密钥交换失效，本方法能够抵抗临 时秘密泄露攻击。
本方法能够抵抗密钥操纵。抗密钥操纵要求任何一方都不能控制密钥协商过程独 自计算出会话密钥。本方法的会话密钥构成为，其 中分别来自两个通信实体终端设备和MEC服务器，分别为终端设备和MEC服 务器的秘密信息，两者的信息传输需要经过AC，而AC的每次信息传输都伴随着身份认证，因 此无论是终端设备还是MEC服务器都无法独立计算出会话密钥。
本方法是轻量级的。由于本方法的主体结构中，AC作为管理主体但性能较弱，因此本方法选择将身份认证与密钥协商过程分离，由性能更强的MEC服务器主导密钥协商过程，而将终端设备的身份认证与管理工作交给AC。在本方法中，AC仅使用异或运算与哈希运算进行终端设备和MEC服务器的身份验证，同时MEC服务器将椭圆曲线算法整合进密钥协商过程，从而提高通信的安全性。本方法不依赖公钥基础设施，不使用非对称加密，不使用双线性配对等计算量较大的数学运算，将合适的工作交给合适的设备去完成，因此本方法对主体性能要求小，能够适应边缘侧设备较低的性能，从而满足轻量级的需求。
本方法经过了非形式化安全分析、SVO逻辑分析、ProVerif安全性验证以及基于随机预言模型的安全性验证。
附图说明
图1为本发明无线局域网与多接入边缘计算的轻量级认证密钥交换方法的总体流程示意图。
具体实施方式
本发明提出一种无线局域网（WLAN）与多接入边缘计算MEC的轻量级认证密钥交换AKE方法，其由终端设备、MEC服务器、无线控制器AC三方参与身份认证与会话密钥交换。MEC服务器在AC处注册并登陆，随时准备为终端设备提供服务；终端设备首先在AC处注册，使用MEC服务器前，在AC处登陆，通过与MEC服务器协商产生本次通信使用的会话密钥并完成交换，然后终端设备与MEC服务器之间的通信采用交换所得会话密钥进行加密传输。AC作为局域网的管理者，仅承担传统网络中终端设备与MEC服务器注册与登陆验证以及物理上链接终端设备与MEC服务的工作。
考虑到AC作为管理主体但性能较弱，在认证密钥交换过程中，AC仅使用异或运算与哈希运算等轻量级的运算进行终端设备和MEC服务器的注册与身份验证；MEC服务器在AC处注册并登陆，随时准备为终端设备提供服务；MEC服务器将椭圆曲线算法整合进密钥协商与交换过程，以提高安全性。MEC服务器作为密钥协商与交换的中心节点，承担密钥协商、产生、验证等大量计算任务。本方法将身份认证与密钥协商过程分离，认证密钥交换过程包含终端设备注册、MEC服务器注册、登陆认证密钥交换等三个阶段。
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步说明：
如图1所示，无线局域网与多接入边缘计算的轻量级认证密钥交换方法，该方法由终端设备、MEC服务器以及无线控制器三个主体参与完成，包括以下步骤：
步骤1、终端设备注册
由终端设备提供自己的真实身份并在无线控制器处注册为合法终端设备， 无线控制器记录并保存终端设备真实身份，由无线控制器为该终端设备生成虚拟身 份、认证信息、密钥协商参数。
为第i个终端设备，为的真实身份。
具体地，终端设备注册包括以下步骤：
步骤11、终端设备首先选择自己的真实身份，然后输入无线局域网密码，生成一个随机数，最后将发送到无线控制器AC。
步骤12、无线控制器首先检查是否已存在，若不存在，则随机生成终端设备伪 身份以及密钥协商参数，再通过公式（1）-公式（7）计算出，此处的为一个中间 变量，用于安全存储密钥协商参数，然后存储，最后将 发送给终端设备。
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
式中，为连接符，表示单向哈希函数，表示无线控制器的长期私钥， 表示异或运算，表示的虚拟身份。
（13）终端设备接收到无线控制器的消息后，首先使用公式（8）-公式（9）计算出 中间变量和，分别用于安全存储和，防止信息泄露，并保存信息。
(8)
(9)
步骤2、MEC服务器注册
由MEC服务器提供自己的真实身份以及所选定的椭圆曲线上的有限 循环加法群参数 及公钥发送给无线控制器，由无线控制器记录并保存 MEC服务器的真实身份，并为之生成认证信息。
为第j个的MEC服务器，为的真实身份，为椭圆曲线上的 有限循环加法群参数，为的公钥，， 为的长期私钥。
具体地，MEC服务器注册包括以下步骤：
步骤21、MEC服务器首先确定自己的身份信息，并将该信息连同 一同发送给无线控制器AC。
步骤22、无线控制器接收到消息后，首先检查是否已存在，若不存在，则生成 随机数，并进行公式（10）-公式（14）运算，最后存储，并将 通过安全信道发送给MEC服务器。
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
步骤23、MEC服务器收到消息后，将信息存储。
步骤3、认证密钥交换
当终端设备使用多接入边缘计算时，终端设备首先要连接无线局域网，并向 无线控制器发起多接入边缘计算请求，无线控制器收到终端设备请求后，协助完成 其与MEC服务器的身份认证与密钥交换。
具体地，认证密钥交换包括以下步骤：
步骤31、终端设备使用真实身份以及无线局域网密码，采用公式（15）- 公式（16）计算出和，然后生成一个随机数，通过公式（17）-公式（18）计算出终端设 备的密钥协商参数和。
（15）
（16）
（17）
（18）
通过公式（19）计算出密钥协商参数，使用公式（20）实现对设备的保密，使 用公式（21）计算出用以验证消息完整性，最后将发送给无线控制器AC。
(19)
(20)
(21)
上式中，表示第n个时间戳，表示第n个验证信息，用于确保消息完整性，n为 整数。如公式（21）中的T1表示第1个时间戳，F1表示第1个验证信息。
步骤32、无线控制器接收到终端设备的请求消息后，首先利用公式（22）计算消 息的时间戳是否有效，若有效则通过公式（23）计算出终端设备的身份信息，并利用公式 （24）对消息的完整性进行确认。
(22)
(23)
(24)
上式中表示与之间的时间差；公式中出现的是与变量的值相同， 但计算方式不同的变量；是与变量和的值相同，但计算方式不同的变量；变量可分别为，，，，等。
然后检查是否已注册，若已注册，则使用公式（25）-公式（26）分别计算出，最后利用公式（27）计算出用以验证消息完整性，将发送给MEC服务 器。
(25)
(26)
(27)
公式（27）中出现的T3表示第3个时间戳，F2表示第2个验证信息。
步骤33、MEC服务器接收到消息后，首先通过公式（28）验证时间戳是否有效， 若有效则通过公式（29）-公式（30）计算出密钥协商参数和，并通过公式（31）验证 消息完整性。
(28)
(29)
(30)
(31)
接着通过公式（32），MEC服务器计算终端设备的密钥协商参数，生成 随机数，并通过公式（33）-公式（35）计算自己的密钥协商参数。
(32)
(33)
(34)
(35)
最后，利用公式（36），MEC服务器使用自己的密钥协商参数与终端设备的 密钥协商参数共同计算出会话密钥，并使用公式（37）-公式（38）计算出和，将 消息发送给无线控制器。
(36)
(37)
(38)
步骤34、无线控制器接收到MEC服务器发来的消息，首先通过公式（39）-公式 （40）验证消息的时间戳和消息完整性，若通过验证，则使用公式（41）计算出MEC服务器的密钥协商参数。
(39)
(40)
(41)
接着生成一个随机数作为终端设备的新伪身份，生成随机密钥协商 参数，通过公式（42）-公式（46）计算出。
(42)
(43)
(44)
(45)
(46)
最后使用通过公式（47）加密消息，通过公式（48）生 成消息完整性验证信息，并将消息发送给终端设备。
(47)
(48)
步骤35、终端设备收到无线控制器的消息后，首先通过公式(49)解密消息， 然后通过公式（50）和公式（51）对消息进行时间戳验证和完整性验证。
(49)
(50)
(51)
若通过验证，则使用替代，使用替代，最后通过公式（52）计算 出并结合全部密钥协商参数使用公式（53）计算出会话密钥。
(52)
(53)
SK作为会话密钥需要用户与边缘服务器分别独立计算出。
经过以上步骤，在终端设备与MEC服务器之间实现了身份认证与密钥交 换，共同得到了本次通话共同使用的会话密钥。
以上步骤中用到的符号及其解释汇总如下。
表示第i个的终端设备（边缘设备）；表示第j个的MEC服务器；表示无线 控制器；表示的真实身份；表示的虚拟身份；表示的真实身份； 表示的虚拟身份；表示无线局域网密码；表示会话密钥；表示异或运算； 表示连接符；表示单向哈希函数；表示密钥协商参数；表示使用key对 data进行加密；表示使用key对data进行解密；表示的公钥，；表示的长期私钥；表示椭圆曲线上的 有限循环加法群参数；表示无线控制器的长期私钥；表示终端设备在注 册阶段生成的中间参数；表示MEC服务器在注册阶段生成的中间参数；表示 第n个时间戳；表示第n个验证信息，用于确保消息完整性；表示与之间的时 间差；表示与变量的值相同，但计算方式不同的变量；表示与变量和的值 相同，但计算方式不同的变量。

Claims (4)

1.无线局域网与多接入边缘计算的轻量级认证密钥交换方法，其特征在于，该方法由终端设备、MEC服务器以及无线控制器参与完成，包括以下步骤：
（1）终端设备注册
由终端设备提供自己的真实身份/>并在无线控制器处注册为合法终端设备，无线控制器记录并保存终端设备真实身份/>，由无线控制器为该终端设备生成虚拟身份、认证信息、密钥协商参数；
为第i个终端设备，/>为/>的真实身份；
（2）MEC服务器注册
由MEC服务器提供自己的真实身份/>以及所选定的椭圆曲线/>上的有限循环加法群参数/> 及公钥/>发送给无线控制器，由无线控制器记录并保存MEC服务器的真实身份，并为之生成认证信息；
为第j个的MEC服务器，/>为/>的真实身份，/>为椭圆曲线/>上的有限循环加法群参数，/>为/>的公钥，/>，/>为/>的长期私钥；
（3）认证密钥交换
当终端设备使用多接入边缘计算时，终端设备/>首先要连接无线局域网，并向无线控制器发起多接入边缘计算请求，无线控制器收到终端设备/>请求后，协助/>完成其与MEC服务器的身份认证与密钥交换。
2.根据权利要求1所述的无线局域网与多接入边缘计算的轻量级认证密钥交换方法，其特征在于，步骤（1）具体包括以下步骤：
（11）终端设备首先选择自己的真实身份/>，然后输入无线局域网密码/>，生成一个随机数/>，最后将/>发送到无线控制器；
（12）无线控制器首先检查是否已存在，若不存在，则随机生成终端设备伪身份以及密钥协商参数/>，再通过公式（1）-公式（7）计算出/>，此处的/>为一个中间变量，用于安全存储密钥协商参数/>，然后存储/>，最后将/>发送给终端设备/>；
(1)
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
(7)
式中，为连接符，/>表示单向哈希函数，/>表示无线控制器的长期私钥，/>表示异或运算，/>表示/>的虚拟身份；
（13）终端设备接收到无线控制器的消息后，首先使用公式（8）-公式（9）计算出/>和，并保存/>信息；
(8)
(9)
和/>均为中间变量，分别用于安全存储/>和/>。
3.根据权利要求2所述的无线局域网与多接入边缘计算的轻量级认证密钥交换方法，其特征在于，步骤（2）具体包括以下步骤：
（21）MEC服务器首先确定自己的身份信息/>，并将该信息连同/>一同发送给无线控制器；
（22）无线控制器接收到消息后，首先检查是否已存在，若不存在，则生成随机数/>，并进行公式（10）-公式（14）运算，最后存储/>，并将/>通过安全信道发送给MEC服务器/>；
(10)
(11)
(12)
(13)
(14)
（23）MEC服务器收到消息后，将/>信息存储。
4.根据权利要求3所述的无线局域网与多接入边缘计算的轻量级认证密钥交换方法，其特征在于，步骤（3）具体包括以下步骤：
（31）终端设备使用真实身份/>以及无线局域网密码/>，采用公式（15）-公式（16）计算出/>和/>，然后生成一个随机数/>，通过公式（17）-公式（18）计算出终端设备的密钥协商参数/>和/>；
（15）
（16）
（17）
（18）
通过公式（19）计算出密钥协商参数，使用公式（20）实现对设备/>的保密，使用公式（21）计算出/>用以验证消息完整性，最后将/>发送给无线控制器；
(19)
(20)
(21)
表示第n个时间戳，n为1，2，3…；
（32）无线控制器接收到终端设备的请求消息后，首先利用公式（22）计算消息的时间戳是否有效，若有效则通过公式（23）计算出终端设备/>的身份信息，并利用公式（24）对消息的完整性进行确认；
(22)
(23)
(24)
表示/>与/>之间的时间差；公式中出现的/>是与变量/>的值相同，但计算方式不同的变量；/>是与变量/>和/>的值相同，但计算方式不同的变量；变量/>分别为、/>、/>、/>；
然后检查是否已注册，若已注册，则使用公式（25）-公式（26）分别计算出/>，最后利用公式（27）计算出/>用以验证消息完整性，将/>发送给MEC服务器/>；
(25)
(26)
(27)
（33）MEC服务器接收到消息后，首先通过公式（28）验证时间戳是否有效，若有效则通过公式（29）-公式（30）计算出密钥协商参数/>和/>，并通过公式（31）验证消息完整性；
(28)
(29)
(30)
(31)
接着通过公式（32），MEC服务器计算终端设备/>的密钥协商参数/>，生成随机数/>，并通过公式（33）-公式（35）计算自己的密钥协商参数/>；
(32)
(33)
(34)
(35)
最后，利用公式（36），MEC服务器使用自己的密钥协商参数与终端设备/>的密钥协商参数共同计算出会话密钥/>，并使用公式（37）-公式（38）计算出/>和/>，将消息发送给无线控制器；
(36)
(37)
(38)
（34）无线控制器接收到MEC服务器发来的消息，首先通过公式（39）-公式（40）验证消息的时间戳和消息完整性，若通过验证，则使用公式（41）计算出MEC服务器/>的密钥协商参数；
(39)
(40)
(41)
接着生成一个随机数作为终端设备/>的新伪身份，生成随机密钥协商参数/>，通过公式（42）-公式（46）计算出/>；
(42)
(43)
(44)
(45)
(46)
最后使用通过公式（47）加密消息/>，通过公式（48）生成消息完整性验证信息/>，并将消息/>发送给终端设备/>；
(47)
(48)
（35）终端设备收到无线控制器的消息后，首先通过公式(49)解密消息/>，然后通过公式（50）和公式（51）对消息进行时间戳验证和完整性验证；
(49)
(50)
(51)
若通过验证，则使用替代/>，使用/>替代/>，最后通过公式（52）计算出并结合全部密钥协商参数使用公式（53）计算出会话密钥/>；
(52)
(53)
经过以上步骤，在终端设备与MEC服务器/>之间实现了身份认证与密钥交换，共同得到了本次通话共同使用的会话密钥/>。
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