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物联网感知层一种基于属性的访问控制机制

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资料介绍

为了实现物联网感知层的细粒度访问控制和用户的匿名数据访问,提出了一种基于用户属性的访问控制机制,并利用双线性映射给出了具体的算法实现.该方案中,用户以其属性证书为依据向传感器节点发起数据访问请求,传感器节点根据门限原则决定是否允许用户访问.该方案可以实现灵活的细粒度访问控制和匿名的数据访问,用户和传感器节点的信息交互次数达到了最少,节点运算量少,只需要进行一次公钥加密.与现有的传感器网络访问控制方案相比,该方案传感器节点开销较小,可扩展性良好,可以适应物联网感知层的访问控制需求.

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2012年4月

西安电子科技大学学报(自然科学版)

JOURNAL 0F XIDIAN UNIVERSITY

Apt．2012

V01．39 NO．2

第39卷第2期

doi：10．3969／j．issn．1001—2400．2012．02．012

物联网感知层一种基于属性的访问控制机制

任

方1，马建峰1’2，郝选文1

(I．西安电子科技大学计算机网络与信息安全教育部重点实验室．陕西西安710071f

2．陕西省物联网实验研究中心，陕西西安710071)

摘要：为了实现物联网感知层的细粒度访问控制和用户的匿名数据访问，提出了一种基于用户属性的访

问控制机制，并利用双线性映射给出了具体的算法实现．该方案中，用户以其属性证书为依据向传感器节

点发起数据访问请求，传感器节点根据门限原则决定是否允许用户访问．该方案可以实现灵活的细粒度访

问控制和匿名的数据访问，用户和传感器节点的信息交互次数达到了最少，节点运算量少，只需要进行一

次公钥加密．与现有的传感器网络访问控制方案相比，该方案传感器节点开销较小，可扩展性良好，可以适

应物联网感知层的访问控制需求．

关键词：物联网；传感器网络；访问控制；匿名性

文献标识码：A

中图分类号：TP393．01

文章编号：i001—2400(2012)02-0066-07

Attribute-based access control scheme for the

of the Internet of

perceptive layer

．

Things

Xuanwenl

REN

Fan91，MAJianfen91一，HAO

Lab．of

Network and Information

Computer

Education

Univ．，Xi’an

(1．Ministry

Key

Security，Xidian

710071．China)

Things，Xi’an

Research Center of the Intemet of

710071．China；2．Shaamd Experimental

and

Abstract：

In order to achieve the

access control

the

of the user access

data in

fine-grained

anonymity

control model is

the bilinear

the Internet of

attribute-based access

and realized

proposed by using

Things，an

this

data access tO the sensor node based on their attributes certificates and

request

scheme。users

map．In

the sensor node determines whether tO allow access

tO the threshold

scheme

principle．This

according

access control and

anonymous

realizes the flexible

access tO data．The number of

of sensor nodes iS reduced tO

effectively

fine-graind

and sensor nodes iS minimized and the

interactions between users

one

public key encryption．Analysis

computation

shows that the scheme has the

over the current access

advantages

control mechanisms of better

and Iower COSt in communication and

and can

adapt

scalability

computation

of the Internet

access control

requirement

perceptive layer

Things；wireless

Things．

Words：the Internet

sensor networks；access

Key

control；anonymity

随着网络技术的进一步发展，近年来物联网(Internet

Things，IoT)的研究得到了越来越多的关注．

2005年11月国际电信联盟(ITU)发布的《国际电信联盟互联网报告2005：物联网》[13明确指出，物联网的具

体含义是把任何物体通过信息传感设备与互联网连接起来，进行信息交换和通讯，以实现智能化的识别、定

位、监控与管理．其维度从当前网络的人与人相连发展到物联网的在任何时间、任何地点与任何人或者物相

连．根据物联网应该实现的功能可以在逻辑上将其分为感知层、传输层和处理层【21．其中，感知层的功能是全

收稿日期：201l一05—12

网络出版时间：20II-12—21

基金项目：国家自然科学基金资助项目(60872041，61072066)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(JYl0000903001．

JYl0000901034)

作者简介：任方(1981一)。男，西安电子科技大学博士研究生．E—mail：reniang．81@163．corn．

001．html

网络出版地址：http：／／www．cnki．net／kcms／detail／61．1076．TN．20111221．1055．201202．80

万方数据

任方等：物联网感知层一种基于属性的访问控制机制

第2期

面感知外界信息(即收集信息)，目前主要聚焦的技术是无线传感器网络(WSN)和射频识别(RFID)陋引，感

知层收集到的信息通过由Internet以及其它网络所构成的传输层提交给更高的处理层以进行智能处理．物

联网的概念性框架如图1所示．

智能处理平台

在物联网环境下，大量的个人信息和环境数据被感知层所收集并

进行处理，其中会包含一些私密数据，因此如何界定用户的数据访问权

Newtorks等

Interact、LAN、Satellite

限成为物联网安全的一个重大挑战．此外，物联网的移动用户会频繁地倍输屡

与网络进行交互，其自身信息的安全也需要得到保护，所以匿名的数据

访问成为另一个需要达到的安全目标．针对物联网感知层重要组成部

感知层

分的传感器网络，目前已经提出了大量的安全机制¨ 哂]．

传感器网络的访问控制机制可以分为基于对称密钥机制和基于公

图1 物联网概念性框架图

钥机制的两大类．对称密钥由于开销较小而被广泛用于传感器网络的

S等人给出了完全基于对称密钥的访问控制机制【7]。Maccari L等人给出了一种使用对

访问控制．Banerjee

称密钥的门限式认证方案[8]．由于公钥运算资源消耗较大，一般认为不适用于传感器网络．但是，使用公钥技

Z用公钥和对称密钥相结合的

术具有很好的可扩展性，所以仍有部分公钥方法用于传感器网络．Benenson

方法实现了传感器网络的用户认证【9。10|，其基本思想是传感器节点之间使用对称密钥，而用户使用公钥与其

R给出了一种完全使用公钥方法的访问控制机制 ]，指出可以在传感

通信范围内的节点进行通信．Watro

器网络中使用小指数的RSA算法，由节点进行加密和签名验证等小运算量的操作，而由用户进行解密和签

名等比较消耗资源的操作．

目前关于传感器网络的访问控制针对的都是单一的封闭式网络．而物联网感知层将存在多个传感器子

网，移动用户在各传感器子网之间频繁地切换，原有的访问控制机制大都不能适应这种复杂的体系结构．此

外传统的访问控制机制一般是基于身份或者基于角色的粗粒度访问控制．用户授权管理不够灵活．而物联网

环境下的用户数量和访问需求将远远超过传统单一的传感器网络，需要更为灵活的访问控制机制．笔者研究

了由多个传感器网络所构成的物联网感知层，针对其用户访问控制需求，给出了一种使用公钥方法的细粒度

访问控制机制．该机制可以灵活地根据用户属性为其设置相应的访问权限，此外还可以方便地实现移动用户

在多个传感器网络之间的切换以及用户对于网络数据的匿名访问．

1安全基础

1．1

访问控制

访问控制规定了主体(用户或者进程)对客体(数据资源)的访问权限。防止非授权的信息泄露，以达到系

统资源的机密性和完整性¨ 引，是基本的安全服务之一．访问控制一般分为认证和授权两个环节．前者检验

主体的合法身份。后者根据主体的身份赋予其访问各类资源的权限．

按照访问主体的不同，访问控制一般可以分为基于身份的访问控制(IBAC)、基于角色的访问控制

(RBAC)和基于属性的访问控制(ABAC)．早期计算机系统使用IBAC，通过访问矩阵和访问控制列表ACL

来实现对用户访问权限的管理u引．RBAC实现了用户身份和角色的分离，极大地方便了权限管理，在大型计

算机系统和网络中得到了广泛的应用¨ 引．

在大规模开放式网络环境下，大量不同的用户频繁地进行信息交互，传统的访问控制模型已经不能适应

这样复杂的环境．ABAC通过属性来对用户权限进行有效的区分，能够解决复杂系统中的细粒度访问控制

5‘．在ABAC中，主体和客体均通过反

和大规模用户的动态扩展，已经成为目前访问控制领域的研究热点u4d

映其特性的属性来进行标识，用户发起访问请求时系统根据其属性为其授予相应的访问权限．这使得ABAC

具有足够的灵活性和可扩展性，并且可以实现安全的匿名访问．

现有的大多数访问控制机制中，数据都以明文形式存储在可信服务器上，系统根据用户的身份或者属性

赋予用户访问相应数据的权限．从安全的角度来看，由于大规模开放式环境下存在着大量的攻击者，这种传

统的方式是极不安全的，需要以密码机制为基础构建更为安全的访问控制机制．

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万方数据

西安电子科技太学学报(自然科学版

第39卷

2基于属性的密码体制

Sahai

A和Water

B提出了基于属性的密码体制(ABE)并给出了一个具体的实例““．与传统的基于身

份的密码体制(IBE)不同，基于属性的密码体制中用户的公钥是其自身拥有的一组属性值．信息发送方加密

数据时为密文选择一定的属性，当且仅当用户的属性与密文的属性满足某些特定的关系时，该用户才能够解

密该密文．在Sahai

A给出的方案中，用户属性和密文属性至少有k个相同时用户才可以进行解密．

基于属性的密码体制不再使用传统公钥密码体制中的公钥证书．省去了大量的管理开销，是一种易于实

现的公钥密码机制．此外它的加解密运算基于用户的属性，比基于身份的密码机制具备更强的适应性和更好

的灵活性，在短时间内就得到了很大的发展．由于ABE方案中将属性作为用户解密的依据，可以将其加以改

造而用于基于属性的访问控制．但是由于ABE体制中加密方需要进行椭圆曲线上的公钥运算，对于传感器

节点来说计算量太大，难以直接应用到传感器网络中．

笔者在ABE方案的基础上对其算法进行改造，减轻了传感器节点的计算负担以及与用户的通信负担，

构建了一种可用于传感器节点的基于属性的访问控制机制．

3基本工具

双线性映射设群Gt和Gz是两个素数阶的乘法循环群，】G-l=IGzl=p．分别用g。和g：表示G，和G。

的生成元，e．和e：表示G，和G：的单位元．映射妒：G．× G。一Gz称为一个双线性映射是指它具有以下特点：

(1)双线性：对于任意的M，u G1和Ⅱ，b Zp，有妒(M4，_6)=学(“，u)“；(2)非退化性：妒(譬．g)≠P2．

如果G。中的群运算和双线性映射∞：G．× G，一G：可以有效地进行计算，则称G。是一个双线性群．

Boneh

D等人给出了椭圆曲线上一个具体的双线性群和对应的双线性映射“7】．

拉格朗日插值对于i Z，和集合W z。，定义拉格朗日系数：A脚(T)=I|爿．则对于一个

d一1次多项式P(z)，若已知集合w包含d个数，且对于w中任意的i均已知P(i)，可以通过插值恢复出

，e奇j≠，2一J

p(z)一 p(i)Am(T)．

f}W

2基于属性的访问控制机制

系统结构

物联网感知层的结构如图2所示．其中多个传感器子网经由各自的网关连接到以Internet为中心的传

输层，网关是传感器子网的管理者，同时也充当了数据转发者．网络中的传感器节点定期收集环境信息，将数

据以多跳的形式转发到网关，然后由网关转发至传输层．用户是感知层的移动访问者．一般是手持设备或移

动电话，可以在多个传感器子网之间切换．感知层存在一个证书服务器，其基本功能是为用户颁发属性证书．

用户访问传感器子网时需要使用属性证书在该

子网的网关处注册以得到访问授权．经过授权的

用户可以直接得到传感器节点的数据服务，由于

节点资源受限，用户只能接收一定通信范围内的

节点数据．

2访问控制机制

对于图2所示的系统结构，以下是基于用户

二褥蓊妒魏

属性的访问控制机制的描述．

证黔，攀：：二二夕一WSN：

用户属性指的是可以对用户进行区分的特

性．用户是访问控制的主体，以其属性作为访问

网络数据的依据．进入网络之前用户在证书服务

器处申请自己的属性数字证书，其基本内容包含该用户的属性信息．进人传感器子网时· 用户需要向该子网

的网关提交自己的数字证书以认证属性，网关为其生成在该网内部访问数据的属性解密密钥．

网关是传感器子网内部节点的管理者．传感器节点探测到的数据是访问控制的客体，初始化时，网关根

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万方数据

第2期

任

方等：物联网感知层一种基于属性的访问控制机制

据授权访问该客体的用户属性为节点生成属性加密密钥并预装入节点．不同子网的节点根据不同的功能和

应用场合会有不同的属性．

用户在网络内部向通信范围内的节点发起数据访问请求时需要提交自己的数字证书．节点根据自身预

装的属性和用户证书中的属性判断用户是否被授权访问数据．判断的依据是以下的门限方案：系统预先设定

属性门限值d，当用户属性与节点属性至少有d个相同时，则授权用户访问该节点的数据，否则拒绝访问．

一旦用户被授权可以访问节点数据，节点使用自己的属性加密密钥对用户请求的数据进行加密并将其

发送给用户．用户接收到密文后利用网关为其生成的属性解密密钥解密得到请求的数据．

该方案以用户属性作为访问数据的依据，可以实现灵活的细粒度访问控制。感知层的证书服务器可以在初

始化时为用户颁发不同的属性证书以实现不同的访问授权．此外，该方案还可以实现用户对于节点数据的匿名

访问：用户无需向传感器网络证明自己的身份，只要其拥有的属性满足门限条件即可解密来自节点的数据．

3访问控制的具体实现

3．1符号与假设

感知层的系统公私钥记作S／P，其中公钥P对所有传感器子网的网关和用户均公开，网络的证书服务

器秘密保管私钥S，用来对用户的属性证书进行签名．用B表示传感器子网的网关，网关的计算能力和通信

能力足够强，可以承担复杂的公钥运算和大量的数据通信．此外假定网关是绝对安全的．

传感器节点靠的位置是固定的，执行监测环境数据的任务并定期向网关传送数据．节点电池资源和计算

能力均有限，有可能遭受物理攻击被破坏或者被敌手俘获．

假设物联网感知层所有可能涉及到的属性共有N个，将其数量化后不妨记作A={1，2。，N)．每一个

用户U有一个属性集Au A，该属性集标识了用户自身的特点．此外，传感器子网中的每一个节点咒有一个

属性集A。 A，该属性集标识了可以访问该节点数据的用户属性．系统预设属性访问门限d，d<

min{lAu J，l A。l}．用户属性至少有d个和节点属性相同才可以得到节点提供的数据服务．

用户U在证书服务器处申请自己的属性证书，记作Cv．该证书由证书服务器用系统私钥S对用户的属

性集Au进行签名生成，用来向各个传感器子网的网关认证用户的属性以得到数据访问权限．用户可以在多

个传感器子网之间进行移动，跨网移动时需要向新的网关重新认证自己的属性．用户和网关之间可以建立安

全的通信链路．

3．2具体实现

3．2．1

传感器子网的初始化

网关B首先选取P阶的双线性群G。和相应的群Gz，用g表示G，的生成元，9：G，× G．一G。是双线性

映射．然后，B为其所在的传感器子网随机地生成子网系统私钥Y Z，，并为每一个属性随机地生成私钥

t， Zp，i一1，2，，N．这些私钥均由B秘密保管，在整个网络的生存期内，B可以定期多次更换子网系统私

钥和属性私钥以保证安全性．对于B所在传感器网络内的任意传感器节点咒，B首先为其生成节点私钥Y一

妒(g，g)’，并根据授权访问该节点数据的属性集为其生成节点属性加密密钥集{丁，=驴，i A。}．B将y和

{丁i)预装入节点咒．

3．2．2

用户访问控制

(1)注册阶段用户U进入网关B所在的网络范围内，需要在B处注册才能访问该网络内的节点数据，

注册算法步骤如算法l所示．

算法l用户注册算法

fI Cv>；

(a)U向B请求注册并提交自己的属性证书<register

(b)B用系统公钥P验证用户属性证书是否合法，如果不合法则拒绝用户申请，否则继续；

(c)B为该用户随机的秘密选择Z，上的d—1次多项式q(z)满足条件q(o)=y，并为用户计算属性解密

／

密钥：{D．=g水”／‘t，i Au}，B将<Gt，Gz，妒，{D。)>发给用户U．

(2)数据访问阶段用户U注册成功并拥有属性解密密钥之后，可以访问传感器节点的数据，具体访问

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万方数据

西安电子科技大学学报(自然科学版)

第39卷

步骤如算法2所示．

算法2用户数据访问算法

(a)U将访问请求以及自己的属性证书<request|I Cv>广播到网络中去．

(b)节点n接收到用户请求后，根据用户属性证书检验是否有IAu

应该请求，否则继续．

nA。I d，如果条件不满足则不响

A。，且

(c)节点n根据用户请求确定应答数据M，然后选择一次性随机数s Z。并选取集合W Au

l=d．计算E。=MY5以及{E，=T：，i W}，将密文<W，Eo，{E，，i W)>发给用户u．

(d)用户收到来自节点咒的数据后首先对于每一个i W计算△棚(o)=Tr· L：，然后计算：Y，一

—之葡J一2

J：≠I

。。

口9(D，，E，)△w‘0’，最后由M=E。／y‘得到应答数据M．

乏葡

算法2中，步骤(d)用户计算P的合理性证明如下：

Ⅱ妒(D。，E，)4．w =II妒(g州m／，，g。t)气一’=ⅡP(g，g)田 41．w =

Ⅳ

l W

iEⅣ

妒(g，g)5，≠ “’4· w∞’一妒(g，g)”一Y，．

用户访问控制数据流如图3所示．

3．2．3

子网切换

物联网感知层存在多个传感器子网，由于用户U的移动性，可以在多个传感器子网之间进行切换．由于

U持有的属性证书是由证书服务器签署的，所有传感器子网的网关都可以用系统公钥P来验证U的属性证

书的有效性．U跨网移动时需要向新的网关认证自己的属性，由于用户和网关

之间可以建立安全的通信链路，【，只需要向新的网关发起注册申请即可，步

骤仍如算法l所描述．

设切换前用户U在网关B。处申请到的解密密钥集为<G。，Gz，妒，{D。}>，

切换后在网关B：处申请到的解密密钥集为<Gi，G；，∥，{D：)>，则U可以继续

保存原有的<G。，G。，9，{D；}>，这样当用户重新切换到B。所在的网络时仍然

可以得到节点的数据服务．

4性能分析

4．1传感器节点的开销

图3

用户访问控制

通信开销：算法2中，用户提交数据访问请求时与传感器节点只需要进

行一次信息交互：步骤(a)中用户发起数据请求，节点接收用户的请求与属性

证书；步骤(b)和(c)中节点根据授权原则判断是否发送数据．若用户得到授权，则节点发送一组加密后的数

据，包括由d个属性组成的集合w、群G。中的1个元素E0与群G。中的d个元素E，，i w．对于传感器节

点来说，通信所消耗的能量要远远超过计算n]，本方案使得节点的通信次数达到了最小化，从而有利于在

WSN中实现．

计算开销：用户无需向节点认证自己的身份和属性．节点接收到用户的数据请求时，首先检查用户证书

中的属性是否满足IAu

n A。f d，根据授权原则判断用户是否有权访问数据．然后进行一组加密运算，其

中包括群G。中的d次指数运算、群G：中的1次指数运算和1次乘法运算．运算量较大的双线性映射的计算

由网关和用户来完成，而节点只需在用户被授权时进行一次数据加密，现有的传感器节点可以完成简单的公

钥加密运算[1¨ ．此外，本方案中节点加密不需要使用预装属性集A。中的所有属性，而是根据用户属性来选

6|．

择集合Ⅳ，其运算量要远远小于Sahai A等人给出的方案[I

存储开销：节点初始化时需要存储群G。中的元素y和G。中的属性密钥集{T，}．当用户提交访问请求

时，节点不需要存储用户的属性证书Cu，而只需要立刻检查证书中的属性．当节点确定了为用户加密数据的

属性后即可丢弃用户属性证书．

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万方数据

任

第2期

方等：物联网感知层一种基于属性的访问控制机制

4．2安全性分析

机密性：算法2中传感器节点发送给用户的密文为<w，己，{E，i W)>，合法用户需要用{E，i w)

和自己拥有的{D，，i W)计算y‘来获取数据M．非法用户即使截获了以上信息，由于没有相应的属性解密

密钥集{Di，i W)，因此无法计算出M．只有合法用户才能得到证书服务器签署的有效属性证书，同时只有

拥有有效属性证书的用户才能得到网关分发的属性解密密钥．因此本方案可以达到数据传输的机密性要求．

属性认证：传感器网络中的节点不需要主动认证用户的属性，而只需要检验用户属性证书中的属性是

否满足门限条件，因为根据算法2，只有满足条件JAu

n A。I d的用户U才拥有Ⅳ中的d个属性相应的解

密密钥，才能正确解密数据．用户的属性认证由网关来完成：属性证书由证书服务器签名，不可伪造，又由于

网关是安全的，只有拥有合法属性证书的用户才能得到属性解密密钥．

匿名访问：证书服务器为用户颁发属性证书．根据算法1，用户访问传感器网络时只需要向网关提交属

性证书CU而不需要进行身份认证．网关不关心用户的身份，只需要验证属性证书并根据属性证书为用户分

发解密密钥．因此就可以实现匿名的数据访问．

抗DoS攻击：节点接收到用户的访问请求时能够立刻根据用户属性证书判断是否满足门限条件，从而

决定是否应答，不需要存储用户的证书或者其它任何信息，因此可以抵抗DoS攻击．

抵抗合法用户的合谋攻击：当两个合法用户【，。和U：的属性集合单独均达不到解密的门限条件，即

A。I d，他们试图将其属性解密密钥进行

n A。I<d，i=1，2，但是联合起来却达到I(Au。U A叱)n

IAu

共享以获取节点数据．此时，根据算法1，网关B为U，和眈选择不同的多项式，根据拉格朗日插值法，他们无

法通过共享各自的密钥获取多项式系数。因此，即使联合起来也不能解密节点发来的加密数据．

本文方案与参考文献中关于传感器网络访问控制诸方案的性能比较如表I所示．

表1安全性能与开销比较

结束语

物联网的研究正处于起步阶段，其安全问题得到了广泛的关注．虽然目前关于物联网尚无严格的定义，

但是在逻辑上可以将其分为感知层、传输层和处理层．由于感知层的功能是全面感知外界信息并提供信息给

合法用户。因此需要合理的访问控制机制来管理用户的数据访问权限．传统的基于身份和角色的粗粒度访问

控制在物联网大规模开放式的环境下有很多局限．笔者考察了以传感器网络为核心的物联网感知层，提出了

一种基于用户属性的访问控制机制以实现细粒度的访问控制和用户的匿名数据访问．该方案中，用户请求访

问传感器节点数据时不需要进行身份认证，节点根据用户属性和门限原则选择是否响应用户请求．不同的网

络可以设置不同的门限值以满足各自的访问需求．本方案中网络节点只需要做一组加密运算并发送一次数

据，通信量和计算量都比较小，可以适应传感器节点资源紧缺的现状．进一步的研究工作可以为节点选取更

为复杂的响应原则以适应更多的物联网环境．

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(编辑：高西全)

http：|}ⅥwⅢ．xdxb．net

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