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一种轻量级的动态化密钥协商的物联网身份认证协议研究

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资料介绍

针对物联网在用户身份验证上存在的安全性问题,提出一种轻量级的动态化密钥协商的物联网身份认证协议(DLT).该协议在用户进行登录验证上使用了时间戳值,这使得恶意攻击者不能使用早期的消息,可以防范重放攻击以及拒绝服务攻击;在认证和密钥协商阶段采用了用户、服务器、控制服务器三者之间的互相验证,并且在公共信道上对服务器密钥和随机值进行了分离处理,使得攻击者无法窃听到其他用户的安全信息.协议安全性分析及仿真对比结果表明,DLT协议相比对比协议具有更多的安全功能,可以防范多种网络攻击,并且协议的能量代价更低.

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V01．33 No．2

第33卷第2期

2016年2月

计算机应用研究

Research of

Application

Feb．2016

Computers

一种轻量级的动态化密钥协商的

物联网身份认证协议研究水

崔维1，张国山2，李晖1

(1．河北科技师范学院信息技术系，河北秦皇岛066004；2．天津大学电气与自动化工程学院，天津300072)

摘要：针对物联网在用户身份验证上存在的安全性问题，提出一种轻量级的动态化密钥协商的物联网身份认

证协议(DLT)。该协议在用户进行登录验证上使用了时间戳值，这使得恶意攻击者不能使用早期的消息，可以

防范重放攻击以及拒绝服务攻击；在认证和密钥协商阶段采用了用户、服务器、控制服务器三者之间的互相验

证，并且在公共信道上对服务器密钥和随机值进行了分离处理，使得攻击者无法窃听到其他用户的安全信息。

协议安全性分析及仿真对比结果表明，DLT协议相比对比协议具有更多的安全功能，可以防范多种网络攻击，并

且协议的能量代价更低。

关键词：物联网；身份认证协议；动态化密钥协商；网络攻击

中图分类号：TP393．08

文献标志码：A

文章编号：1001．3695(2016)02．0531．03

doi：10．3969／j．issn．1001-3695．2016．02．049

authentication

with

Dynamic key negotiation things

protocol

lightweight

Cui

Guoshan2，Li Huil

Weil，Zhang

Normal

Hebei

Information Technology，Hebei

Unitersity of

066004，China；2．School of

(1．Dept．of

Electrical

Science＆Technolog)，Qinhuangdao

300072，China)

Engineering&Auwmation，n口柳n Universit)，Tia蛳n

user authentication on the existence of

issues in Internet of

Abstract：For

negotiation

security

things，this paper proposed

dynamic key

authentication

with

on the user

authentication used

agreement

could

timestamp value，

protocol

lightweight．The

attackers can

and

attacks．In the

denial of service

which made the new earlier malicious

authentication and with

not

attacks

use，it

prevent replay

control

mutual authentication

the server

server，and

public

user，server．and

key negotiation

among

and random channel values were isolated

that the attacker can not on the other user’S

eavesdrop

security

features

security

key

treatment，making

and simulation results show that

has more

cost

agreement．

information．Protocol

to the

security analysis

can defend

comparison。DLT protocol

lower

various network

attacks，and

eompared

comparison protocol

against

energy

attacks

words：Internet

Key

things；authentication protocol；dynamic key negotiation；network

快速发展的一个重要需求。

O引言

在国内，张启坤等人提出一种基于身份的可认证非对称群

组密钥协商协议，该需要采用非对称群组密钥协商，可实现匿

名性与可认证性，并且支持密钥更新，能够使得群组密钥实现

向前保密与向后保密安全性。庞辽军等人提出一种基于身份

的域间认证及密钥协商协议，该协议可以解决现有的安全协议

不能保障代表节点的可靠性，以及普通节点参与度低等问题，

还可以满足数据保密性、数据完整性、抵抗代表节点假冒和欺

骗等安全性要求，具有更高的节能效率和安全度。赵兵等人提

出适用于用电信息采集的轻量级认证密钥协商协议，协议基于

证书认证及新旧参数保护密钥动态协商机制，并且结合了

BAN逻辑形式化分析，具有双向实体认证、完美的向前保密性

等安全属性，适用于用电信息采集系统对密钥应用的需求。刘

婷婷等人提出一种基于公平的安全判定相等协议的身份认证

方案，该方案通过公钥加密，确保密码传输中的安全性，并保证

海量用户环境下认证的效率，可以公平且秘密地比对认证方与

无线传感器网络是物联网的关键技术构建模块，这被认为

是互联网未来的发展方向。物联网广泛应用于智能家居、智能

城市、医疗保健和工业监测应用等。在过去的十年中，物联网

应用技术及其安全技术受到了产业界和学术界广泛关注，也推

进了物联网标准化安全解决方案的提出。但物联网的安全性

仍处于起步阶段，这是由于物联网的商业应用并不成熟，所以

物联网的安全协议仍然没有标准化，也没有适当的商业化。它

需要适应IP技术，并与互联网之间建立一个无缝的全球连通

体系。无线传感器网络作为物联网技术最重要的应用形式，不

仅在工业领域，在人类的日常生活、科学研究等方面都承担着

重要的作用。通过传感器节点所感测到的数据也包含了个人

隐私、经济发展、国家安全等各方面重要的信息，一旦泄露，可

能造成非常危险的安全隐患。随着人们对数据安全性问题的

持续关注，安全性更强的身份认证协议成为了实现物联网技术

基金项目：国家自然科学基金资助项目(61074088)；秦皇岛市科技局科技支撑项目

收稿日期：2014一10．1l；修回日期：2014．12—29

(2012021A112，2012021Atl0)

作者简介：崔雏(1978一)，女，黑龙江齐齐哈尔人，讲师，硕士研究生，主要研究方向为物联网技术、图像处理等(156885931@163．corn)；

张国山(1961．)。男，吉林农安人，教授，博导，主要研究方向为非线性系统、优化控制；李晖(1981· )，女，河北廊坊人，讲师，博士研究生，主要研究方

向为软件工程．

万方数据

· 532·

计算机应用研究

第33卷

(6)

(7)

WSID。=Ⅳ(SIDf II 6)

c,sf=日(WSlD。0 X2)

被认证方所拥有口令的一致性，更好地保护双方隐私。

国外对于网络安全协议的研究也取得了一定的成果，Peng

等人提出一种无线Mesh网络的可信切换的接入认证协议，基

于一个增强链模型并对协议的性能进行评估从而验证协议的

安全特性，验证了该协议在防范网络攻击的成功率和平均延迟

方面相比EMSA协议更具有优势。Pawani提出了一种分布式

物联网的认证协议和密钥建立方案，传感器节点与同行传感器

节点和最终用户可以建立安全链路，并基于隐证书建立认证方

案，提供应用级端至端的安全性。He等人提出一种无线传感

器网络的密码分析和匿名认证协议，该协议基于椭圆曲线的

Diffie．Hellman问题的匿名身份验证协议存在的问题．并增强

协议的匿名性，减少协议的计算成本。

接着硒。通过安全信道发送GS．给服务器si，|si存储随机

数6和信息GS；。

1．2登录阶段

当用户想通过登录来接入服务器|s。时，输入自己的账

号ID。和密码蹦．，服务器5i开始计算：

A。’=日(口1IPd．)

(8)

(9)

F。’=日(IDi 0Ai*)

如果服务器Js。验证F。‘=F；条件成立，且r一粥i<At，则

服务器S。允许用户“登录。r指系统的时间戳值，血表示系

统的验证时间。

轻量级的动态化身份认证协议

1．3认证和密钥协商阶段

文献[9]中研究了改善用电信息采集安全性和可靠性的轻

量级认证密钥协商协议，本文在此基础上，研究了适用于物联网

应用的基于轻量级的动态化密钥协商协议，具体过程如下所述：

a)用户U选择一个随机数n。，并生成一个当前时间戳值

俺。，接着用户端开始计算：

在本章中，介绍一个轻量级的动态化密钥协商的物联网身

份认证协议，协议包含三种参与者(用户、服务器和控制服务

器)并包含了四个阶段：a)初始化和注册阶段；b)登录阶段；

c)认证和密钥协商阶段；d)密码变更阶段。首先给出本文所

提出的协议中使用的符号的说明，如表l所示。

E。=F。0 Vi

(10)

(11)

(12)

(13)

表1符号说明

Rf=Ei①nl

符号

说明

g。=日(Ei①nl

SID。0 WIDi 0巧i)

“f

用户

5。

KSi

IDi

SIDi

提供服务的服务器

NID。=日(ID。)④H(Ei 11 nl 0弼f)

控制服务器

接着用户以通过公共信道将信息(E，足，Z。，NIDi，粥i)发

送给服务器Sj。

用户的身份标志

服务器的身份标志

只有昭。知道的密码

只有^ml知道的密码

b)从用户以接收到信息后，s。首先检查会话延迟是否在

可容许的时间间隔血内。假定当前时间为L，如果L一粥i

>At，则表示会话超时，服务器Sf将终止会话；否则，|si会继续

进行以下的操作：

用户选择的随机数

服务器选择的随机数

用户受保护的虚拟身份标志

服务器受保护的虚拟身份标志

由用户产生的时间戳值

Ui、Si,KSf之间共享的会话密钥

按位异或运算

W'IDi

WSIDi

(14)

(15)

^=GSi0”2

弼。

L。=H(Gs。II”2 Zi

TS。)

key

④

接着服务器s。通过公共信道将信息(E．，R。，g。，NIDi，嬲i，

上，L。)发送给控制服务器您i。

按位串联运算

1．1初始化及注册阶段

c)从服务器S．接收到信息后，硒i首先检查会话延迟是否

在允许的时间间隔内。假定当前时间为疋，如果疋一粥i<

出，则继续进行以下的操作，飚i计算：

假设控制服务器脑。是负责可信第三方的注册审核的，并

且执行用户和服务器的认证。在注册之后^5，会选择两个随

机密码x。和恐。注册阶段的步骤如下：

(16)

邙，=Ⅳ(WSIDi II邑)

“2=J。①Gs，

GS，II z。0礓)

(17)

(18)

a)用户U自由地选择自己的密码削；和一个随机号码n，

接着用户端计算：

Li*=H(n2

(1)

Af=日(a 11刚。)

船；接着验证是否满足Li+=L；，如果不满足，麟。终止会

话，否则，继续进行以下的操作：

其中：日(· )表示哈希函数，并且通过安全信道提交信息(A。，

n，mi)至怂j。

E。=日(WIDj IIxl)

nl=E．①Ri

(19)

(20)

b)昭。在接收到信息后，会开始验证用户U的合法性．计算：

(2)

WIDi=日(ID。0

Z。+=日(Elo，11

SIDi

WIDf Il俺i)(21)

G。=H(WID。0五)

(3)

脑，接着验证是否满足z。+=Z；，如果不满足，瞄i终止会

话，否则，继续进行以下的操作：

硒。通过安全信道提交信息(Gi)至“。

c)当用户以插入智能卡之后，用户端开始计算：

Fi=H(ID。0 A．)

of=“I①“3①H(SIDi f|他』G_sf)(22)

(4)

(5)

G=日(nI①码)

(23)

(24)

K=C。0日(WIDi』A。)

n3)①^(ID。Il nl

Yi=(n2

Ei)

接着用户端将信息(E，K，a)存储在智能卡中。

SC。=日(“2①凡3)(25)

对于服务器s。，首先选择一个随机数b，并且使用其身份

SID。通过KS。进行注册。KS，开始计算

接着您。通过公共信道将信息(0。，Qi，E，SC；)发送给．si。

d)接收到硒。发送的信息后，s。开始计算：

万方数据

第2期

崔

维，等：一种轻量级的动态化密钥协商的物联网身份认证协议研究

．533．

(26)

0～=O。①H(SID．』n2

Gs，)

不共享H(工。)和日(恐)，所以攻击者无法通过一个用户的信

息来获取其他用户的安全信息。而Porambage’协议和He’协议

Qi"=／／(，Il①“3)(27)

接着服务器Si验证是否满足Q。‘=Q。，不满足时|s．终止会

话，否则，用户U通过服务器s。的验证。接着服务器s．发送

信息(yl，SCi)至用户。

并没有注意到这一点，因此当共享的月(置)和Ⅳ(恐)被破译

时容易遭到窃听攻击。

2．1．3防范伪装攻击

使用本文协议，恶意攻击者无法通过伪装攻击获得用户的

安全信息，因为恶意攻击者无法从内部恶意用户的已知安全信

息伪造其他用户的智能卡。此外，本文协议使用的时间戳值防

止了第一消息的重放。因为在使用巧。和z。计算厶时，攻击

者无法重放服务器s。发送给控制服务器硒。的信息，所以无

法进行伪装攻击。

e)从服务器S。接收到信息后，s。开始计算：

(28)

(29)

0t／．3=t 0Ⅳ(SID．f|n1

SCf+=H(rt2①“3)

0 E。)

接着开始验证服务器S．是否满足sc?=SC。，若不满足，

则Si停止会话，否则，服务器Si通过用户U。的验证。

最终，用户仉、服务器5j和控制服务器脑．共同计算会话

密钥，得到

2．1．4

防范智能卡的伪造攻击

由于在本文协议中并不在智能卡中直接使用Ⅳ(置)和

日(墨)，并且智能卡也不存储该信息，攻击者即使盗用了一个

合法用户的智能卡，也无法猜测产生的任何其他用户的智能卡

的参数，不能伪装成任何其他合法用户来获取其他用户的安全

信息。而在Porambage’协议和He’协议中秘密参数存储在智能

卡中，容易被攻击者盗用从而使用智能卡伪造攻击。

2．2仿真对比

key=tt(ⅡI①“2 0凡)①TS．

(30)

1．4密码变更阶段

在注册阶段通过密码验证后，当用户需要更改密码时，不需

要经过控制服务器豁。，只需要在服务器S．上便可更改密码：

假设用户将密码更改为尸d’。，则

A’．=H(口0 Pd’。)

(31)

用户能够在其智能卡上更新参数：

F。=H(IDi lI A’f)

在网络安全协议的研究上，除了协议的安全功能是学者关

注的重点外，协议的能量消耗情况也是受到关注的另一重要方

面，因为网络协议要能够普遍地应用于商业、工业、军业等不同

领域，则需考虑其成本代价的问题，能耗越高的网络协议的成

本代价更高。因此在仿真实验中，对于网络安全协议的能耗情

况在本节中也进行了对比分析。在实验中采用了MATLAB7．1

进行编程仿真。图l为协议进行通信时所消耗的能量代价。

从图中可以看出，随着用户数量的增加，协议所消耗的能量代

价越高，与Porambage’协议和He’协议进行对比可以看出，本文

协议进行通信时的能量代价较小，但本文协议仍然有用户、服

务器、控制服务器之间的互相验证，能够在保证协议安全功能

的同时缩减通信所带来的能量消耗，因此具有更好的应用性。

图2为协议在进行计算时的能量代价情况。从图中可以

看出，本文协议进行计算时的能量代价与另外两种算法相比偏

小，但相差并不大，因为为了保证协议的安全性，协议本身并没

有通过减少计算量来节省能量。但结合图l的情况来看，本文

协议的能量代价相比另外两种协议要小，而且结合安全性分析

的情况来看，本文协议在防范网络攻击时也具有更高的安全性。

(32)

(33)

Vi=G。①／／(WID．II^’f)

为了保持更改后用户u．和控制服务器硒．的密码一致

性，U。需要通过安全信道提交其ID、新密码Pd’．和A’．至控制

服务器^@。

2安全性分析及仿真对比

2．1安全性分析

本节总结了所提出的协议安全性，并与另外两个相关的协

议进行比较。表2为本文协议与相关协议在安全功能上的对

比情况。

表2安全功能对比情况

2．1．1

防范重放攻击和拒绝服务攻击

重放攻击是指攻击者发送一个目的主机已接收过的包，来

达到欺骗系统的目的，主要用于身份认证过程，破坏认证的正

确性。而拒绝服务攻击是指对网络带宽进行的消耗性攻击，使

得合法的用户请求无法执行。在本协议中，在用户进行登录验

证上使用了时间戳值，这使得恶意攻击者不能使用早期的消

息，这使得重放攻击和拒绝服务攻击很难被启动。而在He’协

议中，一旦控制服务器被窃听使得肘i被获取，它们可以被用

来启动重放攻击和拒绝服务攻击。而使用和验证时间戳可以

减少重放攻击以及拒绝服务攻击的成功率。

羁I

协议进行通信时的

能量代价

冈2西议进行计算时的

能量代价

3结束语

本文提出了一个轻量级的动态化密钥协商的物联网身份

认证协议，该协议针对物联网络在身份验证上所面临的安全性

问题进行了分析，从而在协议的登录阶段、认证和密钥协商阶

2．1．2防范窃听攻击

在本协议中恶意攻击者不能从公共信道中提取到其他用

户的安全信息，因为在玑和船。之间使用WID。计算E。时并

段加强了安全防护，使得用户与服务器、控制

(下转第539页)

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