物联网感知层轻量级认证技术的研究

【摘要】：近年来,随着对物联网研究的不断深入,物联网及其相关应用得到了学术界和产业界前所未有的关注,呈现出爆炸式增长的态势,然而其安全问题也日益凸显,并成为阻碍其进一步发展的核心问题之一。作为一个多网并存的异构融合网络,物联网不但存在着与互联网、移动通信网络等共有的安全问题,还存在一些其独有的安全问题,如用户的隐私保护问题、网络的安全认证和访问控制问题、信息的安全存储和管理问题等。其中,物联网感知层的安全问题尤为突出。如果没有有效的安全认证机制,攻击者可以使用具备强大续航能力、优异存储和计算能力的设备对部署在感知网络中数量庞大且存储和计算能力十分有限的感知节点进行攻击,进而解析出感知节点的身份信息和隐私信息,并对感知层采集的信息或数据造成很大的安全威胁。因此,研究适用于物联网感知层的轻量级认证技术就显得十分重要。本文在研究现有物联网认证技术的基础上,提出了两个适用于物联网感知层的轻量级认证协议,实现了对感知节点的身份信息和感知网络中广播消息的安全、高效认证。具体来说,主要包括以下研究内容:(1)提出了一个基于身份签名的物联网轻量级认证协议(Lightweight Identitybased Authentication Protocol without Bilinear Pairings,ID-based LAP)。该认证协议中感知节点的私钥由两个可信第三方共同生成,任意一方都无法获得节点的全部私钥信息。这样即使其中一方被攻陷,攻击者也无法得知感知网络中感知节点的完整私钥,从而解决了传统基于身份签名的认证协议中的密钥托管问题。而且,签名生成和签名验证过程无需双线性对运算,大大减小了计算开销,并将批量验证算法和无效消息查找(Invalid Message Search,IMS)算法引入其中。(2)提出了一个基于无证书的物联网轻量级认证协议(Lightweight Certificateless Authentication Protocol without Bilinear Pairings,CL-LAP)。该认证协议既没有基于PKI的认证协议中证书开销大和管理困难的问题,又不存在传统基于身份签名的认证协议的密钥托管问题;签名生成和签名验证过程无需双线性对运算,大大减小了计算开销,并引入了批量验证算法和IMS算法。(3)基于椭圆曲线上离散对数问题求解的困难性,本文在随机预言机模型下证明了所提出轻量级认证协议ID-based LAP和CL-LAP能够抵抗适应选择消息攻击和适应选择身份攻击,进而能够抵抗假冒攻击、伪造攻击、信息篡改、重放攻击等物联网感知层中常见的攻击手段。最后,对所提出的两个轻量级认证协议进行了性能仿真,对它们的认证效率进行了测试,并与现有的同类型认证协议进行了性能比较。仿真结果表明,本文提出的轻量级认证协议ID-based LAP和CL-LAP计算和通信开销小,适用于存储和计算能力受限的物联网感知层。