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基于PUF的蓝牙安全传输系统设计与实现

李森森  
【摘要】:随着蓝牙技术的不断发展,其应用范围从传统的点对点文件传输、语音通信等拓展至医疗监护、室内定位、智能家居等物联网领域,并展现出了较高的军事应用价值。然而无线信道的开放性使蓝牙与生俱来地面临着安全攻击的威胁,虽然蓝牙规范提供了一定的安全机制,但其仍存在缺陷,不能满足军事领域的安全需求,这也限制了蓝牙在军事应用领域的进一步发展。物理不可克隆函数(PUF)是建立在设备硬件特征基础上的一种特殊映射关系,表现为“硬件指纹”,具有轻量级、低成本、不可预测等性质,在信息安全领域有着广阔的应用前景。本文通过深入研究现有蓝牙安全机制,总结归纳其安全缺陷,并结合军事领域的应用需求,建立蓝牙安全增强模型和消息安全传输架构。在此基础上,设计基于PUF的蓝牙指纹映射发生器、蓝牙点对点消息安全传输方案和蓝牙多播消息安全传输方案,并实现了基于PUF的蓝牙安全传输原型系统。根据蓝牙消息安全传输的需求,提出一种高稳定性的PUF实现方案,并在此基础上设计基于PUF的蓝牙指纹映射发生器(PBFMG)。PBFMG可用于提取设备底层的硬件特征,建立输入参数与输出参数之间不可克隆的映射关系,为蓝牙安全传输方案的实现提供支撑。针对蓝牙网络中点对点消息的安全传输问题,依据蓝牙安全增强模型,在PBFMG的基础上提出解决方案。方案中外围设备不需要存储任何秘密参数,在抵抗传统链路安全威胁的同时,提供了对复制攻击的防范。相较于同类方案,本文方案具有较小的通信、计算和存储开销,能够满足蓝牙设备的点对点安全传输需求。针对蓝牙网络中多播消息的安全传输问题,提出一种基于PBFMG的组密钥分配机制,并在此基础上实现安全传输方案。方案利用PBFMG参数来隐藏组密钥信息,通过构造多项式实现组密钥的分配,其安全性可归约为PBFMG的不可克隆性、不可预测性以及大数分解的困难性。方案能够以较小的资源开销实现较高的安全性,可以保证蓝牙多播消息的安全传输。在上述研究的基础上,依据蓝牙安全传输架构,从硬件、固件和软件三个层次着手,设计并实现了基于PUF的蓝牙安全传输原型系统,并对系统的各项功能进行测试。测试结果表明,PBFMG具有良好的性质,达到了预期的设计目标,并且安全方案具有可行性和有效性,能够保证蓝牙信道中数据的安全。本文的研究内容有利于提高蓝牙的安全传输能力,为其在军事领域的应用和发展奠定了理论基础。


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