專利名稱：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點雙向身份認證方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于公鑰簽名和物理不可復(fù)制功能(PUF)的抗復(fù)制攻擊的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點雙向身份認證方法。
背景技術(shù)：
無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，包括公鑰簽名技術(shù)在內(nèi)的很多身份認證方法常常被用作抵抗網(wǎng)絡(luò)攻擊的重要手段。然而由于節(jié)點間身份認證中所需的信息往往都存儲在節(jié)點內(nèi)部，因此當(dāng)某一節(jié)點被攻擊者捕獲后，攻擊者很容易便可實現(xiàn)復(fù)制攻擊，也就是說當(dāng)節(jié)點被攻擊者捕獲并復(fù)制后，其他節(jié)點基本無法對其身份進行有效識別。尤其是在移動傳感器網(wǎng)絡(luò)、延遲容忍傳感器網(wǎng)絡(luò)以及RFID等系統(tǒng)當(dāng)中，由于節(jié)點或標(biāo)簽常常疏于維護，因此能否抵抗復(fù)制攻擊成為網(wǎng)絡(luò)的一項重要需求。物理不可復(fù)制功能(PUF)是近些年出現(xiàn)的一種集成電路(IC)新技術(shù)，是一個被具體化在IC內(nèi)部的物理結(jié)構(gòu)，它利用芯片制造過程中不可避免產(chǎn)生的差異來實現(xiàn)芯片唯一性的辨別。當(dāng)向PUF提供挑戰(zhàn)時，它生成被稱為響應(yīng)的隨機輸出。由于芯片制造過程中產(chǎn)生的差異本身具有不可模仿和復(fù)制的特性，因此認為PUF是“不可復(fù)制的”，即難以實施物理復(fù)制和/或計算建模。通常將PUF以及能夠提高PUF性能的輔助電路和算法包含在芯片之內(nèi)，以此來實現(xiàn)芯片的抗復(fù)制攻擊的功能。理想的PUF，具有以下特性1.不可預(yù)測性向PUF輸入挑戰(zhàn)，產(chǎn)生的響應(yīng)難以預(yù)測。2.差異性相同的挑戰(zhàn)輸入到不同的PUF當(dāng)中，產(chǎn)生的響應(yīng)有較大差別且容易區(qū)分；不同的挑戰(zhàn)輸入到同一個PUF當(dāng)中，產(chǎn)生的響應(yīng)同樣有較大差別且容易區(qū)分。3.噪聲容許在某種程度上，所有PUF度量都是有噪聲的。如果向PUF輸入同一挑戰(zhàn)，其響應(yīng)并不一定完全相同，但差異會很小，這是噪聲產(chǎn)生的影響。可以通過萃取和糾錯碼等方法來壓制噪聲。4.變異性PUF包括在芯片內(nèi)部且與芯片融為一體。任何企圖破壞芯片的行為都將導(dǎo)致PUF的損害和特性的更改。PUF的一個簡單例子就是包含有處于隨機位置的光散射器的3D光學(xué)介質(zhì)。以激光束入射角作為輸入(即挑戰(zhàn))照射PUF，其相應(yīng)的輸出(即響應(yīng))則是由光散射器所產(chǎn)生的散斑圖案。利用專用節(jié)點可將該輸出量化成密鑰。PUF設(shè)計實現(xiàn)的另一方式是利用有介電粒子散布其中的涂層來覆蓋集成電路 (IC)。由于集成電路生產(chǎn)工藝的不同，這些介電粒子通常具有不同介電常數(shù)、不同的隨機形狀、以及不同的大小和位置?？梢岳梦挥贗C頂部金屬層處的傳感器元件來對不同涂層位置處的電容值進行局部測量。在該實現(xiàn)方法中，涂層本身具有不可復(fù)制的功能。作為介電粒子的隨機性結(jié)果，所測量的電容值可以形成很好的密鑰材料，比如對具有涂層形式PUF 的IC對電容進行測量，并且將該電容值轉(zhuǎn)換成可從其導(dǎo)出的密鑰數(shù)據(jù)。文獻“Physical Unclonable Functions for Device Authentication andSecret Key Generation. Proc. of Design Automation Conference. San Diego, California, USA，2007，9_14”給出了一種基于PUF的認證方法。該方法需要將設(shè)備的“激勵-響應(yīng)”對存儲在數(shù)據(jù)庫中，認證過程中通過查詢數(shù)據(jù)庫來確定設(shè)備的合法性。這種方法不能使設(shè)備擺脫對數(shù)據(jù)庫的依賴，不適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)等分布式系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種不需要通過查找數(shù)據(jù)庫就能夠進行節(jié)點身份認證的適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、延遲容忍網(wǎng)絡(luò)等無線通信環(huán)境下的抗復(fù)制攻擊節(jié)點雙向身份認證方法。該無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點雙向身份認證方法，包括以下步驟“第一步初始化節(jié)點假設(shè)需要相互認證的兩個節(jié)點分別為i和j，則初始化階段中可信第三方向節(jié)點i內(nèi)部下載有關(guān)節(jié)點j的認證信息三元組ODjApH(Pj(Ci))X向節(jié)點 j內(nèi)部下載有關(guān)節(jié)點i的認證信息三元組<IDi，Qi, H(Pi(Cj)))；同時將公鑰簽名算法S、單向哈希函數(shù)H、節(jié)點的身份標(biāo)識及其挑戰(zhàn)下載到節(jié)點當(dāng)中；第二步節(jié)點i首先在網(wǎng)絡(luò)中廣播如下認證請求分組報文來完成鄰居發(fā)現(xiàn)；
權(quán)利要求
1.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點雙向身份認證方法，其特征在于，包括以下步驟第一步初始化節(jié)點假設(shè)需要相互認證的兩個節(jié)點分別為i和j，則初始化階段中可信第三方向節(jié)點i內(nèi)部下載有關(guān)節(jié)點j的認證信息三元組ODjApH(Pj(Ci))X向節(jié)點j內(nèi)部下載有關(guān)節(jié)點i的認證信息三元組<IDi，Qi, H(Pi(Cj)))；同時將公鑰簽名算法S、單向哈希函數(shù)H、節(jié)點的身份標(biāo)識及其挑戰(zhàn)下載到節(jié)點當(dāng)中；第二步節(jié)點i首先在網(wǎng)絡(luò)中播如下認證請求分組報文來完成鄰居發(fā)現(xiàn)；
2.如權(quán)利要求1所述的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點雙向身份認證方法，其特征在于，其中初始化階段具體步驟如下1)可信第三方為網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點隨機生成一個挑戰(zhàn)；2)可信第三方選擇一個單向哈希函數(shù)H和一種公鑰簽名算法S，并為網(wǎng)絡(luò)中每個節(jié)點選擇基于該公鑰算法的一個公私鑰對(Q，k)，其中公鑰仏公開，私鑰1^只有節(jié)點i自己知道；3)可信第三方將每個節(jié)點的挑戰(zhàn)輸入到所有其他節(jié)點當(dāng)中，并利用哈希函數(shù)H對獲得的其他節(jié)點的PUF響應(yīng)進行哈希操作；4)可信第三方將以下數(shù)據(jù)下載到每個節(jié)點當(dāng)中該節(jié)點的身份標(biāo)識，該節(jié)點的挑戰(zhàn)， 該節(jié)點的公私鑰對，哈希函數(shù)H及公鑰簽名算法的相關(guān)實現(xiàn)程序，同時可信第三方為每個節(jié)點下載存儲有其他節(jié)點相關(guān)信息的三元組表。
全文摘要
本發(fā)明為一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點雙向身份認證方法，由于身份認證過程中認證雙方需要根據(jù)對方提供的挑戰(zhàn)來生成相應(yīng)的PUF應(yīng)答，而PUF又是與節(jié)點中的芯片不可分割且不可復(fù)制，所以保證了節(jié)點不能被復(fù)制攻擊；由于節(jié)點每次在申請認證時發(fā)送的分組中都設(shè)有一次性的隨機數(shù)，且簽名消息也與隨機數(shù)有關(guān)，所以避免了攻擊者進行重放攻擊；同時節(jié)點內(nèi)部與認證相關(guān)的三元組信息和PUF同在一個芯片內(nèi)部，因此即使攻擊者獲取了這些信息，但由于破壞了PUF特性，也不能對網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點構(gòu)成威脅。
文檔編號H04L29/06GK102325131SQ20111020307
公開日2012年1月18日 申請日期2011年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月20日
發(fā)明者周亞建, 張冬梅, 楊奎武, 武斌, 王秀娟, 鄭康鋒 申請人:北京郵電大學(xué)