專利名稱：一種應(yīng)用于軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)的實體鑒權(quán)和密鑰管理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)的實體鑒權(quán)和密鑰管理，屬于安全通信領(lǐng)域。具體應(yīng)用于以生物醫(yī)學(xué)傳感器為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軀域傳感網(wǎng)絡(luò)(Body Sensor Network，BSN)或軀域網(wǎng)絡(luò)(Body AreaNetwork，BAN)的加密認證系統(tǒng)中，可以在不顯著增加系統(tǒng)負擔(dān)的前提下，為系統(tǒng)的底層安全通信提供多重保證。
背景技術(shù)：
近年來，隨著生物傳感和移動計算等相關(guān)技術(shù)的迅速發(fā)展，穿戴于體表或植入于體內(nèi)的生物醫(yī)學(xué)傳感器正引起人們的廣泛關(guān)注。在不久將來的遠程醫(yī)療系統(tǒng)中，生物醫(yī)學(xué)傳感器將成為重要的人體生理信息獲取終端。當(dāng)人體范圍內(nèi)同時存在兩個或以上生物醫(yī)學(xué)傳感器時，為降低通信功耗并綜合利用各傳感器的硬軟件資源，需要在各傳感器之間進行數(shù)據(jù)通信，構(gòu)建以傳感器為節(jié)點的無線/有線綜合網(wǎng)絡(luò)，即軀域傳感網(wǎng)絡(luò)(Body Sensor Network，BSN)或軀域網(wǎng)絡(luò)(Body Area Network，BAN)。為減少網(wǎng)間干擾，并阻止外網(wǎng)設(shè)備捕獲網(wǎng)內(nèi)傳輸?shù)纳镝t(yī)學(xué)信息，需要在軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部實現(xiàn)安全的數(shù)據(jù)傳輸。
由于軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點的硬軟件資源限制，如果采用傳統(tǒng)的實體鑒權(quán)方法和密鑰管理方法，需要占用較多資源，給系統(tǒng)帶來較大負擔(dān)。當(dāng)前，人們對生物醫(yī)學(xué)傳感器的研究還主要局限于數(shù)據(jù)獲取的可行性和可靠性方面，極少涉及數(shù)據(jù)的安全傳輸問題。
軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)區(qū)別于其它網(wǎng)絡(luò)的最顯著特征在于，其網(wǎng)絡(luò)節(jié)點依附于人體上，而人體具備自身的通信傳輸系統(tǒng)，如血液循環(huán)系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)等。由于人體信道相對于他人而言具備充分的安全性，本發(fā)明將人體信道與無線/有線信道有機結(jié)合，做出了針對軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)的實體鑒權(quán)和密鑰管理方法。經(jīng)檢索中國、美國和歐洲專利數(shù)據(jù)庫，未發(fā)現(xiàn)利用人體信道而做出的實體鑒權(quán)方法或密鑰管理方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)的安全通信而做出的，其中，軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)由穿戴于體表或植入于體內(nèi)的生物醫(yī)學(xué)傳感器構(gòu)建而成。其目的在于，提供一種基于人體信道的軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)實體鑒權(quán)方法，實現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)各生物醫(yī)學(xué)傳感器的相互認證；提供一種基于人體信道的軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)密鑰管理方法，實現(xiàn)密鑰在網(wǎng)內(nèi)各生物醫(yī)學(xué)傳感器之間的自動安全分配。本發(fā)明做出的方法，可以在不顯著增加系統(tǒng)負擔(dān)的前提下，為系統(tǒng)的底層通信安全提供多重保證。
本發(fā)明公開了一種基于人體信道的實體鑒權(quán)方法，應(yīng)用于包含至少兩個生物醫(yī)學(xué)傳感器的軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)中，其拓撲結(jié)構(gòu)可為任意。將同一軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意兩個須建立直接通信鏈路的生物醫(yī)學(xué)傳感器記為si和sj(i，j≤n，其中n為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總數(shù))。假設(shè)si和sj通過人體信道都可以檢測到某(幾)種具備良好時變性和不可預(yù)測性的生理信息(記為vi和vj)，并且在同一弱同步時間區(qū)間T內(nèi)si和sj分別獲取的生理信息(記為vi|T和vj|T)具備高相似性，其中弱同步是指傳感器si和sj檢測生理信息的起始時間存在微量時間偏移。si與sj進行實體鑒權(quán)的具體方法包括A.發(fā)起鑒權(quán)請求的傳感器(記為si)和接收鑒權(quán)請求的傳感器(記為sj)在同一弱同步時間區(qū)間T內(nèi)分別檢測到生理信息vi|T和vj|T；B.傳感器si發(fā)送包含生理信息vi|T密文形式的鑒權(quán)請求包(記為Pij)；
C.傳感器sj接收到鑒權(quán)請求包Pij后，利用vj|T判斷Pij包含的vi|T是否可接受，若可接受，則執(zhí)行步驟D，否則返回錯誤信息包；D.傳感器sj發(fā)送包含生理信息vj|T密文形式的鑒權(quán)響應(yīng)包(記為Rij)；E.傳感器si接收到鑒權(quán)響應(yīng)包Rij后，利用vi|T判斷Rij包含的vj|T是否可接受，若可接受，則傳感器si發(fā)送成功信息包。
由于硬件資源極大受限，軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)宜采用對稱密碼系統(tǒng)來保護數(shù)據(jù)傳輸，即加密密鑰與解密密鑰相同或呈線性關(guān)系，因此可將該兩個密鑰統(tǒng)一記作KEY。如何保證KEY在通信信道中的安全傳輸是對稱密碼系統(tǒng)的關(guān)鍵問題。
本發(fā)明公開了一種基于人體信道的密鑰管理方法，應(yīng)用于包含至少兩個生物醫(yī)學(xué)傳感器的軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)中，其拓撲結(jié)構(gòu)可為任意。將同一軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)任意兩個需進行密鑰傳輸?shù)纳镝t(yī)學(xué)傳感器記為si和sj(i，j≤n，其中n為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點總數(shù))。假設(shè)si和sj通過人體信道都可以檢測到某(幾)種具備良好時變性和不可預(yù)測性的生理信息(將其記為vi和vj)，并且在某一弱同步時間區(qū)間T內(nèi)si和sj分別獲取的生理信息(記為vi|T和vj|T)具備高相似性，其中弱同步是指傳感器si和sj檢測生理信息的起始時間存在微量時間偏移。傳感器si生成密鑰并向傳感器sj傳輸密鑰的具體方法包括A.傳感器si利用檢測到的生物醫(yī)學(xué)信號，生成密鑰(記為KEY)，并將其轉(zhuǎn)換成可糾錯碼(記為ECKEY)；B.傳感器si和準(zhǔn)備接收密鑰KEY的傳感器sj在同一弱同步時間區(qū)間T內(nèi)分別檢測到生理信息vi|T和vj|T；C.傳感器si向傳感器sj發(fā)送經(jīng)vi|T保護的ECKEY；D.傳感器sj利用vj|T得到ECKEY′，并驗證ECKEY′是否與ECKEY一致，若是，則執(zhí)行步驟5)，否則sj發(fā)出錯誤信息；E.傳感器sj根據(jù)糾錯碼的譯碼模塊由ECKEY得到KEY。
上述基于人體信道的實體鑒權(quán)方法和密鑰管理方法中，在利用人體信道通信方式時，信息可以通過信號的介質(zhì)或場質(zhì)傳輸，其中，介質(zhì)可以包括血液、神經(jīng)、肌肉等各種生理組織，信號能量可以通過電流、電磁波、聲波、光波以及物質(zhì)運動狀態(tài)等各種信息載體傳遞；在利用無線通信方式時，信號能量可以通過電磁波、聲波、光波等信息載體傳遞；在利用有線通信方式時，信號能量可以通過導(dǎo)線、光纖等信息載體傳遞。
本發(fā)明做出的針對軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)的實體鑒權(quán)和密鑰管理方法具有如下優(yōu)點和特點1)在盡可能減少系統(tǒng)負擔(dān)的前提下，最大化利用人體信道以及用于估計生理參數(shù)的生物醫(yī)學(xué)信號，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)實體鑒權(quán)、密鑰生成及其安全傳輸；2)本發(fā)明的實體鑒權(quán)方法，利用經(jīng)由人體信道傳遞的生理信息作為設(shè)備身份標(biāo)識，因而可自動更新身份標(biāo)識，即增強了安全性又無需引入人工操作；3)本發(fā)明的密鑰管理方法，利用人體生理信息的時變性和不可預(yù)測性，生成高性能密鑰，并利用經(jīng)由人體信道傳遞的生理信息對密鑰進行保護，實現(xiàn)密鑰在軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)各生物醫(yī)學(xué)傳感器的安全共享；4)本發(fā)明的密鑰管理方法，可使得在軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部進行安全的消息廣播而無需其它相關(guān)機制。


下面參考附圖對本發(fā)明的說明將使本發(fā)明的上述目的、優(yōu)點和特征更加清晰，其中圖1示出了基于人體信道實現(xiàn)安全通信的軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)的示意圖；圖2示出了圖1所述網(wǎng)絡(luò)的兩個生物醫(yī)學(xué)傳感器在某一時間區(qū)間內(nèi)測得的光電容積描記信號；圖3示出了基于光電容積描記信號的實體鑒權(quán)方法的流程圖；圖4示出了基于光電容積描記信號的密鑰管理方法的流程圖。
具體實施方案以下將參考圖1至圖4對根據(jù)本發(fā)明實施方案所述的方法進行具體說明。
在如圖1所示的軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)本發(fā)明做出的實體鑒權(quán)方法和密鑰管理方法。假設(shè)當(dāng)前需要進行實體鑒權(quán)和密鑰管理的兩個生物醫(yī)學(xué)傳感器分別為s1(101)和s2(102)，他們可通過無線信道(103)或人體信道(104)進行相互通信?；谌梭w信道(104)，s1(101)和s2(102)可以檢測到同一種生理信號——如圖2所示的光電容積描記信號y1(t)(201)和y2(t)(202)。s1(101)和s2(102)分別提取各自的光電容積描記信號的相鄰峰值(203)之間的時間間隔(204)作為所述方法中采用的生理信息。
首先根據(jù)如圖3所示的流程圖說明s1(101)和s2(102)進行實體鑒權(quán)的具體實施過程。
步驟301s1(101)通過無線信道(103)發(fā)送同步信號。
步驟302s1(101)檢測光電容積描記信號y1(t)(201)，并從y1(t)(201)中提取生理信息v1，即相鄰峰值(203)之間的時間間隔(204)。
步驟303s2(102)接收到步驟301的同步信號后，檢測光電容積描記信號y2(t)(202)，并從y2(t)(202)中提取生理信息v2，即相鄰峰值(203)之間的時間間隔(204)。
步驟304s1(101)生成隨機數(shù)r12，通過無線信道(103)發(fā)送包含r12和v1的鑒權(quán)請求包P12。其中，v1以密文形式隱含在P12中。
步驟305s2(102)接收到鑒權(quán)請求包P12后，提取其中的v1，并計算v1和v2的歐式距離。若該距離不大于閥值θ＝15ms，則執(zhí)行步驟306，否則鑒權(quán)失敗。
步驟306s1(101)被s2(102)認證通過，s2(102)通過無線信道(103)發(fā)送包含r12和v2的鑒權(quán)響應(yīng)包R12。其中，v2以密文形式隱含在R12中。
步驟307s1(101)接收到鑒權(quán)響應(yīng)包R12，提取其中的隨機數(shù)。
步驟308如果R12中包含認可的隨機數(shù)，則s1(101)認為該響應(yīng)包是對鑒權(quán)請求包P12的響應(yīng)，繼而執(zhí)行步驟309，否則重新等待鑒權(quán)響應(yīng)包。
步驟309s1(101)提取鑒權(quán)響應(yīng)包R12中的v2，并計算v1和v2的歐式距離。若該距離不大于閥值θ＝15ms，則執(zhí)行步驟310，否則鑒權(quán)失敗。
步驟310s2(102)被s1(101)認證通過。至此，s1(101)和s2(102)完成相互鑒權(quán)過程。
上述步驟302和303中，vi和vj的信息量大小取決于s1(101)和s2(102)的信號處理能力、存儲空間大小以及鑒別要求。上述步驟305和309中，閥值θ取決于v1和v2的橫向差異范圍，其中，橫向差異范圍是指在同一弱同步時間區(qū)間內(nèi)提取的各生理信息(即v1和v2)之間的距離范圍，弱同步是指s1(101)和s2(102)檢測y1(t)(201)和y2(t)(202)的起始時間存在微量時間偏移。
接下來根據(jù)如圖4所示的流程圖說明s1(101)和s2(102)進行密鑰管理的具體實施過程。
密鑰管理方法中采用的生理信息與前述實體鑒權(quán)方法采用的生理信息相同，即光電容積描記信號y1(t)(201)和y2(t)(202)的相鄰峰值(203)的時間間隔(204)。密鑰KEY的比特長度為64，即KEY＝{0，1}64。選擇擴展BCH編碼方案(記作EBCH(n＝128，k＝64))，將密鑰KEY轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的糾錯碼(記作ECKEY＝{0，1}128)，其糾錯函數(shù)f的糾錯能力為e＝10比特。下面給出s1(101)生成密鑰KEY并將其傳給s2(102)的具體步驟。
步驟401當(dāng)s1(101)需要更新密鑰KEY時，執(zhí)行步驟402。
步驟402s1(101)根據(jù)其檢測到的光電容積描記信號y1(t)(201)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換，并對最低位比特流進行斜歪校正后，生成密鑰KEY，然后采用糾錯碼EBCH(n＝128，k＝64)的生成模塊EC將密鑰KEY轉(zhuǎn)換成糾錯碼ECKEY。
步驟403s1(101)向無線信道(103)發(fā)送同步信號開始密鑰傳輸過程。
步驟404s1(101)檢測光電容積描記信號y1(t)(201)，并從y1(t)(201)中提取生理信息w1，即相鄰峰值(203)之間的時間間隔(204)。
步驟405s2(102)接收到步驟403的同步信號后，檢測光電容積描記信號y2(t)(202)，并從y2(t)(202)中提取生理信息w2，即相鄰峰值(203)之間的時間間隔(204)。
步驟406s1(101)通過無線信道(103)發(fā)送包含糾錯碼ECKEY及其驗證信息AUEC_KEY的信息包DATEC_KEY。
步驟407s2(102)接收到信息包DATEC_KEY后，利用自身獲取的生理信息w2和糾錯函數(shù)f，得到ECKEY′。
步驟408s2(102)判斷AYEC_KEY′是否等于AUEC_KEY。若不相等，則執(zhí)行步驟409；若相等，則執(zhí)行步驟411。
步驟409s2(102)發(fā)送錯誤信息包。
步驟410s1(101)接收到錯誤信息包，返回執(zhí)行步驟403。
步驟411s2(102)采用糾錯碼譯碼EBCH(n＝128，k＝64)的譯碼模塊EC-1重新得到密鑰KEY。至此，完成密鑰安全分配過程。
需要指出的是，本發(fā)明的保護范圍是由所附的權(quán)利要求而不是具體實施方案來界定的。
權(quán)利要求
1.一種基于人體信道的實體鑒權(quán)方法，應(yīng)用于包含至少兩個生物醫(yī)學(xué)傳感器的軀域傳感網(wǎng)絡(luò)(Body Sensor Network，BSN)或軀域網(wǎng)絡(luò)(Body Area Network，BAN)中，包括以下步驟1)發(fā)起鑒權(quán)請求的傳感器(記為si)和接收鑒權(quán)請求的傳感器(記為sj)在同一弱同步時間區(qū)間T內(nèi)分別檢測到生理信息(記為vi|T和vj|T)；2)傳感器si發(fā)送包含生理信息vi|T密文形式的鑒權(quán)請求包(記為Pij)；3)傳感器sj接收到鑒權(quán)請求包Pij后，利用vj|T判斷Pij包含的vi|T是否可接受，若可接受，則執(zhí)行步驟4)，否則返回錯誤信息包；4)傳感器sj發(fā)送包含生理信息vj|T密文形式的鑒權(quán)響應(yīng)包(記為Rij)；5)傳感器si接收到鑒權(quán)響應(yīng)包Rij后，利用vi|T判斷Rij包含的vj|T是否可接受，若可接受，則傳感器si發(fā)送成功信息包。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述生物醫(yī)學(xué)傳感器可以通過下列方式通信人體信道通信方式和無線通信方式的結(jié)合；人體信道通信方式和有線通信方式的結(jié)合；人體信道通信方式、無線通信方式和有線通信方式三者的結(jié)合。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在所述人體信道通信方式下，信息可以通過信號的介質(zhì)或場質(zhì)傳輸，其中，介質(zhì)可以包括血液、神經(jīng)、肌肉等各種生理組織。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在所述人體信道通信方式下，信號能量可以通過電流、電磁波、聲波、光波以及物質(zhì)運動狀態(tài)等各種信息載體傳遞。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在所述無線通信方式下，信號能量可以通過電磁波、聲波、光波等信息載體傳遞。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，在所述有線通信方式下，信號能量可以通過導(dǎo)線、光纖等信息載體傳遞。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述人體信道使得所述傳感器si和sj都可以檢測到某(幾)種具備良好時變性和不可預(yù)測性的生理信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述生理信息vi|T和vj|T具備高相似性。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述同一弱同步時間區(qū)間的弱同步，是指所述傳感器si和sj檢測生理信息的起始時間存在微量時間偏移。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，其特征在于，所述弱同步由所述傳感器si通過下列任何方式向sj發(fā)送同步信號而得到人體信道通信方式、無線通信方式、有線通信方式。
11.一種基于人體信道的密鑰管理方法，應(yīng)用于包含至少兩個生物醫(yī)學(xué)傳感器的軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)中，包括以下步驟1)傳感器(記為si)利用檢測到的生物醫(yī)學(xué)信號，生成密鑰(記為KEY)，并將其轉(zhuǎn)換成可糾錯碼(記為ECKEY)；2)傳感器si和準(zhǔn)備接收密鑰KEY的傳感器(記為sj)在同一弱同步時間區(qū)間T內(nèi)分別檢測到生理信息(記為vi|T和vj|T)；3)傳感器si向傳感器sj發(fā)送經(jīng)vi|T保護的ECKEY；4)傳感器sj利用vj|T得到ECKEY′，并驗證ECKEY′是否與ECKEY一致，若是，則執(zhí)行步驟5)，否則sj發(fā)出錯誤信息；5)傳感器sj根據(jù)糾錯碼的譯碼模塊由ECKEY得到KEY。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述生物醫(yī)學(xué)傳感器可以通過下列方式通信人體信道通信方式和無線通信方式的結(jié)合；人體信道通信方式和有線通信方式的結(jié)合；人體信道通信方式、無線通信方式和有線通信方式三者的結(jié)合。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，在所述人體信道通信方式下，信息可以通過信號的介質(zhì)或場質(zhì)傳輸，其中，介質(zhì)可以包括血液、神經(jīng)、肌肉等各種生理組織。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，在所述人體信道通信方式下，信號能量可以通過電流、電磁波、聲波、光波以及物質(zhì)運動狀態(tài)等各種信息載體傳遞。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，在所述無線通信方式下，信號能量可以通過電磁波、聲波、光波等信息載體傳遞。
16.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其特征在于，在所述有線通信方式下，信號能量可以通過導(dǎo)線、光纖等信息載體傳遞。
17.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述人體信道使得所述傳感器si和sj都可以檢測到某(幾)種具備良好時變性和不可預(yù)測性的生理信息。
18.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)采用對稱加密系統(tǒng)，其加密密鑰與解密密鑰相同或呈線性關(guān)系。
19.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，用于生成密鑰KEY的所述生物醫(yī)學(xué)信號具備良好的時變性和不可預(yù)測性。
20.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述生理信息vi|T和vj|T具備高相似性。
21.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述同一弱同步時間區(qū)間的弱同步，是指所述傳感器si和sj檢測生理信息的起始時間存在微量時間偏移。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其特征在于，所述弱同步由所述傳感器si通過下列任何方式向傳感器sj發(fā)送同步信號而得到人體信道通信方式、無線通信方式或有線通信方式。
23.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于，所述傳感器si通過下列任何方式向傳感器sj發(fā)送ECKEY無線通信方式或有線通信方式。
全文摘要
本發(fā)明涉及軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)的實體鑒權(quán)和密鑰管理。生物傳感和移動計算等技術(shù)的進步正推動著新一代醫(yī)療監(jiān)護終端——穿戴式/植入式生物醫(yī)學(xué)傳感器的快速發(fā)展。在不久將來的醫(yī)療監(jiān)護系統(tǒng)中，由多個所述生物醫(yī)學(xué)傳感器自組織構(gòu)建的軀域傳感網(wǎng)絡(luò)(Body Sensor Network，BSN)或軀域網(wǎng)絡(luò)(Body Area Network，BAN)將成為獲取、處理和傳輸生物醫(yī)學(xué)信息的基本網(wǎng)絡(luò)，從而可實現(xiàn)對人體生理狀況的實時遠程監(jiān)測。本發(fā)明針對所述軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)的安全通信而做出，多重利用連接所述生物醫(yī)學(xué)傳感器的人體信道，實現(xiàn)高效的實體鑒權(quán)和密鑰管理。本發(fā)明做出的上述方法，可以在不顯著增加系統(tǒng)負擔(dān)的前提下，為所述軀域(傳感)網(wǎng)絡(luò)的醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)安全傳輸提供多重保證。
文檔編號H04L9/10GK101047497SQ200610073340
公開日2007年10月3日 申請日期2006年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月31日
發(fā)明者張元亭, 鮑淑娣 申請人:香港中文大學(xué)