一種體域網(wǎng)認(rèn)證與密鑰交換協(xié)議的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種體域網(wǎng)認(rèn)證與密鑰交換協(xié)議，協(xié)議包括如下步驟：一級節(jié)點廣播自己的標(biāo)識符和產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)；二級節(jié)點收到一級節(jié)點的廣播信息后，將標(biāo)識符、隨機(jī)數(shù)和用預(yù)共享密鑰Kas加密了的消息發(fā)送給一級節(jié)點；一級節(jié)點收到消息后，向控制節(jié)點發(fā)送用預(yù)共享密鑰Kbs加密了的消息；控制節(jié)點收到消息后，生成控制節(jié)點和一級節(jié)點的會話密鑰KBS、二級節(jié)點和一級節(jié)點的會話密鑰KAB、并將用Kbs和Kas加密的相關(guān)消息一同發(fā)給一級節(jié)點；一級節(jié)點收到控制節(jié)點發(fā)來的消息后用Kbs解密獲得密鑰KAB和KBS、將分別用Kas和KAB加密的消息一同發(fā)送給A；二級節(jié)點用Kas解密一級節(jié)點發(fā)來的消息得到一級節(jié)點的隨機(jī)數(shù)，并進(jìn)行驗證。本發(fā)明高效、簡潔、安全，適用于體域網(wǎng)和類似網(wǎng)絡(luò)。
【專利說明】一種體域網(wǎng)認(rèn)證與密鑰交換協(xié)議

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種密鑰交換協(xié)議，適合于體域網(wǎng)的應(yīng)用。

【背景技術(shù)】
[0002] 考慮在不安全的網(wǎng)絡(luò)尤其是無線網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行通訊，往往需要對傳輸消息進(jìn)行加 密，為了提高效率，使用的大多是對稱加密，這樣，雙方就需要協(xié)商建立一個公共的會話密 鑰，在后續(xù)的數(shù)據(jù)交換過程中用來加密消息，實現(xiàn)這樣目的的協(xié)議我們稱為密鑰交換協(xié)議， 密鑰交換協(xié)議分為基于口令，基于對稱密鑰和基于公鑰設(shè)施三種，低熵性的口令在開放的 無線體域網(wǎng)環(huán)境中更易受到攻擊，基于公鑰開銷比較大不適合能力受限的體域網(wǎng)節(jié)點，因 此本發(fā)明基于對稱密鑰的密鑰交換協(xié)議。
[0003] 除了生成節(jié)點間的會話密鑰，節(jié)點之間還需要進(jìn)行相互的認(rèn)證，即應(yīng)用認(rèn)證與密 鑰交換協(xié)議，關(guān)于認(rèn)證與密鑰交換協(xié)議，根據(jù)有無第三方以及應(yīng)用場合的不同有很多的方 案，如著名的NSSK協(xié)議，Yahalom協(xié)議，Otway-Rees協(xié)議，Kerberos協(xié)議等，但是均不適合 適合體域網(wǎng)特殊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)星型兩跳單子節(jié)點的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此本發(fā)明基于對稱密鑰，根據(jù) 以往的協(xié)議設(shè)計出一種新型的體域網(wǎng)應(yīng)用場景下的認(rèn)證與密鑰交換協(xié)議，并通過形式化分 析，結(jié)果表明協(xié)議安全有效。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明針對無線體域網(wǎng)人體模型星型兩跳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提出了 一種簡潔高效的認(rèn)證與密鑰交換協(xié)議，實現(xiàn)了體域網(wǎng)內(nèi)的各個節(jié)點在初始狀態(tài)下會話密鑰 的生成。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] -種體域網(wǎng)認(rèn)證與密鑰交換協(xié)議，所述體域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)由一個控制節(jié)點、若干一級節(jié) 點和二級節(jié)點組成，用S表示控制節(jié)點，B表示-級節(jié)點，A表示二級節(jié)點，所述協(xié)議包括如 下步驟：
[0007]步驟1，一級節(jié)點B廣播自己的標(biāo)識符B和產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)Nb ; _8]步驟2,需要接人附紐行認(rèn)證的二級節(jié)點A 級節(jié)點B的廣播信息后，將A、 ，二以5H+Na}Kas -并發(fā)送給-級節(jié)點B，其中，A為二級節(jié)點A的標(biāo)識符，Na為二 級T點A廣生的隨機(jī)數(shù)，{A，B，Na} Kas表示用Kas加密的標(biāo)識符A、標(biāo)識符和隨機(jī)數(shù) 為控制節(jié)點S和二級節(jié)點 A擁有的預(yù)共享密鑰； 了 IBM'兒Μ ，as f聚節(jié)到二級節(jié)點A發(fā)送的消息后，將聽{Α，Β，Ν<、隨機(jī)數(shù)他、 標(biāo)V、付A用Kbs加常后生成消息{{A，B，Na} Kas，Nb, A} Kbs發(fā)送給控制節(jié)占，：Μ：中Kb為控制 ，點，-級節(jié)點B擁有的預(yù)共享密鑰;同時，-級節(jié)點破向控制節(jié)點；明文中發(fā) 標(biāo)識符B ; _〇]步驟4,控制節(jié)點S收到-級節(jié)點B發(fā)來的消 的會話密鑰K-鮮點A和-級節(jié)點B的會話密鑰Kab，并用&加密標(biāo)識/Α、隨=他、 會話密鑰1^、會話密鑰1^生成消息認(rèn)，他，1^，1^}1^，以及用1^加密隨機(jī)數(shù)似、標(biāo)識符15、 會話密鑰KAB生成消息{Na，B，KAB}Kas，然后將兩個消息一同發(fā)給一級節(jié)點B ;
[0011] 步驟5, 一級節(jié)點B收到控制節(jié)點S發(fā)來的消息后，用Kbs解密消息 Kbs獲得會話密鑰KAB以及KBS，用KAB加密的Nb生成消息{Nb} KAB，并將消息{NM 連同消息 {Na, B, KAB}Kas -同發(fā)送給二級節(jié)點A ;
[0012] 步驟6,二級節(jié)點A用Kas解密一級節(jié)點B發(fā)來的消息{Na，B，lWK as得到1^，然后 用得到的Kab解密消息{Nb}!^得到Nb，再將Nb+Ι用Kab加密后生成消息{Nb+Ι}!^發(fā)送給 一級節(jié)點B ;
[0013] 步驟7，一級節(jié)點B收到消息并用'解密消息{Nb+1}KAB得到Nb+Ι后，檢驗（Nb+1) 減一后的值是否和之前生成的Nb相同，若相同，則說明二級節(jié)點A收到正確的會話密鑰K AB， 協(xié)議結(jié)束。
[0014] 需要說明的是，所述協(xié)議適用于體域網(wǎng)802. 15. 6標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的星型兩跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
[0015] 需要說明的是，所述一級節(jié)點和所述二級節(jié)點協(xié)同傳輸信息，即所述二級節(jié)點在 物理位置上不能和所述控制節(jié)點直接通信，需要借助所述一級節(jié)點；但所述二級節(jié)點和所 述一級節(jié)點具有很大的關(guān)聯(lián)性，即在所述二級節(jié)點傳輸信息時所述一級節(jié)點才被激活并傳 輸信息，所述一級節(jié)點和所述二級節(jié)點是嚴(yán)格的協(xié)同節(jié)點關(guān)系。
[0016] 本發(fā)明的有益效果在于：
[0017] (1)在現(xiàn)有的基于對稱密鑰的密鑰交換協(xié)議的基礎(chǔ)上，提出了適合體域網(wǎng)的認(rèn)證 與密鑰交換協(xié)議，使得其符合體域網(wǎng)的特殊網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)--星型兩跳單子節(jié)點的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 令節(jié)點接入比較靈活，并具有較高的效率。
[0018] (2)安全有效，可以抵抗常見各種攻擊，在體域網(wǎng)環(huán)境下保證通信的安全；
[0019] (3)本發(fā)明通過七步實現(xiàn)了控制節(jié)點和一級節(jié)點、二級節(jié)點之間的認(rèn)證，并生成了 對應(yīng)的會話密鑰，且協(xié)議過程中并不需要多次很復(fù)雜的加解密運算，執(zhí)行效率高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1為體域網(wǎng)人體模型示意圖；
[0021] 圖2為體域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型示意圖；
[0022]圖3為本發(fā)明的總體流程示意圖。

【具體實施方式】
[0023]以下將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述，需要說明的是，本實施例以本技術(shù)方 案為前提，給出了詳細(xì)的實施方式和實施步驟，但并不限于本實施例。
[0024] 本發(fā)明是根據(jù)體域網(wǎng)8〇2· I5· 6標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的星型兩跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來設(shè)計的安全協(xié) 議。該標(biāo)準(zhǔn)定義的體域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)由一個控制節(jié)點hub、若千一級節(jié)點和二級節(jié)點（數(shù)目少于一 級節(jié)點）組成，節(jié)點總數(shù)一般在幾個到幾十個不等，如圖1所示。
[0025]節(jié)點之間的聯(lián)系如圖2所示，可將網(wǎng)絡(luò)分為兩層，在第一層中控制節(jié)點hub和一級 普通的傳感器節(jié)點SnS2......5"邏輯上直接相連，傳送數(shù)據(jù)和信息，第二層中，個別一級傳 感器節(jié)點Si對應(yīng)地和下屬的一個二級傳感器節(jié)點Su相連，其屬性和一級節(jié)點相同，只是在 邏輯上從屬于一級節(jié)點，對于二級節(jié)點來說此時相連的一級節(jié)點類似于中繼節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)初 始狀態(tài)下，節(jié)點配置有預(yù)共享密鑰。進(jìn)行節(jié)點之間的認(rèn)證和生成相關(guān)節(jié)點之間的會話密鑰， 就需要通過認(rèn)證與密鑰交換協(xié)議來實現(xiàn)，所述認(rèn)證與密鑰交換協(xié)議過程如圖3所示：
[0026] 記控制節(jié)點為S，一級節(jié)點為B，二級節(jié)點為A ;
[0027] 步驟1，一級節(jié)點B廣播自己的標(biāo)識符B和產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)Nb ;
[0028] 步驟2,需要接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行認(rèn)證的二級節(jié)點A收到一級節(jié)點B的廣播信息后，將A、 Na、Nb以及{A，B，Na}Kas -并發(fā)送給一級節(jié)點B，其中，A為二級節(jié)點A的標(biāo)識符，Na為二 級節(jié)點A產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，{A，B，M Kas表示用Kas加密的標(biāo)識符A、標(biāo)識符B和隨機(jī)數(shù)Na，Kas 為控制節(jié)點S和二級節(jié)點A擁有的預(yù)共享密鑰；
[0029] 步驟3, 一級節(jié)點B收到二級節(jié)點A發(fā)送的消息后，將消息{A, B，Na}Kas、Nb、A用 Kbs加密后生成消息{{A，B，Na} Kas，Nb，A} Kbs發(fā)送給控制節(jié)點S，其中Kbs為控制節(jié)點S和一 級節(jié)點B擁有的預(yù)共享密鑰；同時，一級節(jié)點B還向控制節(jié)點S明文發(fā)送自身的標(biāo)識符B ;
[0030] 步驟4,控制節(jié)點S收到一級節(jié)點B發(fā)來的消息后，生成控制節(jié)點S和一級節(jié)點B 的會話密鑰KBS、二級節(jié)點A和一級節(jié)點B的會話密鑰Κω，并用Kbs加密A、Nb、K AB、KB生成消 息認(rèn)，他，1^，1^}1^，以及用1^加密似』、1^生成消息咖，8，1^}1^，然后一同發(fā)給一級 節(jié)點B ;
[0031] 步驟5, 一級節(jié)點B收到控制節(jié)點S發(fā)來的消息后，用Kbs解密消息認(rèn)，他，'，1^} Kbs獲得會話密鑰'以及KBS，然后用加密的Nb生成消息{NMU，并連同消息{Na, B， lWKas -同發(fā)送給二級節(jié)點A ;
[0032] 步驟6,二級節(jié)點A用Kas解密一級節(jié)點B發(fā)來的消息{Na，B，IW Kas得到，然后 用KAB解密消息{ΝΜΚαβ得到Nb，再將Nb+1用K ffi加密后生成消息{Nb+1}KAB發(fā)送給一級節(jié) 點B ;
[0033] 步驟7, 一級節(jié)點B收到消息并用KAB解密后得到Nb，檢驗（Nb+Ι)減一后的值是否 和之前生成的Nb相同，若相同，則說明二級節(jié)點A收到正確的會話密鑰，協(xié)議結(jié)束。
[0034] 所述認(rèn)證與密鑰交換協(xié)議是針對一級節(jié)點和二級節(jié)點協(xié)同傳輸信息的應(yīng)用場景 設(shè)計，即二級節(jié)點在物理位置上不能和控制節(jié)點直接通信，需要借助一級節(jié)點；但在該系統(tǒng) 中二級節(jié)點和一級節(jié)點具有很大的關(guān)聯(lián)性，即在二級節(jié)點傳輸信息時一級節(jié)點才被激活并 傳輸信息，和二級節(jié)點是嚴(yán)格的協(xié)同節(jié)點關(guān)系。
[0035] 協(xié)議結(jié)束之后，在后續(xù)通信過程中，二級節(jié)點A和控制節(jié)點S通信時，會先將信息 用加密后轉(zhuǎn)發(fā)給一級節(jié)點B，一級節(jié)點B解密信息并連同一級節(jié)點B要傳輸給控制節(jié)點 S的信息一起用KBS加密后發(fā)送給控制節(jié)點S，S用KBS解密后得到Α和Β傳來的通信信息。
[0036] 現(xiàn)通過BANlogic形式化證明的方式證明本發(fā)明安全有效，具體證明過程如下：
[0037] 證明過程中用到的BAN邏輯中的邏輯符號如下：
[0038] 1) P，Q :主體，指參與協(xié)議的各方；
[0039] 2) X、Y :觀點，指協(xié)議中的消息；
[0040] 3) K:密鑰；
[0041] 4) {Χ}κ:用密鑰 K 加密 X;
[0042] 5)卩|=〇:卩相信〇;
[0043] 6)戶VI :Ρ 看見過 X ;
[0044] 7) PpX :Ρ 曾經(jīng)說過 X;
[0045] 8) :β 4 f :Q對X具有仲裁權(quán)；
[0046] 9)#(X) :X 是新鮮的；
[0047] 10) 是 P，Q 的共享密鑰。
[0048] 推理規(guī)則：
[0049] BAN邏輯包含有消息意義規(guī)則，傳遞規(guī)則，隨機(jī)數(shù)驗證規(guī)則等7個小的方面。下面 是BAN邏輯常用的一些規(guī)則，規(guī)則中默認(rèn)的橫線上方的是已知的條件，假設(shè)p和q為不同的 主體，從加密消息所使用密鑰以及消息中包含的秘密來判斷發(fā)送者的身份，下方是由條件 推出的結(jié)論。 ^
[0050] 1)消息含義規(guī)則相信P和Q共享密鑰κ，P收到用κ加密的消息x，則p相信Q 發(fā)送過X: 1 ' B
[0051]

【權(quán)利要求】
1. 一種體域網(wǎng)認(rèn)證與密鑰交換協(xié)議，所述體域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)由一個控制節(jié)點、若干一級節(jié)點 和二級節(jié)點組成，用S表示控制節(jié)點，B表示一級節(jié)點，A表示二級節(jié)點，其特征在于，所述協(xié) 議包括如下步驟： 步驟1，一級節(jié)點B廣播自己的標(biāo)識符B和產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)Nb ; 步驟2,需要接入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行認(rèn)證的二級節(jié)點A收到一級節(jié)點B的廣播信息后，將A、Na、 Nb以及{A，B，Na}Kas -并發(fā)送給一級節(jié)點B，其中，A為二級節(jié)點A的標(biāo)識符，Na為二級節(jié) 點A產(chǎn)生的隨機(jī)數(shù)，{A，B，Na}Kas表示用K as加密的標(biāo)識符A、標(biāo)識符B和隨機(jī)數(shù)Na，Kas為控 制節(jié)點S和二級節(jié)點A擁有的預(yù)共享密鑰； 步驟3, 一級節(jié)點B收到二級節(jié)點A發(fā)送的消息后，將消息{A，B，Na}Kas、隨機(jī)數(shù)Nb、標(biāo) 識符六用1^加密后生成消息{認(rèn)，8，似}1^、他4}1^發(fā)送給控制節(jié)點，其中1^為控制節(jié)點 S和一級節(jié)點B擁有的預(yù)共享密鑰；同時，一級節(jié)點B還向控制節(jié)點S明文發(fā)送自身的標(biāo)識 符B ; 步驟4,控制節(jié)點S收到一級節(jié)點B發(fā)來的消息后，生成控制節(jié)點S和一級節(jié)點B的會 話密鑰KBS、二級節(jié)點A和一級節(jié)點B的會話密鑰U，并用Kbs加密標(biāo)識符A、隨機(jī)數(shù)Nb、會話 密鑰K AB、會話密鑰KBS生成消息{A，Nb，KAB，KBS}K bs，以及用Kas加密隨機(jī)數(shù)Na、標(biāo)識符B、會 話密鑰KAB生成消息{Na，B，K AB}Kas，然后將兩個消息一同發(fā)給一級節(jié)點B ; 步驟5, 一級節(jié)點B收到控制節(jié)點S發(fā)來的消息后，用Kbs解密消息{A，Nb，KAB，KBS} Kbs獲 得會話密鑰KAB以及KBS，用KAB加密的Nb生成消息{Nb} KAB，并將消息{Nb} 連同消息{Na， B，KAB}Kas -同發(fā)送給二級節(jié)點A ; 步驟6,二級節(jié)點A用Kas解密一級節(jié)點B發(fā)來的消息{Na，B，Kd Kas得到KAB，然后用得 到的U解密消息{Nb}KAB得到Nb，再將Nb+1用KAB加密后生成消息{Nb+1}!^發(fā)送給一級 節(jié)點B ; 步驟7, 一級節(jié)點B收到消息并用KAB解密消息{Nb+1} Km得到Nb+Ι后，檢驗（Nb+Ι)減 一后的值是否和之前生成的Nb相同，若相同，則說明二級節(jié)點A收到正確的會話密鑰KAB， 協(xié)議結(jié)束。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種體域網(wǎng)認(rèn)證與密鑰交換協(xié)議，其特征在于，所述協(xié)議適 用于體域網(wǎng)802. 15. 6標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定的星型兩跳網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種體域網(wǎng)認(rèn)證與密鑰交換協(xié)議，其特征在于，所述一級節(jié) 點和所述二級節(jié)點協(xié)同傳輸信息，即所述二級節(jié)點在物理位置上不能和所述控制節(jié)點直接 通信，需要借助所述一級節(jié)點；但所述二級節(jié)點和所述一級節(jié)點具有很大的關(guān)聯(lián)性，即在所 述二級節(jié)點傳輸信息時所述一級節(jié)點才被激活并傳輸信息，所述一級節(jié)點和所述二級節(jié)點 是嚴(yán)格的協(xié)同節(jié)點關(guān)系。
【文檔編號】H04L9/08GK104270245SQ201410546296
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月15日
【發(fā)明者】劉景偉, 孫蓉, 閆瑞 申請人:西安電子科技大學(xué)