[發(fā)明專利]一種無線傳感器網絡認證方法、系統(tǒng)與電子設備

有效

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• 申請日: 2019-11-08
• 公開（公告）號: CN110933675B
• 公開（公告）日: 2021-02-02
• 發(fā)明（設計）人: 徐國愛;王晨宇;徐國勝
• 申請（專利權）人: 北京郵電大學
• 主分類號: H04W12/06
• 分類號: H04W12/06;H04W12/12;H04W84/18
• 代理公司: 北京風雅頌專利代理有限公司 11403
• 代理人: 李莎

1.一種無線傳感器網絡認證方法，其特征在于，包括：

利用橢圓曲線模乘法對無線傳感器網絡的網關節(jié)點與傳感器節(jié)點進行初始化設定，確定基本身份信息；

所述初始化設定包括：

為每個所述網關節(jié)點GWN_k選取所述身份標識GID_k與私鑰并保存；

利用橢圓曲線法確定所述網關節(jié)點GWN_k的公鑰生成元P_k，根據所述公鑰生成元P_k計算所述網關節(jié)點GWN_k的公鑰Y_k；

為每個所述傳感器節(jié)點選取所述身份標識并保存；

所述基本身份信息包括所述網關節(jié)點GWN_k的身份標識GID_k、私鑰與公鑰Y_k以及所述傳感器節(jié)點的身份標識

根據所述基本身份信息分別對所述傳感器節(jié)點與用戶終端進行注冊，并生成相應的注冊信息，具體包括：

所述傳感器節(jié)點向所述網關節(jié)點GWN_k發(fā)送注冊請求信息；

所述網關節(jié)點GWN_k根據所述傳感器節(jié)點的注冊請求信息計算得到傳感器節(jié)點私鑰并將所述傳感器節(jié)點私鑰發(fā)送所述傳感器節(jié)點保存；

具體的，所述傳感器節(jié)點私鑰

其中，h(·)表示哈希函數運算，“||”表示比特連接運算；

與所述傳感器節(jié)點相應的所述注冊信息包括所述傳感器節(jié)點私鑰

所述用戶終端向所述網關節(jié)點GWN_k發(fā)送注冊請求信息其中表示所述用戶終端的身份標識，PW_i^k表示注冊身份認證信息，所述用戶終端的注冊請求信息根據注冊請求隨機數a′確定；具體的，其中表示通過安全信道傳輸；

所述注冊身份認證信息PW_i^k的計算方法為：

所述用戶終端選取注冊請求隨機數a′；

根據相應用戶的生物特征Bio_i計算得到生物特征參數δ_i與τ_i：

Gen(Bio_i)＝(δ_i,τ_i)

其中，Gen(·)表示生物特征提取函數運算；

根據所述生物特征參數δ_i、所述用戶終端的口令PW_i與所述注冊請求隨機數a′計算得到所述注冊身份認證信息：

PW_i^k＝h(PW_i||δ_i||a′)

所述網關節(jié)點GWN_k根據所述用戶終端的注冊請求信息對所述用戶終端進行查重驗證，驗證通過則根據所述用戶終端的注冊請求信息與時間戳計算得到注冊記錄信息和注冊響應信息，將所述注冊記錄信息進行保存，將所述注冊響應信息返回給所述用戶終端

具體的，所述網關節(jié)點GWN_k首先檢查是否在數據庫中，若在，則說明所述用戶終端選用的身份標識已經存在，通知用戶終端選擇一個新的

否則，計算用戶終端與網關節(jié)點間秘密參數

其中，表示時間戳；

根據所述秘密參數計算注冊生物特征B′_i：

其中，表示異或運算；

并將存儲在數據庫中，作為注冊記錄信息，Honey-list用于記錄用戶登錄認證失敗次數；

之后，注冊響應信息{B′_i,Y_k,P_k}；

所述用戶終端在接收到所述注冊響應信息{B′_i,Y_k,P_k}后選取注冊響應隨機數a，根據所述注冊響應隨機數a與所述注冊響應信息計算得到注冊完成信息并保存；

具體的，計算身份認證信息RPW_i＝h(PW_i^k||δ_i||a)；

根據所述身份認證信息RPW_i對所述秘密參數進行驗證計算：

計算得到本地生物特征A_i：

其中，mod表示求余運算，n₀表示系統(tǒng)口令安全參數，為[2⁴,2⁸]間的一個整數；

計算得到認證生物特征B_i：

最后將{A_i,B_i,a,τ_i,Y_k,P_k}作為所述注冊完成信息存儲；

所述用戶終端根據相應的所述注冊信息進行登錄，與相應所述網關節(jié)點建立通信連接，具體包括：

所述用戶終端根據登錄請求信息計算得到登錄生物特征將所述登錄生物特征與所述本地生物特征A_i進行比較驗證，若驗證未通過，則登錄失敗；

其中，所述登錄請求信息為所述用戶終端根據登錄請求信息計算得到登錄生物特征包括：

RPW_i^*＝h(PW_i^k||δ_i^*||a)

其中，為與所述生物特征參數δ_i相對應的驗證參數，Ren(·)表示生物特征參數δ_i相對應的驗證參數提取函數運算，RPW_i^*表示登錄身份認證信息，為登錄秘密參數；

所述用戶終端在求得所述登錄生物特征后將其與所述本地生物特征A_i進行對比，若不相等則驗證失敗，終止該會話；

若相等，驗證通過，所述用戶終端選取登錄隨機數r_i，根據所述登錄隨機數r_i以及與所述用戶終端相應的所述注冊信息，計算確定第一通信消息MSG₁；

所述第一通信消息MSG₁＝{K₁,M₁,M₂,EID_j}，其中，中間參數K₁＝r_i·P_k，中間參數K₂＝r_i·Y_k，消息中間參數消息中間參數傳感器節(jié)點偽身份標識

所述傳感器節(jié)點身份標識是用戶終端向網關節(jié)點GWN_k詢問所得；

所述用戶終端將所述第一通信消息MSG₁發(fā)送給所述網關節(jié)點GWN_k，所述第一通信消息MSG₁包括消息中間參數M₁；

根據所述用戶終端的通信請求確定目標傳感器節(jié)點；

針對不同的所述目標傳感器節(jié)點采取采取三端四重驗證方式或四端八重驗證方式，對所述用戶終端與所述目標傳感器節(jié)點進行認證并協商確定會話密鑰，其中，所述三端四重驗證方式為用戶終端、網關節(jié)點以及目標傳感器節(jié)點中的每一端收到其他端發(fā)送的信息都進行驗證，一共驗證四次；若所述目標傳感器節(jié)點與所述用戶終端處于同一網關節(jié)點服務范圍，則采用三端四重驗證方式對所述用戶終端與所述目標傳感器節(jié)點進行認證并協商所述會話密鑰；所述四端八重驗證方式為用戶終端、目標傳感器節(jié)點以及不同網關節(jié)點：第一網關節(jié)點與第二網關節(jié)點，其中每一端收到其他端發(fā)送的信息都進行驗證，一共驗證八次；若所述目標傳感器節(jié)點與所述用戶終端處于不同網關節(jié)點服務范圍，則采用四端八重驗證方式對所述用戶終端與所述目標傳感器節(jié)點進行認證并協商所述會話密鑰；

其中，所述采取三端四重驗證方式對所述用戶終端與所述目標傳感器節(jié)點進行認證并協商所述會話密鑰，包括：

所述目標傳感器節(jié)點與所述用戶終端處于同一網關節(jié)點服務范圍，所述網關節(jié)點可以記為為GWN_k，表示第k個網關節(jié)點，所述目標傳感器節(jié)點與所述用戶終端記為與分別表示位于第k個網關節(jié)點服務范圍內的第j個傳感器節(jié)點以及位于第k個網關節(jié)點服務范圍內的第i個用戶終端；

所述網關節(jié)點GWN_k接收來自所述用戶終端的第一通信消息MSG₁，根據所述第一通信消息MSG₁確定消息中間參數M₁，并通過計算得到消息驗證參數M′₁，將所述消息中間參數M₁與所述消息驗證參數M′₁進行比較驗證，若驗證未通過，則認證失敗；

所述通過計算得到消息驗證參數M′₁包括：

從而能夠計算得到

若驗證通過，所述網關節(jié)點GWN_k選取認證隨機數根據所述認證隨機數與所述第一通信消息MSG₁計算得到第二通信消息MSG₂，所述第二通信消息MSG₂包括消息中間參數M₃，并將所述第二通信消息MSG₂發(fā)送給所述目標傳感器節(jié)點

所述計算得到第二通信消息MSG₂包括：

根據上述參數值計算：

所述第二通信消息MSG₂＝{K₁,M₃,M₄}；

所述目標傳感器節(jié)點計算得到消息驗證參數M′₃，將所述消息中間參數M₃與所述消息驗證參數M′₃進行比較驗證，若驗證未通過，則認證失敗；

所述計算得到消息驗證參數M′₃包括：

根據上述參數值計算：

若驗證通過，所述目標傳感器節(jié)點選取認證隨機數r_j，根據所述認證隨機數r_j與所述第二通信消息MSG₂計算得到第三通信消息MSG₃以及所述目標傳感器節(jié)點與所述用戶終端間的會話密鑰SK_sn-u,所述第三通信消息MSG₃中包括消息中間參數M₅，并將所述第三通信消息MSG₃發(fā)送給所述網關節(jié)點GWN_k；

所述計算得到第三通信消息MSG₃包括：

K₃＝r_j·P_k

其中，P_k為所述目標傳感器節(jié)點向所述網關節(jié)點GWN_k詢問所得；

所述第三通信消息MSG₃＝{M₅,K₃}；

所述計算會話密鑰SK_sn-u包括：

K₄＝r_j·K₁

所述網關節(jié)點GWN_k計算得到消息驗證參數M′₅，將所述消息中間參數M₅與所述消息驗證參數M′₅進行比較驗證，若驗證未通過，則認證失敗；

所述計算得到消息驗證參數M′₅包括：

若驗證通過，所述網關節(jié)點GWN_k根據所述第三通信消息MSG₃計算得到第四通信消息MSG₄，所述第四通信消息MSG₄中包括消息中間參數M₆，并將所述第四通信消息MSG₄發(fā)送給所述用戶終端

所述計算得到第四通信消息MSG₄包括：

所述第四通信消息MSG₄＝{M₆,K₃}；

所述用戶終端計算得到消息驗證參數M′₆，將所述消息中間參數M₆與所述消息驗證參數M′₆進行比較驗證，若驗證未通過，則認證失敗；

所述計算得到消息驗證參數M′₆包括：

若驗證通過，所述用戶終端選取協商隨機數r_i，根據所述協商隨機數r_i與所述第四通信消息MSG₄計算確定與所述目標傳感器節(jié)點間的共享會話密鑰SK_u-sn；

所述計算共享會話密鑰SK_u-sn包括：

其中，

所述采取四端八重驗證方式對所述用戶終端與所述目標傳感器節(jié)點進行認證并協商所述會話密鑰，包括：

所述目標傳感器節(jié)點與所述用戶終端分處于不同網關節(jié)點服務范圍，將所述不同網關節(jié)點分別記為第一網關節(jié)點GWN₁與第二網關節(jié)點GWN₂，處于所述第一網關節(jié)點GWN₁服務范圍內的所述用戶終端記為處于所述第二網關節(jié)點GWN₂服務范圍內的所述目標傳感器節(jié)點記為

所述第一網關節(jié)點GWN₁接收來自所述用戶終端的第一通信消息MSG₁，所述第一通信消息MSG₁包括消息中間參數M₁，并通過計算得到消息驗證參數M′₁，將所述消息中間參數M₁與所述消息驗證參數M′₁進行比較驗證，若驗證未通過，則認證失敗；

所述計算得到消息驗證參數M′₁包括：

根據上述參數值計算：

若驗證通過，所述第一網關節(jié)點GWN₁選取認證隨機數根據所述認證隨機數與所述第一通信消息MSG₁計算得到第二通信消息MSG₂并將所述第二通信消息MSG₂進行廣播，所述第二通信消息MSG₂包括所述目標傳感器節(jié)點的身份標識和消息中間參數M₃，所述第二網關節(jié)點GWN₂根據所述第二通信消息MSG₂對所述目標傳感器節(jié)點是否處于自身服務范圍進行判斷并進行響應；

所述計算得到第二通信消息MSG₂包括：

其中，X_shar表示網關節(jié)點之間共享的密鑰；

所述第二通信消息

所述第二網關節(jié)點GWN₂計算得到消息驗證參數M′₃，將所述消息中間參數M₃與所述消息驗證參數M′₃進行比較驗證，若驗證未通過，則認證失敗；

所述計算得到消息驗證參數M′₃包括：

根據上述參數值計算：

若驗證通過，所述第二網關節(jié)點GWN₂選取認證隨機數根據所述認證隨機數與所述第二通信消息MSG₂計算得到第三通信消息MSG₃，所述第三通信消息MSG₃中包括消息中間參數M₈，并將所述第三通信消息MSG₃返回給所述第一網關節(jié)點GWN₁；

所述計算得到第三通信消息MSG₃包括：

所述第三通信消息MSG₃＝{P₂,Y₂,M₆,M₈}；

所述第一網關節(jié)點GWN₁計算得到消息驗證參數M′₈，將所述消息中間參數M₈與所述消息驗證參數M′₈進行比較驗證，若驗證未通過，則認證失敗；

所述計算得到消息驗證參數M′₈包括：

根據上述參數值計算：

若驗證通過，所述第一網關節(jié)點GWN₁根據所述第三通信消息MSG₃計算得到第四通信消息MSG₄，所述第四通信消息MSG₄中包括消息中間參數M₁₁，并將所述第四通信消息MSG₄發(fā)送給所述用戶終端

所述計算得到第四通信消息MSG₄包括：

所述第四通信消息MSG₄＝{P₂,Y₂,M₉,M₁₀,M₁₁}；

所述用戶終端計算得到消息驗證參數M′₁₁，將所述消息中間參數M₁₁與所述消息驗證參數M′₁₁進行比較驗證，若驗證未通過，則認證失敗；

所述計算得到消息驗證參數M′₁₁包括：

根據上述參數值計算：

若驗證通過，所述用戶終端選取認證隨機數r_i2，根據所述認證隨機數r_i2與所述第四通信消息MSG₄計算得到第五通信消息MSG₅，所述第五通信消息MSG₅包括消息中間參數M₁₂，并將所述第五通信消息MSG₅發(fā)送給所述第二網關節(jié)點GWN₂；

所述計算得到第五通信消息MSG₅包括：

K₄＝r_i2·P₂

K₅＝r_i2·Y₂

其中，所述傳感器節(jié)點的身份標識是用戶終端向第二網關節(jié)點GWN₂詢問所得；

所述第五通信消息MSG₅＝{K₄,M₁₂}；

所述第二網關節(jié)點GWN₂計算得到消息驗證參數M′₁₂，將所述消息中間參數M₁₂與所述消息驗證參數M′₁₂進行比較驗證，若驗證未通過，則認證失敗；

所述計算得到消息驗證參數M′₁₂包括：

根據上述參數值計算：

若驗證通過，所述第二網關節(jié)點GWN₂選取認證隨機數根據所述認證隨機數與所述第五通信消息MSG₅計算得到第六通信消息MSG₆，所述第六通信消息MSG₆包括消息中間參數M₁₄，并將所述第六通信消息MSG₆發(fā)送給所述目標傳感器節(jié)點

所述計算得到第六通信消息MSG₆包括：

所述第六通信消息MSG₆＝{K₄，M₁₃，M₁₄}；

所述目標傳感器節(jié)點計算得到消息驗證參數M′₁₄，將所述消息中間參數M₁₄與所述消息驗證參數M′₁₄進行比較驗證，若驗證未通過，則認證失敗；

所述計算得到消息驗證參數M′₁₄包括：

根據上述參數值計算：

若驗證通過，所述目標傳感器節(jié)點選取認證隨機數r_j，根據所述認證隨機數r_j與所述第六通信消息MSG₆計算得到第七通信消息MSG₇以及與所述用戶終端間的會話密鑰SK_sn2-u1，所述第七通信消息MSG₇中包括消息中間參數M₁₅，并將所述第七通信消息返回給所述第二網關節(jié)點GWN₂；

所述計算得到第七通信消息MSG₇包括：

K₆＝r_j·P₂

其中，P₂為所述目標傳感器節(jié)點向所述第二網關節(jié)點GWN₂詢問所得；

根據上述參數值計算：

所述第七通信消息MSG₇＝{M₁₅,K₆}

所述計算會話密鑰SK_sn2-u1包括：

K₇＝r_j·K₄

所述第二網關節(jié)點GWN₂計算得到消息驗證參數M′₁₅，將所述消息中間參數M₁₅與所述消息驗證參數M′₁₅進行比較驗證，若驗證未通過，則認證失敗；

所述計算得到消息驗證參數M′₁₅包括：

若驗證通過，所述第二網關節(jié)點GWN₂根據所述第七通信消息MSG₇計算得到第八通信消息MSG₈，所述第八通信消息MSG₈中包括消息中間參數M₁₆，并將所述第八通信消息MSG₈發(fā)送給所述用戶終端

所述計算得到第八通信消息MSG₈包括：

所述第八通信消息MSG₈＝{M₁₆,K₆}；

所述用戶終端計算得到消息驗證參數M′₁₆，將所述消息中間參數M₁₆與所述消息驗證參數M′₁₆進行比較驗證，若驗證未通過，則認證失敗；

所述計算得到消息驗證參數M′₁₆包括：

若驗證通過，所述用戶終端根據所述認證隨機數r_i2與所述第八通信消息MSG₈計算確定與所述目標傳感器節(jié)點間的共享會話密鑰SK_u1-sn2；

所述計算確定共享會話密鑰SK_u1-sn2包括：