[發明專利]一種無證書代理簽名的LTE-R車-地無線通信安全認證方法

有效

• 申請號: 202011129088.9
• 申請日: 2020-10-21
• 公開（公告）號: CN112055333B
• 公開（公告）日: 2021-09-07
• 發明（設計）人: 張文芳;王宇;王小敏
• 申請（專利權）人: 西南交通大學
• 主分類號: H04W4/42
• 分類號: H04W4/42;H04W12/00;H04W12/02;H04W12/041;H04W12/06;H04L9/06;H04L9/08;H04L9/32;H04L29/06
• 代理公司: 北京正華智誠專利代理事務所(普通合伙) 11870
• 代理人: 李林合

1.一種無證書代理簽名的LTE-R車-地無線通信安全認證方法，其特征在于，包括以下步驟：

S1、對密鑰生成中心進行系統初始化，生成系統參數和主密鑰，具體包括以下分步驟：

S11、所述密鑰生成中心選擇安全系數k，生成k比特長的大素數p，以此為輸入生成整數有限域F_p，橢圓曲線E/F_p和生成元為P的q階循環群G_q；

S12、所述密鑰生成中心從整數有限域F_p中選取第一隨機數s作為主密鑰，然后根據第一隨機數S計算出系統公鑰PK_KGC，其計算公式如下：

PK_KGC＝s·P

S13、所述密鑰生成中心選擇第一到第四安全哈希函數H，H₁，H₂，H₃；

S14、所述密鑰生成中心保存第一隨機數s并公開系統參數params，完成系統初始化，系統參數params表達式如下：

S2、根據所述步驟S1生成的系統參數和主密鑰進行用戶歸屬服務器HSS注冊，具體包括以下分步驟：

S21、所述用戶歸屬服務器HSS從整數有限域F_p中選取第二隨機數t_H作為其秘密值，然后計算出第一公開承諾PP_H，其計算公式如下：

PP_H＝t_H·P

然后將{PP_H，ID_H}通過安全信道發送給所述密鑰生成中心，其中ID_H是所述用戶歸屬服務器HSS的身份；

S22、所述密鑰生成中心從整數有限域F_p中選擇第三隨機數r_H作為其秘密值，然后計算出第二公開承諾R_H，其計算公式如下：

R_H＝r_H·P

生成公鑰PK_H，其計算公式如下：

PK_H＝{PP_H，R_H}

生成部分私鑰d_H，其計算公式如下：

d_H＝(r_H+s×H(ID_H，R_H，PP_H))

然后將{R_H，d_H}通過安全信道發送給所述用戶歸屬服務器HSS；

S23、所述用戶歸屬服務器HSS生成并保存私鑰sk_H，其計算公式如下：

sk_H＝{t_H，d_H}

生成并保存公鑰PK_H，其計算公式如下：

PK_H＝{PP_H，R_H}

完成所述用戶歸屬服務器HSS注冊過程；

S3、根據所述步驟S1生成的系統參數和主密鑰進行移動管理實體MME注冊，具體包括以下分步驟：

S31、所述移動管理實體MME從整數有限域F_p中選擇第四隨機數t_M作為其秘密值，計算出第三公開承諾PP_M，其計算公式如下：

PP_M＝t_M·P

然后將{PP_M，ID_M}通過安全信道發送給所述密鑰生成中心，其中ID_M是所述移動管理實體MME的身份；

S32、所述密鑰生成中心從整數有限域F_p中選擇第五隨機數r_M作為其秘密值，計算出第四公開承諾R_M，其計算公式如下：

R_M＝r_M·P

生成公鑰PK_M，其計算公式如下：

PK_M＝{PP_M，R_M}

生成部分私鑰d_M，其計算公式如下：

d_M＝(r_M+s×H(ID_M，R_M，PP_M))

將{R_M，d_M}通過安全信道發送給所述移動管理實體MME；

S33、所述移動管理實體MME生成并保存私鑰sk_M，其計算公式如下：

sk_M＝{t_M，d_M}

生成并保存公鑰PK_M，其計算公式如下：

PI_M＝{PP_M，R_M}

完成所述移動管理實體MME注冊過程；

S4、根據所述步驟S1生成的系統參數及所述步驟S2和所述步驟S3生成的注冊參數進行車載移動單元OBU注冊，具體包括以下分步驟：

S41、所述車載移動單元OBU從整數有限域F_p中選擇第六隨機數a_O作為其秘密值，計算出第五公開承諾A_O，其計算公式如下：

A_O＝a_O·P

然后將{A_O，IMSI}通過安全信道發送給所述用戶歸屬服務器HSS，其中IMSI是所述車載移動單元OBU的全球唯一身份標識；

S42、所述用戶歸屬服務器HSS從整數有限域F_p中選擇第七隨機數a_H作為所述車載移動單元OBU的部分私鑰，計算出第六公開承諾A_H，其計算公式如下：

A_H＝a_H·P

計算出第一哈希值h₁，其計算公式如下：

h₁＝H(ID_H，IMSI，A_H，A_O)

計算出第二哈希值h₂，其計算公式如下：

h₂＝H(PP_H，IMSI，A_H，A_O)

所述用戶歸屬服務器HSS計算出部分代理私鑰σ，其計算公式如下：

σ＝d_H×h₁+t_H×h₂+a_H

最后所述用戶歸屬服務器HSS將{σ，ID_H，A_H}通過安全信道發送給所述車載移動單元OBU；

S43、所述車載移動單元OBU驗證如下等式是否成立：

σ·P＝h₁·(R_H+H(ID_H，R_H，PP_H)·PK_KGC)+h₂·PP_H+A_H

若不成立則注冊失敗重新注冊，若成立則所述車載移動單元OBU保存其代理私鑰psk_O＝{σ，a_O}，完成車載移動單元OBU注冊過程；

S5、根據所述步驟S1生成的系統參數及所述步驟S2、所述步驟S3和所述步驟S4生成的注冊參數進行車載移動單元OBU初始認證，具體包括以下分步驟：

S51、所述車載移動單元OBU從整數有限域F_p中選擇第八隨機數b_O作為其秘密值，計算出第七公開承諾B_O，其計算公式如下：

B_O＝b_O·P

計算出第三哈希值h_0-M，其計算公式如下：

h_0-M＝H(ID_M，R_M，PP_M)

計算出第一輔助驗證參數e，其計算公式如下：

e＝(R_M+h_0-M·PK_KGC+PP_M)

計算出第一加密密鑰k₁和第二加密密鑰k₂，其計算公式如下：

(k₁，k₂)＝b_O·e

計算出第一密文CT_O1，其計算公式如下：

計算出第二密文CT_O2，其計算公式如下：

其中為異或運算符號；

計算出第四哈希值h₃，其計算公式如下：

h₃＝H(T₁，ID_M，CT_O1，CT_O2，IMSI，B_O)

其中T₁表示第一時間戳；

計算出第五哈希值h₄，其計算公式如下：

h₄＝H(ID_H，A_O，B_O)

計算出代理簽名S，其計算公式如下：

S＝σ×h₃+a_O×h₄+b_O

計算出第一驗證碼MAC，其計算公式如下：

MAC＝H(T₁，ID_H，ID_M，CT_O1，CT_O2，IMSI，S，B_O)

然后所述車載移動單元OBU發送(T₁，ID_H，ID_M，CT_O1，CT_O2，B_O，MAC，S)到所述移動管理實體MME；

S52、所述移動管理實體MME按照當前網絡擁堵狀態選取困難系數p_require，并計算出難題密鑰key，其計算公式如下：

key＝H(d_M+t_M，T_now)

其中T_now為生成難題的時間，該時間根據需求每30～60秒進行更新，

然后構造出抗拒絕服務攻擊難題puzzle并將其發送給所述車載移動單元OBU，其計算公式如下：

puzzle＝(MAC，p_require，H(MAC，p_require，key))

S53、所述車載移動單元OBU根據如下等式：

H(MAC，H(MAC，p_require，key)，v)＝(left p_require)0

采用暴力搜索的方法尋找滿足該等式的難題解v，其中(left p_require)0表示該值左邊p_require位都為0；所述移動管理實體MME驗證上述等式是否成立：若不成立則拒絕所述車載移動單元OBU的認證請求，若成立則繼續進行接下來的步驟；

S54、所述移動管理實體MME計算出第一和第二加密密鑰(k₁，k₂)，其計算公式如下：

(k₁，k₂)＝(d_M+t_M)·b_O

然后根據第一和第二加密密鑰(k₁，k₂)從第一和第二加密密文(CT_O1，CT_O2)中解密獲取(A_O，A_H，IMSI)，計算出代理公鑰ppk，其計算公式如下：

ppk＝h₁·(R_H+H(ID_H，R_H，PP_H)·PK_KGC)+h₂·PP_H+A_H

然后驗證如下等式是否成立：

S·P＝h₃·ppk+h₄·A_O+B_O

若不成立則拒絕其認證請求，若成立則繼續接下來的步驟；

S55、所述移動管理實體MME從整數有限域F_p中選取第九隨機數b_M和臨時身份GUTI，計算出認證主密鑰K_ASME，其計算公式如下：

K_ASME＝H₁(b_M·B_O，(d_M+t_M)·(ppk+A_O))

計算出安全加密密鑰CK，其計算公式如下：

CK＝H₂(K_ASME，IMSI)

計算出安全認證密鑰IK，其計算公式如下；

IK＝H₃(K_ASME，IMSI)

計算并發送密文CT_M，其計算公式如下：

CT_M＝E_CK(IMSI，GUTI，T₂)

其中T₂是第二時間戳；

S56、所述車載移動單元OBU計算出認證主密鑰K_ASME，其計算公式如下：

K_ASME＝H₁(b_O·B_M，(σ+a_O)·e)

計算出安全加密密鑰CK，其計算公式如下：

CK＝H₂(K_ASME，IMSI)

計算出安全認證密鑰IK，其計算公式如下；

IK＝H₃(K_ASME，IMSI)

后驗證解密信息并計算出認證確認驗證碼mac_O，計算公式如下：

mac_O＝H(GUTI+1，T₃，IK)

其中T₃是第三時間戳；然后所述車載移動單元OBU將T₃和mac_O發送給所述移動管理實體MME；

S57、所述移動管理實體MME驗證第三時間戳T₃和認證確認驗證碼mac_O的有效性，驗證不通過則拒絕認證請求，驗證通過則完成與所述車載移動單元OBU的認證過程。