[發明專利]基于無線傳感器網絡的身份認證方法、系統及電子設備

有效

• 申請號: 202210144191.3
• 申請日: 2022-02-17
• 公開（公告）號: CN114499854B
• 公開（公告）日: 2022-11-01
• 發明（設計）人: 鄒仕洪;曹強;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: H04L9/08
• 分類號: H04L9/08;H04L9/30;H04L9/32;H04W12/00;H04W12/041;H04W12/0431;H04W12/06;H04W60/00;H04W84/18
• 代理公司: 北京風雅頌專利代理有限公司 11403
• 代理人: 金含

1.一種基于無線傳感器網絡的身份認證方法，其特征在于，所述無線傳感器網絡包括：網關、智能卡、多個用戶終端和多個傳感器節點；

所述方法執行步驟包括：

為所述網關GWN選取身份標識GID并公開；

采用所述橢圓曲線公鑰密碼算法確定所述網關GWN的長期密鑰x；

所述初始化參數集至少包括所述網關GWN的所述身份標識GID和所述長期密鑰x；

通過所述網關分別生成每一個所述傳感器節點的傳感器節點標識并存儲在所述傳感器節點中；

所述用戶終端U_i獲取用戶身份標識ID_i和用戶口令PW_i，通過國密算法計算用戶秘密值x_i，并通過模運算計算用戶哈希值HPW_i，其中，1≤i≤k，k為所述多個用戶終端的個數，其中，x_i=h（ID_i||PW_i）,HPW_i=h（ID_i||PW_i）mod n₀，n₀為256位的1至2²⁵⁶之間的一個大素數，mod為所述模運算，||為比特連接運算，h（·）為所述國密算法；

所述用戶終端U_i選擇隨機數r，并將所述用戶哈希值HPW_i與所述隨機數r進行異或運算得到第一用戶信息A₀，并將所述第一用戶信息A₀通過安全信道傳送給所述網關GWN，A₀=HPW_i⊕r，其中，⊕為所述異或運算；

所述網關GWN接收所述第一用戶信息A₀，為所述用戶終端U_i選擇偽隨機身份PID_i和指紋密鑰恢復函數BKG(·)；

所述網關GWN基于所述偽隨機身份PID_i采用所述國密算法計算第一用戶中間信息B₁，并基于所述第一用戶中間信息B₁采用異或運算計算第二用戶信息A₁，B₁=h(PID_i||x)，A₁=B₁⊕A₀；

所述網關GWN將所述偽隨機身份PID_i、所述指紋密鑰恢復函數BKG(·)、所述第二用戶信息A₁和允許用戶嘗試驗證次數SUM存儲在所述智能卡中，并將所述智能卡通過安全信道發送給用戶終端U_i；

所述用戶終端U_i接收所述智能卡，所述用戶終端U_i獲取用戶指紋信息bio_i，并基于所述第一用戶信息A₀和所述第二用戶信息A₁采用異或運算重新計算所述第一用戶中間信息B₁，以及基于所述用戶指紋信息bio_i采用指紋密鑰恢復函數BKG(·)計算得到第二用戶中間信息B₂，B₂=BKG（bio_i），所述用戶終端U_i基于所述用戶身份標識ID_i、所述用戶口令PW_i、所述第一用戶中間信息B₁、預定位數的大素數n₀和所述第二用戶中間信息B₂采用所述模運算計算第三用戶信息A₂，A₂=h（ID_i||PW_i||B₁||B₂）mod n₀，并基于所述用戶哈希值HPW_i和所述第一用戶中間信息B₁采用異或運算重新計算所述第二用戶信息A₁，A₁=B₁⊕HPW_i；

所述用戶注冊參數集包括所述偽隨機身份PID_i、所述指紋密鑰恢復函數BKG(·)、所述重新計算后的第二用戶信息A₁、所述第三用戶信息A₂和所述允許用戶嘗試驗證次數SUM；

所述傳感器節點S_j將其對應的所述傳感器節點標識SID_j通過安全信道傳送到所述網關GWN，其中，S_j表示第j個所述傳感器節點，1≤j≤m，m為所述多個傳感器的個數；

所述網關GWN采用所述國密算法計算傳感器秘密值x_j，并通過安全信道將所述傳感器秘密值x_j回傳到所述傳感器節點S_j，x_j=h（SID_j||x）；

所述智能卡通過所述用戶終端U_i獲取用戶登錄身份標識Id_i^*、用戶登錄口令PW _i^*和用戶登錄指紋信息bio _i^*；

所述智能卡基于所述用戶登錄身份標識ID _i^*、用戶登錄口令PW _i^*、用戶登錄指紋信息bio_i^*、所述第二用戶信息A₁、預定位數的大素數n₀采用模運算計算用戶登錄信息A₂^*，A₂^*=h（ID_i^*||PW_i^*||B₁^*||B₂^*）mod n₀，其中，B₁^*=HPW_i^*⊕A₁，B₂^*=BKG（bio_i^*），HPW_i^*=h(ID_i^*|| PW_i^*)mod n₀；

響應于確定所述用戶登錄信息A₂^*等于所述第三用戶信息A₂，所述智能卡采用所述橢圓曲線公鑰密碼算法選擇隨機數r_u后計算第四用戶信息A₃，A₃=r_u·P，P為所述橢圓曲線公鑰密碼算法中橢圓曲線E(F_q)的基點，并獲取第一時間戳T₁，并基于目標傳感器節點的傳感器身份標識SID_j采用所述國密算法計算第一中間參數D₁、第二中間參數D₂和第三中間參數D₃，D₁=h(B₁)⊕A₃，D₂=SID_j⊕h(PID_i||A₃)，D₃=h(PID_i ||SID_j||A₃|| T₁)；

所述請求信息包括所述用戶終端U_i的所述偽隨機身份PID_i、所述第一時間戳T₁、所述第一中間參數D₁、所述第二中間參數D₂和所述第三中間參數D₃；

響應于確定所述用戶登錄信息A₂^*不等于所述第三用戶信息A₂，所述智能卡中的用戶嘗試驗證次數增加一次，所述智能卡通過所述用戶終端U_i重新獲取新的用戶登錄身份標識ID_i^*、新的用戶登錄口令PW_i^*和新的用戶登錄指紋信息bio_i^*，并基于所述新的用戶登錄身份標識ID_i^*、所述新的用戶登錄口令PW_i^*、所述新的用戶登錄指紋信息bio_i^*、所述第二用戶信息A₁、預定位數的大素數n₀采用模運算重新計算用戶登錄信息A₂^*，A₂^*=h（ID_i^*||PW_i^*||B₁^*||B₂^*）mod n₀，直至所述用戶登錄信息A₂^*等于所述第三用戶信息A₂且所述智能卡的所述用戶嘗試驗證次數小于等于所述允許用戶嘗試驗證次數SUM為止；

響應于確定所述智能卡的所述用戶嘗試驗證次數大于所述允許用戶嘗試驗證次數SUM，所述用戶終端U_i被凍結直至重新注冊；

所述網關GWN接受所述請求信息并獲取第二時間戳T_c1；

響應于確定所述第一時間戳T₁和第二時間戳T_c1之間的差值大于等于閾值?T，所述網關GWN終止所述用戶終端U_i的身份認證過程，所述用戶終端U_i的身份認證失敗；

響應于確定所述第一時間戳T₁和第二時間戳T_c之間的差值小于所述閾值?T，所述網關GWN基于所述請求信息、所述長期密鑰x采用所述國密算法計算得到協商傳感器秘密值x_j、協商第四用戶信息A₃^*和協商第三中間參數D₃^*，x_j=h(SID_j||x)，A₃^*=D₁⊕h(B₁^*), SID_j^*=D₂⊕h(PID_i||A₃^*), D₃^*=h(PID_i|| SID_j^*|| A₃^*|| T₁)；

響應于確定所述第三中間參數D₃不等于所述協商第三中間參數D₃^*，所述網關GWN終止所述用戶終端U_i的身份認證過程，所述用戶終端U_i的身份認證失敗；

響應于確定所述第三中間參數D₃等于所述協商第三中間參數D₃^*，所述網關GWN采用所述橢圓曲線公鑰密碼算法選擇隨機數r_g并獲取第三時間戳T₂后采用所述國密算法計算第一用戶協商信息集，D₄=(r_g||A₃)⊕h(x_j||SID_j)，D₅=SID_j||h(B₁)⊕h(x_j||r_g)，D₆=h(A₃||r_g||x_j||SID_j||T₂)，并將所述用戶終端U_i的所述偽隨機身份PID_i和所述第一用戶協商信息集發送到所述傳感器節點S_j，其中，所述第一用戶協商信息集中包括第四中間參數D₆和所述第三時間戳T₂；

所述傳感器節點S_j接收所述網關GWN發送的所述用戶終端U_i的所述偽隨機身份PID_i和所述第一用戶協商信息集，并獲取第四時間戳T_c2；

響應于確定所述第三時間戳T₂和所述第四時間戳T_c2之間的差值大于等于所述閾值?T，所述傳感器節點S_j終止所述用戶終端U_i的身份認證過程，所述用戶終端U_i的身份認證失敗；

響應于確定所述第三時間戳T₂和所述第四時間戳T_c2之間的差值大于等于所述閾值?T，所述傳感器節點S_j基于所述傳感器秘密值x_j和所述第一用戶協商信息集采用國密算法計算得到協商第四中間參數D₆^*，D₆^*=h(A₃^*|| r_g^*||x_j||SID_j^*||T₂)，其中，r_g^*為根據r_g^*|| A₃^*=D₄⊕h(x_j||SID_j)恢復得到的；

響應于確定所述第四中間參數D₆不等于所述協商第四中間參數D₆^*，所述傳感器節點S_j終止所述用戶終端U_i的身份認證過程，所述用戶終端U_i的身份認證失敗；

響應于確定所述第四中間參數D₆等于所述協商第四中間參數D₆^*，所述傳感器節點S_j采用所述橢圓曲線公鑰密碼算法選擇隨機數r_s并獲取第五時間戳T₃后采用所述國密算法計算第二用戶協商信息集和用戶會話密鑰SK，SK=h(A₅||PID_i ||SID_j||h(B₁))，D₇=SID_j⊕h(r_g),D₈=A₄||h(SK||r_g)⊕x_j, D₉= h(A₄||h(SK||r_g)||x_j||T₃), D₁₀=h(SK||r_g)⊕x_j⊕h(A₄||SK)，其中，A₄=r_s·A₃, A₅=r_s·A₃，并將所述第二用戶協商信息集發送到所述網關GWN，其中，所述第二用戶協商信息集中包括第五中間參數D₉和所述第五時間戳T₃；

所述網關GWN接收所述第二用戶協商信息集并獲取第六時間戳T_c3；

響應于確定所述第五時間戳T₃和所述第六時間戳T_c3之間的差值大于等于所述閾值?T，所述網關GWN終止所述用戶終端U_i的身份認證過程，所述用戶終端U_i的身份認證失敗；

響應于確定所述第四時間戳T_c2和所述第六時間戳T_c3之間的差值小于所述閾值?T，所述網關GWN基于所述第二用戶協商信息集采用所述國密算法計算協商第五中間參數D₉^*，D₉^*=h(A₄^*||h(SK^*||r_g^*)||x_j^*||T₃)，其中，SK^*=h(A₅^*||PID_i|| SID_j|| h(B₁))，其中，A₄^*是根據A₄^*||h(SK^*||r_g^*)=D₈⊕x_j^*恢復得到的，x_j^*=h(SID_j^*||x)，A₅^*=r_u·A₄^*；

響應于確定所述第五中間參數D₉不等于所述協商第五中間參數D₉^*，所述網關GWN終止所述用戶終端U_i的身份認證過程，所述用戶終端U_i的身份認證失敗；

響應于確定所述第五中間參數D₉等于所述協商第五中間參數D₉^*，所述網關GWN基于所述第二用戶協商信息集采用所述國密算法計算第三用戶協商信息集并為用戶終端U_i選擇新偽隨機身份PID_i^new，D₁₁=B₁^new⊕B₁, D₁₂=PID_i^new||A₄⊕h(B₁^new||A₃)，D₁₃=h(PID_i^new||h(A₄||SK))，其中，B₁^new=h(PID_i^new||x)，并將所述第三用戶協商信息集發送到所述用戶終端U_i，其中，所述第三用戶協商信息集包括第六中間參數D₁₃；

所述用戶終端U_i接收所述第三用戶協商信息集，基于所述第三用戶協商信息集和所述第一用戶中間信息B₁采用所述國密算法計算得到協商第六中間參數D₁₃^*，D₁₃^*=h(PID_i^new*||h(A₄^*||SK^*))；

響應于確定所述第六中間參數D₁₃不等于所述協商第六中間參數D₁₃^*，所述用戶終端U_i不接受所述傳感器節點S_j的所述用戶會話密鑰SK，所述用戶終端U_i的身份認證失敗；

響應于確定所述第六中間參數D₁₃等于所述協商第六中間參數D₁₃^*，所述用戶終端U_i基于所述第三用戶協商信息集、用戶身份標識ID_i、用戶口令PW、所述用戶哈希值HPW_i、所述第二用戶中間信息B₂和預定位數的大素數n₀采用模運算計算新第二用戶信息A₁^new和新第三用戶信息A₂^new，A₁^new=B₁^new⊕HPW_i, A₂^new=h(ID_i||PW_i||B₁^new||B₂)mod n₀；

將所述用戶注冊參數集中的所述偽隨機身份PID_i、所述第二用戶信息A₁和所述第三用戶信息A₂分別替換為所述新偽隨機身份PID_i^new、所述新第二用戶信息A₁^new和所述新第三用戶信息A₂^new；

所述用戶終端U_i與所述傳感器節點S_j建立會話，完成所述用戶終端U_i的身份認證。