胡祥義 徐冠寧 杜麗萍

北京市科技情報(bào)研究所網(wǎng)絡(luò)密碼認(rèn)證北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100044

0 引言

在物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心端由認(rèn)證服務(wù)器和加密卡硬件設(shè)備組成，在認(rèn)證服務(wù)器的PCI接口上插入加密卡，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心與物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心連接，物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心與物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心之間的數(shù)據(jù)是雙向傳輸，在加密卡的芯片里，建立物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心端的加密系統(tǒng)，即寫(xiě)入輕量級(jí)密碼算法、摘要算法。物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心端的安全協(xié)議包括：物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心端的傳感設(shè)備認(rèn)證協(xié)議、解密和簽名驗(yàn)證協(xié)議，且寫(xiě)入數(shù)據(jù)：一組存儲(chǔ)密鑰。在物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心端的傳輸密鑰數(shù)據(jù)庫(kù)里，寫(xiě)入數(shù)據(jù)：對(duì)應(yīng)全體傳感設(shè)備端智能芯片的標(biāo)識(shí)、傳感設(shè)備的標(biāo)識(shí)和傳輸密鑰SKi(i=1～n，n為傳感設(shè)備數(shù)量的總和)的密文。

1 輕量級(jí)密碼的密鑰管理

采用安全單鑰管理技術(shù)來(lái)建立物聯(lián)網(wǎng)感知層的設(shè)備認(rèn)證協(xié)議、數(shù)字簽名和加/解密協(xié)議。

1.1 認(rèn)證或簽名密鑰

設(shè)：認(rèn)證或簽名密鑰為 CK，在傳感設(shè)備端的傳感設(shè)備認(rèn)證協(xié)議、或簽名和加密協(xié)議運(yùn)行過(guò)程時(shí)，由傳感設(shè)備端智能卡芯片里的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器實(shí)時(shí)產(chǎn)生一組NN比特(NN=密鑰的長(zhǎng)度)的隨機(jī)數(shù)，用該組隨機(jī)數(shù)作為認(rèn)證或簽名密鑰CK，當(dāng)CK作為認(rèn)證密鑰時(shí)，用CK來(lái)加密另一組隨機(jī)數(shù)S產(chǎn)生認(rèn)證口令，當(dāng)CK作為簽名密鑰時(shí)，用CK對(duì)傳感設(shè)備端的傳感信息進(jìn)行簽名和加密。同時(shí)，將CK還作為RFID內(nèi)基本信息的簽名密鑰。

1.2 傳輸密鑰

設(shè)：傳輸密鑰為SKi(i=1～n，n為對(duì)應(yīng)認(rèn)證中心端全體傳感設(shè)備總和)，在密鑰初始化過(guò)程中，由認(rèn)證中心端加密卡芯片里的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，生成一組NN比特(NN=密鑰的長(zhǎng)度)的隨機(jī)數(shù)，將該組隨機(jī)數(shù)作為一組傳輸密鑰SKi(i=1～n)，分別輸入到對(duì)應(yīng)的各個(gè)傳感設(shè)備端智能卡芯片里，同時(shí)，在認(rèn)證中心端加密卡的芯片里，使用一組存儲(chǔ)密鑰，將全體對(duì)應(yīng)傳感設(shè)備端的每組傳輸密鑰 SKi(i=1～n)分別加密生成密文即：SKi’(i=1～n)后輸出加密卡芯片，并將傳輸密鑰SKi(i=1～n)以密文即：SK1’、SK2’SKn’的形式，分別與對(duì)應(yīng)傳輸密鑰SKi(i=1～n)的傳感設(shè)備端智能卡芯片的標(biāo)識(shí)、及其傳感設(shè)備的標(biāo)識(shí)，一起存儲(chǔ)在認(rèn)證中心端認(rèn)證服務(wù)器的傳輸密鑰數(shù)據(jù)庫(kù)中。

1.3 存儲(chǔ)密鑰

設(shè)：存儲(chǔ)密鑰為K，在密鑰初始化過(guò)程中，存儲(chǔ)密鑰事先由認(rèn)證中心端加密卡芯片里的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，產(chǎn)生一組NN比特(NN=密鑰的長(zhǎng)度)的隨機(jī)數(shù)，將該組隨機(jī)數(shù)作為一組存儲(chǔ)密鑰K，并存儲(chǔ)在加密卡芯片里，存儲(chǔ)密鑰K是一組固定的單鑰，用存儲(chǔ)密鑰K分別將全體對(duì)應(yīng)傳感設(shè)備端的傳輸密鑰 SKi(i=1～n)加密成密文即： SK1’、SK2’、……、SKn’(i=1～n)后，存儲(chǔ)在認(rèn)證中心端的傳輸密鑰數(shù)據(jù)庫(kù)中。且用存儲(chǔ)密鑰 K 分別將加密各個(gè) RFID內(nèi)傳感信息的簽名密鑰CK，加密成密文即：CK’后，存儲(chǔ)在認(rèn)證中心端的簽名密鑰數(shù)據(jù)庫(kù)中。

當(dāng)傳感設(shè)備端和認(rèn)證中心端進(jìn)行認(rèn)證或簽名密鑰CK交換時(shí)，在認(rèn)證中心端加密卡芯片里，使用存儲(chǔ)密鑰K將認(rèn)證中心端對(duì)應(yīng)加密CK的傳輸密鑰的密文SKi’(i=1～n)解密成明文，再用解密后的傳輸密鑰SKi(i=1～n)，將收到傳感設(shè)備端發(fā)送來(lái)的認(rèn)證或簽名密鑰的密文CK’解密成明文即：CK。

若對(duì) RFID內(nèi)傳感信息的密文進(jìn)行解密和簽名驗(yàn)證時(shí)，在認(rèn)證中心端加密卡芯片里，使用存儲(chǔ)密鑰K將認(rèn)證中心端對(duì)應(yīng)RFID簽名密鑰的密文即：CK’解密成明文即：CK，再使用CK對(duì)RFID內(nèi)傳感信息的密文進(jìn)行解密和簽名驗(yàn)證。

2 物聯(lián)網(wǎng)感知層的安全協(xié)議

2.1 感知層認(rèn)證協(xié)議

(1)傳感設(shè)備端的傳感設(shè)備認(rèn)證協(xié)議

傳感設(shè)備端的傳感設(shè)備認(rèn)證協(xié)議，由傳感設(shè)備產(chǎn)生另一組隨機(jī)數(shù)，設(shè)：該組隨機(jī)數(shù)為S，將隨機(jī)數(shù)S輸入傳感設(shè)備端智能卡芯片里，智能卡芯片里的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，產(chǎn)生一組NN比特(NN=密鑰的長(zhǎng)度)的隨機(jī)數(shù)，將該隨機(jī)數(shù)作為認(rèn)證密鑰CK，用CK來(lái)加密隨機(jī)數(shù)S，得到隨機(jī)數(shù)S的密文即：認(rèn)證口令 1，之后，在傳感設(shè)備端智能卡芯片里，用傳輸密鑰SKi(i=1～n)將認(rèn)證密鑰CK加密成密文即：CK’，最后，將傳感設(shè)備端智能卡芯片的標(biāo)識(shí)、傳感設(shè)備的標(biāo)識(shí)、隨機(jī)數(shù)S、認(rèn)證口令1和認(rèn)證密鑰的密文CK’這5組認(rèn)證數(shù)據(jù)，一并發(fā)送給認(rèn)證中心端。

(2)物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心端的傳感設(shè)備認(rèn)證協(xié)議

物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心端的傳感設(shè)備認(rèn)證協(xié)議，當(dāng)認(rèn)證中心端收到傳感設(shè)備端發(fā)送來(lái)的認(rèn)證數(shù)據(jù)后，認(rèn)證中心端根據(jù)傳感設(shè)備端智能卡芯片的標(biāo)識(shí)，在傳輸密鑰數(shù)據(jù)庫(kù)中定位對(duì)應(yīng)該標(biāo)識(shí)的記錄，再將記錄中的傳輸密鑰的密文即：SKi’(i=1～n)，輸入認(rèn)證中心端的加密卡芯片中，并在加密卡芯片里，使用存儲(chǔ)密鑰K將 SKi’(i=1～n)解密成明文即：SKi(i=1～n)，用SKi(i=1～n)將接收到的認(rèn)證密鑰的密文CK’解密成明文，即：CK，用CK加密隨機(jī)數(shù)S生成認(rèn)證口令2，通過(guò)對(duì)比認(rèn)證口令1和認(rèn)證口令2是否相同？來(lái)判別傳感設(shè)備是否可信。

2.2 感知層數(shù)字簽名協(xié)議

(1)傳感信息的簽名和加密協(xié)議

在傳感設(shè)備端，將傳感設(shè)備采集的傳感信息輸入傳感設(shè)備端智能卡芯片中，在傳感設(shè)備端智能卡芯片里，使用摘要算法對(duì)傳感信息進(jìn)行“摘要”得到傳感信息的“摘要”信息L1，由傳感設(shè)備端智能卡芯片里的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，產(chǎn)生一組NN比特(NN=密鑰的長(zhǎng)度)的隨機(jī)數(shù)，將該隨機(jī)數(shù)作為簽名密鑰CK，來(lái)加密傳感信息和“摘要”信息L1，得到傳感信息的密文和 L1的密文即：數(shù)字簽名，之后，用傳感設(shè)備端智能卡芯片里的傳輸密鑰，將簽名密鑰 CK加密成密文即：CK’，最后，將傳感設(shè)備端智能卡芯片的標(biāo)識(shí)、傳感設(shè)備的標(biāo)識(shí)、傳感信息的密文、傳感信息的數(shù)字簽名和簽名密鑰的密文CK’這5組簽名數(shù)據(jù)，一并發(fā)送給認(rèn)證中心端。

(2)物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心端的傳感信息解密和簽名驗(yàn)證協(xié)議

當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心端收到傳感設(shè)備端發(fā)送來(lái)的5組簽名數(shù)據(jù)后，首先，根據(jù)傳感設(shè)備端智能卡芯片的標(biāo)識(shí)，在傳輸密鑰數(shù)據(jù)庫(kù)中定位對(duì)應(yīng)該標(biāo)識(shí)的記錄，再將記錄中的傳輸密鑰的密文即：SKi’(i=1～n)輸入認(rèn)證中心端的加密卡芯片中，并在加密卡芯片里，使用存儲(chǔ)密鑰K將 SKi’(i=1～n)解密成明文即：SKi(i=1～n)，用SKi(i=1～n)將接收到的簽名密鑰的密文CK’解密成明文即：CK，用CK解密傳感信息的密文和傳感信息的數(shù)字簽名，得到傳感信息的明文和傳感信息的“摘要”信息L1，再用摘要算法對(duì)傳感信息進(jìn)行“摘要”，得到傳感信息的“摘要”信息L2，通過(guò)對(duì)比L1和L2是否相同？來(lái)確認(rèn)從傳感設(shè)備端傳輸來(lái)的傳感信息是否可信、完整。

(3)RFID的簽名和加密協(xié)議

RFID是一種電子標(biāo)簽，內(nèi)無(wú)CPU芯片，也無(wú)工作電源，RFID中的數(shù)據(jù)為事先寫(xiě)入，并由 RFID讀卡器進(jìn)行讀取。RFID內(nèi)主要存放的數(shù)據(jù)為：RFID的標(biāo)識(shí)B1、對(duì)應(yīng)物品的基本信息LL(如：一袋奶粉的重要信息：生產(chǎn)工廠、生產(chǎn)時(shí)間、奶粉的成分配料等)。

RFID的簽名和加密協(xié)議，事先由物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心端加密卡芯片里的隨機(jī)數(shù)發(fā)生器，產(chǎn)生一組NN比特(NN=密鑰的長(zhǎng)度)的隨機(jī)數(shù)，將該隨機(jī)數(shù)作為RFID的簽名密鑰CKK，來(lái)加密B1和LL，同時(shí)，加密B1和LL的“摘要”信息Q1，得到Q1的密文即：數(shù)字簽名，用物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心端的存儲(chǔ)密鑰K，將RFID的簽名密鑰CKK加密成密文即：CKK’，并將CKK’與對(duì)應(yīng)RFID的標(biāo)識(shí)B1一起存放在物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心的簽名密鑰數(shù)據(jù)庫(kù)中，最后，將 RFID的標(biāo)識(shí) B1、B1和LL的密文、Q1的密文和CKK’個(gè)4組數(shù)據(jù)寫(xiě)入RFID內(nèi)。

RFID內(nèi)存放的數(shù)據(jù)有四組：① RFID的標(biāo)識(shí)B1、②B1和LL的密文，③B1和LL的“摘要”信息Q1的密文即：數(shù)字簽名，④簽名密鑰CKK的密文即：CKK’，將這4組數(shù)據(jù)設(shè)為：RFID的傳感信息CL，事先將CL寫(xiě)入RFID中。

RFID讀卡器端傳感信息的簽名和加密協(xié)議，與其它傳感設(shè)備端傳感信息的簽名和加密協(xié)議相同。只是RFID讀卡器讀取的RFID傳感信息CL，是事先寫(xiě)入RFID里的固定信息。

(4)物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心端的 RFID傳感信息解密和簽名驗(yàn)證協(xié)議

當(dāng)認(rèn)證中心端收到RFID讀卡器發(fā)送來(lái)的5組簽名數(shù)據(jù)后，首先，根據(jù)RFID讀卡器智能卡芯片的標(biāo)識(shí)，在傳輸密鑰數(shù)據(jù)庫(kù)中定位對(duì)應(yīng)該標(biāo)識(shí)的記錄，再將記錄中的傳輸密鑰的密文即：SKi’(i=1～n)輸入認(rèn)證中心端的加密卡芯片中，并在加密卡芯片里，使用存儲(chǔ)密鑰K將 SKi’(i=1～n)解密成明文即：SKi(i=1～n)，用SKi(i=1～n)將接收到的簽名密鑰的密文CK’解密成明文，即：CK，用CK解密傳感信息的密文和傳感信息的數(shù)字簽名，得到傳感信息的明文(即：CL)和傳感信息的“摘要”信息L1，再用摘要算法對(duì)CL進(jìn)行“摘要”，得到CL的“摘要”信息L2，通過(guò)對(duì)比L1和L2是否相同？來(lái)確認(rèn)RFID讀卡器端傳輸來(lái)的RFID傳感信息CL是否可信、完整，若L1≠L2，則RFID傳感信息CL不可信，不完整。

若L1＝L2，RFID讀卡器端傳輸來(lái)的CL可信、完整，則在物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心端，再根據(jù)CL中RFID的標(biāo)識(shí)B1，在物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心的簽名密鑰數(shù)據(jù)庫(kù)中定位，取出對(duì)應(yīng) RFID的簽名密鑰的密文即：CKK’，并輸入加密卡芯片里，用存儲(chǔ)密鑰K將CKK’解密成明文即：CKK，用CKK將RFID基本信息LL的密文，以及B1和LL的數(shù)字簽名解密，得到LL的明文，同時(shí)，得到B1和LL的“摘要”信息Q1，再用摘要算法對(duì)B1和LL進(jìn)行“摘要”，得到“摘要”信息Q2，通過(guò)對(duì)比Q1和Q2是否相同？來(lái)確認(rèn)RFID內(nèi)的標(biāo)識(shí)B1和RFID的基本信息LL是否完整，未被篡改。

3 感知層信息安全協(xié)議的優(yōu)勢(shì)

(1)本安全協(xié)議都是在傳感設(shè)備端和物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心端兩端的芯片硬件里完成，是一種“芯片級(jí)”的安全協(xié)議，且密碼算法、密鑰和安全協(xié)議軟件和數(shù)據(jù)都存放在兩端的芯片硬件里，從而，提高了物聯(lián)網(wǎng)感知層加密系統(tǒng)和安全協(xié)議的安全等級(jí)。

(2)在智能芯片里，由于單鑰密碼算法加、解密速度比雙鑰密碼算法快 1000倍，采用安全單鑰管理技術(shù)，解決了單鑰密碼算法在傳感設(shè)備認(rèn)證、或簽名和加密協(xié)議中密鑰更新管理的難題，降低了單鑰更新維護(hù)的成本，同時(shí)，發(fā)揮了單鑰密碼算法加、解密速度快的優(yōu)勢(shì)，有效提高物聯(lián)網(wǎng)感知層安全協(xié)議的運(yùn)行效率。

(3)由于物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備數(shù)量較大，是互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)量的32倍，在物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心端，用存儲(chǔ)密鑰分別來(lái)加密各個(gè)傳感設(shè)備端的傳輸密鑰，或各個(gè)RFID的簽名密鑰(用于對(duì)RFID內(nèi)基本信息LL進(jìn)行簽名的簽名密鑰CKK)，保證存放在物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心端全體對(duì)應(yīng)傳感設(shè)備端傳輸密鑰的存儲(chǔ)安全，保證存放在物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心端全體對(duì)應(yīng)RFID的簽名密鑰的存儲(chǔ)安全，不需要購(gòu)置大量的加密卡設(shè)備來(lái)存儲(chǔ)大量的傳輸密鑰和RFID的簽名密鑰，能大大節(jié)約認(rèn)證中心的建設(shè)成本。同時(shí)，對(duì)應(yīng)傳感設(shè)備端傳輸密鑰或RFID的簽名密鑰，都僅占16字節(jié)(根據(jù)密鑰長(zhǎng)度而定)左右存儲(chǔ)空間，單一物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心能管理海量(3億以上)傳感設(shè)備。

(4)安全單鑰管理技術(shù)保證三種密鑰的安全使用

① 認(rèn)證或簽名密鑰的明文不出傳感設(shè)備端智能卡芯片硬件。在傳感設(shè)備端智能卡芯片里，用傳輸密鑰SKi(i=1～n)來(lái)加密認(rèn)證或簽名密鑰 CK，生成認(rèn)證或簽名密鑰密文即：CK’，并將 CK’發(fā)送給認(rèn)證中心端，保證認(rèn)證/簽名密鑰傳輸交換安全。

認(rèn)證或簽名密鑰在傳感設(shè)備端智能卡芯片里隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，具有隨機(jī)性，一次一變，屬于一組的亂碼，用傳輸密鑰將每次產(chǎn)生的認(rèn)證或簽名密鑰，分別加密后生成的密文也具有隨機(jī)性，一次一變，也都屬于一組亂碼，無(wú)規(guī)律性。破譯者無(wú)法將 CKj(j=1～M,M 為自然數(shù))作為破譯條件——“重復(fù)報(bào)”(使用相同的單鑰將多份不同的明文報(bào)文加密成密文報(bào)文)，來(lái)破譯認(rèn)證或簽名密鑰CKj(j=1～M,M為自然數(shù))，或破譯傳輸密鑰SKi(i=1～n)。

② 每個(gè)傳感設(shè)備端對(duì)應(yīng)的傳輸密鑰 SKi(i=1～n)都存儲(chǔ)在傳感設(shè)備端智能卡芯片里。在認(rèn)證中心端，全體傳感設(shè)備端對(duì)應(yīng)的傳輸密鑰SKi(i=1～n)，是以密文形式存放在認(rèn)證中心的傳輸密鑰數(shù)據(jù)庫(kù)中，保證全體傳感設(shè)備端對(duì)應(yīng)的傳輸密鑰在認(rèn)證中心端的存儲(chǔ)安全。全體對(duì)應(yīng)RFID的簽名密鑰，是以密文形式存放在認(rèn)證中心的簽名密鑰數(shù)據(jù)庫(kù)中，保證全體對(duì)應(yīng)RFID的簽名密鑰在認(rèn)證中心端的存儲(chǔ)安全。

③ 存儲(chǔ)密鑰K在加密卡的芯片里產(chǎn)生，并存儲(chǔ)在加密卡芯片，保證存儲(chǔ)密鑰K的存儲(chǔ)和運(yùn)行安全。

每組傳輸密鑰SKi(i=1～n)是在密鑰初始化時(shí)，由隨機(jī)數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生，都具有隨機(jī)性，且都屬于一組亂碼，用存儲(chǔ)密鑰 K分別來(lái)加密每一組傳輸密鑰 SKi(i=1～n)生成的傳輸密鑰密文SKi’(i=1～n)，也具有隨機(jī)性，一次一變，也都屬于一組亂碼。破譯者無(wú)法將SKi’(i=1～n)，作為破譯條件——“重復(fù)報(bào)”來(lái)破譯傳輸密鑰：SKi(i=1～n)，或者來(lái)破譯存儲(chǔ)密鑰K。

④ 在感知層傳輸?shù)腞FID的基本信息LL，被進(jìn)行兩次簽名和加密，第一次是將基本信息 LL簽名和加密后，生成的傳感信息CL并寫(xiě)入RFID里，防止RFIDli的數(shù)據(jù)外泄，被篡改或被克隆。當(dāng)RFID內(nèi)的傳感信息CL被RFID讀卡器讀出后，再被RFID讀卡器里的智能卡芯片的簽名和加密協(xié)議，簽名并加密成密文后傳輸給物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心，在加密卡芯片里，對(duì)RFID的密文數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次解密和簽名驗(yàn)證，從而，防止RFID讀卡器讀取的傳感信息被篡改。

4 結(jié)束語(yǔ)

本方案通過(guò)對(duì)智能芯片的性能進(jìn)行分析，提出在物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備上嵌入的智能芯片里，只能采用輕量級(jí)加密技術(shù)來(lái)建立物聯(lián)網(wǎng)感知層的安全協(xié)議，并采用安全單鑰管理技術(shù)來(lái)解決輕量級(jí)密碼的密鑰更新難題，實(shí)現(xiàn)在物聯(lián)網(wǎng)傳感設(shè)備端的智能芯片里，建立傳感設(shè)備端傳感設(shè)備認(rèn)證協(xié)議、簽名和加密協(xié)議，在物聯(lián)網(wǎng)認(rèn)證中心端加密卡芯片里，建立認(rèn)證中心端的傳感設(shè)備認(rèn)證協(xié)議、解密和簽名驗(yàn)證協(xié)議，保證物聯(lián)網(wǎng)感知層的傳感設(shè)備可信、真實(shí)，未被替換。保證傳感信息可靠、完整、未被篡改和安全保密，從而，建立物聯(lián)網(wǎng)感知層的信息安全系統(tǒng)，為我國(guó)“智慧城市”的建設(shè)保駕護(hù)航。

[1]胡祥義.一種物聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備認(rèn)證、數(shù)據(jù)完整和保密傳輸實(shí)現(xiàn)方法.中國(guó).201010517919X[P].2010.

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