WSNs中基于三因素節(jié)點評估的安全認證方案

摘要：為了減少傳感器節(jié)點的資源利用并提高網(wǎng)絡(luò)的安全性，提出了一種基于信任度的認證方案。該方案在計算節(jié)點信任度時引入時間片、安全行動系數(shù)和交互頻度來計算節(jié)點信任度，這樣使得自私節(jié)點很難偽裝成正常節(jié)點，信任度與當前節(jié)點行為緊密相關(guān)，并防止節(jié)點通過很少的交易次數(shù)來達到較高的信任度，再利用信任度來判斷一個節(jié)點是否可信，有效地提高了應(yīng)用的安全性，對惡意節(jié)點的攻擊起到一定的阻礙作用。然后設(shè)計了身份標識、密碼、智能卡相結(jié)合的認證方案，并且用戶在與傳感器節(jié)點認證之前，網(wǎng)關(guān)查詢網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點的信任度，從而找到可信的節(jié)點與用戶進行認證，實現(xiàn)可信的傳感器節(jié)點、網(wǎng)關(guān)節(jié)點和用戶三者之間的交互認證，并且用戶能方便地更改密碼。安全性分析、性能分析及仿真實驗的結(jié)果表明，與已提出的認證方案相比，該方案能夠抵制重放攻擊、內(nèi)部攻擊、偽裝攻擊等，同時計算花費少，適合于對安全性和性能有要求的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

引言

　　隨著近年來通信技術(shù)的進步，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)已成為研究熱點。這種網(wǎng)絡(luò)由大量微小的傳感器節(jié)點組成，可用來監(jiān)控溫度、濕度、壓力等因素，現(xiàn)被廣泛應(yīng)用于軍事、環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)療監(jiān)護等領(lǐng)域中。然而，隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)滲入的領(lǐng)域越來越多，安全問題就顯得越來越突出，認證技術(shù)成為了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域的研究重點 。傳統(tǒng)的認證方案沒有考慮三者之間的交互認證以及對傳感器節(jié)點是否可信的驗證，一般只進行用戶、網(wǎng)關(guān)節(jié)點和傳感器節(jié)點之間的單向認證，但是隨著攻擊者攻擊方式的多樣化，傳感器節(jié)點很容易受到攻擊而妥協(xié)，從而對整個認證過程造成威脅。因此，如何實現(xiàn)在認證的過程中加入節(jié)點信任度以及交互認證很有前景。本論文針對傳感器節(jié)點容易妥協(xié)的特點，提出一種加入輕量級的節(jié)點信任度評估和交互認證的認證方案。此認證方案改進了認證過程，從而極大地提高了認證過程的安全性，并且也避免了使用復雜算法所帶來的計算消耗，從而有效地提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的生命周期。

　　論文結(jié)構(gòu)組織如下：第一章將討論相關(guān)工作。第二章將詳細介紹所提出的方案。第三章將具體地對所提出的方案進行安全性和性能分析。第四章將對所進行的研究進行總結(jié)。

1 相關(guān)工作

　　從安全通信的角度來說，認證是一個很重要的研究主題。在2004年，Watro等在^[2中提出一種用戶認證方案，即TinyPK，它把RSA和Diffie-Hellman算法結(jié)合起來使用。然而當攻擊者偽裝成傳感器節(jié)點和用戶進行會話時這個方案存在安全隱患。當攻擊者截獲了用戶的公鑰時，可以把自己的會話密鑰進行加密發(fā)送給用戶，而用戶卻沒有察覺，從而使得用戶使用攻擊者的會話密鑰與攻擊者進行通信。在2006年，Wong等在^[3]提出了一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)用戶認證方案，這個方案使用了異或操作和單向哈希函數(shù)，這很好地節(jié)省了計算的復雜度并減少了計算負載。然而Das在^[4]中指出Wong等所提出的方案對偽裝攻擊和重放攻擊很難防范，并提出一種改進的方案，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的二因素用戶認證方案。

　　本文所提出的方案將使用一個輕量級的節(jié)點信任度計算方法，充分利用節(jié)點間的交互，并且在認證過程中，充分實現(xiàn)用戶、網(wǎng)關(guān)節(jié)點和傳感器節(jié)點三者之間的交互認證，盡量避免上述的攻擊，此外在用戶發(fā)現(xiàn)威脅時可以及時更新密碼。

2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于三因素節(jié)點評估的安全認證

　　這一節(jié)將具體介紹所提出的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于節(jié)點信任度的安全認證。首先，介紹一下計算節(jié)點信任度的方法，然后再具體介紹認證的全過程，該過程分為5個階段，隨后將一一介紹。

2.1 基于三因素節(jié)點信任度評估與決策

　　節(jié)點信任度用來指代一個節(jié)點對另一個節(jié)點的特定行為的主觀信任程度。直接信任度是一個節(jié)點不需要通過第三方直接對另一個結(jié)點評估得到的信任度，而間接信任度是一個節(jié)點通過第三方節(jié)點來對另一個節(jié)點得出的信任度，而這個第三方節(jié)點通常是兩個節(jié)點的公共鄰居^[8]。綜合信任度是由直接信任度和間接信任度通過結(jié)合得到的。在計算節(jié)點信任度的過程中，把時間分為多個時間片，每個時間片的的大小為t₁，總時間為T(T=n*t₁)，使用時間片是為了防止自私節(jié)點偽裝成正常節(jié)點。

IDT_ij(t)表示t時刻節(jié)點i對節(jié)點j評估所得出的直接信任度，P_ij(t)表示到t時刻節(jié)點i所觀察到的節(jié)點 j所做出的積極事情的個數(shù)，N_ij(t)是到t時刻節(jié)點i所觀察到的節(jié)點 j所做出的消極事情的個數(shù)。a表示安全行動系數(shù)，如果一個應(yīng)用越安全，該系數(shù)就越高，它主要用來對節(jié)點最近行為進行反映。F_ij(t)用來衡量節(jié)點_i和節(jié)點_j到t時刻為止交互的頻繁程度，一個節(jié)點只有獲得多次好評才達到很高的信任度從而防止惡意節(jié)點通過很少的交互次數(shù)達到很高的信任值，通常用表示，b是到t時刻兩個節(jié)點交互的次數(shù)^[9]。直接信任度計算公式如下：

(1)

IDT_ij(t)表示t時刻節(jié)點i對節(jié)點j進行評估所得到的間接信任度，假設(shè)是節(jié)點i,j所共同的鄰居節(jié)點。首先計算到t時刻節(jié)點i對鄰居節(jié)點所評估的直接信任度之和DT如下：

(2)

　　之后，可以通過DT求間接信任度IDT_ij，公式如下：

(3)

ω(k_x)是節(jié)點k_x的推薦可信度，可以用來刻畫推薦節(jié)點所提供信息的準確性和真實性。

　　節(jié)點j的綜合信任度T_ω(t)公式如下：

(4)

β_DT和β_IDT分別是直接信任度和間接信任度的權(quán)值，，并且滿足β_IDT+β_DT =1，P是現(xiàn)在時間片的序號^[10]。

　　接下來需要設(shè)定系統(tǒng)信任的閾值。在初始時候，設(shè)定閾值為0.5。若節(jié)點的綜合信任度小于系統(tǒng)信任的閾值，則認為該節(jié)點不可信，不可與之交互;否則認為該節(jié)點可信，可與之交互。之后，把先前所接受的信任度值的平均值作為當前閾值，周期性地進行比較。每個節(jié)點都會保存一份鄰近節(jié)點的信任度表，并且每t₁更新一次。

　　接下來將介紹所提出的基于三因素節(jié)點信任度評估的認證，在介紹之前，先介紹一下后面將會用到的標記的象征，如表1 。它分為5個階段：注冊階段，登錄階段，認證階段，交互階段，密碼修改階段，而信任模型主要用于可信傳感器節(jié)點的選擇，并用于認證階段。

2.2 注冊階段

　　在這一階段，用戶U_i提交其ID_i和PW通過一個安全的通道傳給網(wǎng)關(guān)節(jié)點，然后網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過計算給用戶一張智能卡^[11]。這個過程如下：

　　(1)U_iGW：{ID_i，PW}。PW=h(PWB)，B是用戶隨機產(chǎn)生的一個大數(shù)。

　　(2)GW收到注冊請求后，產(chǎn)生一個隨機數(shù)x，計算N_i=h(PW||ID_i) h(x)。

　　(3)GWU_i：把{h(.)，N_i，x，ID_i，PW}存進用戶智能卡，把智能卡傳輸給用戶用于身份認證。

　　(4)當用戶收到智能卡后，把B加入得{h(.)，Ni，x，ID_i，PW，B}。