WSNs中基于三因素節(jié)點(diǎn)評(píng)估的安全認(rèn)證方案

摘要：為了減少傳感器節(jié)點(diǎn)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(rèn)證方案。該方案在計(jì)算節(jié)點(diǎn)信任度時(shí)引入時(shí)間片、安全行動(dòng)系數(shù)和交互頻度來(lái)計(jì)算節(jié)點(diǎn)信任度，這樣使得自私節(jié)點(diǎn)很難偽裝成正常節(jié)點(diǎn)，信任度與當(dāng)前節(jié)點(diǎn)行為緊密相關(guān)，并防止節(jié)點(diǎn)通過很少的交易次數(shù)來(lái)達(dá)到較高的信任度，再利用信任度來(lái)判斷一個(gè)節(jié)點(diǎn)是否可信，有效地提高了應(yīng)用的安全性，對(duì)惡意節(jié)點(diǎn)的攻擊起到一定的阻礙作用。然后設(shè)計(jì)了身份標(biāo)識(shí)、密碼、智能卡相結(jié)合的認(rèn)證方案，并且用戶在與傳感器節(jié)點(diǎn)認(rèn)證之前，網(wǎng)關(guān)查詢網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的信任度，從而找到可信的節(jié)點(diǎn)與用戶進(jìn)行認(rèn)證，實(shí)現(xiàn)可信的傳感器節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和用戶三者之間的交互認(rèn)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(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，與已提出的認(rèn)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(shí)計(jì)算花費(fèi)少，適合于對(duì)安全性和性能有要求的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。

引言

　　隨著近年來(lái)通信技術(shù)的進(jìn)步，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)已成為研究熱點(diǎn)。這種網(wǎng)絡(luò)由大量微小的傳感器節(jié)點(diǎn)組成，可用來(lái)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(hù)等領(lǐng)域中。然而，隨著無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)滲入的領(lǐng)域越來(lái)越多，安全問題就顯得越來(lái)越突出，認(rèn)證技術(shù)成為了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域的研究重點(diǎn) 。傳統(tǒng)的認(rèn)證方案沒有考慮三者之間的交互認(rèn)證以及對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)是否可信的驗(yàn)證，一般只進(jìn)行用戶、網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)之間的單向認(rèn)證，但是隨著攻擊者攻擊方式的多樣化，傳感器節(jié)點(diǎn)很容易受到攻擊而妥協(xié)，從而對(duì)整個(gè)認(rèn)證過程造成威脅。因此，如何實(shí)現(xiàn)在認(rèn)證的過程中加入節(jié)點(diǎn)信任度以及交互認(rèn)證很有前景。本論文針對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)容易妥協(xié)的特點(diǎn)，提出一種加入輕量級(jí)的節(jié)點(diǎn)信任度評(píng)估和交互認(rèn)證的認(rèn)證方案。此認(rèn)證方案改進(jìn)了認(rèn)證過程，從而極大地提高了認(rèn)證過程的安全性，并且也避免了使用復(fù)雜算法所帶來(lái)的計(jì)算消耗，從而有效地提高了無(wú)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(xì)介紹所提出的方案。第三章將具體地對(duì)所提出的方案進(jìn)行安全性和性能分析。第四章將對(duì)所進(jìn)行的研究進(jìn)行總結(jié)。

1 相關(guān)工作

　　從安全通信的角度來(lái)說，認(rèn)證是一個(gè)很重要的研究主題。在2004年，Watro等在^[2中提出一種用戶認(rèn)證方案，即TinyPK，它把RSA和Diffie-Hellman算法結(jié)合起來(lái)使用。然而當(dāng)攻擊者偽裝成傳感器節(jié)點(diǎn)和用戶進(jìn)行會(huì)話時(shí)這個(gè)方案存在安全隱患。當(dāng)攻擊者截獲了用戶的公鑰時(shí)，可以把自己的會(huì)話密鑰進(jìn)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(huì)話密鑰與攻擊者進(jìn)行通信。在2006年，Wong等在^[3]提出了一種無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)用戶認(rèn)證方案，這個(gè)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(jì)算的復(fù)雜度并減少了計(jì)算負(fù)載。然而Das在^[4]中指出Wong等所提出的方案對(duì)偽裝攻擊和重放攻擊很難防范，并提出一種改進(jìn)的方案，即無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的二因素用戶認(rèn)證方案。

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

2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)基于三因素節(jié)點(diǎn)評(píng)估的安全認(rèn)證

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

2.1 基于三因素節(jié)點(diǎn)信任度評(píng)估與決策

　　節(jié)點(diǎn)信任度用來(lái)指代一個(gè)節(jié)點(diǎn)對(duì)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)的特定行為的主觀信任程度。直接信任度是一個(gè)節(jié)點(diǎn)不需要通過第三方直接對(duì)另一個(gè)結(jié)點(diǎn)評(píng)估得到的信任度，而間接信任度是一個(gè)節(jié)點(diǎn)通過第三方節(jié)點(diǎn)來(lái)對(duì)另一個(gè)節(jié)點(diǎn)得出的信任度，而這個(gè)第三方節(jié)點(diǎn)通常是兩個(gè)節(jié)點(diǎn)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(jì)算節(jié)點(diǎn)信任度的過程中，把時(shí)間分為多個(gè)時(shí)間片，每個(gè)時(shí)間片的的大小為t₁，總時(shí)間為T(T=n*t₁)，使用時(shí)間片是為了防止自私節(jié)點(diǎn)偽裝成正常節(jié)點(diǎn)。

IDT_ij(t)表示t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i對(duì)節(jié)點(diǎn)j評(píng)估所得出的直接信任度，P_ij(t)表示到t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i所觀察到的節(jié)點(diǎn) j所做出的積極事情的個(gè)數(shù)，N_ij(t)是到t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i所觀察到的節(jié)點(diǎn) j所做出的消極事情的個(gè)數(shù)。a表示安全行動(dòng)系數(shù)，如果一個(gè)應(yīng)用越安全，該系數(shù)就越高，它主要用來(lái)對(duì)節(jié)點(diǎn)最近行為進(jìn)行反映。F_ij(t)用來(lái)衡量節(jié)點(diǎn)_i和節(jié)點(diǎn)_j到t時(shí)刻為止交互的頻繁程度，一個(gè)節(jié)點(diǎn)只有獲得多次好評(píng)才達(dá)到很高的信任度從而防止惡意節(jié)點(diǎn)通過很少的交互次數(shù)達(dá)到很高的信任值，通常用表示，b是到t時(shí)刻兩個(gè)節(jié)點(diǎn)交互的次數(shù)^[9]。直接信任度計(jì)算公式如下：

(1)

IDT_ij(t)表示t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i對(duì)節(jié)點(diǎn)j進(jìn)行評(píng)估所得到的間接信任度，假設(shè)是節(jié)點(diǎn)i,j所共同的鄰居節(jié)點(diǎn)。首先計(jì)算到t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)i對(duì)鄰居節(jié)點(diǎn)所評(píng)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(diǎn)k_x的推薦可信度，可以用來(lái)刻畫推薦節(jié)點(diǎn)所提供信息的準(zhǔn)確性和真實(shí)性。

　　節(jié)點(diǎn)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(shí)間片的序號(hào)^[10]。

　　接下來(lái)需要設(shè)定系統(tǒng)信任的閾值。在初始時(shí)候，設(shè)定閾值為0.5。若節(jié)點(diǎn)的綜合信任度小于系統(tǒng)信任的閾值，則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)不可信，不可與之交互;否則認(rèn)為該節(jié)點(diǎn)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(dāng)前閾值，周期性地進(jìn)行比較。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都會(huì)保存一份鄰近節(jié)點(diǎn)的信任度表，并且每t₁更新一次。

　　接下來(lái)將介紹所提出的基于三因素節(jié)點(diǎn)信任度評(píng)估的認(rèn)證，在介紹之前，先介紹一下后面將會(huì)用到的標(biāo)記的象征，如表1 。它分為5個(gè)階段：注冊(cè)階段，登錄階段，認(rèn)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(diǎn)的選擇，并用于認(rèn)證階段。

2.2 注冊(cè)階段

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

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

　　(2)GW收到注冊(cè)請(qǐng)求后，產(chǎn)生一個(gè)隨機(jī)數(shù)x，計(jì)算N_i=h(PW||ID_i) h(x)。

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

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