Ad Hoc網(wǎng)絡中基于身份的密鑰管理及認證＊

肖 希 金 亮

（1.海裝重慶局 綿陽 621000）（2.海裝電子部 北京 100021）

1 引言

Ad Hoc網(wǎng)絡（Mobile Ad Hoc Network，簡稱 MANET）是由一組無線用戶（節(jié)點）組成的自治集合。它不需要固定基站支持，無中心管理，可臨時組織，并且具有高度移動性，可廣泛應用于軍事戰(zhàn)術(shù)通信、應急通信、臨時通信、傳感器網(wǎng)絡，以及其他需要快速布署、動態(tài)組網(wǎng)的通信場合。然而，由于其本身固有的特性（如開放式介質(zhì)、動態(tài)拓撲及分布式合作等），移動自組網(wǎng)也很容易受到各種攻擊［1］。

密鑰管理在移動自組網(wǎng)中是一種重要的安全管理手段，也是當前研究的一個熱點和難點。由于在Ad Hoc網(wǎng)絡中缺乏集中控制，使得傳統(tǒng)網(wǎng)絡中密鑰管理十分困難。傳統(tǒng)網(wǎng)絡中往往有一個服務器作為密鑰管理中心，基于PKI的方法需要一個全局可信任的權(quán)威證書（CA，certificate authority）給每個節(jié)點提供證書，同時證書可以通過CA的公鑰進行證明［2］。而在Ad Hoc網(wǎng)絡中因為節(jié)點都在運動，所以缺乏這樣一個密鑰管理中心，每個節(jié)點是平等的，有線網(wǎng)絡中公鑰PKI方法在Ad Hoc中并不適用，很低的資源可用率使得不能使用很復雜的認證和編碼算法，而且移動節(jié)點往往依賴電池，因而限制了計算能力，傳統(tǒng)的基于PKI的方法的認證和編碼機制在無線網(wǎng)絡中產(chǎn)生和認證數(shù)字簽名的開銷都很大；對稱密鑰方法由于其很小的計算復雜度在移動網(wǎng)絡中應該更有效，但由于通訊方要有各自的私鑰，存在一個問題就是如何在第一個位置產(chǎn)生共享的密鑰。所以在Ad Hoc網(wǎng)絡中需要使用分布式密鑰管理方法［3］。

開發(fā)一個新的適合于Ad Hoc網(wǎng)絡的有效的認證和加密算法是十分具有挑戰(zhàn)性的。本文介紹了一種新的移動自組網(wǎng)絡中分布式密鑰管理和認證的方法，該方法基于身份驗證，密鑰由多個節(jié)點共同產(chǎn)生和驗證，而不需要一個可信的第三方。

2 基于身份的密鑰管理及認證

2.1 基于身份的加密

基于身份加密思想就是采用共知的信息（如IP地址，e－mail地址或身份）作為其公鑰，這樣就不用通過網(wǎng)絡傳播共知的信息。

采用基于身份的加密方法有四個步驟：設置，抽取，加密，解密。

·設置：產(chǎn)生主公／私鑰對和普通的參數(shù)。

·抽取：給定任意字符串作為公鑰，并產(chǎn)生相應的私鑰。

·加密：取消息并用其公鑰進行加密。

·解密：使用相應的私鑰進行解密。

傳統(tǒng)的基于身份的加密，所有的私鑰是由一個可信任的密鑰產(chǎn)生器 PKG（private key generator）而產(chǎn)生的［4～5］。PKG擁有一個主密鑰，用于計算私密鑰，也就是說，沒有主鑰，任何私鑰不可能被計算。和其他基于中心的方法類似，基于身份加密系統(tǒng)的PKG中的主密鑰也容易暴露，因而不能滿足Ad Hoc網(wǎng)絡分布式密鑰管理的需要，可以使用門限方案來提高網(wǎng)絡的容錯能力。

2.2 （k，n）門限方案

2.3 密鑰管理和認證方法

首先假定：1）Ad Hoc網(wǎng)絡中的每個節(jié)點只有唯一的身份號或IP地址；2）每個節(jié)點運動的節(jié)點可以發(fā)現(xiàn)它的一跳鄰居，并可以得到網(wǎng)絡中其他節(jié)點的身份。

假定一個Ad Hoc網(wǎng)絡在初始階段有n個節(jié)點。網(wǎng)絡有一個公／私鑰對，稱為主鑰〈PK，SK〉，用于產(chǎn)生網(wǎng)絡節(jié)點中的所有密鑰。主鑰對由密鑰產(chǎn)生部件產(chǎn)生，其中主鑰PK讓網(wǎng)絡中的所有節(jié)點知道，主私鑰SK則由網(wǎng)絡中的n個節(jié)點分享。每個節(jié)點擁有主私鑰SK的一部分，每個節(jié)點依據(jù)其本身的信息不能重建主私鑰。任意k個節(jié)點可以重建主私鑰，但任意少于k－1個節(jié)點的信息不能重建。當一個節(jié)點加入網(wǎng)絡時，每個節(jié)點擁有一個唯一的身份或IP地址。網(wǎng)絡中每個節(jié)點的公鑰就是它的身份標志，對應其身份，每個節(jié)點可獲得其私鑰，在利用網(wǎng)絡服務之前要注冊身份。獲得私鑰的方式至少對k個鄰居節(jié)點提出私鑰產(chǎn)生（PKG）服務請求。

認證步驟包括以下幾個方面：主公／私鑰產(chǎn)生，分布式密鑰產(chǎn)生，新的主私鑰創(chuàng)建和認證過程。

1）主鑰產(chǎn)生

設計的分布式密鑰產(chǎn)生機制不同于基本的（k，n）門限方案，它不需要一個可信的第三方來計算主鑰，并將其分成很多片并分配到各個節(jié)點中去。主私鑰不是在一個單節(jié)點中構(gòu)建，主鑰對是由網(wǎng)絡中最初節(jié)點合作產(chǎn)生的。

2）分布式私鑰產(chǎn)生

使用基于身份的機密，移動節(jié)點的公鑰是字符串。在我們的方法中，公鑰計算公式為：QID＝H（ID‖生存時間），其中H（）代表身份加密中定義的哈希功能，ID代表節(jié)點的身份，生存時間是保護私鑰丟失的一個印戳。當一個公鑰過期后，節(jié)點需要獲得一個新的公鑰及其相應的私鑰。

為了利用網(wǎng)絡服務并使用其公鑰QID來解密從其他節(jié)點而來的加密的消息包，節(jié)點同樣需要獲得它相應的私鑰。獲得私鑰至少要聯(lián)系k個鄰居節(jié)點，表示身份并請求私鑰產(chǎn)生PKG（request private key generation）服務，擁有主鑰分享的節(jié)點可以是PKG服務節(jié)點。由于網(wǎng)絡中所有節(jié)點分享了主私鑰，因而網(wǎng)絡中的任何一個節(jié)點都可以是PKG服務節(jié)點。

k個PKG服務節(jié)點中的任何一個產(chǎn)生一個新的私鑰sk并將其發(fā)送到請求節(jié)點。為了保證產(chǎn)生的分享值能安全地傳輸，當發(fā)出傳送請求時，請求節(jié)點同樣提出它自己產(chǎn)生的臨時公鑰。每一個PKG服務節(jié)點使用請求節(jié)點的臨時公鑰pk－temp發(fā)送加密的分享值到請求的節(jié)點。新密鑰sk分享的產(chǎn)生過程可以表示為：ski＝SiQID，其中Si（i＝1，…，k）是服務節(jié)點的主私鑰的分享值，ID是請求節(jié)點的身份，QID是它的公鑰，ski表示對請求節(jié)點產(chǎn)生的私鑰分享。

總之，任意k個分享主密鑰的節(jié)點能夠?qū)ζ渌?jié)點完成PKG服務，只要被攻擊的個數(shù)少于k個，就不會知道節(jié)點的私鑰。在分布式密鑰產(chǎn)生階段，網(wǎng)絡中的每個節(jié)點獲得其公／私密鑰對，同時注冊它的NID。它丟棄它的臨時公／私密鑰對，同時保持新的密鑰對為以后的認證和通訊使用。由于PKG為一個特定的節(jié)點只組織一次，因而攻擊者不能夠復制在網(wǎng)絡中存在的身份。一種可能就是需要PKG服務的節(jié)點不能得到k個可達到的鄰居，但移動可以解決這個問題，請求節(jié)點為了獲得k個節(jié)點的門限值，需不停地在網(wǎng)絡中運動，以發(fā)現(xiàn)更多的節(jié)點。

3）節(jié)點新主鑰的創(chuàng)建

4）基于身份的認證

認證用于保證每個移動節(jié)點都有獨一無二的身份，沒有一個攻擊者能夠獲得非授權(quán)的信息從而偽造一個節(jié)點，我們的方法使用基于身份的認證提供點對點的認證。假如源節(jié)點S想向節(jié)點D發(fā)送一個認證消息，源節(jié)點S能使用它的私鑰簽署消息，使用目標節(jié)點的身份（公鑰）來加密并發(fā)送到目標節(jié)點。只有節(jié)點D才能解密。而且，節(jié)點D能夠保證消息是否真的從源節(jié)點S發(fā)送而來。源節(jié)點S只是使用它的私鑰簽署消息，使用目標節(jié)點的身份（公鑰）來加密，同時發(fā)送到目標節(jié)點。當目標節(jié)點接受到這個加密的消息，它首先用它的私鑰解密，然后使用源節(jié)點的公鑰。如果驗證過程成功，目標節(jié)點接收包，作為一個有效的消息。以上的認證方法是一個加密和簽名的方法，數(shù)字簽名用于消息的認證，加密是用于消息的機密性。同時，通過稍微修改基于身份的密碼系統(tǒng)，通訊節(jié)點可以不需要額外的密鑰交換在雙方產(chǎn)生一個共享的密鑰：在源節(jié)點這邊，共享的密鑰是通過使用源節(jié)點的私鑰和目的節(jié)點的公鑰產(chǎn)生，同時目的節(jié)點通過使用它們的私鑰和源節(jié)點的公鑰計算出這個私鑰。產(chǎn)生的共享密鑰可以作為對稱密鑰來加密和認證，而且使用對稱密鑰可以節(jié)省大量的帶寬，而且該方法不像很多協(xié)議需要握手機制，這樣可以大大減少通訊開銷。

3 性能分析

3.1 安全性分析

可用性保證在有攻擊時網(wǎng)絡的生存能力。在我們的方法中，（k，n）門限的算法中n個節(jié)點中任意k個節(jié)點共同工作用于密鑰產(chǎn)生和密鑰管理。我們的安全措施是容忍k－1個節(jié)點，即攻擊方已經(jīng)讓k－1個節(jié)點中斷了密鑰的產(chǎn)生和管理。

機密性保證特定的信息不會暴露給未授權(quán)的實體。完整性保證消息不會因為傳輸失敗而中斷。在本文的方法中，機密性和完整性通過基于身份的加密機制完成。基于身份的加密是在兩個節(jié)點一次通訊完成。在這個過程中，他們計算和交換一個對稱性密鑰，這個對稱密鑰還可用于之后的通訊。

認證性保證每個通訊節(jié)點的身份，以致沒有攻擊者能偽造一個節(jié)點，未獲得授權(quán)而訪問資源。在我們的方法中，獲得一個安全的認證是基于身份的加密。非認可機制保證最初的消息不能否認發(fā)送了消息。非認可機制還可用于檢測和隔離已被攻擊的節(jié)點。當節(jié)點A從節(jié)點B接受到一個錯誤的消息，非認可機制允許節(jié)點A使用消息通知其他節(jié)點，節(jié)點B已經(jīng)受到攻擊。

3.2 通訊開銷

比較傳統(tǒng)的PKI的方法，本文的方法只有很低的通訊開銷。公／私鑰對產(chǎn)生于PKG服務節(jié)點，而公鑰來源于節(jié)點的身份，是一個公共的信息。因此沒有必要進行證書產(chǎn)生、傳播和存儲的過程。同時常規(guī)的PKI密鑰管理的方法假定每個節(jié)點的公／私鑰對是自主產(chǎn)生的，公鑰在網(wǎng)絡中傳播，為了確定每個節(jié)點的身份，公鑰必須由一個可信任的認證中心產(chǎn)生（CA）。證書同樣需要在網(wǎng)絡中傳播，以致于每個節(jié)點能夠得到其他節(jié)點的證書，傳播這些公鑰和證書要消耗大量的帶寬，同時導致了大量的網(wǎng)絡延遲。在本文的方法中，公鑰是基于每個節(jié)點的身份，而且長度很短，使用較短的公／私鑰對并且不用傳播很長的證書大大降低了計算的消耗和通訊開銷，此外在傳統(tǒng)的PKI方法中，緩沖存儲這些公鑰和證書要增加相當可觀的本地開銷。

在我們的方法中，通訊開銷主鑰產(chǎn)生在密鑰產(chǎn)生階段，在網(wǎng)絡初始階段，n個節(jié)點需要共同產(chǎn)生主鑰對，這增加了網(wǎng)絡設置時間。此外，每個節(jié)點需要廣播一個密鑰產(chǎn)生要求到它的鄰居上，而且每個PKG服務節(jié)點需答復它的分密鑰給要求的節(jié)點，所以在網(wǎng)絡初始階段的PKG服務同樣會帶來很多通訊開銷，但它是安全和通訊開銷的一個權(quán)衡，我們使用門限來提高網(wǎng)絡的容錯能力，同時給網(wǎng)絡帶來更多的通訊開銷。

3.3 計算復雜度

我們的方法中主鑰計算量來自密鑰產(chǎn)生和密鑰操作，例如：加密、解密、簽名和認證。主鑰產(chǎn)生使用門限密鑰分享，計算復雜度依賴于門限的數(shù)量?；谏矸莸暮灻a(chǎn)生和認證的復雜度和傳統(tǒng)方法一樣，基于身份的加密由于密鑰長度較短，消耗的計算量較小。

4 結(jié)語

本文介紹了一種在移動自組網(wǎng)中基于身份認證的密鑰管理方法。比較基于PKI的認證方法，該方法使用一個自組織的方法提供密鑰的產(chǎn)生和分配，而不用一個可信的第三方。而且，建議的認證機制提供了點對點的安全機制，并且使用了較少的通訊開銷和資源消耗。

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