面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的ECC身份認(rèn)證的設(shè)計(jì)

吉 兵，王兆尹，范 炯

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214072）

面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的ECC身份認(rèn)證的設(shè)計(jì)

吉 兵，王兆尹，范 炯

（中國電子科技集團(tuán)公司第五十八研究所，江蘇 無錫 214072）

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸存在著諸多安全威脅。為了滿足無線傳感器網(wǎng)絡(luò)對于信息源身份認(rèn)證的需求，在TelosB平臺上外接CycloneII-EP2C5T144最小系統(tǒng)板，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于ECC加密算法的身份認(rèn)證系統(tǒng)。對ECC模塊的底層運(yùn)算單元采用并行處理的方法進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的認(rèn)證速度相比傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法提高了近一倍。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ECC；TelosB；身份認(rèn)證

1 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在國防、生物醫(yī)學(xué)、城市交通、國際反恐等領(lǐng)域的飛速發(fā)展帶來了新的革命。在國防軍事等領(lǐng)域中，開放式的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境容易被敵人所監(jiān)聽。因此，如何防止非法用戶訪問并獲取網(wǎng)絡(luò)中的機(jī)密數(shù)據(jù)成為了新的研究熱點(diǎn)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信中大部分?jǐn)?shù)據(jù)是由傳感器節(jié)點(diǎn)傳遞到主節(jié)點(diǎn)的。身份認(rèn)證是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全的一道重要保障。基于公鑰加密的數(shù)字簽名可以很好地解決這一技術(shù)問題，因?yàn)楹灻惴ㄐ枰獙υ瓷矸葸M(jìn)行驗(yàn)證，防止非法用戶對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訪問[1]。

但是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的物理節(jié)點(diǎn)常常受到硬件資源的限制。傳統(tǒng)的加密算法是由大量復(fù)雜的操作組成的，需要花費(fèi)大量的節(jié)點(diǎn)資源。它甚至可能影響節(jié)點(diǎn)之間的正常通信。為了解決節(jié)點(diǎn)間通信安全的需求與有限硬件資源之間的矛盾，本文選擇橢圓曲線加密機(jī)制作為數(shù)字簽名的理論基礎(chǔ)[2]。通過對算法的研究分析，對其關(guān)鍵運(yùn)算進(jìn)行了優(yōu)化，在TelosB平臺上實(shí)現(xiàn)了ECC簽名算法的身份認(rèn)證模塊。

2 ECC加密算法的研究與優(yōu)化

目前公認(rèn)的橢圓曲線密碼體制是由Miller和Koblite在密碼學(xué)刊物中提出的。在公鑰密碼算法體制中，橢圓曲線密碼體制具有安全性高、密鑰短、靈活性好、存儲空間消耗小等優(yōu)點(diǎn)，橢圓曲線密碼體制的單位比特強(qiáng)度高于已知的其他公鑰密碼體制。ECC密碼體制相對來說也更加緊湊，對于帶寬、內(nèi)存和功率的消耗要求更低。因此，ECC比其他加密算法更適用于解決無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的安全問題[3]。

2.1 基于ECC算法的通信模型

目前ECC公鑰密碼系統(tǒng)仍然在不斷地探索與發(fā)展，多家權(quán)威機(jī)構(gòu)對ECC加密體制標(biāo)準(zhǔn)做了定義[4]。根據(jù)IEEE P1363標(biāo)準(zhǔn)草案[5]，用戶A選擇一個(gè)安全的橢圓曲線表示為Ep(a,b)，然后選擇Ep(a,b)曲線上的任意一點(diǎn)，作為基點(diǎn)G。隨機(jī)生成密鑰k，那么公鑰就是Q=kG。Q和G都是橢圓曲線Ep(a,b)上的一個(gè)點(diǎn)。然后將橢圓曲線參數(shù)的特征信息Q和G進(jìn)行廣播發(fā)送。用戶B通過特征信息把明文M編碼到曲線上一點(diǎn)并生成隨機(jī)數(shù)r。同時(shí)生成C1=M+rQ,C2=rG，然后用戶B將他們發(fā)送給用戶A。用戶A使用密鑰k來解密C1和C2，并最終得到明文M=C1-kC2。在信息傳輸?shù)倪^程中，如果黑客H監(jiān)測通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的信息，黑客無法得到密鑰k，也就無法根據(jù)C1和C2來解密得到明文M。如圖1所示。

圖1 ECC數(shù)據(jù)通信示意圖

2.2 ECC經(jīng)典算法研究

鑒于我們選擇的硬件平臺，對于GF(p)域上的橢圓曲線我們不做討論，我們主要研究和改進(jìn)基于GF(2m)域的橢圓曲線的運(yùn)算。

為了方便算法的編寫，kP單元可以用二進(jìn)制進(jìn)行操作，k的二進(jìn)制形式為：

當(dāng)然為了方便理解，我們也可以采取更直觀的二進(jìn)制表示形式：

其中 ai∈{0，1}，i表示 k 的二進(jìn)制位數(shù)且 i＞1。

選取一條曲線E上的一點(diǎn)P，再取正整數(shù)k，計(jì)算公式為：

這就是點(diǎn)乘運(yùn)算，又叫做標(biāo)量乘法運(yùn)算，它的運(yùn)算是由在曲線上的點(diǎn)加和倍點(diǎn)的基礎(chǔ)操作組合完成的，標(biāo)量乘法運(yùn)算是ECC最基礎(chǔ)和最重要的執(zhí)行單元。

我們先從宏觀上優(yōu)化點(diǎn)乘單元，首先點(diǎn)乘kP運(yùn)算展開，可以看出需要k次P加運(yùn)算，我們做這樣的改動(dòng)：i表示k的二進(jìn)制位數(shù)且i＞1。計(jì)算n=i-1。

ECC經(jīng)典算法流程如下。

輸入：k∈[1,n-1]，P。

輸出：Q=kP。

（1）定義 n=i-1；

（2）對于 n＞1，重復(fù)執(zhí)行：

a)若 an=1，執(zhí)行 Q=2p+p。

b)否則，執(zhí)行Q=2p。

（3）n≤n-1；p≤Q。

（4）返回（Q）。

舉例說明：k=30=11110,kP的點(diǎn)加次數(shù)是30次，將k=30帶入上述程序，點(diǎn)加次數(shù)為11次。

2.3 ECC算法分析與優(yōu)化

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)需要處理大量復(fù)雜數(shù)據(jù)的特性，為了使CPU的運(yùn)轉(zhuǎn)效率更加高效，本文外接了一塊專門用于處理ECC算法的FPGA最小系統(tǒng)板，處理加密算法的同時(shí)不影響核心系統(tǒng)的正常工作。

當(dāng)然密碼學(xué)家對于點(diǎn)乘單元的討論是多途徑的，已經(jīng)有許多有效可實(shí)施的求逆算法被提出，但是目前的發(fā)展情況是有限域GF（2m）內(nèi)的“逆”仍然要比“乘”耗時(shí)，因此我們對于逆運(yùn)算不再進(jìn)行討論，選取可以盡量消除逆運(yùn)算的射影坐標(biāo)法對標(biāo)量乘法進(jìn)行討論和優(yōu)化。

本文將kP運(yùn)算進(jìn)行了展開分析，如圖2所示。

圖2 kP與子單元關(guān)系結(jié)構(gòu)

ECC的標(biāo)量乘法運(yùn)算是建立在最底層的模操作FF的基礎(chǔ)之上的，有限域GF（2m）上模的操作如加、乘、逆等運(yùn)算構(gòu)成了最基礎(chǔ)的單元，在這些涉及到的運(yùn)算中，乘法運(yùn)算是這里面最復(fù)雜和耗時(shí)的運(yùn)算，而且也是整個(gè)運(yùn)算系統(tǒng)中使用最多的操作，需要考慮一種更高效的設(shè)計(jì)方案以實(shí)現(xiàn)高效率的運(yùn)算。我們不妨這樣考慮，模乘運(yùn)算的運(yùn)算時(shí)長要高于加和平方操作，那么其相對路徑長度要高于其他操作，因此我們可以將模乘運(yùn)算和模加或者平方操作并行處理，這樣在不增加面積或者邏輯門的情況下，忽略了模加或者模平方的執(zhí)行時(shí)間，大大提高了算法的運(yùn)算性能。

在域GF（2m）上我們可以用兩個(gè)參數(shù)（x,y）來表示一點(diǎn)P；使用投影坐標(biāo)，當(dāng)X,Y,Z∈GF（2m）時(shí)，點(diǎn) P可以用這3個(gè)元素的坐標(biāo)表示為(X,Y,Z)。

改進(jìn)后的標(biāo)量乘法算法如下。

輸入：整數(shù) k∈[1,n-1]，k←(kl-1L k1)，P(xy)∈(GF2m)。

輸出：Q=kP。

（1）如果 xp=0，執(zhí)行 Q←(0,0)，返回 Q，結(jié)束。

（2）定義 X1←x，Z1←1，X2←x4+b，Z2←x2。

（3）對于i從0到l-1，循環(huán)執(zhí)行：

a)如果ki=1，定義局域變量Em，執(zhí)行

b)如果ki=0，定義局域變量Em，執(zhí)行

（4）結(jié)束循環(huán)。

（5）X0=X1/Z1，Temp=X2/Z2

（6）Y0=O/y+y。

（7）返回 Q=(X0,Y0)。

（8）返回（Q）。

備注：O=(x+X0)[(xp+X0)(xp+Temp)+x2+y]

內(nèi)部并行操作的處理方式消除了非反饋情況下的運(yùn)算等待時(shí)間。

3 身份認(rèn)證系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

數(shù)字簽名用于保證信息傳輸過程的完整性，同時(shí)提供發(fā)送方的身份認(rèn)證，并且具備不可抵賴性。以ECC為代表的公鑰算法是實(shí)現(xiàn)認(rèn)證技術(shù)的主要算法之一。本文將兩個(gè)算法進(jìn)行了結(jié)合，在無線傳感器平臺上實(shí)現(xiàn)了數(shù)字簽名系統(tǒng)。

3.1 SHA-1摘要算法

Hash函數(shù)是一種摘要型的數(shù)據(jù)加密算法，SHA-1是目前較為安全和流行的摘要算法之一，它是由NIST在1995年作為美聯(lián)邦信息處理標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布的[7]。SHA-1算法的核心思想是通過對明文數(shù)據(jù)的壓縮計(jì)算，得到一個(gè)160位的數(shù)據(jù)摘要，并且這個(gè)過程是不可逆轉(zhuǎn)的。也就是說，幾乎不會存在兩個(gè)不同的字符串壓縮成相同的160位。與時(shí)下使用普遍的MD5相比，SHA-1的摘要更長，安全性更高。單周期算法框圖如圖3所示。

圖3 SHA-1單次運(yùn)算流程

SHA-1的主循環(huán)包含了80次運(yùn)算，每次運(yùn)算使用一個(gè)非線性函數(shù)F。由于非線性函數(shù)F不斷變化，因此運(yùn)算分為4個(gè)循環(huán)，每個(gè)循環(huán)有20次運(yùn)算[8]。單個(gè)循環(huán)使用相同的非線性函數(shù)F，不同循環(huán)使用不同的非線性函數(shù)F。

圖4 簽名生成與校驗(yàn)流程

3.2 基于數(shù)字簽名的身份認(rèn)證

簽名的生成流程如下：

（1）k∈[1,n-1]，u=[k]G=(x1,y1)，k 為隨機(jī)數(shù)。

（2）計(jì)算 r=x1mod n，如果 r=0，返回步驟（1）。

（3）根據(jù)公式sk=Hash(m)+dr mod n，可以得到結(jié)果 s，如果 s=0，返回步驟（1）。

（4）對 s、r和 Q做打包處理?(Q,s,r)?Z；將 Z發(fā)送給目標(biāo)。

簽名的校驗(yàn)流程如下：

（1）驗(yàn)證 r,s∈[1,n-1]，并且計(jì)算出 e=SHA-1(m)。

（2）計(jì)算 w=s-1mod n。

（3）計(jì)算u1=ew mod n和u2=rw mod n。

（4）計(jì)算 X=u1G+u2Q=(x2,y2)，如果 X∈∞ 拒絕簽名，否則計(jì)算v=x2mod n。

（5）當(dāng)且僅當(dāng)v=r，身份確認(rèn)合法。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在本文中，物理節(jié)點(diǎn)是由加州大學(xué)伯克利分校設(shè)計(jì)的TelosB[9]硬件節(jié)點(diǎn)平臺；通信模塊采用TI公司的CC2420芯片，它支持IEEE802.15.4協(xié)議，處理數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kb/s，可以使節(jié)點(diǎn)更快地處理事件；選擇TI公司的低功耗MSP430微處理器芯片作為主控芯片；采用CycloneII EP2C5T144實(shí)現(xiàn)加密算法，它的性能更利于認(rèn)證系統(tǒng)中的大量復(fù)雜計(jì)算[10]。

為了便于演示，將本文設(shè)計(jì)方案和同類使用較為普遍的Tiny ECC方案進(jìn)行對比試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表1和圖5所示。本方案和Tiny ECC均選取基于SECG[11]發(fā)布的160位標(biāo)準(zhǔn)橢圓曲線參數(shù)secp160r1，經(jīng)過100次相同的操作取平均值。

圖5 點(diǎn)乘仿真結(jié)果圖

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的方案較另外兩種方案有較為明顯的優(yōu)勢。分析可知，由于Tiny ECC和Mohammed方案中的ECC算法均采用了傳統(tǒng)的順序執(zhí)行的方法，而本文采用并行設(shè)計(jì)的思路，對底層運(yùn)算單元進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，大大縮短了程序運(yùn)算中等待的時(shí)間，因此使得本文所設(shè)計(jì)的簽名和認(rèn)證速度有了較為明顯的提升。

4 總結(jié)

本文基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用環(huán)境，提出了一種適用于其特點(diǎn)的身份認(rèn)證方案。并且借助TelosB硬件節(jié)點(diǎn)平臺對方案進(jìn)行了驗(yàn)證。與近似方案對比結(jié)果表明本方案在認(rèn)證速度上有明顯的優(yōu)勢，雖然資源消耗稍高，但在可以接受的范圍之內(nèi)。目前我們正致力于ECC密碼模塊隨機(jī)點(diǎn)乘法的優(yōu)化問題。

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Design of Identity Authentication Based on ECC for Wireless Sensor Networks

JI Bing,WANG Zhaoyin,FAN Jiong
（China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China）

There are many security threats in data transmission of wireless Sensor Networks.In order to meet the requirements of Wireless Sensor Network for data origin authentication,the Ellipse Curve Cryptography authentication scheme is implemented on TelosB hardware nodes by external CycloneII-EP2C5T144 System.The basic arithmetic unit of ECC is optimized by using parallel processing algorithm.The experimental results showthatthe speedofauthenticationisnearlydoubledafter optimizationcomparedtotraditionalmethod.

wirelesssensor networks;ECC;TelosB;authentication

TN915.08

A

1681-1070（2017）12-0026-04

2017-09-18

吉 兵（1988—），男，新疆阿勒泰人，碩士研究生，研究生方向?yàn)闊o線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及信息安全，目前就職于中國電科第五十八研究所SOC研發(fā)中心。