物聯(lián)網(wǎng)中云端數(shù)據(jù)完整性檢測方案的研究

茅磊

摘要：隨著5G通信技術和電子技術的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)設備已被廣泛應用于商業(yè)、醫(yī)療、交通、工業(yè)等各項領域。然而物聯(lián)網(wǎng)設備由于自身存儲空間有限、計算能力弱，導致其終端采集的數(shù)據(jù)需要上傳到云端才能進行復雜的數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)在上傳云端時，保證其完整性是一個重要研究內容。該文在我國商用基于標識的密碼算法標準——SM9的基礎上，設計了一種適用于檢測物聯(lián)網(wǎng)中云端海量數(shù)據(jù)的完整性的同態(tài)簽名方案。文章首先詳細介紹了基于標識同態(tài)簽名的形式化定義、安全模型、具體方案，然后分析了其安全性，最后通過JPBC密碼學庫對上述方案的性能進行了仿真實驗。實驗結果表明，該同態(tài)簽名方案可以提升驗證物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)云端數(shù)據(jù)完整性的速率。

關鍵詞：同態(tài)簽名；SM9簽名算法；物聯(lián)網(wǎng)技術；信息安全；密碼學

中圖分類號：TP393? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2023）31-0088-03

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

物聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展給人們的日常生活帶來了極大的便利。物聯(lián)網(wǎng)主要是通過各種無線傳感設備、射頻識別設備以及定位系統(tǒng)等相關技術采集獲取現(xiàn)實世界中的各種數(shù)據(jù)，并使用各種智能分析方法對信息進行加工處理，從而達到對客觀世界的感知，進一步實現(xiàn)智能控制與決策。無論是在軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通、醫(yī)療衛(wèi)生、智慧城市以及智能家居等各種領域都能看到物聯(lián)網(wǎng)的應用，例如在智能家居系統(tǒng)中，物聯(lián)網(wǎng)技術可以將安防、智能家庭/建筑、信息家電、室內燈光控制、地板采暖、居家健康保健、衛(wèi)生防疫等有機結合在一起，通過網(wǎng)絡化綜合智能控制和管理，實現(xiàn)更舒適方便、更安全環(huán)保的全新家居生活體驗[1]。

物聯(lián)網(wǎng)的終端一般是各種無線傳感設備，它們負責收集、采集四周的環(huán)境數(shù)據(jù)，但由于物聯(lián)網(wǎng)終端設備往往存在存儲容量小、計算能力弱等特點，所以物聯(lián)網(wǎng)終端收集的數(shù)據(jù)一般存放于第三方云端，并由云服務商提供數(shù)據(jù)的處理和共享服務。云作為一種擁有巨大計算能力和存儲容量的先進技術，可以對物聯(lián)網(wǎng)設備采集到的海量數(shù)據(jù)進行存儲和分析，使得物聯(lián)網(wǎng)設備變得越來越智能化。然而，盡管物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)據(jù)存儲在云端的方式有很多吸引人的優(yōu)點，但是也出現(xiàn)了許多令人擔憂的數(shù)據(jù)安全問題。數(shù)據(jù)放在云端使得用戶失去了對其物理占有和控制，數(shù)據(jù)的擁有者會擔心存放在云端數(shù)據(jù)有可能被云服務商有意無意地刪除和篡改。不誠實的云服務商可能會因為經(jīng)濟原因刪除一些長期沒有訪問的數(shù)據(jù)，但對外仍聲稱數(shù)據(jù)被很好地保存，有時還會對數(shù)據(jù)丟失的事件避而不談，以免對其自身的經(jīng)濟和信用造成損失。因此，越來越多的學者對存放在云端數(shù)據(jù)的完整性保護展開了研究。賽偉等人[2]針對云數(shù)據(jù)的完整性展開研究，分析了在物聯(lián)網(wǎng)設備數(shù)據(jù)云存儲中的安全挑戰(zhàn)，提出了云存儲數(shù)據(jù)完整性的驗證框架和設計目標。董一瀟等人[3]提出了基于國密SM9算法的物聯(lián)網(wǎng)安全解決方案，文中分析了SM9算法的優(yōu)勢，并詳細論述了SM9在物聯(lián)網(wǎng)的應用層、網(wǎng)絡層和感知層的部署架構。郭良等人[4]以無線射頻識別（RFID） 和無線傳感器網(wǎng)絡（WSN） 為主線，分析了物聯(lián)網(wǎng)自動遠程交互技術的深滲透性，對其主要存在的安全問題給出了解決途徑，并對下一代物聯(lián)網(wǎng)可能的安全問題進行了討論。高昊昱等人[5]把區(qū)塊鏈技術引入數(shù)據(jù)完整性保護領域，將現(xiàn)有數(shù)據(jù)完整性保護技術分類并與區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)完整性保護技術進行比較，分析傳統(tǒng)數(shù)據(jù)完整性保護技術的不足與區(qū)塊鏈數(shù)據(jù)完整性保護技術的優(yōu)勢，在此基礎上總結傳統(tǒng)數(shù)據(jù)完整性保護技術的不足之處，并給出解決思路。錢萍[6]提出了基于同態(tài)橢圓曲線加密（ECC） 算法的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)隱私保護方法和基于同態(tài) Hash 函數(shù)的隱私保護方法，實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)安全認證和數(shù)據(jù)驗證隱私保護，并深入分析了基于安全路由協(xié)議的物聯(lián)網(wǎng)隱私保護方法和安全網(wǎng)絡編碼的物聯(lián)網(wǎng)隱私保護方法。

1 相關工作

1.1 SM9基于標識密碼算法介紹

商密SM9密碼算法是我國自主研發(fā)的一種基于標識的商用密碼算法，現(xiàn)執(zhí)行標準為《GB/T 38635.1-2020信息安全技術SM9標識密碼算法第1部分：總則》和《GB/T 38635.2-2020 信息安全技術SM9標識密碼算法第2部分：算法》，包括SM9密鑰封裝協(xié)議、數(shù)字簽名算法、密鑰交換算法和公鑰加解密算法[7]。與傳統(tǒng)的公鑰密碼算法不同，SM9基于標識的密碼算法在使用部署時，直接采用用戶的標識信息（例如郵箱地址、公民的身份證號、電話號碼等）作為公鑰，使用過程中無須預先協(xié)商交換證書，減少了傳統(tǒng)公鑰密碼系統(tǒng)中頒發(fā)公鑰證書、維護公鑰證書、密鑰庫管理等環(huán)節(jié)，從而極大地降低了傳統(tǒng)公鑰密碼體系統(tǒng)中公鑰證書存儲校驗和計算等方面的開銷，為公鑰密碼學開辟了新的研究方向。

商密SM9密碼算法在設計上采用了有限域、橢圓曲線上雙線性映射運算的相關技術，安全性能上有極高的保障，SM9算法的加密強度相當于RSA 3072位的安全強度，現(xiàn)有計算能力在有限的時間內很難實施有效的攻擊[8]，因此使用基于SM9算法保護用戶數(shù)據(jù)將無須擔心被竊聽和篡改。2017年，SM9數(shù)字簽名算法被確定為ISO/IEC國際標準。王明東等人[9]對SM9算法BN曲線R-ate雙線性對中的模冪運算優(yōu)化設計，大幅度降低了R-ate雙線性對計算復雜度、提高算法的執(zhí)行效率，并通過實驗證明與傳統(tǒng)實現(xiàn)方式相比，使用他們的方法SM9的性能提升了近3倍。方婷等人[10]在跨區(qū)域醫(yī)療背景下設計了協(xié)同雙向SM9身份驗證方案，該方案是DH算法和國密SM9算法的相結合，使用DH算法協(xié)商出的共同密鑰作為驗證因子，并結合數(shù)字簽名實現(xiàn)雙向驗證。基于SM9密碼算法的應用目前已有很多研究成果，SM9算法中數(shù)字簽名實現(xiàn)過程如圖1所示。

1.2 基于SM9同態(tài)簽名在物聯(lián)網(wǎng)中數(shù)據(jù)完整性檢測的應用

密碼學中的數(shù)字簽名技術可以為互聯(lián)網(wǎng)、云存儲中的數(shù)據(jù)提供真實性、完整性和不可否認性的有力保障。同態(tài)簽名是一種特殊的數(shù)字簽名，假設簽名的消息空間[M]中運算為#、簽名空間[Θ]中的運算為[*]，對于來自[M]和[Θ]上的消息簽名對[m1，λ1]和[m2，λ2]（其中[λ1=fm1]，[λ2=fm2]） ，若簽名算法f是代數(shù)系統(tǒng)[M，#]到[Θ，*]上同態(tài)映射，則有[fm1#m2]=[fm1*fm2]=[ λ1*λ2]成立。同態(tài)簽名特有的上述性質在物聯(lián)網(wǎng)的無線傳感網(wǎng)絡和云端數(shù)據(jù)完整性驗證中有著重要的實用價值。

在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中的無線傳感器每時每刻都在收集應用場景中的相關數(shù)據(jù)，通過網(wǎng)絡上傳至云平臺中進行分析處理。如果這些收集到的數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)中傳輸時或者在云端存儲時，受到破壞，那么錯誤的數(shù)據(jù)就會直接影響物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的正常工作。若采用普通的數(shù)字簽名來保證采集數(shù)據(jù)的完整性，對于每一時刻收集的數(shù)據(jù)都要對其進行計算簽名，然后將數(shù)據(jù)和對應的簽名通過網(wǎng)絡傳送至云平臺進行處理。這種方式不但會增加網(wǎng)絡中傳輸?shù)拇鷥r，而且當需要檢驗存儲在云端數(shù)據(jù)的完整性時，還要逐一下載驗證每一個數(shù)據(jù)塊對應的簽名，這樣的驗簽方式對于海量數(shù)據(jù)而言并不實用。使用同態(tài)簽名則可以減少上述動態(tài)增長數(shù)據(jù)簽名的數(shù)量，降低簽名驗證時的代價。在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中可以將一個終端設備在一段時間內收集的數(shù)據(jù)看成一個數(shù)據(jù)集，該數(shù)據(jù)集中的簽名在產(chǎn)生后使用上述同態(tài)組合算法進行運算得到一個同態(tài)簽名，最后只需將該數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)打包和生成的同態(tài)簽名一起通過網(wǎng)絡傳至云平臺保存。云端在驗證用戶數(shù)據(jù)完整性時，只需驗證該同態(tài)簽名是否合法，即可判定云端的對應數(shù)據(jù)的完整性。

綜上，由于商密SM9算法具有高度的安全保障，因此本文將研究適應于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的SM9同態(tài)簽名算法，有效地提升物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)無線傳感網(wǎng)中檢驗數(shù)據(jù)完整性時驗簽的效率。

2 基于SM9的同態(tài)簽名方案

2.1 基于SM9同態(tài)簽名算法描述

1） 系統(tǒng)建立算法

KGC輸入系統(tǒng)安全參數(shù)[1k]和正整數(shù)N后，輸出系統(tǒng)的公開參數(shù)params[=（G1，GT，N，e，g，Ppub，H0，H1，H2，φ）]，其中，[G1，G2，GT]是N階的循環(huán)群，[P1]是[G1]的生成元，[P2]是[G2]的生成元；雙線性映射[e：G1×G2→GT]。[φ]是[G2]到[G1]上的同態(tài)映射[φP2=P1]；計算[GT]中的元素[g=eP1，Ppub-s]；系統(tǒng)主私鑰[s∈Z*N]，[ Ppub-s=ks?P2]；密碼學Hash函數(shù)分別為：[H0]：[0，1*→Z*N]，[H1]：[0，1*→Z*N]，[ H2：{0，1}*→G1]。

2） 用戶私鑰提取算法

系統(tǒng)輸入公開參數(shù)params，用戶標識[ID∈{0，1}*]和主私鑰[s]，計算[h*=H0（ID）]，再計算用戶的簽名私鑰[dsID=ks（h*+ks）-1?P1]，最后通過秘密信道將[dsID]發(fā)送給用戶。

3） 簽名算法

系統(tǒng)輸入公開參數(shù)params，用戶標識ID，用戶私鑰[dsID]，數(shù)據(jù)集標識信息[M]和消息向量[m=m1，m2，...，mn∈ZnN]，簽名用戶選擇兩個隨機數(shù)[α，r∈Z*N]。如下計算消息的簽名[?]：

①計算 [w=eP1，Ppub-sr]和[Q=α?P2]

②計算 [h=H1（M∥w）]

③計算 [l=r-h mod N]

④計算 [ε=l?dsID]

⑤設置數(shù)據(jù)集標簽 [τ=（h，w，ε，Q）]

⑥計算 [Ti=H2ID∥τ∥i]

⑦計算 [σ=α?i=1nmi?Ti]

⑧輸出的簽名為：[?]=（[τ，σ]）

4） 同態(tài)組合算法

輸入用戶標識ID和[k]個元組[βi，mi，σiki=1]，輸出導出的向量簽名對：[y=i=1kβi?mi]，[σ=i=1kβi?σi]。

5） 驗證算法

系統(tǒng)輸入公開參數(shù)params，用戶標識ID，數(shù)據(jù)集標識信息[M]，消息向量[y=（y1，y2，...，yn）∈ZnN]和由數(shù)據(jù)集標簽[τ=（h，w，ε，Q）]所標識數(shù)據(jù)集中的消息向量[y=（y1，y2，...，yn）∈ZnN]對應的簽名[?]=（[τ，σ]）。系統(tǒng)輸出簽名驗證是否合法的結果，如果合法則輸出1，否則輸出0。

驗證的過程為：

①計算[h*=H0（ID）]

②[P=h*P2+Ppub]

③[w'=eε，PeP1，Ppubh]

④[h'=H1（M∥w'）]

驗證是否有[h'=h]成立，若成立則進入下一步，否則輸出0。

接下來驗證下面的等式是否成立，其中[Ti=H2ID∥τ∥i]：

[eσ，P2=ei=1nyi?Ti，Q]

如果上式成立則該算法輸出1，否則輸出0。

2.2 基于SM9同態(tài)簽名的安全性分析

賴建昌等人[11]在文獻中基于q-SDH困難問題假設，已證明標準的商密SM9數(shù)字簽名算法在隨機預言模型下滿足適應性選擇消息、標識攻擊下的存在性不可偽造 （existentially unforgeable against adaptive chosen message and identity attacks， EUF-CMIA）的安全性?；跇俗R的SM9同態(tài)簽名方案在安全性能上應能達到適應性選擇數(shù)據(jù)集、適應性選擇標識下的存在性不可偽造（existentially unforgeable against adaptive chosen dataset and identity attacks， EUF-CDIA）。因為本文設計的基于SM9同態(tài)簽名的數(shù)據(jù)集標簽[τ]是由標準的SM9簽名算法產(chǎn)生的，所以本方案中的數(shù)據(jù)集標簽不可偽造，本文提出的同態(tài)簽名方案滿足同態(tài)簽名方案EUF-CDIA的安全性。

3 基于SM9同態(tài)簽名方案性能實驗

本節(jié)針對上述設計的基于SM9同態(tài)簽名方案使用Java語言編程進行了仿真實驗。在仿真實驗中使用斯坦福大學開發(fā)的JPBC庫（The Java Pairing-Based Cryptography Library）。測試環(huán)境的硬件配置為CPU（Intel Core i7 @2.2GHz），內存16GB，操作系統(tǒng)Windows 10 （x64） 教育版。仿真實驗選取的比較對象為標準的SM9簽名方案。仿真實驗中選取的每個數(shù)據(jù)塊大小為5MB，分別使用標準的SM9簽名方案和本文設計的SM9同態(tài)簽名方案依次對10個、20個、……、50個上述實驗數(shù)據(jù)塊進行簽名和驗證。由此得到的驗簽上述數(shù)據(jù)塊組簽名時所花費的時間數(shù)據(jù)如圖2所示。

從該實驗結果中可以發(fā)現(xiàn)，使用標準的SM9數(shù)字簽名方案和本文設計的同態(tài)簽名方案，對于每個數(shù)據(jù)塊都要使用簽名算法進行簽名運算得到各數(shù)據(jù)塊對應的簽名，并把每個數(shù)據(jù)塊和其對應的簽名保存起來。從實驗結果可以看出，在用戶、云服務器（或者審計者）進行簽名驗證時，如果使用標準SM9數(shù)字簽名方案，為了驗證N個數(shù)據(jù)塊的完整性，則需要獲得所有用戶數(shù)據(jù)塊的簽名，并逐一對簽名進行驗證。可見隨著待驗證文件數(shù)據(jù)塊個數(shù)的不斷增大，用戶在驗證時的計算代價也越來越大。

本文設計的基于SM9同態(tài)簽名方案可以提高上述情況下驗證簽名時的效率，使用時可將同一數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)塊的簽名使用同態(tài)組合算法（Homomorpic-Combine）進行同態(tài)運算，進而得到一個同態(tài)組合后的壓縮簽名，驗簽時如果該簽名是合法的，那么同于逐一驗證所有同態(tài)組合前的單個數(shù)字簽名是合法的。并且可以發(fā)現(xiàn)同態(tài)組合后的數(shù)字簽名長度并不隨數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)塊數(shù)量的增長而增大。因此在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中可將在某段時間內各個無線傳感器收集的相關數(shù)據(jù)認為是同一數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)塊，使用基于SM9同態(tài)簽名算法壓縮各網(wǎng)絡節(jié)點產(chǎn)生的隨時間動態(tài)增加數(shù)據(jù)的簽名，減少云服務器對各數(shù)據(jù)塊進行完整性檢測時驗證簽名的時間，進一步提高云端校驗同一數(shù)據(jù)集中數(shù)據(jù)塊完整性的效率。

4 總結

本文提出了一種基于商密SM9的同態(tài)簽名算法，并將其應用到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中各無線傳感器收集數(shù)據(jù)的完整性檢測中，并對其進行了仿真模擬實驗，從實驗結果可以看出同態(tài)簽名算法在一定程度上提高了數(shù)據(jù)塊簽名在驗簽時的效率。但是在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中還有很多問題值得討論，例如在不同數(shù)據(jù)集中，由不同用戶私鑰簽署的各數(shù)據(jù)塊簽名如何進行壓縮，以及如何防止不誠實的密鑰生成中心（KGC） 泄露用戶簽名私鑰等相關問題還有待進一步探究。

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