適用于智能家居的格上基于身份多方認證密鑰協(xié)商協(xié)議

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)應用的日益普及，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備終端數(shù)量激增、種類多樣、層次復雜，常處于不可控的環(huán)境之中，因此，確保數(shù)據(jù)傳輸過程的安全性和隱私性至關(guān)重要。對基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的智能家居服務進行探討得出，啟用智能家居應用需涉及多個方面，如用戶、云、物聯(lián)網(wǎng)智能集線器（the IoT smart hub，ISH）和智能設(shè)備，它們需要多方驗證以進行安全通信。由此提出了一種針對智能家居應用的格上基于身份多方認證密鑰協(xié)商協(xié)議，并證明在eCK模型下是安全的。其安全性可以歸約到環(huán)上帶誤差學習（ring learning with errors，RLWE）問題的困難性，能夠抗量子計算攻擊。所提協(xié)議由一個格上基于身份的加密方案轉(zhuǎn)換而成，無須公鑰證書，避免了部署一個龐大的公鑰基礎(chǔ)設(shè)施（public key infrastructure，PKI）。通過信息交互實現(xiàn)顯式認證，且可具有一定的匿名性質(zhì)，與其他相關(guān)的后量子格上多方認證密鑰協(xié)商協(xié)議方案相比，該協(xié)議在安全性和執(zhí)行效率方面更具優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞： 智能家居；基于身份密碼；環(huán)上帶誤差學習；多方認證密鑰協(xié)商協(xié)議；后量子密碼；匿名性

中圖分類號： TP309文獻標志碼：A 文章編號： 1001－3695（2024）04－034－1191－07

doi： 10.19734/j.issn.1001－3695.2023.06.0341

Identity－based multiparty authenticated key agreement protocol for smart homes from lattice

Ni Liang Liu Xiaoyan Gu Bingke Zhang Yawei Zhou Hengsheng Wang Nianping2

Abstract：With the increasing popularity of IoT applications， the number of IoT device terminals is proliferating， the types are diverse， the levels are complex， and they are often in an uncontrollable environment， so it is critical to ensure the security and privacy of the data transmission process. This paper explored smart home services based on IoT architecture. Enabling smart home applications involved multiple parties， such as users， the cloud， ISH and smart devices， which required multi－party authentication for secure communication. This paper proposed a lattice－based multi－party authenticated key agreement protocol for smart home applications and proved that it was secure under the eCK model， and its security could be attributed to the difficulty of RLWE problem， which was resistant to quantum computing attacks. The proposed protocol is converted from an identity－based encryption scheme on lattice， does not require a public key certificate and avoids the deployment of a large PKI， achieves explicit authentication through message interaction， and can have a certain anonymity. Compared with other related post－quantum lattice－based multi－party authenticated key agreement protocol schemes， the proposed protocol is more advantageous in terms of security and execution efficiency.Key words：smart home; identity－based cryptography; ring learning with error; multi－party authentication key agreement protocol; post－quantum cryptography; anonymity

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)與傳感技術(shù)的飛速發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)（IoT）［1］被廣泛應用于智能家居領(lǐng)域，實現(xiàn)了人、機、物在任何時間、地點的信息交換與智能服務。傳感器、智能終端等大量設(shè)備呈指數(shù)形式接入網(wǎng)絡(luò)，并且設(shè)備數(shù)量繁多、種類多樣、層次復雜，不同應用之間不可避免地產(chǎn)生信息交互、系統(tǒng)控制等業(yè)務需求，預計到2025年， 全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連接數(shù)將達到233億，其中我國將達到80億。這就致使網(wǎng)絡(luò)常處于不可控的環(huán)境中，大規(guī)模連接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備很容易受到來自敵手的攻擊，特別是對于用于收集和傳輸敏感數(shù)據(jù)和信息的設(shè)備［2］，例如：智能門鎖、智能攝像頭等安全設(shè)備，可能造成強制開鎖和攝像等涉及財產(chǎn)、人身安全等高風險后果；智能中控，智能插座、電器、影音等設(shè)備系統(tǒng)，可能造成隱私竊取、系統(tǒng)破壞、遠程控制等安全問題。因此，解決物聯(lián)網(wǎng)中的安全與隱私問題已成為信息安全研究中的關(guān)鍵。

在智能家居場景中，用戶需要通過手機登錄平臺登錄個人賬戶，手機登錄平臺將用戶信息匯聚到云服務， 同時智能集線器輔助云服務完成數(shù)據(jù)的處理與存儲，最終完成遠程操控。 圖1顯示了一個典型的智能家居場景，它包括一個連接到互聯(lián)網(wǎng)的智能集線器（IoT smart hub，ISH），被連接到Wi－Fi或啟用ZigBee的設(shè)備上。ZigBee技術(shù)是一種基于IEEE 802.15.4的協(xié)議，用于需要低成本、低數(shù)據(jù)速率、低功耗和全雙工通信的應用程序。圖1中，智能電表、智能溫度計、空調(diào)、冰箱、智能門鎖均啟用ZigBee并連接到智能集線器，其中智能電視、平板電腦和監(jiān)控攝像頭通過Wi－Fi技術(shù)連接到智能集線器［3］。智能家居對會話密鑰的安全性具有更高的要求，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)涉及財產(chǎn)和人身安全，若發(fā)生竊取，將發(fā)生難以想象的后果，因此設(shè)計和實現(xiàn)一個多方安全的認證密鑰協(xié)商協(xié)議（authenticated key agreement protocol， AKA）［4］勢在必行，用于實現(xiàn)各方相互認證， 并生成多方的共享密鑰，該共享密鑰后續(xù)會用于應用數(shù)據(jù)的加密與認證，為物聯(lián)網(wǎng)通信提供端到端的安全服務。

許多學者已經(jīng)提出了多種安全機制來處理物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下身份驗證和密鑰協(xié)商的攻擊。2017年，Mahmood等人［5］提出了一種在患者、醫(yī)生和可信服務器之間基于對稱密鑰的安全認證密鑰協(xié)商協(xié)議，利用橢圓曲線密碼學進行安全通信，但該方案缺乏多方參與的認證機制；此外，該安全方案采用了傳統(tǒng)的公鑰加密方案，需要由服務器進行密鑰管理，用戶需要為每個安全會話從服務器獲取公鑰。2018年，Shen等人［6］針對智能家居系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的隱私性，在主網(wǎng)關(guān)的參與下，通過基于ECDH算法實現(xiàn)了智能設(shè)備和云服務提供商之間的會話密鑰生成，該程序確保了在傳輸過程中上傳數(shù)據(jù)的安全性，并防止惡意敵手監(jiān)視和修改數(shù)據(jù)。文獻［7］提出了一個能夠適應大數(shù)據(jù)環(huán)境的智能城市安全系統(tǒng)的安全通信方案，包括注冊階段、密鑰協(xié)商、密鑰撤銷和數(shù)據(jù)傳輸，雖然該方案能達到較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，但其采用大量的簽名算法和非對稱加密算法導致系統(tǒng)開銷很大。2018年，Gupta等人［8］使用簡單的XOR和單向加密哈希函數(shù)在移動終端和可穿戴傳感設(shè)備之間實現(xiàn)輕量級的相互認證和密鑰協(xié)商協(xié)議，并使用ban邏輯提供了建立安全會話密鑰的證明。2019年，Kim等人［9］證明了文獻［8］無法承受用戶冒充、會話密鑰泄露和可穿戴設(shè)備被盜攻擊，并提出了一種使用可穿戴設(shè)備的安全和輕量級的相互身份驗證和密鑰建立方案，以解決文獻［8］的安全缺陷。Jia等人［10］為解決云數(shù)據(jù)中心的傳輸時延問題，提出了一個適用于無線醫(yī)療傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中基于雙線性對的認證密鑰協(xié)商協(xié)議，借助霧計算技術(shù)實現(xiàn)訪問和存儲數(shù)據(jù)。2020年，Hajian等人［11］指出文獻［8］對特權(quán)內(nèi)部攻擊、傳感設(shè)備受損以及去同步攻擊是不安全的，并提出一種具有攻擊彈性和匿名密鑰協(xié)議的可擴展醫(yī)療認證協(xié)議，以克服現(xiàn)有方案的安全漏洞。2021年，Wu等人［12］指出文獻［11］未能實現(xiàn)本地口令驗證和抵抗臨時密鑰泄露攻擊，在此基礎(chǔ)上提出改進方案。Kaur等人［13］提出了一種適用于智能家居的雙因素認證技術(shù)，但是該協(xié)議會話密鑰易泄露，不能抵抗模擬攻擊，Limbasiya等人［14］討論了一種用于多服務器醫(yī)療保健應用程序的基于哈希的隱私保護認證密鑰協(xié)商協(xié)議。但用于計算會話鍵的參數(shù)對所有會話都保持不變，那么所有會話的會話鍵都將保持不變，這與會話密鑰的正向保密相矛盾。文獻［15］討論了一種基于哈希的身份驗證協(xié)議，以解決密鑰泄露的模擬攻擊。該協(xié)議成本較低，可以通過公共信道實現(xiàn)用戶的匿名性，但任何攻擊者都可以通過在登錄請求的傳輸參數(shù)之間執(zhí)行操作來啟動跟蹤攻擊［16］。2022年，王菲菲等人［17］指出文獻［10，12］的缺陷，并提出了一個適用于智能醫(yī)療環(huán)境下的基于霧計算的三方認證密鑰協(xié)商協(xié)議。2021年，文獻［18］采用了有效的格上身份加密（IBE）公鑰和基于安全哈希算法（SHA－3）加密方案，提出了能夠支持醫(yī)療保健服務的安全框架的輕量級多方認證密鑰協(xié)商協(xié)議，但方案實施部分解析不詳細，缺乏有效的證明。綜上，如今網(wǎng)絡(luò)信息系統(tǒng)絕大多數(shù)利用的還是橢圓曲線公鑰體制ECC、RSA公鑰體制等經(jīng)典公鑰密碼體制，但隨著量子計算技術(shù)發(fā)展突飛猛進［19～21］及其在解決大規(guī)模計算難題有巨大潛能，致使基于大整數(shù)分解問題和離散對數(shù)問題等經(jīng)典數(shù)論難題的經(jīng)典公鑰密碼體制的安全性將在可預期的將來被輕易破解，因此設(shè)計和部署可抗量子計算攻擊的后量子安全協(xié)議方案勢在必行。目前，后量子密碼中的格密碼算法因其在安全性、密鑰大小和計算復雜度上可達到較好平衡而被廣泛關(guān)注，其安全性可歸約到格上困難問題的復雜性，基于格上的困難問題［22，23］等已被數(shù)學證明可以抵御量子計算機的攻擊。然而，目前研究主要集中在格上口令認證密鑰協(xié)商協(xié)議，其缺點也是很明顯的，口令的低熵性使其不能抵抗字典攻擊［24］，而且口令易忘記和丟失，這也會帶來潛在隱患?；谏矸莸拿艽a系統(tǒng)（identity－based cryptograph，IBC）［25］是一種以用戶的身份特征（如電子郵件、ID身份等）作為公鑰的非對稱公鑰密碼體系。因為其應用消除了公鑰證書，避免了龐大PKI的部署，簡化了公鑰的管理，一直被學者應用于認證密鑰協(xié)商協(xié)議，但在方案設(shè)計上，當前絕大多數(shù)方案仍是圍繞雙線性映射［21］設(shè)計，正式出版的后量子格上基于身份的AKA方案還非常少。

為了解決以上問題，本文提出了一個能夠適應智能家居環(huán)境的輕量級后量子基于身份多方認證密鑰協(xié)商協(xié)議，其困難性依賴于格上的RLWE問題，可以抵抗量子計算機攻擊。其特點如下：a）該協(xié)議在注冊階段輸入自己的生物特征和真實身份信息，云服務將用戶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為偽身份發(fā)送給用戶，并隱藏真實身份信息，用戶在登錄時使用偽身份，可以避免泄露真實身份信息，免受敵手竊取、冒用用戶身份；b）基于身份的密碼系統(tǒng)舍去公鑰證書，減免了復雜PKI的部署，使公鑰的管理更加便捷，具有非常重要的理論意義與使用價值；c）本協(xié)議為用戶、云服務和物聯(lián)網(wǎng)智能集線器都生成了一對臨時公私鑰，能夠抵抗密鑰泄露偽裝攻擊；d）數(shù)據(jù)信息以密文的形式進行傳輸，通過信息交互完成多方身份認證，共同協(xié)商出會話密鑰，防止其他未知用戶遠程控制物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，并且在eCK模型［26］中進行了嚴格的安全證明，實現(xiàn)了顯示認證。

1 基礎(chǔ)知識

3.2 協(xié)議所具有的主要安全特性分析

本文ID－AKA協(xié)議基于RLWE困難問題構(gòu)造而成，選取具有選擇明文攻擊下不可區(qū)分的（IND－CPA）安全性的格上基于身份的加密方案作為基本構(gòu)件，由此具有很好的安全性質(zhì)。

1）顯式認證

協(xié)議選擇的共享機密（xU，xI，xS，xD）以密文的形式進行傳輸，且用戶要驗證σ′=？σ，確保了協(xié)議參與者已經(jīng)得到本次協(xié)商的會話密鑰且保證了協(xié)議參與者之外的任何實體都無法獲得正確的秘密信息。

2）抗內(nèi)部攻擊

用戶的偽身份標識和真實身份信息存在唯一性，是登錄安全系統(tǒng)唯一的安全憑據(jù)。 如果一個合法的用戶U試圖提取其他人從服務器上獲得的信息，那么他必須登錄平臺以獲得他的憑證。但是，用戶U找不到其他用戶的安全憑據(jù)，因此，用戶U不能模擬其他用戶，系統(tǒng)能夠抵抗內(nèi)部攻擊。

3）抗臨時密鑰泄露攻擊

當前客戶端兩方都持有臨時密鑰sk，協(xié)議參與方只要有一個臨時密鑰不泄露，敵手就不能獲得全部的秘密消息（xU，xI，xS，xD）；另外，即使敵手知道全部臨時密鑰sk，只要協(xié)議參與方的長期私鑰不泄露，敵手就不能得到秘密消息（xU，xI，xS，xD），也就無法計算出會話密鑰SK；最后，由于每次會話的臨時密鑰sk都是動態(tài)生成的，當前會話的臨時私鑰泄露也不會影響到之前其他會話密鑰的安全性，所以ID－AKA協(xié)議在一定程度上也具有抗臨時密鑰泄露攻擊的能力［32］。

4）抗已知密鑰攻擊

在本文協(xié)議中，各方參與者計算出了會話密鑰SK=H1（xU，xI，xS，xD），然而敵手捕獲了數(shù)據(jù)信息，但由于哈希函數(shù)H（）的單向性，以及從χβ中隨機抽取的樣本r*、f*的新鮮度，這使得敵手即使知道一些數(shù)據(jù)信息和早期會話的會話密鑰，也無法計算其他會話的會話密鑰。

5）抗密鑰泄露偽裝攻擊

此性質(zhì)表明了協(xié)議一方的長期私鑰泄露不能使敵手成功偽裝成這一方的參與者。具體地，即使協(xié)議一方的長期私鑰sk泄露，敵手無法獲得臨時密鑰且每次的臨時密鑰都是動態(tài)生成的，也無法獲取秘密消息（xU，xI，xS，xD）。如果說設(shè)備D的長期私鑰泄露，敵手試圖偽裝成設(shè)備D，但敵手不知道用戶U的偽身份標識，敵手也就不能給用戶U傳輸以用戶D的偽身份標識加密的密文，用戶U會根據(jù)解密信息驗證xU=？xU，因此敵手不能成功偽裝成協(xié)議參與方建立會話密鑰。

6）完美前向安全

當協(xié)議的私鑰泄露后，由于參數(shù)rU、rI、fU、fI的隨機性和臨時密鑰的動態(tài)性，敵手無法獲得以前雙方協(xié)商出的會話密鑰。

7）匿名性

該安全方案對每個用戶都使用了偽標識，因此，任何竊聽者都將無法識別用戶的真實身份。此外，系統(tǒng)中交換的消息使用基于格的IBE密碼系統(tǒng)進行加密，從而保護其免受對手可能竊聽來自不安全信道的消息的攻擊。因此，該方案保護了系統(tǒng)中用戶的匿名性。

4 性能比較和分析

本章將本文方案與適用于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的同類方案的安全性與計算開銷進行對比，并討論了本文方案與其他協(xié)議的差異性。但同類方案大多數(shù)不是基于格密碼的，其中，基于雙線性對的文獻［10，12］相對較多，但易遭受臨時密鑰泄露攻擊、離線口令猜測攻擊等;基于哈希函數(shù)的文獻［8，11］存在較多安全隱患；相比于基于哈希函數(shù)的方案，基于橢圓曲線密碼系統(tǒng)的文獻［5］具有更好的安全特性，但未實現(xiàn)前向安全性。相比同類方案，本文方案是基于格密碼系統(tǒng)的，能夠構(gòu)建四方安全會話密鑰，實現(xiàn)抗臨時密鑰泄露攻擊、抗內(nèi)部攻擊和抵抗量子計算攻擊等安全屬性，并對已知攻擊是安全的。在本文方案中，用戶啟動一個身份驗證過程來共享安全會話密鑰，用戶身份必須在互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)庫匹配得到，終端設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)智能集線器才能開始執(zhí)行更多計算。本文協(xié)議選取參數(shù)n=1024 bit，模數(shù)q=12289 bit，密文的尺寸為1 024 bit，真實身份信息和偽身份的比特長度為32 bit，選取哈希函數(shù)SHA3－256對會話密鑰進行實例化。其次對本文協(xié)議各參與方有關(guān)各種計算操作以及所花費的時間進行描述，定義Tg、Ts、Tpma、Th分別為離散高斯分布抽樣、DLP－IBE加解密算法操作、環(huán)上先乘后加操作、哈希函數(shù)操作，基于開源密碼庫MIRCAL，搭載11th Gen Intel CoreTM處理器，Windows 10系統(tǒng)實現(xiàn)相關(guān)密碼算法。實驗結(jié)果顯示，Tg、Tpma、Th、Ts的計算結(jié)果分別為0.000 561 ms、0.000 029 ms、0.000 181 ms、0.215 000 ms［33］。在其他方案中，TM表示橢圓曲線點運算，TH表示MD5哈希運算，TP表示雙線性對運算，TM、TP和TH的計算時間分別為2.165 ms、5.427 ms、0.007 ms［34］，異或運算時間忽略不計。

在本文協(xié)議中，PKG系統(tǒng)將私鑰發(fā)給參與者之后，各參與者先執(zhí)行兩次Tg操作隨機抽樣r*、f*，執(zhí)行一次Tpma操作得到x*，接著再執(zhí)行DLP－IBE加密解密算法操作，最后執(zhí)行哈希函數(shù)操作，本文協(xié)議各計算開銷合計為T=8Tg+ 4Tpma+6Th+12Ts。相對來說，文獻［10］執(zhí)行加密解密算法操作較多，且需要驗證生物特征FPi、用戶U的秘密憑證Sci和簽名操作，導致時間和空間成本都有所增大。文獻［18］的計算開銷合計為T=4Tg+4Th+16Ts，雖然文獻［18］沒有執(zhí)行環(huán)上先乘后加操作，但總體來說計算開銷還是較多。同類方案中，基于哈希函數(shù)計算開銷較少，但物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下數(shù)據(jù)具有高度敏感性，基于哈希函數(shù)不能滿足物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下的高安全性要求。基于雙線性對的計算開銷較高。基于橢圓曲線密碼系統(tǒng)的方案相比其他兩種具有更好的安全性，但與格密碼系統(tǒng)相比來說，仍具有缺陷。各個方案計算開銷如表2所示。

數(shù)據(jù)信息以密文的形式進行傳輸，本文方案通信開銷為768+768+1024+1024=3584 bit。由于文獻［18］沒有對生物特征FPi、用戶U的秘密憑證Sci和簽名信息等數(shù)據(jù)信息進行詳細約束， 所以通信開銷無法計算，這里不再與文獻［18］進行比較。通信開銷對比如表3所示。安全性能比較如表4所示。

由表4可知，本文協(xié)議能夠?qū)崿F(xiàn)顯式認證（SF1）、抗內(nèi)部攻擊（SF2）、抗臨時密鑰泄露攻擊（SF3）、抗已知密鑰攻擊（SF4）、抗密鑰泄露偽裝攻擊（SF5）、完美前向安全（SF6）、匿名性（SF7）、抗量子攻擊（SF8）。與其他協(xié)議相比，本文協(xié)議具有更好的性能。

5 結(jié)束語

本文提出了一個能夠適應智能家居環(huán)境的格上基于身份多方認證密鑰協(xié)商協(xié)議，其安全性基于DLP－IBE和RLWE困難問題的難解性，可抵抗量子計算機攻擊。該方案使用用戶唯一的偽身份標識，不僅在一定程度上實現(xiàn)了用戶的匿名性，還能夠抵抗內(nèi)部攻擊，且引入臨時密鑰對抵抗密鑰泄露偽裝攻擊。在多方信息交互過程中，完成各方的身份認證之后，共同協(xié)商出會話密鑰，并在eCK模型下進行嚴格模擬攻擊的安全性證明，該方案運用基于身份的密碼系統(tǒng)消除了公鑰證書，避免了部署龐大PKI，簡化了公鑰的管理，降低了時間和空間的利用率。與現(xiàn)有方案相比，本文所構(gòu)造的能夠適用于智能家居環(huán)境的AKA協(xié)議具有較高的執(zhí)行效率和較強的安全性，在計算開銷和安全強度等方面都具有明顯的優(yōu)勢。

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收稿日期：2023－06－18；修回日期：2023－08－16 基金項目：河南省科技攻關(guān)計劃資助項目（232102210134，182102210130）；國家留學基金資助項目（201908410281）；國家自然科學基金資助項目（61672031）；河南省高等學校重點科研項目（21A520053）

作者簡介：倪亮（1975—），男，遼寧葫蘆島人，副教授，博士，CCF會員，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)安全和密碼學（niliang402@zut.edu.cn）；劉笑顏（1998—），女，碩士研究生，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)安全與密碼學；谷兵珂（1996—），男，碩士研究生，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)安全與密碼學；張亞偉（1997—），男，河南蘭考人，碩士研究生，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)安全與密碼學；周恒昇（1997—），男，碩士研究生，主要研究方向為網(wǎng)絡(luò)安全與密碼學；王念平（1973—），男，教授，博士，主要研究方向為信息安全和密碼學.