可形式化证明的军事物联网安全协议的制作方法
【专利摘要】一种应用于军事网联网中的安全协议，该安全协议具备形式化分析所具备的安全属性。安全协议包括4个通信主体，8个协议步骤组成。各通信主体与认证服务器建立共享密钥，与设备标识码共同完成双向认证，认证完成后，由认证服务器发放信息加密密钥，建立加密信息通道。为保证安全性，该安全协议在每次通信之前均要对通信主体实施双向认证，每次随机生成一个通信加密密钥，密钥的一次被破解不会泄露之前的通信加密的信息。
【专利说明】可形式化证明的军事物联网安全协议
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种应用于军事网联网中的安全协议，特别是涉及军事物联网中节点 之间的认证和密钥建立，该安全协议具备形式化分析所具备的安全属性。
技术背景
[0002]迄今为止的军事物联网和之前在交通、家居、场馆应用的物联网中，均涉及到对节 点的识别，识别认证之后才能建立密钥机制进行加密通信，在此过程中，需要建立一种协议 来保证认证和密钥建立的安全。认证和密钥建立是安全协议中的最关键部分，其他的诸如 选举协议、群组通信协议、非否认协议虽然从广义上来说也属于安全协议，但这些协议都建 立在认证和密钥建立协议的基础之上，因此，本发明重点描述认证和密钥建立的安全协议。
[0003]军事物联网就是把军事实物通过各种军事信息传感系统，其与军事信息网络连 接，进行军事信息交换和通信，实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。其实 质就是用于军事领域的物联网。跟传统物联网相比，军事物联网处于更恶劣的部署环境，会 受到光、辐射、电磁、生物、化学腐蚀等环境因素的影响。跟军事信息网相比:军事物联网联 接的是军事物质世界，目的是收集节点的数据，其连接节点或终端受战场环境、成本、体积 和应用因素影响，其智能程度、存储容量、计算能力、电池续航能力均有限，甚至有可能只是 一个能够识别的标记(ID);而军事信息网是军事信息天地的网络，目的为了信息的传输和 处理，属于虚拟世界范畴，不受这些因素的限制。军事信息网是军事物联网的基础和依托， 是军事信息网络的延伸和拓展。在信息化战场上，军事信息网与军事物联网融为一体，为战 场指挥、决策和情报收集提供了手段，从而使战场物质能量精确释放成为可能，密码安全协 议必须要适应军事物联网的恶劣环境和节点的硬件属性。
[0004]在未来信息化战场上，军事物联网的通信模式可能更加多样化，部分节点之间可 能要求实时同步通信传输，部分节之间点可能只需要定期交换数据，甚至一天就一分钟入 网，如容迟网(DTN)模式，或者仅仅是在逻辑层面上连接到网上，或者根本就不在网上。比 如部署在地方阵地上的节点，这些节点没有直接上网，可能需要侦查飞机、探查机器人、侦 查人员不定期的去收集数据。密码安全协议必须要适应这些通信模式。
[0005]安全协议还要适应军事物联网中数量庞大的节点。信息化战场将会是从深海到陆 地，从陆地到外太空可能均为战场的阵地，在如此宽阔的空间范围内，会涉及到节点终端数 量庞大，军用跟民用物联网要深层次的互联互通，需要安全协议采用尽量少的步骤，尽量快 的速度完成节点之间的认证，建立起密钥加密的信息通道。
[0006]设计安全协议是一个较为困难的事情，稍有不慎，就可能使协议存在安全隐患，目 前，存在大量采用非形式化方法设计的、并不安全的的“安全协议”，很多研究者对其进行改 进，进而又产生许多不安全的“安全协议”，事实上，协议的安全性问题是不可确定的，即对 于任何一个已知的协议分析器，总存在它所不能确定的安全问题，目前，许多协议分析集中 于扩展和加强现有的方法使之能够分析更为复杂的攻击，与其如此，不如在协议的设计阶 段增加相应的限制，引入形式化的设计理念，使之满足规定的结构和所定义的安全属性。[0007]对安全协议在军事物联网中的运行环境做如下假设:
[0008]军事物联网的体系结构:军事物联网的体系结构跟传统物联网体系结构类似:最 底层为传感层，负责对各类传感元器件节点的连接和管理，完成个节点的认证和建立加密 的信息传输通道，收集各节点的数据和信息。中间为网络层，负责采用各种通信模式进行网 络传输和信息处理，包括数据处理服务器、节点认证服务器、网络通信服务器、外网控制服 务器、信息化指挥服务器等。最上层为应用层，跟军事信息网络连接起来负责提供战争中的 决策、指挥、操控、监视、侦察、定位、通信、计算等方面的应用服务。
[0009]军事物联网的通信模式:既存在以有线方式提供服务的传统模式，也有而眼下处 于初级阶段的、以节点之间的数据交换通过基站完成的Client/Server为主的无线方式， 还有正在研究中的、以对等网(P2P)的模式实现物与物的多跳连接的真正自组织网络(Ad Hoc Network)模式，安全协议要基于某种通信模式完成节点之间的认证，而采用何种通信 模式对安全协议的设计无影响，对安全协议的安全属性要求产生影响。
[0010]军事物联网的节点:军事物联网的节点可能由具备网络通讯能力的智能终端、传 感元器件、RFID读写终端、Tag读写设备等主动和被动智能设备组成，为了保障必要的安全 性，仅就安全协议的要求，假定每个节点最低应具备的硬件要求为:(I)、具备信息的发送和 接收能力；(2)、具备512K的存储空间；(3)、具备简单的运算能力:如与和运算、生成随机数 或随机密钥、根据密钥进行加密和解密运算；(4)、其他安全协议所需要的能力。
[0011]安全协议的通信主体:军事物联网安全协议的通信主体为4个:分别是位于网络 层的认证服务器(C)、位于网络层的数据处理服务器(D)、位于传感层的数据获取设备(M) 和位于传感层的各传感元器件节点(S)。认证服务器C的主要作用是:存储各数据获取设备 M和传感元器件节点S的认证信息，生成密钥和控制安全协议的挂起、重启和中断等操作。 数据处理服务器D的主要作用是建立认证之后对从M传送的数据进行存储、清洗、挖掘和归 类，为应用层的应用提供数据源。数据获取设备M主要作用是部署在战场上实施对传感设 备产生的信息进行收集，获取C中的认证信息完成自身和传感节点S的双向认证工作，M可 能是一个侦查人员、侦查飞机上的设备，战场机器人或者是部署在战场的固定装设备。传感 元器件节点S的主要作用是接受M的认证问询，配合完成认证，负责收集所感知的信息并在 认证通过之后将信息发送给M。
[0012]攻击者的能力和行为:敌方攻击者能力的设置为:(I)、熟悉现代密码学，知道加 解密等运算操作。(2)、知道参与协议运行的各实体及其公钥。(3)、拥有自己的加密密钥和 解密密钥，并且能够将窃听或收到的消息增加为自己的新知识。(4)、对网络具有完全的控 制能力，可窃听、拦截系统中传送的任何消息。(5)、可以用他拥有的加密或解密密钥对消息 进行加密或解密操作。(6)、可在系统中插入新的消息。(7)、即使不知道加密部分的内容，也 可重放他所看到的任何消息。(8)、可以生成新的随机数。攻击者行为有:(I)、销毁一条消 息，即阻止它被继续传送。(2)、追踪一条消息，即获得它自己的拷贝。(3)、截获一条消息， 即追踪并销毁一条消息。(4)、重新改变一条消息的路由。(5)、延迟一条消息的传送。(6)、 记录消息。(7)、重放一条消息。(8)、伪造一条消息。
[0013]本发明采用将采用形式化的方法针对军事物联网设计一个安全协议，并采 用多个形式化分析方法结合起来的方法来分析证明安全协议的安全属性:即采用 CSP (Communicating Sequential Processes),分别从进程之间的消息传递的角度来证明安全协议的各种安全属性，如果安全协议通过分析步骤，则表示该安全协议在该形式化当前理论下是安全的，但随着科技的进步，可能会出现新的攻击方法，由于目前的形式化方法不具备完备性，该形式化方法也可能存在缺陷，通过形式化分析的安全协议不意味着该协议绝对正确。因此，由于形式化方法本身的缺陷而未发现安全协议中的其他安全属性问题， 不在本发明的考虑之列。
【发明内容】
[0014]军事物联网安全协议存在4个通信主体，分别为:认证服务器C、数据处理服务器 D，数据获取设备M和各传感元器件节点S，其安全协议为:
[0015]
【权利要求】
1.本发明涉及一种应用于军事网联网中的安全协议，特别是涉及军事物联网中节点之 间的认证和密钥建立，该安全协议包括4个通信主体，分别为:认证服务器C、数据处理服务 器D，数据获取设备M和各传感元器件节点S。各通信主体与认证服务器建立共享密钥，与 设备标识码共同完成双向认证，认证完成后，由认证服务器发放信息加密密钥，建立加密信 息通道。为保证安全性，该安全协议在每次通信之前均要对通信主体实施双向认证，每次随 机生成一个通信加密密钥，密钥的一次被破解不会泄露之前的通信加密的信息。该安全协议由8个协议步骤组成。分别是:M发起通信请求，发送一个随机数给S。S收到之后，生成一个随机数，用自己与认证服务器共享的密钥s和设备号IDs加密成 一认证包 Hs (Rm ? Rs ? IDs), Rs,发给 M。M自己也生成一个认证包Hs (Rm ? Rs ? IDs),连同S发送的包,一起发送给C.C检索数据库中M和S的的信息，分别对M和S进行认证，认证通过之后，生成一 个加密密钥 Kc，向 M 发送? Rm), Hm (IDmJ ? IDd’ ? Re)，Hs (IDs，)? Kc,Hs(IDs’ ? Rs) ? IDm’，供M和S对C进行认证，同时向S传递加密的Kc密钥。随后向D 发送Hs (IDs，) ? Kc, Hs (IDs，? Rs)，向其传输加密密钥Kc和D对C的认证信息。M收到之后，解密Hm (IDm，? Rm)和Hm (IDm，? IDd’ ? Re)，完成对C的认证，然后向 S 发送 Hd(IDd’ ? Re) ?Kc，Rc。S收到后，解密核对是否与先前的问询应答一致，认证通过后获得加密密钥Kc。然后将 用Kc加密过的信息传输给M。M收到后，再次加密信息形成Kc ? M ? IDd’ ? Re，然后传输给D。D收到后进行解密，得到所加密的信息。
2.根据权利要求1的安全协议,其中,通信主体M、S均具有存储和生成随机数，加解密 等运算和处理、网络通信功能。
3.根据权利要求1的安全协议，其中，在通信主体M建立一个虚拟的认证服务器，可以 离线对S进行认证和数据收集工作，C离线时安全协议运行与C在线时运行一致。
4.根据权利要求1的安全协议，C和D分别位于军事物联网的网络层，可以部署在同一 个机房甚至服务器上，二者之间的网络连接可以看做是安全的，只需单向认证即可。
5.根据权利要求1的安全协议，M和C，S和C的认证是双向的，认证信息是加密的。
6.根据权利要求2中说明，当M在针对不具备运算和存储功能的传感元器件S’进行数 据收集时，可在S’和M之间设置一个具备运算和存储要求的中间设备，中间设备收集好S’ 的数据之后，再由该中间设备代替安全协议中的S，运行本发明中的安全协议。
7.根据权利要求5的认证方法，其中，C在认证通过后向M传输一个加密密钥Kc，该密 钥跟M和C，S和C之间的共享密钥s和m没有因果关系，不能由一方推导出另一方。
【文档编号】H04L9/30GK103457915SQ201210177752
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2012年6月1日 优先权日:2012年6月1日
【发明者】李俊霖 申请人:李俊霖