馬建

摘要：為了減少物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)字簽名方案的計(jì)算開銷，保護(hù)敏感簽名內(nèi)容，在分析物聯(lián)網(wǎng)的安全需求的基礎(chǔ)上，基于SM2算法，提出物聯(lián)網(wǎng)安全數(shù)字簽名方案。通過使用高效安全的對稱加密算法，保證了簽名內(nèi)容的機(jī)密性;使用橢圓曲線進(jìn)行構(gòu)造，提高了方案的計(jì)算效率，可以滿足物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中輕量化要求。分析表明，該方案具有消息的保密性、完整性、抗否認(rèn)性和抗偽造型等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);安全;SM2;數(shù)字簽名;隱私保護(hù)

0引言

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是由相互連接的物體、服務(wù)、人員和設(shè)備構(gòu)成的集合，可以實(shí)現(xiàn)不同領(lǐng)域的信息交互及數(shù)據(jù)共享。物聯(lián)網(wǎng)有很多應(yīng)用領(lǐng)域，從個(gè)體環(huán)境到企業(yè)環(huán)境。近年來，由于射頻識別（RFID）和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）技術(shù)的進(jìn)步，物聯(lián)網(wǎng)得到飛速發(fā)展。雖然物聯(lián)網(wǎng)給人們生活帶了了便利，但與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)類似，各種安全攻擊隨之而來，嚴(yán)重影響了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展和人們的隱私安全。

本文首先分析物聯(lián)網(wǎng)的安全需求，然后介紹了構(gòu)造基礎(chǔ)SM2數(shù)字簽名方案，并給出了安全數(shù)字簽名的具體構(gòu)造，最后進(jìn)行了安全性分析。

1相關(guān)基礎(chǔ)

1.1物聯(lián)網(wǎng)安全需求

物聯(lián)網(wǎng)的基本安全目標(biāo)包括通用網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的機(jī)密性，完整性和可用性。然而，物聯(lián)網(wǎng)由于設(shè)備的異構(gòu)性、計(jì)算和通信資源受限等問題，也使其具有通用系統(tǒng)不一樣的安全問題。物聯(lián)網(wǎng)面臨的安全挑戰(zhàn)可大致分為兩大類：結(jié)構(gòu)性挑戰(zhàn)和安全性挑戰(zhàn)。結(jié)構(gòu)性挑戰(zhàn)源于物聯(lián)網(wǎng)自身的異構(gòu)性和泛在性，安全性挑戰(zhàn)與系統(tǒng)的原理、功能相關(guān)，其基本目標(biāo)就是利用強(qiáng)制機(jī)制構(gòu)建安全網(wǎng)絡(luò)。解決結(jié)構(gòu)性挑戰(zhàn)通常需要考慮無線通信、可擴(kuò)展性、能量和分布結(jié)構(gòu)等因素，而解決安全挑戰(zhàn)則需要考慮身份驗(yàn)證、機(jī)密性、端到端安全性、完整性等問題，安全機(jī)制必須強(qiáng)制貫穿于從系統(tǒng)開發(fā)到運(yùn)營的全生命周期。

常見的安全需求包括：所有物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備上運(yùn)行的軟件須經(jīng)過授權(quán);在開啟IoT設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)收集和發(fā)送前，網(wǎng)絡(luò)必須對其對進(jìn)行身份驗(yàn)證;由于物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備計(jì)算與存儲資源受限，有必要使用防火墻網(wǎng)絡(luò)以過濾定向到設(shè)備的數(shù)據(jù)包;物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的更新和補(bǔ)丁應(yīng)為以不增加額外帶寬消耗的方式安裝。

總體而言，物聯(lián)網(wǎng)的安全需求包括以下幾個(gè)方面。

1）機(jī)密性

確保數(shù)據(jù)安全且僅可供授權(quán)用戶使用。在物聯(lián)網(wǎng)中，用戶可以是人、機(jī)器、服務(wù)、內(nèi)部對象（網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備）和外部對象（非網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備）。例如，必須確保傳感器不會將其收集到的數(shù)據(jù)透露給附近節(jié)點(diǎn)。另一個(gè)考慮的機(jī)密性問題是如何管理數(shù)據(jù)，重要的是物聯(lián)網(wǎng)用戶要意識到數(shù)據(jù)管理機(jī)制應(yīng)用于過程或人員管理，確保數(shù)據(jù)全程受到保護(hù)。

2）完整性

由于物聯(lián)網(wǎng)基于許多不同設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)，因此必須確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性;數(shù)據(jù)是來自正確的發(fā)件人，并確保數(shù)據(jù)在傳輸中未被篡改數(shù)據(jù)，或被有意、無意地干擾。雖然可以通過使用防火墻和協(xié)議來管理數(shù)據(jù)流量，但由于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)計(jì)算和通信資源受限，并不能保證端點(diǎn)的安全性，所以必須考慮其他機(jī)制以實(shí)現(xiàn)完整性。

3）可用性

物聯(lián)網(wǎng)的愿景是連接盡可能多的智能設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)用戶所有數(shù)據(jù)隨時(shí)可用。但是，數(shù)據(jù)不是物聯(lián)網(wǎng)的唯一部分，設(shè)備和相關(guān)服務(wù)必須也可以在需要時(shí)隨時(shí)訪問。支持可用性的方法既可能需要使用容錯(cuò)機(jī)制等通用辦法，也需要考慮基于密碼學(xué)的機(jī)制。

4）可認(rèn)證性

物聯(lián)網(wǎng)中的每個(gè)對象都應(yīng)該能夠被其他對象識別和鑒別，但由于物聯(lián)網(wǎng)自身的特性使得識別和鑒別具有挑戰(zhàn)性，這其中會涉及到設(shè)備、人、服務(wù)提供商等多種類型的實(shí)體，設(shè)計(jì)的鑒別機(jī)制需要兼容異構(gòu)系統(tǒng)的各種實(shí)體類型。此外，也需要考慮到有時(shí)對象可能需要與其他事先沒有共享信息的實(shí)體進(jìn)行交互等特殊場景蚓。

5）輕量化

除了常規(guī)的安全目標(biāo)，考慮到物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)通常為資源受限設(shè)備，所以輕量化也是設(shè)計(jì)安全機(jī)制需要考慮的因素。因此，在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的加密、認(rèn)證、完整性驗(yàn)證等協(xié)議或算法時(shí)，要盡可能使用計(jì)算資源消耗較小的方案，直接將傳統(tǒng)的安全方案套用在物聯(lián)網(wǎng)中并不可取。

1.2SM2數(shù)字簽密算法

sM2數(shù)字簽名算法包括密鑰產(chǎn)生、簽名生成、簽名驗(yàn)證3個(gè)算法：

2基于SM2的物聯(lián)網(wǎng)安全簽名方案

假定物聯(lián)網(wǎng)中的某節(jié)點(diǎn)A需要對消息m進(jìn)行簽名，然后發(fā)給另一節(jié)點(diǎn)B驗(yàn)證。同時(shí)，消息m內(nèi)容屬于敏感信息，因此m不能透露給第三方。傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)為非安全網(wǎng)絡(luò)，因此傳輸過程中可能存在各種類型的攻擊者，方案的系統(tǒng)模型如圖1所示。

為了實(shí)現(xiàn)可以保護(hù)消息內(nèi)容的簽名，本文設(shè)計(jì)了基于sM2數(shù)字簽名方案。在方案中，除了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)外，還有1個(gè)可信第三方——密鑰生成中心（KGC），主要負(fù)責(zé)注冊維護(hù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的公鑰，物聯(lián)網(wǎng)中的所有節(jié)點(diǎn)在加入系統(tǒng)時(shí)首先向KGC提交公鑰和其他必要信息進(jìn)行注冊。本方案的算法基于SM2數(shù)字簽名算法進(jìn)行構(gòu)造，因此與SM2數(shù)字簽名算法類似，包括系統(tǒng)初始化、密鑰生成、簽名生成、簽名驗(yàn)證4個(gè)步驟，具體如下。

1）系統(tǒng)初始化

首先選擇1個(gè)大于160位的大素?cái)?shù)p，然后選擇一條橢圓曲線y=x³+ax+b（4a³+27b²≠Omod p），選擇階為n的基點(diǎn)（生成元）G。選擇1個(gè)安全的對稱加密算法，如SM4，為描述方便起見，本方案中簡寫為E，對應(yīng)的解密算法為D。選擇一個(gè)安全的hash函數(shù)，如SM3，本方案中簡記為H。

3方案分析

1）完整性

由于在本方案中使用了安全哈希函數(shù)H，如果消息垅在加密過程中損壞，或者在簽名傳輸過程中Cm遭到損壞，那么驗(yàn)證者B計(jì)算出的m²與m不相同，根據(jù)哈希函數(shù)的抗碰撞原理，得出的哈希值必然不同，進(jìn)而導(dǎo)致r與r¹不相等，簽名驗(yàn)證無法通過。因此，本方案的完整性得到保證。

2）機(jī)密性

本方案的主要目標(biāo)就是保證簽名內(nèi)容的機(jī)密性，即除了設(shè)定的驗(yàn)證者B外的其他任何實(shí)體，都無法獲知σ中的簽名消息m。事實(shí)上，若攻擊者通過σ來推斷其對應(yīng)的消息m，最直接的方式就是通過破解C-來推導(dǎo)m，但本方案中采用的是如SM4等安全對稱加密算法，因此，攻擊者的無法在有效時(shí)間內(nèi)推導(dǎo)出加密內(nèi)容垅。

3）不可否認(rèn)性

如果A試圖對其關(guān)于m的簽名σ進(jìn)行否認(rèn)，由于本方案中基于SM2簽名方案進(jìn)行構(gòu)造，因此本方案能夠滿足存在性不可偽造特性，除了A以外的任何人都不可能偽造出另一個(gè)與m不同的消息m^#，使其簽名為σ。因此，A不能對其生成的關(guān)于m的簽名σ進(jìn)行否認(rèn)。據(jù)此，本方案實(shí)現(xiàn)了不可否認(rèn)性。

4）輕量化

本簽名方案基于SM2數(shù)字簽名方案進(jìn)行構(gòu)造，而SM2數(shù)字簽名方案基于安全橢圓曲線實(shí)現(xiàn)。眾所周知，橢圓曲線密碼具有極高的計(jì)算效率，在橢圓曲線密碼算法中使用160位的密鑰，即可獲得相當(dāng)于RSA中的1024位密鑰的安全強(qiáng)度。因此，本方案具有輕量級特點(diǎn)，適用于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。

4結(jié)論

本文在分析物聯(lián)網(wǎng)的安全需求的基礎(chǔ)上，考慮到物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中節(jié)點(diǎn)計(jì)算與通信資源受限、節(jié)點(diǎn)動態(tài)變化等特點(diǎn)，基于SM2算法構(gòu)造了一種安全數(shù)字簽名方案。方案利用高效安全的對稱加密算法保證簽名內(nèi)容的機(jī)密性，基于SM2的簽名保證了方案的高效性，因此，本方案完全適用于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下對敏感內(nèi)容進(jìn)行數(shù)字簽名的安全需求。