体域网中安全通信协议的研究

• 作 者: 丁佳蓉
• 出 处: 上海工程技术大学
• 发表日期: 2020年01期
• 关键词: 体域网 信道特征 身份认证 密钥提取 密钥协商

随着无线通信技术在医疗领域的不断发展,各种可穿戴式无线医疗监护设备的纷纷涌现,无线体域网在医疗方面得以实现和应用。利用放置在人体不同部位的智能化、小型化、低功率的生理传感器自动采集人体心率、体温、血压、心电等多种生命体征从而实时监测人身体的状况,然后通过基站传送至远端的医疗机构来获取相应医疗服务。这样科学有效的生命体征监测的方式不仅为老人的健康医疗提供了一种简单、低成本的手段,有效避免慢性病患者错过最佳治疗期,也解决了由于医疗资源分配不均导致的偏远地区就医难的问题。虽然无线体域网的应用能够给人们带来极大的便利,但由于用户的健康数据是通过开放的无线环境进行传递,缺乏物理保护,所以无线体域网系统存在着各种安全隐患。本文设计了基于信道特征的认证与密钥提取方案来保证整个体域网内的数据安全传输,因为信道特征具有随机性、快速时变性、短时互易性等特点,不但可以解决传统密码学中复杂的密钥分发与管理的问题,规避“四次握手”带来的风险,也降低了认证与加密过程中对软件复杂度的要求。但在实际应用中,基于信道特征的安全通信有如下问题臻待解决:通信双方提取的信道特征不完全对称,有效提高认证的速率和准确率,进一步提高密钥的强度,降低信息协调中存在的能源消耗。本文主要工作如下:体域网中完整的安全通信过程包括控制单元与传感器之间的通信、体上传感器之间的通信。首先,为了避免非法节点伪装成合法节点加入体域网,本文针对控制单元对体上传感器的身份认证问题,提出了将通信双方的CSI指纹特征提取出来,通过递归神经网络训练出RNN模型来进行节点的身份认证。采用的CSI指纹特征能刻画出更加细粒度、丰富的信道信息,用来作为身份认证可以提高认证的准确率,降低了假阳性率和假阴性率;同时采用递归神经网络来训练指纹特征的模型,提高了认证的速率。身份认证是实现体域网内安全通信的关键环节,而密钥提取与分发机制是体域网内数据安全传输的基础,本文针对体域网内传感器节点与控制单元之间的数据安全传输问题,引入了第三方可信机构Victor来提取通信双方的信道特征,然后通过过滤、量化的方式修正后作为传感器节点与控制单元之间的通信密钥,并进行分发。通过实验证明,在正常的工作环境中,可信第三方Victor的介入有效防止了合谋攻击,且解决了体域网内合法节点能源受限的问题。上述工作解决了中心传感器节点与控制单元之间的安全通信问题,但因为体上传感器之间的传输距离较短,既不便于引入第三方可信机构,也很难在认证率和密钥强度之间找到平衡点,所以上面提出的安全机制不适用于体上传感器之间的通信。针对体上传感器之间的认证与密钥提取,本文提出了基于RSS信道特征的认证与密钥协商协议,利用通信传感器之间的RSS指纹信号来启动认证并将RSS指纹特征与双线性结合起来完成密钥协商,更加地灵活高效。为了方便实现,本协议采用的是RSS指纹特征,认证方案打破了之前依赖物理距离来进行认证的局限性,且将体上传感器之间进行密钥协商的开销转移到控制单元上。在随机预言机模型下基于DBDH假设证明了协议的安全性,对协议的实现性能分析结果证明了本协议安全可行。