T-NTRU 物聯(lián)網(wǎng)動態(tài)接入認(rèn)證技術(shù)

　　摘要：物聯(lián)網(wǎng)終端安全接入認(rèn)證是保證電力物聯(lián)網(wǎng)大規(guī)模建設(shè)的關(guān)鍵性技術(shù)。由于傳統(tǒng)的認(rèn)證方案通常采用的橢圓曲線密碼算法，計算量大，不能抵抗量子攻擊。而數(shù)論研究單元算法可以抵抗量子攻擊，與橢圓曲線密碼采用點(diǎn)乘算法相比計算速度快。因此提出了一種T-NTRU 物聯(lián)網(wǎng)動態(tài)安全接入認(rèn)證算法，使用動態(tài)變化時間序列通過哈希函數(shù)產(chǎn)生動態(tài)密鑰，解決了固定哈希函數(shù)產(chǎn)生固定密鑰的內(nèi)部攻擊安全問題。分別在計算機(jī)和單片機(jī)上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與傳統(tǒng)橢圓曲線密碼計算相比較，T-NTRU 算法減少了約97%計算量，與典型的數(shù)論研究單元算法計算量相當(dāng)，適合資源受限的電力物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求。

　　本文源自李興華; 蔡覺平; 李曉龍; 王峰; 閆振華， 西安電子科技大學(xué)學(xué)報 發(fā)表時間：2021-04-13 13:30《西安電子科技大學(xué)學(xué)報》是電子信息學(xué)科的學(xué)術(shù)刊物，雙月刊 , 國內(nèi)外公開發(fā)行。我們的辦刊方針是：發(fā)揮我校的學(xué)術(shù)優(yōu)勢，反映國內(nèi)外高質(zhì)量、高水平的最新科研成果，體現(xiàn)通信與電子信息特色，擴(kuò)大學(xué)報的影響，促進(jìn)國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流，熱心培養(yǎng)學(xué)術(shù)人才，為"科教興國"和"科教興校"服務(wù)。榮獲陜西省優(yōu)秀期刊、曾13次榮獲省部級優(yōu)秀期刊榮譽(yù)和優(yōu)秀編輯質(zhì)量獎;2006年榮獲首屆中國高校優(yōu)秀科技期刊獎，《物理學(xué)、電技術(shù)、計算機(jī)及控制信息數(shù)據(jù)庫》教育部優(yōu)秀高校學(xué)報。

　　關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);數(shù)論研究單元算法;安全認(rèn)證

　　物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)的快速發(fā)展使得越來越多的設(shè)備部署到物聯(lián)網(wǎng)中，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和復(fù)雜度不斷提高，物聯(lián)網(wǎng)的安全性問題日益嚴(yán)重，物聯(lián)網(wǎng)終端安全接入問題是一項關(guān)鍵性技術(shù)[1-3]。電力物聯(lián)網(wǎng)是一種典型的物聯(lián)網(wǎng)，具有規(guī)模大、復(fù)雜度高、安全性高的技術(shù)特點(diǎn)[4]。電力物聯(lián)網(wǎng)感知層終端設(shè)備數(shù)量巨大、計算能力低，已有的物聯(lián)網(wǎng)安全接入?yún)f(xié)議已經(jīng)不能滿足電力物聯(lián)網(wǎng)安全接入的應(yīng)用要求[5]。2010 年至今，國內(nèi)外多起電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)破壞均是由于物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的安全性能差，使得網(wǎng)絡(luò)攻擊從終端發(fā)起攻擊至系統(tǒng)平臺[6]，網(wǎng)絡(luò)接入安全性提升成為關(guān)鍵性技術(shù)問題。

　　物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備受到算力和功耗等資源限制，很難執(zhí)行復(fù)雜的認(rèn)證和加密算法。目前大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證方案采用橢圓曲線密碼(Elliptic Curve Cryptography，ECC)，但是橢圓曲線密碼算法涉及到點(diǎn)乘運(yùn)算，計算效率低，不適合應(yīng)用到采用低功耗嵌入式技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)終端中。同時，橢圓曲線密碼算法的安全性對于橢圓曲線的離散對數(shù)性能敏感，易被Shor 算法破解[7--8]，不能抵抗量子攻擊。

　　輕量化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備安全接入認(rèn)證方案研究是目前物聯(lián)網(wǎng)安全的主流趨勢和研究熱點(diǎn)[9]。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要采用輕量級的安全認(rèn)證技術(shù)，以提高在低功耗嵌入式物聯(lián)網(wǎng)終端的適用性。NTRU(Number Theory Research Unit)是由Hoffstein 等人提出的一種基于格理論的輕量級公鑰密碼算法[10]，基于格的公鑰密碼體制對量子敵手具有強(qiáng)大的抵抗力。與其它公鑰加密系統(tǒng)相比，NTRU 具有內(nèi)存和計算量少、加解密和簽名 /驗(yàn)證速度快、安全性高等優(yōu)勢，更適用于資源受限的無線通信環(huán)境。現(xiàn)在，美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所(NIST)正在領(lǐng)導(dǎo)后量子密碼技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化，NTRU 密碼體制被認(rèn)為是最有前途的標(biāo)準(zhǔn)之一，這使得NTRU 密碼體制成為研究熱點(diǎn)。

　　Chen 和Peng 提出了一種基于NTRU 的無線網(wǎng)絡(luò)切換認(rèn)證方案[11]，該方案具有較低的復(fù)雜度，對于量子攻擊具有高效率的抵抗性能。在該方案中，移動節(jié)點(diǎn)(Mobile Node ,MN)能夠無縫地從一個接入點(diǎn)(Access Point, AP)的覆蓋范圍移動到另一個接入點(diǎn)的覆蓋范圍，并且在認(rèn)證服務(wù)器(Authentication Server, AS)的幫助下以安全的方式與這些接入點(diǎn)通信。然而該方案可能存在內(nèi)部攻擊[12]，具體來說，任何移動節(jié)點(diǎn)或接入點(diǎn)都可以恢復(fù)認(rèn)證服務(wù)器的秘密，因?yàn)檫@個秘密在Chen 和Peng 的計劃中起著至關(guān)重要的作用，任何擁有這個秘密的人都可以冒充認(rèn)證服務(wù)器。Qingxuan Wang 提出了一種只在認(rèn)證服務(wù)器和接入點(diǎn)之間建立秘密的解決方案，既能保持原協(xié)議的所有特性，又能防止所提出的內(nèi)部攻擊，同時只需很少的計算和通信開銷[13]。

　　但是認(rèn)證服務(wù)器和接入點(diǎn)之間信息交互時間長，容易被攻擊的因素依然存在，對電力物聯(lián)網(wǎng)等高安全性物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的安全接入保障能力依然較差。在電力物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)服務(wù)器接收來自不同移動節(jié)點(diǎn)的信息，這些信息包括功率、溫度、工作狀態(tài)等，同時也要求記錄移動節(jié)點(diǎn)采集這些數(shù)據(jù)的時間信息。因此電力物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是一種典型的時間同步的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，但是全網(wǎng)同步精度較低，通常在分鐘級別。這種粗同步物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)可以提供全網(wǎng)同步的動態(tài)時間信息。

　　筆者提出了一種隨時間信息變化的T-NTRU電力物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)動態(tài)接入認(rèn)證技術(shù)。通過全網(wǎng)同步時間變化，構(gòu)建了T-NTRU算法中的一種隨時間變化的動態(tài)變化的哈希函數(shù)，進(jìn)一步增強(qiáng)了物聯(lián)網(wǎng)相互認(rèn)證的安全性。該方法計算量小，不增加已有NTRU 安全認(rèn)證技術(shù)的交互數(shù)據(jù)量，適應(yīng)于計算量和功耗受限的嵌入式物聯(lián)網(wǎng)安全認(rèn)證環(huán)境。

　　1 NTRU 算法基礎(chǔ)

　　NTRU 算法是基于尋求一個最短矢量困難問題(Shortest Vector Problem，SVP)與RSA(Rivest -ShamirAdleman)，與其他非對稱密碼系統(tǒng)相比較復(fù)雜性更高。NTRU 根據(jù)不同的安全級別可以進(jìn)行不同的參數(shù)集選擇，NTRU 參數(shù)集如表1 所示[14]。

　　下面先對NTRU 密碼體制作了簡要的回顧，更多細(xì)節(jié)可以在參考文獻(xiàn)[10]的研究中進(jìn)行了解。NTRU 算法的安全性依賴于格中最短向量問題SVP。NTRU 密碼系統(tǒng)工作在環(huán)R 上：

　　R Z X X ? ? (1)核心包括 ( , , ) N P q 是3 個整數(shù)參數(shù)，(Lf , Lg, Lr , Lm)是4 個擁有整數(shù){0,1}系數(shù)的N-1 次多項式集，多項式滿足公式： 1 0 1 1 0 [ , , , ] {1, 0} N i i N i i F F x F F F F ???? ? ? ? (2)用*表示環(huán)R 上的乘法運(yùn)算，例如H=F*G 可以計算為 1 0 1 (m o d ) G k N k i k i i N k i i j i i k i j k N H F F G F G ?? ? ?? ? ? ? ?? ? ? ? ? ? (3)

　　1.1 系統(tǒng)參數(shù)

　　(1)N 為正素數(shù);(2)p 和q 互素，滿足gcd(p,q)=1;(3)q 大于p，通常p=2 or 3。

　　1.2 密鑰生成

　　(1)隨機(jī)選取兩個多項式 f f L ?和 g g L ?。多項式 f 滿足存在 p q F R ?和 q q F R ?，滿足條件： 1(m o d ) q F f q ? ? (4) 1(m o d ) p F f p ? ? (5)(2)公共密鑰產(chǎn)生如式(6)，其中h 為公共密鑰，相應(yīng)的私有密鑰為(f，F(xiàn)p)。 (m o d ) q h F g q ? ? (6)

　　1.3 加密算法

　　多項式 m m L ?可以通過采用公共哈希函數(shù)從明文信息M 中得到。選擇多項式 r r L ?，密文信息e 可以通過式(7)計算產(chǎn)生: e p r h m q ? ? * ( m o d ) (7)

　　1.4 解密算法

　　首先計算得到多項式a 式(8)，其中a 的系數(shù)在(? q q / 2 , / 2 )。 a f e q p r g f m q ? ? ? ? ? ? ( m o d ) ( m o d ) (8)相應(yīng)解密信息m 為 (m o d ) m F a p p ? ? (9)

　　2 時間同步電力物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)和動態(tài)哈希函數(shù)

　　2.1 時間同步電力物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)

　　電力物聯(lián)網(wǎng)是一種大規(guī)模工業(yè)級物聯(lián)網(wǎng)，其體系結(jié)構(gòu)包括了物聯(lián)網(wǎng)感知延伸層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和平臺應(yīng)用層三種典型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[15]。為了解決云化主站的網(wǎng)絡(luò)擁塞和操作延遲問題，提出了采用邊緣計算應(yīng)用層解決物聯(lián)網(wǎng)終端的安全接入和邊緣計算，實(shí)現(xiàn)海量電力物聯(lián)網(wǎng)終端接入。

　　在邊緣計算應(yīng)用層，采用邊緣計算服務(wù)器對來自NB-IoT、eMTC、LoRa 和Sigfox 等標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)終端進(jìn)行安全接入。圖1 是電力物聯(lián)網(wǎng)終端安全接入具體流程。

　　NB-IoT 和eMTC 設(shè)備通過移動基站，LoRa 和Sigfox 設(shè)備通過專用物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備接入具有邊緣計算功能的MME(Mobility Management Entity)服務(wù)器。MME 服務(wù)器具有接入和邊緣計算能力，可以實(shí)現(xiàn)不同標(biāo)準(zhǔn)的電力物聯(lián)網(wǎng)終端安全認(rèn)證和接入。經(jīng)過安全認(rèn)證后的數(shù)據(jù)由MME 服務(wù)器傳輸給系統(tǒng)用戶HSS (Home Subscriber Server，)服務(wù)器。在安全認(rèn)證過程中，HSS 服務(wù)器保存安全認(rèn)證所需要的公有密鑰、 HSS 私有密鑰和用戶身份等信息，并通過MME 實(shí)現(xiàn)電力物聯(lián)網(wǎng)安全認(rèn)證信息的更新。

　　電力物聯(lián)網(wǎng)需要對終端采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行時間記錄，因此是一種時間同步的物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)?？紤]到成本和功耗要求，以及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對于時間信息精度要求，電力物聯(lián)網(wǎng)的同步精度較低，通常的精度要求在分鐘級。

　　2.2 基于時間信息的動態(tài)哈希函數(shù)生成

　　NTRU 安全認(rèn)證算法中，核心參數(shù)和多項式集是靜態(tài)的，需要通過MME 服務(wù)器進(jìn)行全網(wǎng)絡(luò)更新，存在攻擊的可能性，文獻(xiàn)[13]采用動態(tài)改變 g g L ?來提高網(wǎng)路系統(tǒng)的抗攻擊性能;文獻(xiàn)[16]采用三輪交互方式提高NTRU 算法抗重放攻擊性能。

　　根據(jù)電力物聯(lián)網(wǎng)時間同步特點(diǎn)，筆者提出了一種基于時間信息的動態(tài)哈希函數(shù)生成方式，不需要進(jìn)行全網(wǎng)更新，可以實(shí)現(xiàn)NTRU 算法的動態(tài)更新。

　　在NTRU 安全認(rèn)證算法中，需要使用安全的哈希函數(shù)進(jìn)行計算。在已有算法和認(rèn)證方案中，哈希函數(shù)需要 HSS 服務(wù)器通過安全途徑同步到 MME、AP 和 MN 中。哈希函數(shù)在全網(wǎng)同步使用時間長，更新速度慢。當(dāng)存在內(nèi)部攻擊時，長時間靜態(tài)哈希函數(shù)缺少動態(tài)變化，使得網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的易被攻擊。

　　根據(jù)電力物聯(lián)網(wǎng)時間同步要求，根據(jù)年、月、日、小時、分鐘，構(gòu)成了一組 32bits 時間序列，這個序列隨時間動態(tài)變化，如圖2 所示。

　　在工業(yè)強(qiáng)度 NTRU 安全級別中，采用 128bits 強(qiáng)度對稱加密系統(tǒng)，在傳統(tǒng)的 NTRU 算法中[11-13]，采用的是固定的哈希函數(shù)。當(dāng)內(nèi)部攻擊者取得相關(guān)信息后，有足夠時間計算破解哈希函數(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)存在被攻擊風(fēng)險。將32bits 時間序列擴(kuò)展至128bits 密鑰，按分鐘通過哈希函數(shù)動態(tài)改變密鑰，可以有效抵抗內(nèi)部攻擊風(fēng)險。

　　哈希函數(shù)的擴(kuò)展密鑰生成方法如圖 3 所示，將 32bits 電力物聯(lián)網(wǎng)時間序列按 8bits 分割為 4 個字節(jié) 0 1 2 3 { , , , } K K K K ，分別經(jīng)過4 個滿秩變化矩陣 0 1 2 3 B O X B O X B O X B O X , , , ：

　　經(jīng)過將 4 個字節(jié) 0 1 2 3 { , , , } K K K K 通過 BOXi (i=0,12,3)進(jìn)行矩陣變換，可以得到 4 組擴(kuò)展序列 00 01 02 03 { , , , } K K K K ， 1 0 1 1 1 2 1 3 { , , , } K K K K ， 2 0 2 1 2 2 2 3 { , , , } K K K K ， 3 0 3 1 3 2 3 3 { , , , }

　　從而得到128bits 哈希函數(shù) 1 :{1} 128 N H L N ? ?? ?，該哈希函數(shù)每分鐘變換一次。 0 0 0 1 0 2 0 3 1 0 1 1 1 2 1 3 2 0 2 1 2 2 2 3 3 0 3 1 3 2 3 3 K e y K K K K K K K K K K K K K K K K ? { , , , , , , , , , , , , , , , } (13)當(dāng)采用不同參數(shù)N 的NTRU 算法時，可以通過采用不同數(shù)量和壓縮比的滿秩變化矩陣，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)時間序列的擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)不同參數(shù)N 所對應(yīng)的哈希函數(shù) 1 : {1} N H L ? ?? 。

　　3 基于時間變換的 T-NTRU 安全認(rèn)證加密算法

　　在NTRU 算法優(yōu)越性基礎(chǔ)上，提出一種隨時間信息變換的T-NTRU 安全認(rèn)證算法。由于傳統(tǒng)的NTRU 算法存在網(wǎng)絡(luò)攻擊的可能性，采用隨時間變換的哈希函數(shù)， T-NTRU 安全認(rèn)證算法隨時間產(chǎn)生變換，通過在AP 端的時間哈希函數(shù)解析和認(rèn)證，可以有效提高抗網(wǎng)絡(luò)攻擊性能。

　　3.1 網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證初始化

　　(1)HSS 服務(wù)器初始化：網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證初始化首先進(jìn)行 HSS 服務(wù)器初始化， HSS 服務(wù)器選擇滿足 NTRU 算法的3 個整數(shù)(N, p, q)和4 個多項式集(Lf , Lg, Lr , Lm)，在本文中選取NTRU 工業(yè)強(qiáng)度 N=127，對于不同應(yīng)用需求也可以選擇相應(yīng)參數(shù) N。同時選擇一個多項式 g g L ?和哈希函數(shù)產(chǎn)生所需變化矩陣 BOXi (i=0,12,3)。

　　(2)MME 服務(wù)器初始化：在HSS 服務(wù)器初始化完成后，HSS 服務(wù)器通過安全信道向邊緣計算MME 服務(wù)器選擇一個多項式 M M E f f L ?作為私鑰，并根據(jù)式(14)計算公鑰 hMME,通過 HSS 將公私鑰 1 { , ( , )} M M E M M E M M E h f f ? 對發(fā)送給MME 服務(wù)器，其中 1 MME f ? 是 MME f 在環(huán)R 上的逆。 * ( m o d ) M M E P h F g q ? (14)

　　HSS 服務(wù)器發(fā)布{ BOXi (i=0,12,3), N, p, q, Lr , Lm, hMME}作為整個系統(tǒng)參數(shù)，并把{g, Lf , Lg}作為非公開信息保存。

　　(3)終端設(shè)備初始化：HSS 服務(wù)器通過安全信道為每一個物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備Di分配一個獨(dú)有的N 比特PIDi作為身份信息，并選擇一個多項式 D f i f L ?，按式(15)計算其公鑰,其中 1 i D f ? 是 i D f 在環(huán)R 上的逆。公私鑰對 1 { , ( , )} i i i D D D h f f ? 可以通過設(shè)備Di部署前設(shè)置，或通過HSS 服務(wù)器通過可靠方式配置給設(shè)備Di。 1 * (m o d ) i i D D h f g q ?? (15)

　　3.2 物聯(lián)網(wǎng)終端認(rèn)證登錄

　　當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備Di需要發(fā)起通信時需要發(fā)送認(rèn)證信息{ Mi ,A1}。其計算過程是：首先隨機(jī)選擇一個多項式 i r r L ?，并計算加密信息 i e ： * (m o d ) i i M M E i D e p h r h q ? ? (16)生成身份驗(yàn)證碼Ii： 1 * i i i D D I f h ?? (17)然后生成信息組： Mi=(PIDi ||ei) (18)生成共享會話密鑰： Si=H(PIDi ||I1i) (19)生成認(rèn)證信息： A1= H( Mi ||Si) (20)

　　物聯(lián)網(wǎng)終端Di向邊緣計算服務(wù)器MME 發(fā)送信息{ Mi ,A1}。應(yīng)該指出的是，傳統(tǒng)NTRU 算法通過發(fā)送物聯(lián)網(wǎng)終端時間序列為MME 服務(wù)器提供時間信息，在本方案中由于哈希函數(shù)H 包含時間信息，并且網(wǎng)絡(luò)時間變換，因此T-NTRU 算法不需要發(fā)送傳統(tǒng)NTRU 算法所需時間信息，在提高網(wǎng)絡(luò)接入安全性情況下，同時減小了網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸量。

　　3.3 MME 服務(wù)器驗(yàn)證

　　在邊緣計算服務(wù)器MME 接收到物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備Di發(fā)來的認(rèn)證請求后，獲得到{ Mi , A1}。從Mi通過解算ei可以直接得到終端設(shè)備公鑰信息 MME h ，并利用式(21)計算身份認(rèn)證碼I2，MME： 1 2 * M M E M M E M M E I f h ??， (21)

　　然后，邊緣計算MME 服務(wù)器計算共享會話密鑰信息 i SK 。在本文中，物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)是一種粗同步網(wǎng)絡(luò)，物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備Di與邊緣服務(wù)器MME 之間具有一定的同步性，但是由于定時信息和網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲等原因，終端設(shè)備和邊緣服務(wù)器之間存在一定的誤差。本方案中，電力物聯(lián)網(wǎng)時間序列的精度為分鐘，可以容忍較粗精度誤差。為了保證終端節(jié)點(diǎn)的低計算量、低功耗性能要求，在邊緣計算MME 服務(wù)器端計算三個相鄰時間點(diǎn)的哈希函數(shù) 1 H ? 、 0 H 和 1 H 來實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)終端和服務(wù)器之間的同步特性，其密鑰分別為 1 K ? 、 0 K 和 1 K ： , 0 0 , 0 1 , 0 2 , 0 3 ,1 0 ,1 1 ,1 2 ,1 3 , 2 0 , 2 1 , 2 2 , 2 3 , 3 0 , 3 1 , 3 2 , 3 3 { , , , , , , , , , , , , , , , } 1, 0 ,1 j j j j j j j j j j j j j j j j j K K K K K K K K K K K K K K K K K j ? ? ?(22)

　　根據(jù)接收到的 i P ID 信息和計算得到的 2 MME I ，信息，分別使用 ( 1, 0 ,1) H j j ? ?計算得到三個 j i, S 信息： , 2 , ( || ) 1, 0 ,1 j i j i M M E S H P ID I j ? ? ? (23)

　　進(jìn)一步計算得到三個共享會話密鑰信息 , ( || ) ( 1,0,1) H M S j j i j i ? ?，將這三個計算得到共享會話信息分別與 Auth1進(jìn)行對比，如果有其中一個結(jié)果匹配，則邊緣計算 MME 服務(wù)器認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)終端 Di接入是合法。該方法可以在網(wǎng)絡(luò)粗同步的情況下，實(shí)現(xiàn)邊緣服務(wù)器對于時間變化哈希函數(shù)的正確計算。

　　邊緣計算 MME 服務(wù)器計算得到返回認(rèn)證信息 Auth2，并將該信息發(fā)送給物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備 Di，具體計算過程如式(24)，其中哈希函數(shù)H 是邊緣計算MME 服務(wù)器經(jīng)過計算判斷得到的來自物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備Di認(rèn)證請求的哈希函數(shù)： 2 2 , ( || || ) i M M E i A H P ID I S K ? (24)

　　3.4 物聯(lián)網(wǎng)終端驗(yàn)證

　　接收到邊緣計算 MME 服務(wù)器的認(rèn)證信息后，物聯(lián)網(wǎng)終端 Di首先驗(yàn)證 PIDi防止網(wǎng)絡(luò)接力攻擊，然后計算 2 , ( || || ) H P ID I S K i M M E i 并與 A2 進(jìn)行對比。如果比對成功，則認(rèn)為該服務(wù)器是合法服務(wù)器可以接入，建立移動終端Di與邊緣計算MME 服務(wù)器之間的加密安全信道，并通過Si作為共享會話密鑰進(jìn)行數(shù)據(jù)加密。否則結(jié)束接入過程，并重新發(fā)起接入認(rèn)證。

　　4 網(wǎng)絡(luò)安全性能分析

　　在NTRU 安全認(rèn)證的基礎(chǔ)上，通過采用隨時間變換的哈希函數(shù)代替固定的哈希函數(shù)，減少了認(rèn)證所需的時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r，隨時間動態(tài)變換的T-NTRU 網(wǎng)絡(luò)接入安全認(rèn)證算法進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)安全性能。該方案繼承了NTRU 算法抗量子攻擊性能，同時在抗重放攻擊、相互認(rèn)證和密鑰協(xié)商性能、用戶匿名性和抵抗模仿攻擊等性能方面顯著增強(qiáng)。

　　4.1 抵抗重放攻擊

　　當(dāng)攻擊者截斷了以前認(rèn)證過程中的信息，就可以利用這些信息對設(shè)備或服務(wù)器發(fā)動重放攻擊。重放攻擊分兩種情況，一種是模仿物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備Di，一種是模仿邊緣計算服務(wù)器MME。

　　當(dāng)攻擊者模仿終端設(shè)備Di時，重放{ Mi , A1}給服務(wù)器;當(dāng)攻擊者模仿邊緣服務(wù)器MME 時，攻擊者重放 2 2 , ( || || ) i M M E i A H P ID I S K ?信息給終端設(shè)備Di。由于終端Di和邊緣服務(wù)器MME 采用的哈希函數(shù)H 隨時間變化，同時認(rèn)證信息和數(shù)據(jù)密鑰信息使用了隨時間變化的哈希函數(shù)，因此具有較強(qiáng)的抗重放攻擊性能。

　　4.2 相互認(rèn)證和密鑰協(xié)商性能

　　在物聯(lián)網(wǎng)終端和邊緣計算MME 服務(wù)器之間共享了相同的密鑰: 1 1 2 1 , , * (m o d ) * (m o d ) i i D D M M E M M E M M E i I f h q f h q I ???? ? (25) 因此，可以在物聯(lián)網(wǎng)終端和邊緣計算MME 服務(wù)器直接計算 1 1 * (m o d ) * (m o d ) i i D D M M E M M E f h q f h q ? ??進(jìn)行認(rèn)證。在物聯(lián)網(wǎng)終端登錄階段，終端設(shè)備 Di 生成了共享會話密鑰 Si=H(PIDi ||I1,i)和網(wǎng)絡(luò)身份認(rèn)證信息 A1= H(Mi ||Si)。在不知道密鑰 1 i D f ? 和 1 MME f ? 的情況下，同時使用隨時間變化的哈希函數(shù) H，第三方無法生成隨時間變化的會話密鑰，可以保證網(wǎng)絡(luò)接入安全性。

　　4.3 用戶的匿名性

　　物聯(lián)網(wǎng)終端Di的PID 只在終端登錄時使用一次，而且由于多項式 i r 在每次會話中隨機(jī)選取，且只會使用一次，同時使用隨時間變化的哈希函數(shù)H，認(rèn)證信息{ Mi , A1}每次均會變化。同時如果潛在的網(wǎng)絡(luò)攻擊方在接入過程中從物聯(lián)網(wǎng)終端Di的Mi獲取到了PIDi信息，但是無法進(jìn)行在HSS 端的認(rèn)證，因此該方案可以提供物聯(lián)網(wǎng)終端的匿名性。”

　　4.4 抵抗假冒模仿攻擊

　　在本方案中公鑰和密鑰信息是通過 HSS 服務(wù)器進(jìn)行不定時隨機(jī)分配，而且 HSS 服務(wù)器是獨(dú)立于邊緣計算MME 服務(wù)器和電力物聯(lián)網(wǎng)終端的。網(wǎng)絡(luò)攻擊者在沒有 1 MME f ? 和 1 i D f ? 情況下，無法生成 I2,MME和I1,i，因此無法生成合法的會話密鑰 i S ，也就無法進(jìn)行模仿攻擊。

　　5 計算復(fù)雜度和性能分析

　　5.1 計算復(fù)雜度分析

　　T-NTRU 方案與相關(guān)物聯(lián)網(wǎng)終端接入認(rèn)證方案進(jìn)行比較，主要是與 ECC 接入認(rèn)證方案[17]和 NTRU[11,16]認(rèn)證方案進(jìn)行比較。NTRU[11]算法是一種精簡計算量方法，網(wǎng)絡(luò)安全性能存在隱患[13]， NTRU[16]算法采用三輪交互方式，提高了抗重放攻擊等網(wǎng)絡(luò)安全性能。

　　為了有效比較，均采用 128bits 安全級別，其中 TP表示 ECC 點(diǎn)乘運(yùn)算時間;TE表示 NTRU 加密所需時間;TD表示 NTRU 解密所需時間;TMUL表示多項式乘法運(yùn)算時間;TH表示公式(12)產(chǎn)生時間變化哈希函數(shù)計算時間。

　　應(yīng)該指出的是，在邊緣計算 MME 服務(wù)器端 ( 1, 0 ,1) H j j ? ?可以只需要計算 -1 H ，然后通過簡單計算就可以得到 0 H 和 1 H 。由于相鄰時間序列 0 1 2 3 { , , , } K K K K 增加 1，在已知 -1 H 情況下，根據(jù)公式(12)和(22)可以通過簡單加法計算得到 0 H 和 1 H ，當(dāng)計算得到 j ik , K ， j ik 1, K ?可以通過式(26)計算得到。那么在邊緣計算MME 端僅會增加32 次加法運(yùn)算，與NTRU 整體運(yùn)算量相比較可以忽略。

　　采用Java 實(shí)現(xiàn)邊緣計算MME 服務(wù)器T-NTRU 算法，采用C 語言實(shí)現(xiàn)電力物聯(lián)網(wǎng)終端T-NTRU 算法。在MME 服務(wù)器端使用Intel i7-10700 3.8GHz 處理器，T-NTRU 算法使用tbuktu/ntru 庫，ECC 算法采用JECC 庫。在物聯(lián)網(wǎng)終端采用STM32F302RD 72MHz 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)支持NB-IoT 和LoRa 標(biāo)準(zhǔn)[18-19]NTRU 和ECC 算法;采用海思Hi3559 1.8GHz 雙核A73 處理器實(shí)現(xiàn)支持eMTC 標(biāo)準(zhǔn)[20]的NTRU 和ECC 算法。經(jīng)過100 次測，獲得運(yùn)算時間的平均值，如表2 和表3 所示。

　　可以看到，采用T-NTRU 算法在STM32 單片機(jī)、Hi3559 和邊緣計算MME 服務(wù)器上的計算時間分別為上的計算時間為24.86ms、1.84ms 和0.73ms，NB-IoT 和LoRa 設(shè)備T-NTRU 總執(zhí)行時間為25.59ms，eMTC 設(shè)備 T-NTRU 總執(zhí)行時間為 2.57ms，相比較 ECC 認(rèn)證方法[17]，分別減小了約 97%和;相比較文獻(xiàn)[16]方法減少了約83%，與NTRU 精簡計算方法[11]執(zhí)行時間相當(dāng)。根據(jù)邊緣計算MME 服務(wù)器計算時間推理，采用Intel i7 處理器可以在1 分鐘內(nèi)進(jìn)行最大82191 次物聯(lián)網(wǎng)終端安全認(rèn)證，可以滿足大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)終端安全接入性能要求。

　　5.2 網(wǎng)絡(luò)延性能分析

　　為了有效驗(yàn)證基于NB-IoT、LoRa 和eMTC 標(biāo)準(zhǔn)的物聯(lián)網(wǎng)終端安全認(rèn)證性能，建立邊緣計算MME 服務(wù)器，開展網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證延遲性能驗(yàn)證。NB-IoT 標(biāo)準(zhǔn)選擇了中國電信WH-NB73-B5 模塊，LoRa 標(biāo)準(zhǔn)采用 WH-101-L-P 模塊和USG-LG210-L 網(wǎng)關(guān)，eMTC 采用華為MH5000-31 5G 網(wǎng)卡，邊緣計算服務(wù)器采用阿里云2 個Xeon Platinum 8269 核心 4G 內(nèi)存 200M 帶寬服務(wù)器。

　　在實(shí)驗(yàn)過程中采用5 個NB-IoT 設(shè)備，5 個LoRa 設(shè)備，每個設(shè)備的有效數(shù)據(jù)量為256Bytes;仿真系統(tǒng)采用1 路H.265 編碼的720P@30 幀視頻碼流通過5G 網(wǎng)卡模擬eMTC 標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)驗(yàn)過程中，每個設(shè)備按5 分鐘進(jìn)行一次接入認(rèn)證，共接入200 次，經(jīng)統(tǒng)計得到了平均認(rèn)證延遲時間。

　　從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，筆者提出的方案可以有效地支撐采用不同技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的安全認(rèn)證，適合于物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證技術(shù)需求。

　　6 總 結(jié)

　　物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)具有大規(guī)模、多協(xié)議、多種業(yè)務(wù)并存技術(shù)特點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)安全認(rèn)證計算量大、安全性要求高。筆者提出的T-NTRU 物聯(lián)網(wǎng)動態(tài)接入認(rèn)證技術(shù)，使用動態(tài)變化時間序列作為哈希函數(shù)密鑰，解決了NTRU 采用固定哈希函數(shù)產(chǎn)生的內(nèi)部攻擊安全問題。通過使用邊緣計算MME 服務(wù)器與系統(tǒng)HSS 服務(wù)器隔離的技術(shù)途徑，解決了海量物聯(lián)網(wǎng)終端安全接入計算量大的問題，并具有高安全性，適用于電力物聯(lián)網(wǎng)的安全認(rèn)證。