引言

　　隨著中國社會經(jīng)濟(jì)的持續(xù)迅猛發(fā)展，人們的生活水平不斷提高，人們在住宅方面的觀念也潛移默化，由原來的居住溫飽逐漸地傾向于舒適和方便。在此背景下，智能家居產(chǎn)業(yè)如雨后春筍般蓬勃發(fā)展，蒸蒸日上，從概念到實(shí)際應(yīng)用，正一步一步地走進(jìn)我們的生活。智能家居的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，讓我們能夠隨時(shí)隨地而輕松快捷地了解家庭狀況，并且進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控，極大方便了我們的生活，吸弓了大量消費(fèi)者的眼球。然而，這種遠(yuǎn)程控制是否可靠，是否會被不法分子非法控制，這一系列的不安因素讓許多用戶望而止步。智能家居遠(yuǎn)程控制的安全性，直接或間接地關(guān)系到我們的生命財(cái)產(chǎn)安全，所以對智能家居的信息安全研究亥壞容緩。

　　1密鑰管理技術(shù)發(fā)展

　　現(xiàn)代信息安全技術(shù)是基于密鑰完成的，因此密鑰的安全管理和分配是現(xiàn)代信息安全的重要基礎(chǔ)。有效的密鑰管理機(jī)制也是其他安全機(jī)制，如安全路由、安全定位、安全數(shù)據(jù)融合及針對特定攻擊的解決方案等的基礎(chǔ)。

　　密鑰技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了一段曲折漫長的道路。1976年，Diffie、Hellman提出了著名的D-H密鑰分發(fā)體制，第一次解決了不依賴秘密信道的密鑰分發(fā)問題，但這種體制只能用于會話密鑰的交換，而且不能抵抗中間人攻擊（attackinthemiddle）。1978年，Kohnfelder提出了CA認(rèn)證機(jī)構(gòu)概念，采用密鑰動態(tài)分發(fā)的管理體制，公鑰以CA證書形式公布，用于解決密鑰的規(guī)模化問題。1991年，相繼出現(xiàn)了PGP、PEM，首次提出密鑰由個(gè)人生成的分散式體系。各依賴方各自建立密鑰環(huán)，將常用對方公鑰儲存在自己設(shè)備中。1996年，提出了SPKI解決方案叫PKI設(shè)立了證書授權(quán)中心機(jī)構(gòu)（CertificateAuthority，CA），證明公鑰和標(biāo)識的一體化，防止他人冒名；創(chuàng)立了多層CA架構(gòu)，以解決密鑰的規(guī)模化問題。PKI的另一進(jìn)展是利用提供數(shù)字簽名的功能，構(gòu)建在線認(rèn)證系統(tǒng)，從而大大推動了認(rèn)證理論的發(fā)展。由于需要數(shù)據(jù)庫的在線支持，應(yīng)用效率不高，維護(hù)代價(jià)過高。

　　2001年，Boneh和Franklin利用Weil對理論，將標(biāo)識作為公鑰，私鑰由密鑰中心產(chǎn)生配發(fā)的新體制，實(shí)現(xiàn)了Shamir的基于標(biāo)識密碼（IdentityBasedEncryption,IBE）設(shè)想叫此方案將個(gè)體的唯一標(biāo)識符或網(wǎng)絡(luò)地址作為它的公鑰，從而兩通信方不需要交換私鑰或公鑰來解密和驗(yàn)證簽名，也無需保存密鑰目錄，取消了依靠第三方證明的層次化CA機(jī)構(gòu)鏈。但是，該方案仍然需要數(shù)據(jù)庫的在線支持，同樣效率不高。

　　2矩陣密鑰管理方案

　　智能家居的網(wǎng)路大部分都是無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WirelessSensorNetworks，WSN），相對于傳統(tǒng)有線網(wǎng)絡(luò)，WSN的開放性使得網(wǎng)絡(luò)更加地容易受到竊聽、干擾等各種攻擊。有線網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)連接是相對固定的，具有確定的邊界，攻擊者必須物理地接入網(wǎng)絡(luò)或經(jīng)過物理邊界，如防火墻和網(wǎng)關(guān)，才能進(jìn)入到有線網(wǎng)絡(luò)。通過對接入端口的管理可以有效地控制非法用戶的接入。而無線網(wǎng)絡(luò)則沒有一個(gè)明確的防御邊界。首先，無線網(wǎng)絡(luò)的開放性帶來了信息截取、未授權(quán)使用服務(wù)、惡意注入信息等一系列信息安全問題。其次，WSN節(jié)點(diǎn)大部分都是低端的處理器，它們的資源（包括存儲容量、計(jì)算能力、通信帶寬和距離等）極其有限。再者，WSN的網(wǎng)絡(luò)容量非常龐大。鑒于以上特點(diǎn)，傳統(tǒng)密鑰管理方案并不適用于WSN。

　　本文在南相浩教授的組合公鑰算法的研究基礎(chǔ)上，對算法進(jìn)行改進(jìn)，提出了一種矩陣密鑰的認(rèn)證方案。跟IBE一樣，矩陣密鑰算法也是基于身份標(biāo)識的公鑰算法，不需要第三方證明的CA機(jī)構(gòu)鏈，但是，它不需要保留與用戶相關(guān)的參數(shù)，只要保留少量的公共參數(shù)即可處理大量的公鑰，無需數(shù)據(jù)庫的支持。該算法以芯片級的儲存能力處理大規(guī)模（比如1048）的公鑰，非常適合應(yīng)用于智能家居控制網(wǎng)絡(luò)。

　　矩陣密鑰管理體制的安全基礎(chǔ)是橢圓曲線上的離散對數(shù)難題（EllipticCurveDiscreteLogarithmProblem,ECDLP），即對橢圓曲線上的點(diǎn)P,求Q=kP很容易，相反已知P和Q求k卻非常的困難。

　　矩陣密鑰管理體制在公開參數(shù)基礎(chǔ)上建立公鑰矩陣和私鑰矩陣，采用散列映射函數(shù)將實(shí)體的標(biāo)識映射為矩陣的行列坐標(biāo)，將矩陣元素進(jìn)行組合生成龐大的公鑰與私鑰。

　　2.1橢圓曲線及其公開參數(shù)

　　由于本系統(tǒng)的有限域計(jì)算是在FPGA上實(shí)施的，考慮二進(jìn)制有限域在硬件上比素?cái)?shù)域?qū)崿F(xiàn)更加地方便，本系統(tǒng)選取了F2m上的Koblitz橢圓曲線y2+xy=x+ax+bmodF。其中，F(xiàn)為約減多項(xiàng)式（在南相浩教授的組合公鑰方案里，采用的是素?cái)?shù)域［8］）確定橢圓曲線后，適當(dāng)?shù)剡x取曲線上的點(diǎn)G作為生成元，成為基點(diǎn)。基點(diǎn)G=（Gx,Gy）的所有倍點(diǎn)構(gòu)成子群S={G,2G,3G,…，（N—1）G,NG}。其中NG即O,稱為子群S的階図。表明N是個(gè)殆素?cái)?shù)（almost-prime），可以表示為N=hXn,其中n是個(gè)大素?cái)?shù)，h是個(gè)小整數(shù)。橢圓曲線密碼的公開參數(shù)組為T={a，b，G，N，m}。

　　按照NIST推薦，本系統(tǒng)參數(shù)選取見表1所列。橢圓曲線的計(jì)算可參見文獻(xiàn)。

　　2.2私鑰矩陣、公鑰矩陣的構(gòu)建

　　公鑰矩陣為16×32的矩陣。矩陣中的16×32個(gè)元素記為Xi，j（0≤i≤15，0≤j≤31）。它們都是子群S中的元素，即

　　2.3基于標(biāo)識的密鑰的產(chǎn)生

　　密鑰是根據(jù)實(shí)體標(biāo)識產(chǎn)生的。每個(gè)實(shí)體都有一個(gè)唯一可以區(qū)分其他實(shí)體的標(biāo)識，比如居民的身份證號。在網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址，這地址在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中是唯一的。我們首先對這個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行散列映射處理，使得標(biāo)識更具有隨機(jī)性。運(yùn)算表達(dá)式如下：

　　identity為實(shí)體的標(biāo)識，ID為標(biāo)識的散列映射值。本系統(tǒng)中，HASH為SHA1算法，影射值為160位。從160位的ID中取出后128位，分割成32組，每組4位，每組依次為W0，W1，…，W31。計(jì)算公鑰為：

　　2.4密鑰管理

　　本系統(tǒng)中，有一個(gè)設(shè)備來負(fù)責(zé)密鑰的產(chǎn)生和發(fā)放，該設(shè)備叫密鑰管理中心（KeyManageCenter，KMC）。KMC首先選擇系統(tǒng)的加密曲線參數(shù)以及基點(diǎn)，參數(shù)T={a，b，G，N，m}向網(wǎng)絡(luò)公布。然后隨機(jī)產(chǎn)生16×32的私鑰矩陣。為了使每個(gè)不同的標(biāo)識產(chǎn)生不同的私鑰，文獻(xiàn)給出了優(yōu)化方案。根據(jù)私鑰矩陣和基點(diǎn)，計(jì)算出公鑰矩陣。私鑰矩陣由KMC秘密保留，公鑰矩陣則公布。

　　當(dāng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)申請入網(wǎng)時(shí)，KMC根據(jù)節(jié)點(diǎn)的標(biāo)識計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的私鑰，并通過安全信道告知節(jié)點(diǎn)私鑰。公開參數(shù)和公鑰矩陣則在公開信道告知。圖1所示是其密鑰管理方案示意圖。

　　兩節(jié)點(diǎn)之間通信時(shí)，發(fā)送方用自己的私鑰對消息進(jìn)行簽名，將消息和簽名在公開信道上發(fā)送給目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。接收方接收到消息和簽名時(shí)，先根據(jù)發(fā)送者的標(biāo)識，從公鑰矩陣中計(jì)算出接收者的公鑰，從而進(jìn)行消息的驗(yàn)證。此過程無需第三方的參與，減少了網(wǎng)絡(luò)信息流量，提高了效率。

　　本方案支持海量節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，以16X32密鑰矩陣為例，幾百Kb的容量就能支持1632=2128=1039個(gè)節(jié)點(diǎn)。

　　3數(shù)字簽名協(xié)議

　　本系統(tǒng)簽名協(xié)議采用橢圓曲線簽名算法（EllipticCurveDigitalSignatureAlgorithm,ECDSA）。簽名算法如算法1。其中，H為散列映射函數(shù)，m為待簽名的消息，心為發(fā)送者的私鑰，Qa為發(fā)送者的公鑰。

　　算法1ECDSA如下：

　　簽名過程：

　　選擇整數(shù)kG（0,n）；

　　計(jì)算kG=（X1，y1），并將轉(zhuǎn)換為整數(shù)x:

　　計(jì)算r=xmodn,如果r=0,則返回步驟1）：

　　計(jì)算e=H（n）；

　　計(jì)算s=k」（e+dAr）modn。若s=0,則跳至步驟1）：

　　返回（r,s）。

　　驗(yàn)證過程：

　　檢查r,s是否是區(qū)間（0,n）內(nèi)的整數(shù)，若任一個(gè)不成立則否認(rèn)簽名；

　　計(jì)算e=H（m）；

　　計(jì)算w=s_1modn；

　　計(jì)算u1=ewmodn,u2=rwmodn；

　　計(jì)算X=uG+u2Qa=（x。，y。）；

　　若X=8,則否認(rèn)簽名；

　　將X0轉(zhuǎn)換為整數(shù)x,計(jì)算v=xmodn；

　　若v=r,則認(rèn)可簽名，否則否認(rèn)簽名。

　　簽名驗(yàn)證的工作證明以及安全性證明詳見文獻(xiàn)。

　　4系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)完成對智能家居控制網(wǎng)絡(luò)通信的地址認(rèn)證。本系統(tǒng)的家居控制網(wǎng)絡(luò)由ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。ZigBee網(wǎng)絡(luò)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，其近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本等特點(diǎn)非常適合智能家居控制網(wǎng)絡(luò)。ZigBee節(jié)點(diǎn)的通信地址有64位的IEEE地址（也叫擴(kuò)展地址，由設(shè)備商固化在設(shè)備中）和32位的網(wǎng)絡(luò)地址（也叫短地址，加入網(wǎng)絡(luò)后由協(xié)調(diào)器分配，每次加入網(wǎng)絡(luò)可能都不同）。在試驗(yàn)中，我們采用擴(kuò)展地址通信方式。本系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)通信認(rèn)證主要是對地址真實(shí)性的認(rèn)證，能夠正確地識別數(shù)據(jù)的來源，避免消息的偽造。消息的簽名和認(rèn)證算法則由FPGA完成。ZigBee模塊與FPGA之間通過SPI總線通信。其硬件設(shè)計(jì)框圖見圖2所示。

　　圖2  硬件設(shè)計(jì)框圖

　　ZigBee模塊在發(fā)送消息m前，將消息發(fā)送給FPGA,FPGA完成對消息的簽名，并將簽名＜rs＞返回給ZigBee模塊。之后，ZigBee模塊在接收到后，將簽名內(nèi)容附屬在消息后面，形成＜m,r,s＞，并將這發(fā)送。當(dāng)ZigBee模塊接收到附帶簽名的消息＜m,r,s＞后，將消息發(fā)送給FPGA進(jìn)行處理。FPGA對消息進(jìn)行驗(yàn)證，將驗(yàn)證結(jié)果返回給ZigBee模塊。若消息驗(yàn)證成功，則交給用戶進(jìn)行下一步的處理，否則認(rèn)為消息來源不可信，拋棄消息不予處理。

　　圖3  軟件流程圖

　　FPGA簽名和認(rèn)證流程圖如圖3所示。FPGA模塊有簽名和驗(yàn)證兩種模式，由ZigBee模塊通知選擇。在兩種模式下分別進(jìn)行ECDSA簽名和ECDSA驗(yàn)證處理，將處理結(jié)果傳送回ZigBee模塊進(jìn)行下一步處理。

　　5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

　　本次試驗(yàn)中，采用CC2530作為ZigbBee模塊，簽名認(rèn)證算法由EP2C5T144CB完成，時(shí)鐘頻率為40MHz。

　　發(fā)送方發(fā)送消息為“Hello！”，消息HASH值為表2中的HASH（m）。

　　發(fā)送方用自己的私鑰dA對消息進(jìn)行簽名，得到消息簽名r和s。

　　接收方收到帶有簽名的消息后，根據(jù)發(fā)送方的IEEE地址，通過公鑰矩陣查詢到發(fā)送方的公鑰為坐標(biāo)（QA_x，QA_y），經(jīng)過ECDSA認(rèn)證算法后得到v。

　　表2記錄了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　　分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表2可得v=r，根據(jù)認(rèn)證算法接收該簽名。本方案實(shí)現(xiàn)了對消息的簽名和認(rèn)證，提高了網(wǎng)絡(luò)通信的可靠安全性。

　　6結(jié)語

　　本系統(tǒng)將基于標(biāo)志認(rèn)證的矩陣密鑰算法應(yīng)用到智能家居遠(yuǎn)程控制網(wǎng)絡(luò)的真實(shí)性認(rèn)證當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了無需第三方的在線參與的本地認(rèn)證，大大提高了認(rèn)證效率。網(wǎng)絡(luò)中的KMC只需要在設(shè)備加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)分配密鑰，平時(shí)并不參與認(rèn)證活動；網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)，也只是增加一些算法的實(shí)現(xiàn)，以很小的代價(jià)實(shí)現(xiàn)了對家庭網(wǎng)絡(luò)的地址認(rèn)證，為建立安全可信任的網(wǎng)絡(luò)打下了良好的基礎(chǔ)，確保了網(wǎng)絡(luò)通信間的安全可靠。