2020, Vol. 52引用本文 |
2. 上海无线通信研究中心，上海 201210;
3. 神华信息技术有限公司，北京 100011;
4. 福建省信息处理与智能控制重点实验室（闽江学院），福建 福州 350121;
5. 广州市智能网联汽车示范区运营中心，广东 广州 510610;
6. 中国传媒大学 数据科学与智能媒体学院，北京 100024
2. Shanghai Research Center for Wireless Communication, Shanghai 201210, China;
3. Shenhua Info. Technol. Co., Ltd., Beijing 100011, China;
4. Fujian Provincial Key Lab. of Info. Processing and Intelligent Control (Minjiang Univ.), Fuzhou 350121, China;
5. Guangzhou Intelligence Connteted Vehicle Pilot Zone Operation Center, Guangzhou 510610, China;
6. School of Data Sci. and Media Intelligence, Communication Univ. of China, Beijing 100024, China
当前，无线传感网（wireless sensor network，WSN）已广泛应用到许多领域，如车辆定位、气候监测等[1]。在无线传感网的多种应用场景中，用户主要有两种方式获取传感器节点感知信息：
1）间接获取方式。用户通过基站或者网关节点，发送信息查询指令给特定的传感器节点，获取其通过多跳方式回传的信息。其信息安全由网络安全策略保证[2–3]，但信息的获取上时延较大，适用于实时性要求不高的应用场景。
2）直接获取方式。用户通过携带智能卡的手持终端，直接实现指定传感器节点的登录，通过查询指令的交互，实时地获取传感器节点的感知数据。其信息安全仅能通过认证等技术保障用户的合法性。若用户认证机制存在安全缺陷，被未授权用户捕获，并且利用其登录传感器节点，不但泄露传感器节点感知信息与网络拓扑信息，而且将进一步直接威胁到整个的无线传感网安全[4]。对于合法用户而言，在认证过程的隐私保护同样重要。若用户匿名性无法保证，则用户的个人信息（如用户身份、位置等）可能被非法获取、破解、追踪、甚至伪造，将带来更大的安全隐患。
因此，WSN用户认证协议（user authentication protocol，UAP）的完备性、尤其是匿名性，是保证网络信息安全和保护用户隐私的重要安全属性。
无线传感网通常分为分层网络和平面网络。针对分层WSN用户认证协议，Das提出了一种基于智能卡和口令用于WSN的双因素用户认证协议[5]，能够实现防御口令猜测攻击、验证–窃取攻击、如相同身份多重用户攻击、以及重放攻击等多种安全攻击。Khan等[6]发现Das协议无法防御基站旁路攻击和内部特权攻击，提出了一种改进的用户认证协议，实现了传感器节点与网关节点、以及用户与网关节点之间分别共享不同密钥。Vaidya等[7]发现Das协议和Khan协议无法防御智能卡丢失攻击的安全缺陷，提出了一种改进的用户认证协议。Nyang等[8]则对Das协议不能防御离线口令猜测攻击，提出了一种可以防御离线口令猜测攻击的用户认证协议。Yoo等[9]则基于Das协议提出了一种改进的用户认证协议，但未考虑用户匿名性。Sun等[10]发现Khan协议在对抗网关节点模拟攻击、网关节点旁路攻击和内部特权攻击方面存在不足，提出了一种改进的无线传感网用户认证协议，但未实现网关节点与用户之间双向认证，无法保障用户隐私，用户和用户间也没有建立共享会话密钥。Arikumar等[11]仅利用非加密操作，提出了一种双因素认证协议，该协议禁止拥有仅与合法用户相同的身份标志的用户登录系统。Yeh等[12]基于ECC加密（elliptic curve cryptography）和智能卡认证提出了一种新的用户认证机制，提高了安全性，但增加了计算成本，而且无法实现传感器节点与用户之间的双向认证，也没有建立二者间的共享密钥。Xue等[13]基于临时凭证提出了一种WSN用户认证协议，但攻击者可通过发动离线身份标志猜测攻击获得用户身份标志信息。Yoon等[14]提出了一种新型的用户认证协议，实现了传感器节点和用户之间的双向认证，但是没有保障两者间消息的机密性，也未建立两者间的共享会话密钥。Fan等[15]提出了一种新的分层WSN双因素用户认证协议（以下简称Fan协议），该协议以较低的计算量实现了多种安全攻击的防御，引起了国内外研究同行的广泛关注。
平面WSN用户认证协议，较有代表意义的研究有：Nam等[16]提出了一种基于ECC加密可匿名WSN双因素认证协议，可以防御验证–窃取攻击、口令猜测攻击等安全攻击，实现用户匿名，但计算开销较大。He等[17]提出了一种鲁棒匿名用户认证协议（He–Kumar），实现了匿名性，可以有效防御内部特权攻击等多种安全攻击，但该协议无法防御口令猜测攻击和拒绝服务攻击。Mir等[18]提出了一种密钥协商协议的匿名认证，可以有效实现多种安全攻击的检测与防御，例如，验证–窃取攻击、重放攻击等。
用户认证协议的设计总是在发现安全漏洞，提升安全性能的迭代中获得完善与提高。分析上述用户认证协议，可以看出，多数研究是通过复杂的算法（例如，ECC算法等）来获得认证协议安全性的提升，但这势必增加资源受限传感器节点的开销，进而影响整个网络的生命周期。
因此，如何结合WSN网络特性，具有低计算量、高安全性、支持匿名认证的用户认证协议，是当前WSN信息安全领域的一个重要问题。本文提出一种匿名双因素用户认证协议（anonymous two-factor user authentication protocol，AT–UAP）。该协议采用哈希函数和异或操作，提高了口令传输的安全性，与ECC等安全操作相比，降低了计算量；引入动态口令管理，保障了口令的新鲜性；实现了用户匿名性，增强了协议安全性，其较低的计算量，更适合应用于WSN。
1 假设约定为便于后续的推导与分析，本节将给出认证协议安全性逻辑分析中需要使用的攻击者威胁模型及攻击者的假定能力。
本文提出的AT–UAP是基于分层的传感器网络，如图1所示，假定网络的建立阶段已经完成，时钟已经同步，且用户、网关节点和簇头节点的计算能力远高于普通簇内节点。
 |
| 图1 分层WSN拓扑图 Fig. 1 Topology of hierarchical WSN |
由于无线通信媒介的开放性，传感器节点的信息安全易受到威胁。AT–UAP协议基于“Dolev–Yao攻击者拓展模型”分析用户认证协议安全性，这个模型是一个在非安全开放式通信中的攻击者模型，其模型及攻击者能力假定如下[19]：
攻击者没有正确的密钥就不能解密消息，攻击者可以冒充其他通信实体向用户发送消息，攻击者无法获得正确的随机数，攻击者可以获得所有经公共信道传输的消息，攻击者无法破坏加密算法。
针对无线传感网用户认证协议的技术特性，Kim等为更好地分析协议安全性，拓展了Dolev–Yao攻击者模型，其拓展后的假设为[20]：
攻击者可以妥协传感器节点，窃取存储的秘密参数；攻击者一旦获得用户的智能卡，可以获得卡中存储的参数信息；为方便记忆，通常用户身份标志和口令是低熵的，网关节点是诚实的，传感器节点没有配置防篡改装置。
后续将基于“Dolev–Yao攻击者拓展模型”分析用户认证协议安全性。
2 Fan协议安全性分析Fan协议是一种典型的分层WSN双因素用户认证协议，该协议在设计过程中，充分考虑了无线传感网的应用场景，以及传感器节点的技术特性，不但提高了安全性，而且有效地降低了计算开销，适用于资源受限的传感器节点。Fan协议中，通过采用计算量较小的级联操作、异或操作、以及算法相对简单的哈希函数、代替了计算开销较大的传统加密操作，实现了对多种安全攻击的有效防御，这些安全攻击包括：重放攻击、拒绝服务攻击、验证–窃取攻击、以及智能卡丢失攻击等。但本文基于Dolev–Yao攻击者拓展模型，经分析后发现Fan协议无法抵御下列攻击，以及存在无法实现匿名性的安全缺陷。
2.1 节点妥协攻击攻击者妥协传感器节点后，可以通过以下操作，获得会话密钥：
1）妥协传感器节点，获取秘密参数
2）截取消息
3）计算会话密钥：
攻击者利用
攻击者窃取用户
1）攻击者随机从
2）验证
为方便记忆，用户可能多个应用系统使用同一口令，而在Fan协议口令以明文形式传输，因此内部特权参与者可能利用口令访问其他系统。
2.4 用户匿名性恶意簇头节点
通过
1）收到
2）
3）
用户所有登录请求中的
为克服Fan协议存在安全缺陷，提出一种匿名双因素用户认证协议（AT–UAP），从如下几个方面改进Fan协议：
1）注册阶段。口令以
2）认证阶段。用
3）引入口令更新机制，用户可以在不联系簇头节点的情况下，随时更新口令。
AT–UAP由注册、登录、认证以及口令更新4个阶段组成。
3.1 注册阶段新用户
 |
| 图2 注册阶段 Fig. 2 Registration phase |
1）
2）
3）
4）收到注册请求后，
| $ \begin{array}{c} RI{D_i} = h\left( {{R_i}\left\| {I{D_{GWN}}} \right.} \right) \oplus I{D_i} \oplus I{D_{GWN}},\\ {A_i} = h\left( {X\left\| {RI{D_i}} \right.} \right) \oplus h\left( {I{D_i}\left\| {\overline {P{W_i}} } \right.} \right),\\ {V_i} = {h^3}\left( {I{D_i}\left\| {\overline {P{W_i}} } \right.} \right)\text{。} \end{array} $ |
5）
6）
7）
8）收到智能卡后，
 |
| 图3 登录阶段 Fig. 3 Login phase |
1）
2）智能卡计算：
3）
| $ \begin{aligned}[b] T{K_i} =& h\left( {\left( {{B_{ij}} \oplus h\left( {\left.I{D_i}\right\| {\overline {P{W_i}} } } \right)} \right)\left\| T \right.} \right) = \\ &h\left( {h\left( {{N_{ij}}|| {{Y_j}} } \right)\left\| T \right.} \right), \end{aligned} $ |
| $ \begin{aligned}[b] S\!I{D_i} =& RI{D_i} \oplus h\left( {\left( {{A_i} \oplus {h^2}\left( {\left.I{D_i}\right\| {\overline {P{W_i}} } } \right)} \right)\left\| T \right.} \right) = \\ &{\rm{ }}RI{D_i} \oplus h\left( {h\left( {X\left\| {RI{D_i}} \right.} \right)\left\| T \right.} \right)\text{。} \end{aligned} $ |
其中，
4）智能卡计算：
5）
6）智能卡从内存中删除
 |
| 图4 认证阶段 Fig. 4 Authentication phase |
1）收到登录请求
2）
3）
4）
5）收到
6）收到
 |
| 图5 口令更新阶段 Fig. 5 Password updating phase |
1）智能卡计算：
2）
3）
| $B_{_{ij}}^{{\rm{new}}} = h\left( {{N_{ij}}\left\| {{Y_j}} \right.} \right) \oplus h\left( {I{D_i}\left\| {\overline {PW_{_i}^{{\rm{new}}}} } \right.} \right)\text{。}$ |
4）
5）收到
本文提出的AT–UAP，通过在注册阶段以哈希隐藏方式传输口令，增大网关节点秘密参数与用户的相关性，在认证阶段增大会话密钥与系统时间和用户的关联性，引入口令更新机制，改进Fan协议的安全缺陷，提高安全性。
4.1.1 安全性分析两种分层双因素用户认证协议的安全性比较详见表1。从表1可以看出，与Fan协议相比，AT–UDP协议不但实现了防御多种安全攻击（主要包括节点妥协攻击、口令猜测攻击以及内部特权攻击），而且实现了用户匿名性，有效地提高了协议的安全性。
| 表1 安全性比较 Tab. 1 Security comparison |
 |
分析过程如下：
1）中间人攻击
假设攻击者截取登录请求消息
2）验证–窃取攻击
假设攻击者窃取验证表
3）节点妥协攻击
假设攻击者妥协合法簇内节点，获取秘密参数
4）拒绝服务攻击
传感器节点收到消息
5）口令猜测攻击
假设，攻击者设法窃取到合法用户
6）重放攻击
假设攻击者截取合法登录请求消息
7）智能卡丢失攻击
假设攻击者获得用户智能卡，得到智能卡参数
8）相同身份标志多重登录攻击
因为
9）内部特权攻击
因为口令以
10）用户匿名性分析
在协议中，
11）会话密钥安全性分析
假设攻击者在用户认证的阶段设法截取到
综上可知，除了能防御上述安全攻击，AT–UAP可以实现用户匿名，保证传感器节点与用户的会话密钥安全。
4.1.2 AVISPA仿真分析将AT–UAP转换为高级协议规范语言（high level protocols specification language，HLPSL）语言，利用Internet安全协议和应用程序自动验证（automated validation of internet security protocols and applications，AVISPA）的OFMC（on-the-fly-model-checker）分析终端模块[21-23]，对本协议的安全性进行仿真验证，其结果如图6所示。
 |
| 图6 AT–UAP的OFMC仿真验证 Fig. 6 OFMC simulation verification of AT–UAP |
从仿真结果可知，AT–UAP经过在OFMC分析终端模块后端0.13 s的运行，完成了访问68个节点，在该过程中，未出现中间人攻击、被动攻击、重放攻击的轨迹，故可认为本协议能够有效地防御上述3种协议。
4.1.3 计算开销分析Fan协议和AT–UAP在注册、登录、认证和口令更新阶段的计算开销比较详见表2，其中，
| 表2 计算开销比较 Tab. 2 Comparison of computation overhead |
 |
Fan协议和AT–UAP都仅利用了哈希函数和异或操作，没有利用复杂的加密操作。其中，Fan协议的总计算成本为25
将AT–UAP与几种典型的平面无线传感网双因素UAP（Nam协议[16]、He–Kumar协议[17]与Mir协议[18]）的性能（安全性与计算开销）进行对比分析，比较结果见表3、4所示。
| 表3 安全性比较 Tab. 3 Security comparison |
 |
| 表4 计算开销比较 Tab. 4 Comparison of computation overhead |
 |
从表3、4中可以看出：与Nam协议相比，AT–UAP仅运用了哈希函数、级联操作和异或操作等轻量级安全操作（其中，传感器节点只执行两次哈希操作和一次异或操作），具有较低的计算开销，同时实现了相应的安全功能，因此从综合性能方面来看，AT–UAP优于Nam协议。与He–Kumar协议相比，AT–UAP可以防御口令猜测攻击和拒绝服务攻击，因此就安全性而言，AT–UAP高于He–Kumar协议。与Mir协议相比，由于该协议中每个传感器节点需向网关节点注册，而AT–UAP传感器节点不需向网关节点注册，因此减少了传感器节点计算开销。
5 结 论在无线传感网应用中，作为用户访问网络数据合法性授权的技术保障，用户认证协议扮演者重要的角色。一旦攻击者发现并利用了这些用户认证协议的安全缺陷，可以任意窃取传感器节点的实时感知数据；若协议的匿名性出现漏洞，攻击者还可以截获用户的隐私信息，进而对传感器网络与合法用户构成更大的安全威胁。通过分析Fan等学者提出的用户认证协议，证明该协议不能防御口令猜测攻击、内部特权攻击和节点妥协攻击，也不能实现用户匿名性。针对这些安全漏洞，提出AT–UAP，仅采用哈希函数和异或操作有效克服这些安全攻击，实现用户的匿名性。考虑到AT–UAP运行在分层无线传感网中，由于用户、网关和簇头节点的计算能力远高于簇内节点，而增加的计算量主要由用户、网关和簇头节点承担，对簇内节点而言，仅增加一次异或计算，实现了以较小的计算开销获取较大安全性的目标。因此，AT–UAP适用于节点资源受限的无线传感网。下一步将继续研究轻量级用户认证协议，同时，细粒化安全操作（哈希操作、异或操作、加密操作等）的复杂度，寻求不同安全操作组合下的最优性能。
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