基于椭圆曲线加密算法解决物联网网络安全和效率问题的设计

物联网技术在迅速发展且逐渐扩大应用范闱的时候，安全问题也逐渐暴露出来。其中一方面包括EPC标签读取出现的安令问题，另一方面则是如何保证信息在EPCglobal网络中安今地传输，包括对象名称服务信息劫持等，其中第一二方面的安全问题随着物联网的广泛应用已成为重要课题。目前的现有的研究中提出了一些研究方案，但大多与VPN技术结合紧密或无法保证ONS与EPC系统中其他组件交互是的安伞性，而其加密算法难以满足带的标签读取和查询所带来的效率问题。为此，我们将椭圆曲线加密算法应用与EPCglobal网络安全相结合，来解决物联网网络安全问题的方案。

一、EPCglobal网络的体系结构

EPCglobal网络主要组成部件包括3个层次的系统，如图1所示。

其中包括：EPC编码体系、射频识别系统、信息网络系统。

其中的信息网络系统包含EPC中间件，应用层事件，EPC信息服务，和ONS。EPC中间件让用户可以根据某种应用需求定制和集成EPC中间件中的不同功能部件；ALE用于处理应用层相火的事件；EPCIS存储EPC中间件处理的信息，以及查询相关的信息：ONS，类似于域名服务器(DNS)，其中的信息可用于指I句某个存放EPC中间件信息的EPCIS器。这些都是EPC系统的软件支持系统。

二、椭圆曲线加密体制

椭圆曲线加密体制(ECC)是被实践证明安全有效的三类公钥密码体制之一，以高效性著称。ECC的依据是定义在椭恻曲线点群上的离散对数问题的解雌性，它用少得多的比特大小能够取得和RSA同等强度的安全性，因此减少了处理开销，具有存储效率、计算效牢和通信带宽的节约等方面的优势。椭圆曲线上的密码算法速度很快，分别在32位的PC机上和16位微处理器上实现了快速的椭圆曲线加密算法，其中16位微处理器上的EDSA数字签名不足500ms。

其安全等方面的比较如表1所示。

三、EPCglobal网络的安全协议设计

1、针对EPCglobal网络安全和效率问题的设计

EPCglobal网络中存在的安全问题主要体现在ONS与客户端应用程序在通信时所存在的安全隐患以及ONS内部的安全。

ONS的查询步骤如图2所示。

其中，（1）、（6）是客户端应用程序和ONS进行信息交互，即客户端应用程序产生食询请求发送给ONS。而ONS再查询相关的EPCIS地址信息等返网给客户端。

（2）、（3）是ONS和域名系统进行信息交互，主要是由于物联网网络依赖于互联网，ONS首先在本地查询是否存在该EPC编码对成的EPCIS地址信息。如果是，即立即返回EPCIS地址如步骤（6）；如
果否，在DNS巾搜索相应的根ONS地址，并将其返网给，ONS。

（4）、（5）则是子ONS和根ONS之间的信息交互。

（7）是客户端应用程序在得到EPCIS地址之后对由此可见ONS的A询过程会存在ONS信息劫持。

首先，ONS与客户端应用程序n：请求和返回答复的时候数据容易被劫持，一些敏感信息将披泄漏，从图2可见，其中的，第（1）、（6）步均被牵涉到：而这些泄漏的信息将仃可能会被篡改并重新发送，导致整个系统出现错误。再来如果攻击者获取了一个EPC标签，则可通过伪装身份的方式，从ONS查询这个产品的详细信息，导致更多的敏感信息放泄露。同时在ONS内部，还需要保征ONS予服务器与根服务器的通信安全及可信。

同时，由于物联网的特点，往往客户端程序的在一个较短的时间内有大量的查询请求，每次加密将带来巨人的传输延迟，信息交互效率、存储效率等大大降低，所以需要有一种高效且安全的协议性支持。

本文设计了一个基于椭圆曲线加密算法的方案，解决物联网l网络安全和效率问题，进一步针对ONS，应用于ONS与客户端应用程序交互中，以防止这一环节可能遭受的安全威胁。系统设计包括：

（1）客户端应用程序与ONS之间的通信协议

该协议利用椭圆曲线加密算法的安全性，和多次握手的协议，协议先要针对系统中如图2中（1）、（6）的步骤，避免攻击者可能截获ONS与客户端应用程序通信的数据，其中包括EPC编码等敏感信息；同时，协议中包含ONS针对客户端的身份验证过程，椭圆曲线加密算法的密钥是用ONS随机产生的整数计算得到，而客户端在加密过程中也使用随机数进行加密，使用一次即丢弃作废，每次的加密密钥都不相同。这些机制都防止了攻击耆利用非法得到的信息进行伪装攻击。避免攻击者利用伪装，以伪装的身份欺骗ONS。从而进行查询服务；

另外，协议中包含客户端对每一次完整的通信成功性的验证，以及对获取的信息的验证，保证企业的身份的正确性。

整个系统设计中，包含安全套接协议层安伞隧道协议，当出现任何错误，如密钥错误而无法解密客户端加密的数据，客户端ID错误，客户端退出等事件，状念机自动进入初始状态，即等待连接状态。这有效地避免了攻击者可以篡改截获的信息并发送，或者进行拒绝服务(DoS．Denial ofServicc)攻击以导致的ONS与客户端应用程序交互出现错误，避免给氽业的信息交互带来损失。

另外由于椭圆曲线加密算法减少了处理开销，具有存储效率、计算等效率和通信带宽的节约等方面的优势，且协议中将客户端应用程序的请求批量操作，以解决效率问题。

（2）在ONS上引入DNSScc

利用了ONS与DNS的相似性，引入了DNSSec安全机制，在ONS内部，还需保证ONS子服务器与根服务器通信的安全性和可信度。

在设计中除了，下述安全的通信系统协议和DNSSec安全机制等核心的设计之外，还可引入其他安全防范，以保证接个ONS咨询系统安全，包括物理安全、系统平台安全、数据安全、通信安全、应用安全、运行安全及管理安全等等。

2、安全的客户端与ONS间的通信协议

本文提出的基于椭圆曲线加密算法解决EPCglobal网络安全的设计主要应用在ONS与客户端应用程序交互中。其流程如图3所示。

具体的协议步骤如下：

（1）客户端应用程序产生查询请求，请求中包含客户端应用程序ID号，并发送给ONS。

（2） ONS根据获取的客户端应用程序ID号，根据ID在后台数据库中选取有限域GF(p)上的一条椭圆曲线E:y2=x3+ax+b．给出一组参数(a，b，p，g)。a．beGF(p)定义了一条曲线，整数p表示有限域GF(p)t的特征；g∈E表示一个基点。各参数满足：p>216o，4a2+27b2(modp)#0。这些参数事先都与客户端协商好，并公布在椭圆曲线参数文件之中，可以披指定ID的客户端应用程序使用。

（3）ONS在[1，P-1]中选取一个随机整数x，作为私钥，并由基点得到公钥X=xg。ONS将X发送给客户端应用程序。

（4）查询信息中包含EPC编码等敏感信息，常用的EPC编码为64位、96位或者256位。将客户端应用程序ID号+EPC编码得到M。如果批量查询EPC编码，可将ID号放在信息首部，将批量查询的EPC编码接在ID号之后。M将被嵌入到椭圆曲线上一点P。

（5）客户端程序选取随机数，在[1，P-1]中的yg，P+yX，并向ONS发送yg，P+yX。

（6） ONS接收到客户端应用程序发送过来的密文，使用私钥x进行解密解密，即(P+yX)-xyg=P+yxg-xyg=P得到的P，经过转换可得到M。由于客户端应用程序ID号位数已知，可直接对数据截断得到客户端应用程序ID号和EPC编码等敏感信息，并可以对ID号和先前获取的ID号进行比对。

（7）ONS将客户端ID号和杏询结果发送给用户。查询结果即EPCIS的地址信息，在ONS上引入DNSSec进行数据管理，保证安全性。

（8）客户端将接收到的ID号和自己的ID号进行对比验证，如果匹配这表示收到的是自己需要的查询结果，否则丢弃。

3、在ONSE引入DNSSec

DNSScc是在DNS协议中增加的一种安全机制，其主要内容包括：密钥的分发和管理、原始数据的认证和完整性检验、传输和请求的认证。这些服务能够防止大部分针对DNS的安全威胁。

由于ONS层次结构与DNS十分相似，因此在DNS中存在的安全问题在ONS中也存在，于是本文的设计引入DNSSec到ONS上。

利用DNSSec安全机制，依靠椭圆曲线加密算法对包含在ONS中的EPCIS的地址信息和EPC信息创建密码签名。密码签名通过计算出一个密码hash数来提供ONS中数据的完整性，并将该hash数封装进行保护。利用椭圆曲线加密算法中的私／公钥对中的私钥来封装hash数，然后可以用公钥把hash数译出来。如果这个译出的hash值匹配接受这刚刚计算出来的hash数，那么表明数据是完整的。

在ONS内部，还需保证ONS子服务器与根服务器通信的安全性和可信度。从DNSScc机制中，可看到，当本地ONS在本地的缓存之中未查询到相关的记录的时候，向根ONS发送百俐请求，进向根据根ONS返回的相关ONS地址和访问权限，去访问相关的ONS。这个机制的关键在于，所有相关ONS的访问必须经过根ONS，需由根ONS提供相关的ONS查询地址，并且提供访问权限。而根ONS中需要预先保存好所有待查询的ONS的地址，并具有授权权限。

四、系统设计实验示例及分析

1、实验示例及系统可行性分析

常见的EPC编码有64bit、96bit、256bit乏种。本实验中，假设客户端应用程序向ONS查询EPC编码为EPC-641型，即64bit。假设客户端ID为4bit。实现算法的编程工具为Iava JDK l.6．实验按照方案，实验数据如表2所示。

加密信息时间开销为0.472s，解密时间为0.488s。如增加处理数据量，即同时处理105个EPC编码数据请求，加密整个过程的时间开销为3.314s，解密的时间为3.340s。本实验是一台普通的PC机上完成，而如果硬件条件进一步提高，将大大提高此方案设计的效率。满足传输效率、存储成本、传输可靠性等设计需求。解决加密协议的效率问题。

2、系统安全性的分析

（1）防伪装攻击

即防止传送数据被中间人伪造，且避免重放攻击等安全威胁。此方案中，客户端数据将自己的客户端ID嵌入在传输信息中，并用椭圆曲线加密算法进行加密。同时采用了DNSSec机制后台的数据库管理密钥信息，ONS根据客户端ID在后台数据库中查找相应的公钥和加密算法，包括椭圆曲线函数等加密参数，并对接收到的信息进行解密。如果客户端的ID不正确或者相应的密钥无法成功解密数据，则说明用户非法。

同时，由于传输的查询信息是通过椭圆函数加密算法进行加密的，而密钥又是用ONS随机产生的整数计算得到，而客户端在加密过程中也使用随机数进行加密，使用一次即丢弃作废，每次的加密密钥都不相同。这些机制都防止了攻击者利用非法得到的信息进行伪装攻击，综上所述，可防止中间人攻击。

（2）防篡改攻击

即保障数据完整性，防止数据被篡改。此协议中，数据传输中进行密钥加密，加密密钥由通信双方每次会话协商获得，每次的加密密钥都不相同，第三方不可知。同时利用DNSSec机制通过计算出一个密码hash数来提供ONS中数据的完整性，防止篡改攻击。

（3）防DoS攻击

此方案采用安全套接协议层安全隧道协议，当出现任何错误，如密钥错误而无法解密客户端加密的数据，客户端ID错误，客户端退出等事件，状态机自动进入初始状态，即等待连接状态。避免DoS攻击ONS造成的损害。

（4）其他安全防范

保证整个ONS查询系统安全，包括物理安全、系统平台安全、数据安全、通信安全、应用安全、运行安全及管理安全等，需采用其他安全防范措施，如检查设备可靠，防火墙，以及如IDS(入侵检测系统，IntrusionDetection Sy8tcm)等被动式安全防范等措施。

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