2018, Vol. 42
文章信息
- 徐天亮, 王晨旭, 王新胜, 罗清华, 刘志勇, 周志权. 2018.
- XU Tian-liang, WANG Chen-xu, WANG Xin-sheng, LUO Qing-hua, LIU Zhi-yong, ZHOU Zhi-quan. 2018.
- 海洋观测通信组网安全及其硬件加速研究
- Research on safety and hardware acceleration of ocean observing communication networks
- 海洋科学, 42(1): 15-20
- Marina Sciences, 42(1): 15-20.
- http://dx.doi.org/10.11759/hykx20171011020
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文章历史
- 收稿日期：2017-10-11
- 修回日期：2017-12-23
2. 山东船舶技术研究院, 山东 威海 264209;
3. 海洋通信与组网观测技术威海市重点实验室, 山东 威海 264209
2. Shandong Institute of Shipbuilding Technology, Weihai 264209, China;
3. Weihai City Key Laboratory of Ocean Communication and Networking Observation Technology, Weihai 264209, China
随着物联网的迅速发展, 越来越多的领域开始涉及物联网通信技术, 物联网必然成为未来网络通信的主流技术, 在海洋观测领域通信组网也将会有广阔的应用空间[1-2]。另一方面, 海洋的观测数据属于国家机密, 应予以保护。我国在党的十八大报告中对海洋安全提出的一系列要求, 包括海洋资源开发、海洋环境保护、海洋经济发展和海洋权益维护等[3], 为了实现我国建设海洋强国的目标, 国家制定了一整套海洋战略规划和实施计划, 其中涉及政治、军事、文化、经济、外交、管理、法律、科技、安全、社会、教育等相关战略领域。这些海洋战略的实施依赖于完整且安全的海洋信息系统。
2016年颁布的《中华人民共和国网络安全法》对于关键信息基础设施的信息安全有明确的要求, 为了防止信息的篡改、窃取和泄露等威胁。本文主要针对海上组网通信的安全性进行研究, 分析海洋观测临时通信组网的可能性。
1 海洋观测通信组网 1.1 海洋信息安全与海洋观测分析海洋信息系统为各项海洋工作提供完整的信息支撑与安全畅通的信息通信渠道, 最大限度地发挥海洋信息资源的价值[4]。因此, 海洋信息系统发展是国家海洋战略的重要组成部分。采集海洋的信息数据包括温度、密度、潮汐、水深等敏感信息, 这些信息在海面作业、海上航行和海洋军事领域起着尤为重要的作用。比如在军事领域方面, 风向和海浪会影响重武器的发射精度; 水文参数和地形信息影响作战计划的制定, 如果敌方获取了对应的参数, 则会针对地形信息制定反策略计划, 严重危害我国海上领土安全。可见, 保障海洋信息的安全尤为重要。
在海洋观测网中, 如何确保信息在传输过程中不被他人篡改, 如何鉴别信息的完整性。对于完整性鉴别技术, 我们可以通过对身份、口令、密钥以及信息数据等项实施鉴别, 在通过加密技术实现对数据的保护。我国的海洋观测数据对于国防、国家安全、国民经济具有重要的作用, 因此海洋观测数据传输的安全性也是必须要考虑研究的内容, 包括基于硬件认证协议的身份鉴别技术; 基于硬件加速的大数据加解密技术。
1.2 海上临时无线组网通信海洋信息向陆上数据中心的传输及各终端的协同观测, 需组网完成。但与陆上网络不同, 海洋信息的观测设备位于海上及水下, 传输环境复杂。特别是水下, 传输环境更为复杂多变, 需要有针对性的研究相关技术。面对实际的应用需求, 采集对应的海洋数据信息, 此时需要在海上建立临时的无线网络进行互相传输和信息通信, 如图 1所示的海上组网通信结构图。
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| 图 1 海上组网通信结构图 Fig. 1 Communication structure of marine networking |
从图 1可以看出, 整个结构实现监测船与空中、海上、海下等移动设备之间的相互通信。值得的注意的是海洋信息传输的基础是海洋通信技术, 没有通信基础设施的支持, 海洋信息不可能传输到陆上。但海洋通信环境存在特殊性, 如海面通信节点的稀疏性, 水天通信距离远(卫星), 水下传输环境的复杂多变性, 给水下、水面、水天通信链路的可靠性带来了很大的挑战, 需要考虑解决。这就要求我们设计一种双向认证协议, 保障海上监测船终端与无人机、无人船、水下探测机器人(AUV)等移动设备的通信安全。
2 面向海上临时组网的双向认证技术研究在物联网的信息通信过程中, 监测服务器和移动设备的数据交互安全尤为重要。哈希函数有两个优点, 一是具有较小的计算消; 二是具有良好的安全性, 而口令认证是一种常用的用户认证协议。因此, 使用哈希函数来保护口令安全是最典型、应用最广泛的协议算法。
哈希函数函数, 也叫Hash或单向散列函数, 它通过Hash算法把任意n位长度的输入数据压缩成固定长度的输出, 表达式为h=H(n), h是固定长度散列值, H(M)是单向散列函数, 也就是一种反映输入数据与存放地址的映射关系, 值得注意的是构造的Hash表中散列值尽可能均匀分布。
在目前已有的双向认证协议中, 林扬武提出一种基于Hash函数和消息认证码(MAC)的双向口令认证协议[5], 尽管作者分析能够抵抗所有已知攻击, 但存在密钥窃取泄露的危险。通过喻丽春提出的基于AES和RSA算法的一次性口令认证[6]思想。结合两种方案的优点, 提出一种新的基于AES、RSA和消息认证码的一次性双向口令认证协议。该协议使用AES对称加密和RSA非对称加密算法保护数据的传输安全, 使用Hash函数和消息认证码(MAC)完成双向口令认证过程。
完整的协议包括注册阶段和认证与密钥协商阶段两部分。约定以ME表示移动设备, 这里的移动设备包括无人机、无人船、水下探测机器人(AUV)等无线设备, MS表示监测服务器, PWME表示对应IDME的口令信息, RSA算法生成的公钥和私钥分别以(e, N)和(d, N)表示, KP表示AES对称算法生成的密钥, H(x)表示x的哈希值, Ee(x)表示(e, N)加密x, EKP(x)表示使用KP加密x, MAC值是通过KP加密的一组数据信息, “: ”表示连接符号。
2.1 注册阶段当移动设备ME要与监测服务器MS进行通信时, 首先需要通过注册阶段, 具体请求和密钥产生过程如图 2所示。
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| 图 2 设备注册阶段流程 Fig. 2 Process of equipment registration |
具体工作流程如下:
第1步: ME向MS发送连接请求。
第2步: MS通过RSA加密算法中密钥生成阶段, 生成公钥(e, N)和私钥(d, N), 发送公钥(e, N)到ME端。
第3步: ME利用MD5算法计算口令信息PWME的Hash值H(PWME), 在使用MS的公钥(e, N)加密H(PWME), 发送Ee(H(PWME))到MS端。
第4步: MS使用私钥(d, N)解密得到H(PWME), 判断移动设备是否重复, 如果不重复, 保存该数据H(PWME), 同时MS建立口令验证表, 表中含有每个用户的ID信息以及通过该ID计算的Hash散列值。如果重复, 则提示移动设备已经被使用, 同时告知ME修改注册ID。服务端返回注册成功。
2.2 认证与密钥协商阶段认证与密钥协商阶段的前两步为密钥协商, 后4步为双向认证过程, 完整流程图如图 3所示。
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| 图 3 完整认证阶段流程 Fig. 3 Complete authentication phase flow chart |
具体工作流程如下:
第1步:移动设备ME向监测服务器MS提交认证请求, 同时ME使用AES加密算法生成加密密钥KP, 并且生成一个随机数RME, 使用公钥(e, N)加密KP, 发送Ee(KP)和Ee(RME⊕H(PWME))到MS端。
第2步: MS使用私钥(d, N)进行解密, 得到密钥KP, 计算得到RME, 生成随机数RMS, 使用KP加密RMS, RME, 发送EKP(RMS)和EKP(H(RME))到ME端。
第3步: ME使用KP解密得到RMS, 并验证EKP(H(RME))。此时ME调用密钥KP计算MAC的值KP(H(PWME), RMS, RME, IDME), 然后将IDME与计算出来的MAC值使用MS的公钥(e, N)加密后, 发送到MS端。
第4步: MS使用私钥(d, N)解密得到KP(H(PWME), RMS, RME, IDME), 根据IDME查口令验证表得到H(PWME), 调用密钥KP计算H(PWME), RMS, RME, IDME的MAC值, 并检验该值与移动设备ME传过来MAC值是否一致。如果一致, 则监测服务器MS认证移动设备ME成功, 协议继续; 若不一致, 则验证失败, 拒绝移动设备ME的认证请求。
第5步: MS调用密钥KP计算RMS, RME, IDME的MAC值, 并将该值KP(RMS, RME, IDME)使用MS的私钥(d, N)加密后, 发送给移动设备ME端。
第6步: ME使用公钥(e, N)解密得到KP(RMS, RME, IDME), 并调用密钥KP计算RMS, RME, IDME的MAC值, 并检验该值与收到的MAC值是否一致。如果一致, 则移动设备ME认证监测服务器MS成功, 协议完成; 否则拒绝监测服务器MS的认证请求。
3 协议的安全性分析本协议可抵抗如下攻击。
3.1 DOS攻击拒绝服务攻击简称DOS攻击, 当攻击方对监测服务器MS进行DOS攻击时, MS会在认证与密钥协商阶段的第4步检测出移动设备ME的非法性, 在此之前, 移动设备不需要多次迭代哈希运算, 减少了移动设备部分计算量。而对于验证过程只需要查找口令表中H(PWME)信息一次, 通过调用密钥KP计算MAC值一次。由于监测服务器生成的随机数RMS可以重复使用, 因此在DOS攻击下, 生成随机数时的资源消耗可以忽略不计。即本协议可以抵抗DOS攻击。
3.2 抗重放攻击由于在每次验证MAC值交互时加入验证者自己选取的随机数, 即使传输的数据被窃取泄露, 或者监测服务端系统瘫痪, 在选取的随机数不重复的情况下, MAC值的永远不会重复。因此, 本协议可以抵抗重放攻击。
3.3 抗口令猜测攻击通过减少移动设备ME的连接次数来防止在线口令猜测攻击。由于Hash函数和生成消息认证码(MAC)的过程所产生的碰撞概率等价于离线口令猜测, 而对应的概率值比较低, 通过分析确定本文协议可以防止离线口令猜测攻击。
3.4 抗盗取验证表攻击在本协议中, 监测服务器MS的口令查找表中只包含移动设备的IDME和口令信息的Hash值, 并未存储用于MAC算法的对称密钥KP, 所以攻击方即使通过其他信息泄漏通道获得口令验证表, 也不能在密钥未知的条件下生成正确的MAC值, 即无法获取任何的有用数据。同时本协议使用AES对称和RSA非对称组合技术生成加密密钥, 并在双方的密钥协商阶段每次只传递一个加密数据或加密密钥, 即使部分数据被窃取泄露, 攻击方也无法获取全部的随机数和密钥或者是明文数据, 能够保障数据的安全性。
3.5 抗假冒监测服务器攻击如果攻击者想要假冒监测服务器MS, 他必须能够使用密钥KP计算RMS, RME, IDME的MAC值, 但是移动设备和监测服务器都生成一次性的随机数, 通过RSA与AES加密实现了移动设备和监测服务器的双向认证, 并且攻击者不能同时获得密钥KP, (e, N)和(d, N)。因此, 攻击者不可能通过假冒监测服务器MS实现与移动设备ME之间的通信。
3.6 抗假冒移动设备攻击如果攻击者想假冒移动设备ME, 他必须通过密钥KP计算H(PWME), RMS, RME, IDME的MAC值来实现假冒, 但这些计算所使用的数据被全部泄漏的可能性极低, 即便他能够窃取口令验证表, 通过查表获得H(PWME)信息, 也无法在密钥未知或其他随机数未知的情况下生成正确的MAC值。因此假冒移动设备ME也是不现实的。
4 硬件加速本文提出的协议使用RSA与AES两种加密算法结合加密数据的思想, 非对称的RSA算法弥补对称AES算法单个密钥保存不安全性问题; 反之, AES算法解决RSA算法运算速度较慢的问题[7], 两者之间相互弥补不足, 结合加密方案对于实际应用更加安全。由于协议中RSA算法消耗的资源相对较多[8], 这里则主要介绍RSA算法的硬件实现, 采用Verilog硬件描述语言对RSA加密算法进行设计描述与仿真, 且下载到DE2开发板中进行FPGA硬件加速优化, 同时, 将RSA算法的核心模幂运算转化成多个模乘运算, 使用从高位到低位扫描方式的蒙哥马利优化算法进行RSA算法的模乘运算, 即在硬件实现中不使用传统的除法操作, 而采用移位操作来实现模乘运算, 使算法效率得到提高。
4.1 RSA模块设计通过对信息加密的硬件应用需求分析, 本协议中RSA算法的Verilog描述的顶层模块设计命名为RSA_1024, 也就是说, 该算法能实现1024位数据的加密和解密, 具体管脚设计如图 4所示。
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| 图 4 RSA_1024模块外部管脚示意 Fig. 4 Schematic diagram of the outer foot of the RSA_ 1024 module |
RSA_1024顶层模块输入信号分别为: clk输入时钟、resetn复位信号、enable使能信号、key_in加解密密钥e/d输入、mod_in模n输入、data_in明文M(密文C)数据输入、key_ready准备输入密钥数据信号、mod_ready准备输入模数据信号、data_ready准备输入明密文数据信号。加密模块的输出信号有: finish模块结束信号、data_out数据输出的结果信号、key_end密钥数据输入结束信号、mod_end模输入结束信号、data_out_ready明密文输出信号。
RSA加密模块采用的是并行数据输入的方式, 最高可支持1024位数据运算。为了优化结构减少资源的浪费, 在设计中将所用到的输入数据以32bit为一组, 以周期为单位连续32次输入, 也就是采用分组输入数据的方式把1024bit数据拆解成32×32的数据进行输入。只有当对应的加密密钥e、模n、明密文数据的准备信号拉高时, 才可以输入对应数据。加密运算结束后准备输出信号拉高, 输出对应加密的数据。只要模块结束信号为低, 那么整个RSA模块就会停止工作。
4.2 RSA加密系统功能划分所设计的RSA_1024加密系统的整体结构包括控制功能实现模块、数据处理模块和数据存储模块三个部分组成, 如图 5所示。对应不同部分功能的实现还调用了相关模块。
在图 5中, RSA_1024加密模块整体可分为三大部分, RSA控制功能实现模块、实现类似Q=Z+C+XY功能的数据处理模块、分别作为明文或密文数据输入和模n输入的分组采集模块RAM_0和RAM_1。其中RSA控制功能实现模块主要作用是对加解密钥e/d输入进行分组采集, 通过密钥移位进行分支语句的判断, 来执行数据模幂运算和蒙哥马利模乘运算。而通过RAM地址选择控制和循环计数控制来分别对数据存储模块进行选择RAM_0、RAM_1和存储运算过程中间的数据值。控制状态转换开关在RSA整体功能实现的过程中起到联系各个模块的作用, 共同实现RSA加密算法。
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| 图 5 RSA_1024加密系统功能划分 Fig. 5 Functional division of RSA_1024 encryption system |
为验证RSA加密算法的功能, 采用仿真工具ModelSim对RSA加密算法的Verilog设计进行功能仿真, 验证的功能结果正确。再利用QuartusⅡ软件将代码下载到DE2开发板中进行FPGA验证, 其中主芯片采用CycloneⅡ的典型芯片EP2C35F672C6, 验证的结果同样正确。对RSA加密算法硬件加速评估, 优化算法设计, 减少资源消耗。使用的工艺库为SMIC 65nm CMOS工艺库, 在Linux系统下使用synopsys公司的Design Compiler(DC)进行逻辑综合。逻辑综合是将RTL级描述的算法, 转变为由逻辑门组成的逻辑电路。DC首先对RTL模块进行加载读取, 然后根据约束脚本中的时间、面积、输入输出延时等约束信息, 使用代工厂(Foundry)提供的SMIC 65nm工艺库通过对应的逻辑门组成逻辑电路, 并对逻辑电路进行优化。本文所使用的RSA加密算法综合后得到2691个有效门, 均衡考虑满足使用条件, 对本文提出的协议实现进一步资源优化。
5 结束语本文的协议在注册过程中使用RSA非对称加密, 不依赖于安全通道也可以确保注册数据信息的安全性, 这在海上临时无线组网观测系统身份双向认证过程中尤为重要。认证过程中使用对称AES生成密钥KP可以在本次通信结束后, 继续使用, 持续保障无线数据传输的安全。本文协议使用的哈希次数相对较少, 但数据的传输次数和加解密次数相对增多。这使系统安全性明显增强, 但系统在认证过程中耗时增大。这些问题可通过硬件加速和提升硬件配置解决。在注册和认证过程中不依赖安全通道, 所有数据采用加密传输, 移动设备不需要存储元件, 只需记住ID和口令就能够进行双向身份认证, 这对海上临时无线组网观测系统的双向通信提供保障。
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