基于SM 2的物聯(lián)網(wǎng)安全簽名方案

馬? 建 (中鐵信弘遠（北京）軟件科技有限責任公司?高級工程師，北京?100038)

摘? 要：為了減少物聯(lián)網(wǎng)中的數(shù)字簽名方案的計算開銷，保護敏感簽名內(nèi)容，在分析物聯(lián)網(wǎng)的安全需求的基礎 上，基于SM2算法，提出物聯(lián)網(wǎng)安全數(shù)字簽名方案。通過使用高效安全的對稱加密算法，保證了簽名內(nèi)容的機 密性；使用橢圓曲線進行構(gòu)造，提高了方案的計算效率，可以滿足物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中輕量化要求。分析表明，該方 案具有消息的保密性、完整性、抗否認性和抗偽造型等特點。 

關鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；安全；SM2；數(shù)字簽名；隱私保護

0  引言 

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）是由相互連接的物體、服務、人員 和設備構(gòu)成的集合，可以實現(xiàn)不同領域的信息交互及數(shù) 據(jù)共享。物聯(lián)網(wǎng)有很多應用領域，從個體環(huán)境到企業(yè)環(huán) 境^[1]。近年來，由于射頻識別（RFID）和無線傳感器網(wǎng) 絡（WSN）技術的進步，物聯(lián)網(wǎng)得到飛速發(fā)展。雖然 物聯(lián)網(wǎng)給人們生活帶了了便利，但與傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng) 類似，各種安全攻擊隨之而來，嚴重影響了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展 和人們的隱私安全。 

本文首先分析物聯(lián)網(wǎng)的安全需求，然后介紹了構(gòu)造 基礎SM2數(shù)字簽名方案，并給出了安全數(shù)字簽名的具體 構(gòu)造，最后進行了安全性分析。

1  相關基礎 

1.1 物聯(lián)網(wǎng)安全需求 

物聯(lián)網(wǎng)的基本安全目標包括通用網(wǎng)絡系統(tǒng)中的機密 性，完整性和可用性。然而，物聯(lián)網(wǎng)由于設備的異構(gòu) 性、計算和通信資源受限等問題，也使其具有通用系統(tǒng) 不一樣的安全問題。物聯(lián)網(wǎng)面臨的安全挑戰(zhàn)可大致分為兩大類：結(jié)構(gòu)性挑戰(zhàn)和安全性挑戰(zhàn)^[2]。結(jié)構(gòu)性挑戰(zhàn)源于 物聯(lián)網(wǎng)自身的異構(gòu)性和泛在性，安全性挑戰(zhàn)與系統(tǒng)的原 理、功能相關，其基本目標就是利用強制機制構(gòu)建安全 網(wǎng)絡。解決結(jié)構(gòu)性挑戰(zhàn)通常需要考慮無線通信、可擴展 性、能量和分布結(jié)構(gòu)等因素，而解決安全挑戰(zhàn)則需要考 慮身份驗證、機密性、端到端安全性、完整性等問題， 安全機制必須強制貫穿于從系統(tǒng)開發(fā)到運營的全生命周 期^[3]。 

常見的安全需求包括：所有物聯(lián)網(wǎng)設備上運行的 軟件須經(jīng)過授權(quán)；在開啟IoT設備進行數(shù)據(jù)收集和發(fā)送 前，網(wǎng)絡必須對其對進行身份驗證；由于物聯(lián)網(wǎng)設備計 算與存儲資源受限，有必要使用防火墻網(wǎng)絡以過濾定向 到設備的數(shù)據(jù)包；物聯(lián)網(wǎng)設備的更新和補丁應為以不增 加額外帶寬消耗的方式安裝。 

總體而言，物聯(lián)網(wǎng)的安全需求包括以下幾個方面。 

1）機密性 

確保數(shù)據(jù)安全且僅可供授權(quán)用戶使用。在物聯(lián)網(wǎng) 中，用戶可以是人、機器、服務、內(nèi)部對象（網(wǎng)絡中的 設備）和外部對象（非網(wǎng)絡中的設備）。例如，必須確保傳感器不會將其收集到的數(shù)據(jù)透露給附近節(jié)點^[4]。另 一個考慮的機密性問題是如何管理數(shù)據(jù)，重要的是物聯(lián) 網(wǎng)用戶要意識到數(shù)據(jù)管理機制應用于過程或人員管理， 確保數(shù)據(jù)全程受到保護^[5]。 

2）完整性 

由于物聯(lián)網(wǎng)基于許多不同設備之間交換數(shù)據(jù)，因此 必須確保數(shù)據(jù)的準確性；數(shù)據(jù)是來自正確的發(fā)件人，并 確保數(shù)據(jù)在傳輸中未被篡改數(shù)據(jù)，或被有意、無意地干 擾。雖然可以通過使用防火墻和協(xié)議來管理數(shù)據(jù)流量， 但由于物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點計算和通信資源受限，并不能保證端 點的安全性，所以必須考慮其他機制以實現(xiàn)完整性。 

3）可用性 

物聯(lián)網(wǎng)的愿景是連接盡可能多的智能設備，以實現(xiàn) 物聯(lián)網(wǎng)用戶所有數(shù)據(jù)隨時可用。但是，數(shù)據(jù)不是物聯(lián)網(wǎng) 的唯一部分，設備和相關服務必須也可以在需要時隨時 訪問。支持可用性的方法既可能需要使用容錯機制等通 用辦法，也需要考慮基于密碼學的機制。 

4）可認證性 

物聯(lián)網(wǎng)中的每個對象都應該能夠被其他對象識別和 鑒別，但由于物聯(lián)網(wǎng)自身的特性使得識別和鑒別具有挑 戰(zhàn)性，這其中會涉及到設備、人、服務提供商等多種類 型的實體，設計的鑒別機制需要兼容異構(gòu)系統(tǒng)的各種實 體類型。此外，也需要考慮到有時對象可能需要與其他 事先沒有共享信息的實體進行交互等特殊場景^[6]。 

5）輕量化 

除了常規(guī)的安全目標，考慮到物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點通常為資 源受限設備，所以輕量化也是設計安全機制需要考慮 的因素。因此，在設計和實現(xiàn)相應的加密、認證、完整 性驗證等協(xié)議或算法時，要盡可能使用計算資源消耗較 小的方案，直接將傳統(tǒng)的安全方案套用在物聯(lián)網(wǎng)中并不 可取。 

1.2 SM2數(shù)字簽密算法 

SM2數(shù)字簽名算法^[7]包括密鑰產(chǎn)生、簽名生成、簽 名驗證3個算法： 

● 密鑰產(chǎn)生 

1) 隨機選取秘密d  ； 

2) 計算 , 并將 P=dG 作為公鑰公開，d 作為私鑰保存。 

● 簽名生成 

3) 簽名者選取隨機數(shù) ，計算。

4) 計算 ，其中 m 是 待簽名的消息，Hash為單向哈希函數(shù)；若 r= 0 或r+ k=q，則重新選取隨機數(shù)k。 

5) 計算 ；若s= 0， 則重新選取隨機數(shù)k；否則，將r, s作為簽名結(jié)果。 

● 簽名驗證 

6) 驗證者接收到m和r，s后，先檢查是否滿足然后計算

7) 計算 判斷r與是否相等，若二者相等則簽名驗證通過，否則驗證失敗。

2  基于SM2的物聯(lián)網(wǎng)安全簽名方案 

假定物聯(lián)網(wǎng)中的某節(jié)點A需要對消息m進行簽名， 然后發(fā)給另一節(jié)點B驗證。同時，消息m內(nèi)容屬于敏感 信息，因此m不能透露給第三方。傳輸?shù)木W(wǎng)絡為非安全 網(wǎng)絡，因此傳輸過程中可能存在各種類型的攻擊者，方 案的系統(tǒng)模型如圖1所示。

為了實現(xiàn)可以保護消息內(nèi)容的簽名，本文設計了基 于SM2數(shù)字簽名方案。在方案中，除了物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點外，還有1個可信第三方——密鑰生成中心(KGC)，主要負 責注冊維護各個節(jié)點的公鑰，物聯(lián)網(wǎng)中的所有節(jié)點在加 入系統(tǒng)時首先向KGC提交公鑰和其他必要信息進行注 冊。本方案的算法基于SM2數(shù)字簽名算法進行構(gòu)造，因 此與SM2數(shù)字簽名算法類似，包括系統(tǒng)初始化、密鑰生 成、簽名生成、簽名驗證4個步驟，具體如下。 

1）系統(tǒng)初始化 

首先選擇1個大于160位的大素數(shù)p，然后選擇一條 橢圓曲線，選擇階為 n的基點(生成元)G。選擇1個安全的對稱加密算法，如 SM4，為描述方便起見，本方案中簡寫為E，對應的解 密算法為D。選擇一個安全的hash函數(shù)，如SM3，本方 案中簡記為H。 

2）密鑰生成 

A隨機選擇 作為其私鑰，并計算其公鑰P_A=d_AG；B隨機選擇作為其私鑰，并 計算其公鑰P_B=d_BG。然后，A和B分別在KGC中進行 注冊。 

3）簽名生成 

設待簽名的消息為m，A將對其進行簽名并發(fā)送給B 進行驗證。 

A隨機選擇 ，然后分別計算 

則關于消息m的簽名為 ，A將 σ 發(fā)送 給B。 

4）簽名驗證 

B收到 σ 后，首先分別計算

判斷r與r¹是否相等，如果相等則接受該簽名。

3  方案分析 

1) 完整性 

由于在本方案中使用了安全哈希函數(shù)H，如果消息 m在加密過程中損壞，或者在簽名傳輸過程中Cm遭到損 壞，那么驗證者B計算出的m¹與m不相同，根據(jù)哈希函 數(shù)的抗碰撞原理，得出的哈希值必然不同，進而導致r 與r¹不相等，簽名驗證無法通過。因此，本方案的完整 性得到保證。 

2) 機密性 

本方案的主要目標就是保證簽名內(nèi)容的機密性，即 除了設定的驗證者B外的其他任何實體，都無法獲知 σ 中的簽名消息m。事實上，若攻擊者通過 σ 來推斷其 對應的消息m，最直接的方式就是通過破解C_m 來推導 m，但本方案中采用的是如SM4等安全對稱加密算法， 因此，攻擊者的無法在有效時間內(nèi)推導出加密內(nèi)容m。 

3) 不可否認性 

如果A試圖對其關于m的簽名 σ 進行否認，由于本 方案中基于SM2簽名方案進行構(gòu)造，因此本方案能夠 滿足存在性不可偽造特性，除了A以外的任何人都不可 能偽造出另一個與m不同的消息m* ，使其簽名為 σ 。 因此，A不能對其生成的關于m的簽名 σ 進行否認。據(jù) 此，本方案實現(xiàn)了不可否認性。 

4) 輕量化 

本簽名方案基于SM2數(shù)字簽名方案進行構(gòu)造，而 SM2數(shù)字簽名方案基于安全橢圓曲線實現(xiàn)。眾所周知， 橢圓曲線密碼具有極高的計算效率，在橢圓曲線密碼算 法中使用160位的密鑰，即可獲得相當于RSA中的1 024 位密鑰的安全強度。因此，本方案具有輕量級特點，適 用于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境。

4  結(jié)論 

本文在分析物聯(lián)網(wǎng)的安全需求的基礎上，考慮到物 聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中節(jié)點計算與通信資源受限、節(jié)點動態(tài)變化等 特點，基于SM2算法構(gòu)造了一種安全數(shù)字簽名方案。方 案利用高效安全的對稱加密算法保證簽名內(nèi)容的機密 性，基于SM2的簽名保證了方案的高效性，因此，本方 案完全適用于物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下對敏感內(nèi)容進行數(shù)字簽名的安全需求。

參考文獻： 

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本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2020年第03期第27頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。