一種鄰近無線終端間會話密鑰的生成方法
【專利摘要】一種鄰近無線終端間會話密鑰的生成方法，屬于無線通信網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域。根據(jù)智能手機(jī)等無線終端的用戶指定的地理距離范圍，挖掘周圍無線環(huán)境中信號的到達(dá)時間等物理層信息建立鄰近無線終端間的臨時會話密鑰。目標(biāo)終端根據(jù)接收到周圍無線環(huán)境中數(shù)據(jù)包的RSSI，序列號以及MAC地址建立公共位置標(biāo)識，用于確認(rèn)主終端和目標(biāo)終端共享的無線數(shù)據(jù)包；根據(jù)共享無線數(shù)據(jù)包到達(dá)的時間建立秘密位置標(biāo)識，用于生成會話密鑰。目標(biāo)終端不會公開自己的秘密位置標(biāo)識，有效防御指定的距離范圍內(nèi)的監(jiān)聽者和攻擊者。通過挖掘周圍無線環(huán)境中共享數(shù)據(jù)包的到達(dá)時間建立會話密鑰，保證無線終端位置安全的同時提高會話密鑰的生成速率。
【專利說明】一種鄰近無線終端間會話密鑰的生成方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信網(wǎng)絡(luò)安全領(lǐng)域，特別是涉及通過挖掘周圍無線環(huán)境中信號的 到達(dá)時間等物理層信息建立鄰近無線終端間的臨時會話密鑰，保護(hù)無線終端的位置安全， 同時提高密鑰生成速率的一種鄰近無線終端間會話密鑰的生成方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 智能手機(jī)和社交網(wǎng)絡(luò)的廣泛使用促進(jìn)了無線終端定位服務(wù)（LBS)的飛速發(fā)展，如 近距離商業(yè)和移動廣告等。安全可靠的定位服務(wù)要求精確的鄰近范圍測試，使主終端能夠 準(zhǔn)確判斷指定的地理距離范圍內(nèi)是否存在其他無線終端。為了實(shí)現(xiàn)定位服務(wù)的商業(yè)化，鄰 近范圍測試必須能夠保證無線終端位置的安全和可靠。
[0003] R. Mayrhofer 等（R. Mayrhofer and H. Gellersen，"Shake well before use: intuitive and secure pairing of mobile devices,，'IEEE Trans. Mobile Computing，vol.8，pp. 792 - 806, June 2009)提出基于接收到的單一無線信號源的信號 強(qiáng)度的鄰近范圍測試方法。但是該測試方法限制了定位服務(wù)的地理距離范圍，同時在無 線環(huán)境中的確認(rèn)度不高。A.Kalamandeen 等（A.Kalamandeen，A.Scannell，E.de Lara，A. Sheth, and A. LaMarca, "Ensemble: cooperative proximity-based authentication,，'in Proc.ACM International Conference on Mobile Systems, Applications, and Services(MobySys), San Francisco, CA, 2010)證明了基于接收到的無線信號強(qiáng)度的 鄰近范圍測試方法很容易受到中間者的攻擊。Y. Zheng等（Y. Zheng, M. Li, W. Lou, and T. Hou, "Sharp:Private proximity test and secure handshake with cheat-proof location tags,，'in Proc.European Symposium on Research in Computer Security (ES 0RICS)，Pisa，Italy，2012)提出基于位置標(biāo)識的鄰近范圍測試方法。該測試方法通過挖掘 周圍無線環(huán)境中信號的內(nèi)容提高確認(rèn)度，同時擴(kuò)大地理距離范圍，但是會引起更大的隱私 泄露，增加系統(tǒng)負(fù)擔(dān)。
[0004] 現(xiàn)有的許多無線設(shè)備，包括筆記本電腦、智能手機(jī)能夠提取周圍無線環(huán)境中信號 的物理層信息，包括無線數(shù)據(jù)包的信號強(qiáng)度標(biāo)識（RSSI)、無線數(shù)據(jù)包到達(dá)時間等。試驗表明 在一定地理距離范圍內(nèi)的無線終端，獲得周圍無線環(huán)境中共享數(shù)據(jù)包的RSSI、數(shù)據(jù)包的到 達(dá)時間幾乎是一樣的。無線數(shù)據(jù)包的物理層信息沒有直接透露無線用戶的位置信息，不容 易被指定的地理距離范圍以外的其它無線終端觀察或干擾。因此無線終端可以利用周圍無 線環(huán)境中共享的數(shù)據(jù)包建立公共位置標(biāo)識，提高定位服務(wù)的安全性。
[0005] 鄰近范圍測試是基于生成的臨時會話密鑰進(jìn)行的，會話密鑰的生成方法以及包含 的無線終端的信息影響鄰近范圍測試的策略。
[0006] S. Mathur 等（S. Mathur，W. Trappe，N. Mandayam，C. Ye, and A. Reznik, "Radiotel epathy:Extracting a secret key from an unauthenticated wireless channel,，'in Proc. ACM 14th annual conference on mobile computing and systems(MobiCom), San Francisco, CA，2008)利用不同無線終端之間無線信道的響應(yīng)是不同的，而且與空間位置 的變化緊密相關(guān)的性質(zhì)，提出了基于無線信道特性的會話密鑰生成方法。不存在干擾的 無線通信環(huán)境中，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)接收到信號的包絡(luò)是一樣的。B.Azimi等（B.Azimi，A. Kiayias, A. Mercado, and B. Yener, "Robust key generation from signal envelopes in wireless networks,，' in Proc. ACM Conference on Computer and Communications Security, Berlin, Germany, 2007)基于這個原理，將無線信道的物理層特征結(jié)合到生成密 鑰的算法中。C. Ye 等（C. Ye, S. Mathur, A. Reznik, Y. Shah, W. Trappe, and N. Mandayam，" Info rmation-theoretically secret key generation for fading wireless channels, ''IEEE Trans. Information Forensics and Security,vol. 5,pp.240 - 254, 2010)和 T. Aono 等(T. Aono, K. Higuchi, T. Ohira, B. Komiyama, and H. Sasaoka, "Wireless secret key generation exploiting reactance-domain scalar response of multipath fading channels,，' IEEE Trans. Antennas and Propagation, vol. 53, pp. 3776 - 3784, Nov. 2005) 認(rèn)為發(fā)射機(jī)和接收機(jī)能夠及時獲得它們之間通信信道的信息，因此可以利用收發(fā)機(jī)之間波 動信道的實(shí)時信息生成會話密鑰。Q. Wang等（Q. Wang, H.Su，K. Ren, and K. Kim, "Fast and scalable secret key generation exploiting channel phase randomness in wireless networks,，'in Proc. IEEE International Conference on Computer Communications (INF OCOM)，Shanghai，China，2011)提出在窄帶多徑衰弱信道模型下，利用信道對共享密鑰響應(yīng) 的相位信息，生成會話密鑰的方法。但是現(xiàn)有的這些方法會泄漏無線終端的位置信息，使無 線終端容易受到攻擊，同時會話密鑰的生成速率不高。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于提供一種鄰近無線終端間會話密鑰的生成方法。
[0008] 本發(fā)明包括以下步驟：
[0009] 步驟1 :主終端根據(jù)指定的地理距離范圍，初始化鄰近范圍測試策略參數(shù)，主終端 廣播包含上述鄰近范圍測試策略參數(shù)的會話密鑰的建立請求信號，啟動會話密鑰的建立進(jìn) 程；
[0010] 步驟2 :主終端根據(jù)鄰近范圍測試策略參數(shù)監(jiān)聽周圍無線環(huán)境中多個接入節(jié)點(diǎn)發(fā) 送的無線信號，主終端提取、記錄接收到的每個數(shù)據(jù)包的RSSI (記為RSSIi)、數(shù)據(jù)包的到達(dá) 時間（記為h)、數(shù)據(jù)包的MAC地址（記為MAQ)和數(shù)據(jù)包的序列號（記為SR)，其中i表 示主終端接收到的第i個無線數(shù)據(jù)包，并且滿足1 < i < N，N為非無窮大的正整數(shù)，表示指 定測試時間周期內(nèi)主終端接收到的數(shù)據(jù)包的數(shù)目；
[0011] 步驟3 :指定的地理距離范圍內(nèi)的鄰近目標(biāo)無線終端（目標(biāo)終端）接收會話密鑰 的建立請求信號后，根據(jù)鄰近范圍測試策略參數(shù)監(jiān)聽周圍無線環(huán)境中多個接入節(jié)點(diǎn)發(fā)送的 無線信號，目標(biāo)終端提取、記錄接收到的每個數(shù)據(jù)包的RSSI (記為RSSip、數(shù)據(jù)包的到達(dá)時 間（記為tp、數(shù)據(jù)包的MAC地址（記為MAC」）和數(shù)據(jù)包的序列號（記為SN」），其中j表示 目標(biāo)終端接收到的第j個無線數(shù)據(jù)包，并且滿足1 < j < N，N表示指定測試時間周期內(nèi)目 標(biāo)終端接收到的數(shù)據(jù)包的數(shù)目；
[0012] 步驟4 :目標(biāo)終端把接收到的每個無線數(shù)據(jù)包的RSSI (記為RSSip、MAC地址（記 為MACP和序列號（記為S%)作為公共位置標(biāo)識，發(fā)送給主終端；
[0013] 步驟5 :主終端接收到目標(biāo)終端的公共位置標(biāo)識，獲得目標(biāo)終端接收到的每個數(shù) 據(jù)包的物理層信息MAC』、SNj，1彡j彡N ;
[0014] 步驟6 :主終端搜索自己接收到的每個數(shù)據(jù)包的物理層信息MACi、SNi，1彡i彡N 與到達(dá)目標(biāo)終端的每個數(shù)據(jù)包的物理層信息MACpS%，1 < j < N作對比，找到滿足MAQ = MACpSNi = S%，1彡i，j彡N的數(shù)據(jù)包即主終端和目標(biāo)終端的共享數(shù)據(jù)包，將共享數(shù)據(jù)包在 主終端處的序號i加到共享數(shù)據(jù)包目錄I中，將共享數(shù)據(jù)包在目標(biāo)終端處的序號j加到共 享數(shù)據(jù)包目錄J中；
[0015] 步驟7 :主終端將共享數(shù)據(jù)包目錄J發(fā)送給目標(biāo)終端；
[0016] 步驟8 :主終端根據(jù)共享數(shù)據(jù)包目錄I中的數(shù)據(jù)包序號，將最小序號對應(yīng)的數(shù)據(jù)包 的接收時間作為主終端的時間參考起點(diǎn)，將其它序號對應(yīng)的數(shù)據(jù)包的接收時間減去主終端 的時間參考起點(diǎn)，再以〇. 01的精度舍入，得到主終端的會話密鑰；
[0017] 步驟9 :目標(biāo)終端根據(jù)接收到的共享數(shù)據(jù)包目錄J中的數(shù)據(jù)包序號，將最小序號對 應(yīng)的數(shù)據(jù)包的接收時間作為目標(biāo)終端的時間參考起點(diǎn)，將其它序號對應(yīng)的數(shù)據(jù)包的接收時 間減去目標(biāo)終端的時間參考起點(diǎn)，再以0. 01的精度舍入，得到目標(biāo)終端的會話密鑰。
[0018] 在步驟1中，所述鄰近范圍測試策略參數(shù)，包括測試所選用的信道頻段、測試的時 間周期、需要監(jiān)聽的周圍無線環(huán)境中信號的參數(shù)；所述需要監(jiān)聽的周圍無線環(huán)境中信號的 參數(shù)包括數(shù)據(jù)包的信號強(qiáng)度標(biāo)識（RSSI)、數(shù)據(jù)包到達(dá)無線終端的時間、數(shù)據(jù)包的MAC地址 和數(shù)據(jù)包的序列號。
[0019] 本發(fā)明提出一種鄰近無線終端間會話密鑰的生成方法，目標(biāo)終端根據(jù)接收到周圍 無線環(huán)境中數(shù)據(jù)包的RSSI，序列號以及MAC地址建立公共位置標(biāo)識，用于確認(rèn)主終端和目 標(biāo)終端共享的無線數(shù)據(jù)包；根據(jù)共享無線數(shù)據(jù)包到達(dá)的時間建立秘密位置標(biāo)識，用于生成 會話密鑰。目標(biāo)終端不會公開自己的秘密位置標(biāo)識，因此能夠有效防御指定的距離范圍內(nèi) 的監(jiān)聽者和攻擊者。鄰近無線終端間會話密鑰的生成方法通過挖掘周圍無線環(huán)境中共享數(shù) 據(jù)包的到達(dá)時間建立會話密鑰，保證無線終端位置安全的同時提高會話密鑰的生成速率。
[0020] 本發(fā)明根據(jù)智能手機(jī)等無線終端的用戶指定的地理距離范圍，挖掘周圍無線環(huán)境 中信號的到達(dá)時間等物理層信息建立鄰近無線終端間的臨時會話密鑰。本發(fā)明所實(shí)現(xiàn)的會 話密鑰生成方法不需要無線終端預(yù)先共享密鑰或認(rèn)證機(jī)構(gòu)，在密鑰的建立過程中沒有在空 中接口泄露用戶位置等隱私信息，具有較高的密鑰生成速率。
[0021] 本發(fā)明提出的會話密鑰的生成方法不需要無線終端預(yù)先共享密鑰或認(rèn)證機(jī)構(gòu)，根 據(jù)周圍無線環(huán)境中共享數(shù)據(jù)包的物理層信息以及數(shù)據(jù)包到達(dá)無線終端的時間建立位置標(biāo) 識，生成會話密鑰。本發(fā)明保證了無線終端位置的安全，同時提高了會話密鑰的生成速率。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下實(shí)施例將對本發(fā)明作進(jìn)一步的說 明。
[0023] 具體步驟如下：
[0024] 步驟1 :主終端根據(jù)指定的地理距離范圍，初始化鄰近范圍測試策略參數(shù)，包括測 試所選用的信道頻段、測試的時間周期、需要監(jiān)聽的周圍無線環(huán)境中信號的參數(shù)。需要監(jiān) 聽的信號參數(shù)包括數(shù)據(jù)包的信號強(qiáng)度標(biāo)識（RSSI)、數(shù)據(jù)包到達(dá)無線終端的時間、數(shù)據(jù)包的 MAC地址和數(shù)據(jù)包的序列號。主終端廣播包含上述鄰近范圍測試策略參數(shù)的會話密鑰的建
【權(quán)利要求】
1. 一種鄰近無線終端間會話密鑰的生成方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟1 :主終端根據(jù)指定的地理距離范圍，初始化鄰近范圍測試策略參數(shù)，主終端廣播 包含上述鄰近范圍測試策略參數(shù)的會話密鑰的建立請求信號，啟動會話密鑰的建立進(jìn)程； 步驟2 :主終端根據(jù)鄰近范圍測試策略參數(shù)監(jiān)聽周圍無線環(huán)境中多個接入節(jié)點(diǎn)發(fā)送 的無線信號，主終端提取、記錄接收到的每個數(shù)據(jù)包的RSSI、數(shù)據(jù)包的到達(dá)時間、數(shù)據(jù)包 的MAC地址和數(shù)據(jù)包的序列號，其中i表示主終端接收到的第i個無線數(shù)據(jù)包，并且滿足 K i < N，N為非無窮大的正整數(shù)，表示指定測試時間周期內(nèi)主終端接收到的數(shù)據(jù)包的數(shù) 目；每個數(shù)據(jù)包的RSSI記為RSSIp數(shù)據(jù)包的到達(dá)時間記為&，數(shù)據(jù)包的MAC地址記為MAQ， 數(shù)據(jù)包的序列號記為SR ; 步驟3 :指定的地理距離范圍內(nèi)的鄰近目標(biāo)無線終端（目標(biāo)終端）接收會話密鑰的建 立請求信號后，根據(jù)鄰近范圍測試策略參數(shù)監(jiān)聽周圍無線環(huán)境中多個接入節(jié)點(diǎn)發(fā)送的無線 信號，目標(biāo)終端提取、記錄接收到的每個數(shù)據(jù)包的RSSI、數(shù)據(jù)包的到達(dá)時間、數(shù)據(jù)包的MAC 地址和數(shù)據(jù)包的序列號；每個數(shù)據(jù)包的RSSI記為RSSIj，數(shù)據(jù)包的到達(dá)時間記為tj，數(shù)據(jù)包 的MAC地址記為MAC」，數(shù)據(jù)包的序列號記為S%，其中j表示目標(biāo)終端接收到的第j個無線 數(shù)據(jù)包，并且滿足1 < j < N，N表示指定測試時間周期內(nèi)目標(biāo)終端接收到的數(shù)據(jù)包的數(shù)目； 步驟4 :目標(biāo)終端把接收到的每個數(shù)據(jù)包的RSSI、數(shù)據(jù)包的MAC地址，數(shù)據(jù)包的序列號 作為公共位置標(biāo)識，發(fā)送給主終端；每個數(shù)據(jù)包的RSSI記為RSSIj，數(shù)據(jù)包的MAC地址記為 MACV數(shù)據(jù)包的序列號記為S%，其中j表示目標(biāo)終端接收到的第j個無線數(shù)據(jù)包，并且滿足 K j < N，N表示指定測試時間周期內(nèi)目標(biāo)終端接收到的數(shù)據(jù)包的數(shù)目； 步驟5 :主終端接收到目標(biāo)終端的公共位置標(biāo)識，獲得目標(biāo)終端接收到的每個數(shù)據(jù)包 的物理層信息MAC』、SNj，1彡j彡N ; 步驟6 :主終端搜索自己接收到的每個數(shù)據(jù)包的物理層信息MAC,、SR，1彡i彡N與到 達(dá)目標(biāo)終端的每個數(shù)據(jù)包的物理層信息MACj、SNj，1 < j < N作對比，找到滿足MAQ = MAC』、 SNi = S%，1彡i, j彡N的數(shù)據(jù)包即主終端和目標(biāo)終端的共享數(shù)據(jù)包，將共享數(shù)據(jù)包在主終 端處的序號i加到共享數(shù)據(jù)包目錄I中，將共享數(shù)據(jù)包在目標(biāo)終端處的序號j加到共享數(shù) 據(jù)包目錄J中； 步驟7 :主終端將共享數(shù)據(jù)包目錄J發(fā)送給目標(biāo)終端； 步驟8 :主終端根據(jù)共享數(shù)據(jù)包目錄I中的數(shù)據(jù)包序號，將最小序號對應(yīng)的數(shù)據(jù)包的接 收時間作為主終端的時間參考起點(diǎn)，將其它序號對應(yīng)的數(shù)據(jù)包的接收時間減去主終端的時 間參考起點(diǎn)，再以〇. 01的精度舍入，得到主終端的會話密鑰； 步驟9 :目標(biāo)終端根據(jù)接收到的共享數(shù)據(jù)包目錄J中的數(shù)據(jù)包序號，將最小序號對應(yīng)的 數(shù)據(jù)包的接收時間作為目標(biāo)終端的時間參考起點(diǎn)，將其它序號對應(yīng)的數(shù)據(jù)包的接收時間減 去目標(biāo)終端的時間參考起點(diǎn)，再以〇. 01的精度舍入，得到目標(biāo)終端的會話密鑰。
2. 如權(quán)利要求1所述一種鄰近無線終端間會話密鑰的生成方法，其特征在于在步驟1 中，所述鄰近范圍測試策略參數(shù)，包括測試所選用的信道頻段、測試的時間周期、需要監(jiān)聽 的周圍無線環(huán)境中信號的參數(shù)。
3. 如權(quán)利要求2所述一種鄰近無線終端間會話密鑰的生成方法，其特征在于所述需要 監(jiān)聽的周圍無線環(huán)境中信號的參數(shù)包括數(shù)據(jù)包的信號強(qiáng)度標(biāo)識、數(shù)據(jù)包到達(dá)無線終端的時 間、數(shù)據(jù)包的MAC地址和數(shù)據(jù)包的序列號。
【文檔編號】H04W12/04GK104105093SQ201410383842
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年8月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月7日
【發(fā)明者】肖亮, 陳天花, 劉金亮, 唐余亮 申請人:廈門大學(xué)