ASEAKA-IoD：一种用于无人机物联网的安全增强型身份认证密钥协商协议

《Pervasive and Mobile Computing》：ASEAKA-IoD: A security-enhanced authenticated key agreement protocol for Internet of Drones

　　

## 摘要

物联网和无人机技术的快速发展加速了无人机互联网（IoD）在智能交通、灾害响应和环境监测等领域的应用。然而，IoD中的认证和通信通过公共信道进行，容易受到各种攻击。鉴于内存、计算能力和电池电力的限制，开发轻量级且可靠的认证协议至关重要。现有协议在物理安全、凭证更新和抵抗特权内部人员攻击方面仍存在不足。为克服这些挑战，我们提出了一种名为ASEAKA-IoD的新型认证与密钥协商协议。我们将物理不可克隆函数与模糊提取器集成以增强认证凭证的安全性。每次认证会话结束后，凭证均会更新以进一步提高安全性。同时，我们提出了一种双态防去同步机制，并在认证请求中嵌入凭证相关信息，从而在凭证更新期间抵抗去同步攻击，同时减少不必要的计算。此外，为防御来自地面控制站的特权内部人员攻击，我们设计了基于TEE的凭证保护机制。具体而言，系统的主私钥被严格隔离在可信执行环境（TEE）中，本地存储的凭证使用由这些密钥派生的密钥进行加密，有效缓解了凭证泄露和身份伪造的风险。我们通过实或随机模型、BAN逻辑、ProVerif和启发式分析验证了ASEAKA-IoD的安全性。ASEAKA-IoD与相关协议的全面比较表明，所提协议在安全性和效率方面均表现优越。因此，该协议非常适合资源受限的IoD环境。

## 引言

随着通信技术的进步和物联网（IoT）的广泛应用[1]，作为IoT重要组成部分的无人机互联网（IoD）经历了快速增长。近年来，凭借高灵活性、快速部署和广泛覆盖等优势[3]，IoD已广泛应用于农业监测、物流配送、军事侦察、智能交通和灾害救援等多个领域[2]。由于IoD中的认证和通信通过公共信道进行，它们极易受到严重的威胁，包括窃听、中间人攻击和重放攻击[4]。此外，IoD中的无人机节点通常部署在复杂的户外环境中，并受限于有限的内存、计算能力和能源资源[5]。因此，开发轻量级且可靠的认证协议，以实现公共信道上的身份认证和安全通信，对IoD具有重要意义。

传统的认证与密钥协商（AKA）协议仅完成身份认证和密钥协商，而认证凭证则静态存储在内存中。然而，这种方法并不适用于IoD中的AKA协议。由于运行环境的开放性，无人机容易受到物理捕获攻击[6]。一旦无人机被捕获，其中存储的敏感信息可被恶意行为者通过物理探测技术轻易提取。物理不可克隆函数（PUF）[7]凭借其低开销和不可克隆特性，为这一问题提供了有效的解决方案。然而，将PUF直接应用于IoD的认证与密钥协商协议面临一个显著问题：PUF容易受到外部噪声的影响，难以保证其响应的可靠性[8]。

其次，传统的IoD认证协议通常依赖于静态存储的长期凭证。尽管这种方法易于实现，但协议参与者无法轻易判断其凭证是否已遭到泄露[9]。如果泄露的凭证未能及时更新，可能会导致严重后果。例如，2019年，攻击者远程劫持无人机袭击了沙特阿拉伯的石油设施，导致大规模火灾。为减轻凭证泄露造成的严重后果，凭证更新对IoD的认证协议至关重要。然而，凭证更新过程容易受到去同步攻击。在这类攻击中，攻击者可拦截或丢弃包含凭证更新的消息，从而破坏认证各方之间凭证的一致性，导致后续认证失败。

此外，现有研究主要聚焦于防御外部攻击，而很大程度上忽视了具有合法权限的内部人员所带来的威胁。在IoD架构中，地面控制站（GCS）作为核心认证实体，管理所有用户和无人机的身份信息，并存储包含认证凭证的认证表。若GCS中的特权内部人员滥用其访问权限，便可泄露用户或无人机的认证凭证并发起后续攻击。尽管存储在GCS中的这些凭证可通过加密技术加以保护，但用于加密的密钥本身也是敏感信息，仍然容易受到特权软件组件的窃取[10]。因此，仅依赖传统加密手段无法从根本上缓解来自系统内部的此类"权限滥用"威胁。

为弥补现有IoD AKA协议在物理安全、凭证更新和抵抗特权内部人员攻击方面的不足，我们提出了一种名为ASEAKA-IoD的新型AKA协议。本文的主要贡献总结如下：

（1）我们集成了PUF和模糊提取器技术以增强物理安全。PUF利用固有的硬件差异生成唯一的挑战-响应对，使攻击者难以克隆用户和无人机的认证凭证。同时，利用模糊提取器从PUF响应中提取稳定可靠的特征，确保认证凭证的鲁棒性和一致性。

（2）尽管现有方案通过凭证更新增强了安全性，但若更新消息被拦截，它们仍极易遭受灾难性的去同步攻击。为对抗此过程中的去同步攻击，我们提出了一种双态防去同步机制。为进一步优化效率，认证请求中携带状态绑定信息，使验证者能快速识别应应用新凭证还是旧凭证版本，从而有效减少冗余验证计算。

（3）为防御来自GCS的特权内部人员攻击，我们设计了基于TEE的凭证保护机制。具体而言，我们将系统的主私钥严格隔离在TEE中，并使用由这些密钥派生的密钥对本地存储的认证凭证进行加密，从而有效缓解了凭证泄露和身份伪造的风险。

（4）我们利用ROR模型、BAN逻辑和ProVerif严格验证了ASEAKA-IoD的安全性。此外，对比评估表明，我们的协议表现出更优的安全性和效率，非常适合资源受限的IoD环境。

## 相关工作

为IoD开发轻量级且可靠的认证与密钥协商（AKA）协议仍面临诸多挑战。许多现有的AKA协议尚未达到预期的安全水平。Tanveer等人[11]提出了一种基于椭圆曲线加密（ECC）的IoD AKA协议。然而，在其协议中，无人机的认证凭证直接存储在无人机内存中，容易受到物理捕获攻击。几种现有协议[12]……

## 网络模型

所提协议的网络模型如图1所示，包含四类实体：注册中心（RC）、地面控制站（GCS）、移动用户和无人机。RC负责处理所有用户和无人机的注册过程，以及GCS的部署管理。为提升系统安全性，GCS集成了TEE以安全存储和处理关键密钥及认证数据。在注册阶段，用户和无人机提交……

## 扩展切比雪夫多项式

**定义1** 设 $c$ 为整数，$s \in (-\infty, +\infty)$，$n$ 为大素数。扩展切比雪夫多项式定义为 $T_c(s) = \cos(c \cdot \cos^{-1}(s)) \bmod n$。其等价递推定义为 $T_c(s) = (2sT_{c-1}(s) - T_{c-2}(s)) \bmod n$，其中 $T_0(s) = 1$，$T_1(s) = s$，$c \geq 2$。它满足半群性质 $T_a(T_b(s)) = T_{b \cdot a}(s) = T_b(T_a(s)) \bmod n$ [38]。

**定义2** 混沌映射离散对数问题（CMDLP）[39]：给定 $s$，$T_a(s) \bmod n$ 和 $n$，在计算上不可能找到整数 $a$。多项式时间对手 $\mathcal{A}$ 解决CMDLP的优势为 $\mathbf{Adv}_{\text{CMDLP}}^{\mathcal{A}}(t) = \Pr[\mathcal{A}(x, y) = a : a \in \ldots]$。

## 所提协议

在本节中，我们详细描述ASEAKA-IoD的各个阶段。ASEAKA-IoD中使用的符号及其对应含义列于表2中。

### 互认证

在ASEAKA-IoD的AKA阶段，通过验证相关消息的合法性，在 $MU_i$、$D_j$ 和 $GCS_k$ 之间实现互认证。具体而言，$GCS_k$ 和 $MU_i$ 通过验证 $M_5^*$ 是否等于 $M_5$ 以及 $M_{14}^*$ 是否等于 $M_{14}$ 来相互认证。类似地，$GCS_k$ 和 $D_j$ 通过检查 $M_8^*$ 是否等于 $M_8$ 以及 $M_{12}^*$ 是否等于 $M_{12}$ 来实现互认证。若任何验证失败，认证过程即终止。认证成功后，$MU_i$ 和 $D_j$ 协商会话密钥 $SK = h(\ldots)$。

## 比较分析

本节旨在通过将ASEAKA-IoD的安全特性及开销（包括计算开销和通信开销）与其他相关协议[13][14][23][26][54][55]进行比较，来评估其性能。

## 结论

本文提出了ASEAKA-IoD，一种专为无人机互联网设计的增强安全认证与密钥协商协议。为解决现有轻量级方案中的关键漏洞，我们集成了物理不可克隆函数以实现硬件固有的凭证安全，并利用可信执行环境（TEE）来抵御特权内部人员攻击。此外，我们创新的双态防去同步机制有效抵抗了凭证更新期间的去同步攻击。

## CRediT作者贡献声明

Wenjin Chen：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，验证，方法论，形式化分析。

Changli Zhou：撰写—审阅与编辑，验证，监督，项目管理，概念化。

Zhenghang Fang：调查，形式化分析。

Zuxi Chen：验证，监督，软件。

## 利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

## 致谢

本工作部分受国家自然科学基金资助（批准号：62572202、61972168、61802134）、国家重点研发计划（批准号：2023YFC3304501）、中央高校基本科研业务费（ZQN-811）以及福建省自然科学基金（批准号：20231ZB038）支持。

Wenjin Chen | Changli Zhou | Zhenghang Fang | Zuxi Chen