BEdX25519：一种基于区块链和椭圆曲线加密技术的轻量级认证密钥交换协议，用于实现安全的物联网设备间通信

《Journal of Information Security and Applications》：BEdX25519: A lightweight authenticated key exchange protocol for secure IoT device-to-device (D2D) communication using blockchain and elliptic curve cryptography

　　摘要
物联网将各种日常物理设备连接到互联网上，使其能够随时随地收集和交换信息。其在医疗保健、农业和交通等领域的应用日益广泛。然而，随着物联网系统处理越来越多敏感数据，确保安全通信已成为一项重要挑战，尤其是在设备间直接交互且无中间机构的场景中。传统的集中式模型存在单点故障风险，一旦中央机构不可用，通信就会受到威胁。此外，在设备间通信中实现相互认证也颇具难度，因为物联网设备往往缺乏存储和处理所有可信设备凭证的资源。现有的解决方案通常依赖基于证书的基础设施或专用硬件（如物理不可克隆功能），这限制了其大规模应用。为解决这些难题，本文提出了BEdX25519——一种轻量级的基于区块链的认证密钥交换协议，可在无需中间机构的情况下实现安全的物联网设备间通信。该协议将设备标识符和公钥存储在去中心化且不可篡改的区块链账本上，从而防止未经授权的篡改。设备可直接从区块链获取公钥，并利用椭圆曲线加密技术生成安全的会话密钥。该协议已在ESP32设备上实现，以评估其可行性和性能。实验结果表明，BEdX25519功能完备且高效，在资源受限的设备上具有较低的运行时间和内存占用。其安全特性通过非正式分析以及使用Scyther工具进行的正式验证得到确认，实际攻击模拟也表明该协议能够抵御重放攻击、冒充攻击和中间人攻击。此外，还在以太坊和Polygon网络上对区块链交易成本进行了评估，结果证明其具有成本效益。最后，大规模部署路线图显示，该协议能够在不增加额外资源负担的情况下支持数千台物联网设备，凸显了其实用性和可扩展性。

引言
物联网是由配备传感器、软件和通信技术的互连设备构成的庞大网络，这些技术使得设备能够通过互联网或其他网络实现无缝数据交换[1]。这些设备在智能城市、医疗保健、工业自动化和联网汽车等诸多领域发挥着关键作用，负责收集、处理和传输敏感信息[2]。然而，由于缺乏强大的安全机制，物联网系统容易遭受网络威胁，包括未经授权的数据访问、设备篡改以及恶意拦截。如果攻击者利用通信漏洞，他们可以操纵传输的数据、破坏设备完整性，甚至控制关键基础设施[3]。因此，确保安全的数据通信对于保护物联网网络免受此类威胁、维持合规性以及避免财务和声誉损失至关重要[4]。

在各种物联网通信模式中，设备间直接通信逐渐成为一种有效的机制。它允许物联网设备之间直接交互，无需依赖集中的云服务器或传统网络基础设施[5][6]。这种去中心化方式提高了效率，减少了對单点故障的依赖，同时还能实现低延迟通信。正因如此，它非常适合用于智能交通、工业控制系统、联网医疗和自动化等领域[7]。不过，虽然设备间通信提升了可扩展性和响应速度，但也带来了显著的安全挑战，因为在难以证明相互信任的环境中，设备必须建立安全且经过认证的通信通道。攻击者可能会试图拦截、操纵或冒充设备，从而导致安全漏洞和系统中断[8]。

在设备间通信中，一个重要的安全挑战就是实现相互认证，因为缺乏集中式的认证机制，设备很难维护一个可信的对方列表[9]。此外，保密性、完整性和真实性方面的威胁也令人担忧。保密性风险源于未经授权的实体获取敏感数据，完整性风险则涉及数据在传输过程中被非法修改，而真实性风险则发生在攻击者冒充合法设备或将欺诈性数据注入网络时。要解决这些挑战，就需要一个强大且可扩展的安全框架，能够在动态且去中心化的物联网环境中保障通信安全[10]。

安全通信的一个基本要素是加密，它能确保传输的数据保持保密性，防止未经授权的实体获取[11]。然而，加密需要通信双方安全地交换加密密钥。难点在于确保这一密钥交换过程不会被恶意攻击者截获或操纵。如果攻击者在传输过程中窃取了加密密钥，他们就可以解密并操纵敏感数据，进而引发安全漏洞[12]。因此，尤其是在无法实现集中式密钥分配的设备间通信中，一个可靠的密钥交换机制对于建立安全通信通道至关重要[13]。

为保障物联网通信的安全，人们提出了多种密钥交换和认证机制，包括基于专用硬件、对称密钥加密、公钥加密、后量子加密以及区块链技术的方案。基于物理不可克隆功能或现场可编程门阵列等硬件辅助方法能够提供较强的安全保障，但它们会增加成本、提高硬件复杂性，并带来部署难题，而且往往依赖于集中式的认证服务器[14][15][16][17]。基于对称密钥的认证和密钥交换协议在计算效率方面表现优异，很适合资源受限的物联网设备[18][19][20]，但由于其依赖集中式密钥管理，不太适用于完全去中心化的设备间通信。基于证书的解决方案能够提供强大的认证保障[21]，但由于证书的签发、分发、更新和撤销等工作会带来较大的计算、存储和通信负担，影响了资源受限设备的性能，因此在可扩展性和管理成本方面存在不足。最近，人们提出了后量子加密方案，以应对新兴的量子威胁[22][23]，但其较高的计算和能耗要求使得它并不适用于ESP32这类低功耗物联网平台。在之前的研究中[24]，我们提出了一种基于区块链的密钥交换机制，用于实现物联网中的安全设备间通信。该方案利用去中心化存储来管理和分发物联网设备的真实公钥，但它也存在一些局限性：设备标识符是由设备自行生成并在注册时提交，这可能导致身份重复；此外，密钥交换过程缺乏明确的重放攻击防御机制，从而使协议易受重放攻击；再者，由于没有明确且安全的密钥更新流程，长期安全管理和前向保密性的保障也存在问题。

为解决上述物联网认证和密钥交换方面的难题，本文提出了BEdX25519——一种轻量级的认证密钥交换协议，它利用椭圆曲线加密技术和区块链技术，旨在实现物联网设备间的安全通信。在该协议中，每个物联网设备在注册之前会生成两对加密密钥：一对X25519密钥对用于密钥交换，另一对Ed25519密钥对用于数字签名。相应的私钥则安全地存储在设备的非易失性存储器中。注册机构会根据设备的公钥生成一个唯一的设备标识符，这个唯一标识符连同设备的公钥一起通过智能合约存储在区块链上，从而确保设备关键信息的不可篡改和去中心化访问。

当两个物联网设备开始设备间通信时，它们会从区块链中获取对方的公钥，然后利用X25519密钥交换机制生成共享的会话密钥。该会话密钥用于对称加密，从而确保传输数据的保密性、完整性和真实性。为防范重放攻击和消息篡改，该协议还加入了时间戳以及基于哈希的消息认证码，这些内容会在数据交换之前进行验证。值得注意的是，注册机构在设备注册之后不再参与任何设备间的通信。

为进一步提升安全性，共享的会话密钥和公钥不会永久存储在设备上，这样即使设备被攻破，相关信息也不会泄露。该协议支持通过向注册机构发送经数字签名的请求来实现安全的密钥更新，从而在不需额外硬件或集中式认证服务器的情况下增强前向保密性[25]。被攻破的设备可以通过区块链记录的撤销交易被快速移除。总体而言，BEdX25519提供了一种去中心化、可扩展且资源效率高的安全框架，专为物联网设备间的安全通信而设计。本文的主要贡献如下：
• 开发了一种轻量级且具备相互认证功能的密钥交换协议，专门用于物联网设备间的安全通信，通过利用区块链进行认证和公钥验证，消除了对集中式中介的需求。
• 通过非正式安全分析评估了该协议对各类加密攻击的抵御能力及其前向保密性支持情况，并使用Scyther验证工具对其安全特性进行了正式验证。
• 在资源受限的ESP32设备上实现了该协议，并通过分析实际运行条件下的执行时间和内存占用情况，评估了其可行性。
• 在受控实验环境中模拟常见的网络攻击（中间人攻击、重放攻击、冒充攻击和消息篡改），对协议进行了实际安全测试，以评估其稳定性。
• 对智能合约部署、物联网设备信息注册、密钥更新和撤销操作相关的区块链交易成本进行了分析，同时研究了在区块链上写入和读取数据所需的时间。

本文的其余结构如下：第2节回顾相关文献，阐述本文研究的必要性和背景。第3节介绍了物联网设备间通信所面临的威胁模型。第4节探讨了理解所提出的BEdX25519协议所需的基础概念和理论依据。第5节详细描述了该协议及其各组成部分之间的相互作用。第6节通过非正式推理和正式验证技术对该协议进行了全面的安全分析。第7节介绍了该协议的实现方式、实验结果、验证情况、安全分析结果、区块链操作的时间需求以及与智能合约相关的交易成本，同时还分析了大规模部署数千台物联网设备的可行性。第8节总结了研究结果，指出了该方法的优点和局限性，并将其与其他相关协议进行了比较。最后，第9节对本文进行了总结，并提出了未来研究的方向。结论：在物联网应用中，设备间的通信使得连接设备之间能够进行直接、高效的交互，从而支持各个行业的广泛应用，包括自动驾驶和联网汽车、智能医疗、工业自动化、金融系统以及智能交通。这些系统常常需要处理和传输敏感信息，如个人数据、财务记录以及车辆遥测数据，因此需要强大的安全机制来保障数据安全。

作者贡献声明：
Rakibul Hasan：撰写——初稿、验证、软件开发、方法论设计、研究实施、正式分析、概念构建、可视化呈现。
Md Al Amin：撰写——审阅与编辑、验证、项目监督、资源协调。
Md Ibrahim Abdullah：撰写——审阅与编辑、验证。
A.B.M. Shawkat Ali：撰写——审阅与编辑、资源协调。

利益冲突声明：
作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。
Rakibul Hasan | Md Al Amin | Md Ibrahim Abdullah | A.B.M. Shawkat Ali
孟加拉国达卡，1216，孟加拉国商业技术大学BUBT研究研究生院