面向电力物联网的轻量级分布式认证密钥协商

《Internet of Things》：Lightweight and Distributed Authentication Key Agreement for Power Internet of Things

　　

摘要 电力物联网（PIoT）作为下一代电力系统的核心骨干，支持海量终端设备的数据采集与远程监控等关键任务，是现代电网稳定运行的重要保障。然而，云-边-端三层协同架构面临动态拓扑适配、终端资源受限以及实时性保障等安全挑战。现有的PIoT认证密钥协商（AKA）协议存在三大局限：对单一密钥生成中心的强中心依赖、终端设备初始化时的单层认证，以及高计算和通信开销导致资源受限终端不堪重负。针对上述问题，本文通过分析现有方案的不足，提出了一种面向PIoT的轻量级分布式AKA方案。具体而言，本文首先采用去中心化密钥分配机制，将部分密钥与秘密值分离，有效解决了密钥分配过程中的中心依赖问题。其次，采用双域协同管理机制，利用双哈希椭圆曲线方程验证来防范恶意设备攻击。此外，认证过程采用哈希函数、异或运算和对称加密等轻量级算法，以适应PIoT终端的计算能力。最后，基于扩展Canetti-Krawczyk（eCK）模型的安全证明与效率分析表明，所提协议具有安全性和可靠性。与现有方案相比，本文方案在认证计算开销方面具有显著优势。此外，随着终端设备数量的增加，边缘设备的计算效率变得更加优越。

引言 电力物联网（PIoT）作为智能电网的核心通信与感知基础设施，提供了泛在连接、全面感知和智能分析等基本能力[1]。PIoT的核心在于云-边-端三层协同架构，该架构将感知、通信、计算和控制技术整合为统一框架。该架构支持海量异构终端设备（包括智能电表和监控节点）的大规模部署，实现三层之间的实时数据采集、高效传输和协同处理[2]。与侧重于电力系统整体控制与决策的智能电网不同，PIoT关注的是该三层架构内部运行的底层通信协议和安全机制。本文专注于这一分布式且资源受限环境中产生的认证与密钥协商挑战。

作为核心要素，电力数据不仅包含电网运行和负荷调节等关键运行信息，还包含用户用电行为、位置轨迹等敏感隐私数据。然而，PIoT面临的安全威胁已超出传统数据泄露的范畴。由于PIoT的动态拓扑、资源受限终端以及实时通信需求，攻击者可能利用设备加入/离开操作注入伪造的认证消息，或以繁重的密码运算压倒资源受限的终端[3]。这些独特挑战促使我们分析现有方案能否充分满足PIoT的安全需求。

针对上述安全挑战，认证密钥协商（AKA）作为一种安全通信方式，是保障电力数据机密性和完整性的重要组成部分[4]、[5]。具体而言，为满足动态拓扑需求，现有方案采用区块链实现分布式认证与管理[6]。分布式系统指由多个对等节点组成且无中心节点或权威服务器的网络。分布式管理在处理频繁的设备加入和退出方面更加高效。其次，轻量级认证要求终端设备仅使用哈希函数和对称加密等轻量级密码原语，避免在执行过程中使用昂贵的公钥运算。为降低终端设备的计算开销，通常采用轻量级算法[7]、[8]。同时，为确保实时数据传输，通常设计单轮认证，以有效减少交互次数和计算开销，满足低延迟通信需求[9]。

尽管现有方案可以解决某些安全问题，但在PIoT应用场景中往往存在一定局限性。具体来说，首先，PIoT终端设备通常形成数亿规模的庞大群体，而大多数现有方案依赖单一的密钥生成中心（KGC）进行密钥分配和管理。部分研究尝试利用区块链实现去中心化，但链上操作开销高且实时性差，难以满足PIoT的通信需求。其次，终端设备通常仅在注册阶段与边缘设备进行认证，难以验证边缘设备的合法性。最后，鉴于终端设备与边缘设备之间计算资源的不对称性以及终端有限的计算和存储能力，需要将计算负担转移至边缘设备，以进一步降低终端设备承受的计算和通信开销。

为应对上述问题，最近的一项研究[10]于2025年提出了一种面向资源不对称设备的一对多认证密钥协商协议。该协议试图在终端数量众多的复杂环境中实现一对多认证。其核心创新在于采用切比雪夫混沌映射和中国剩余定理（CRT），将大部分计算开销转移至边缘节点。这不仅适应了终端设备低开销、低存储的需求，而且在终端数量增加时显著降低了边缘设备的计算开销。此外，该协议集成了设备加入或离开时的信息更新功能，在一定程度上满足了动态拓扑需求。

通过对文献[10]的仔细分析，本文识别了其剩余的安全漏洞及值得进一步改进的方面。首先，一对多认证方案的实现仍依赖单一注册中心进行密钥分配，导致可扩展性不足。其次，所有通信实体仅在初始化阶段通过预共享密钥与边缘设备完成身份认证，这一做法可被攻击者利用。第三，尽管CRT的应用降低了计算开销，但通信开销仍然较高。相应地，本文提出三种解决方案。具体而言，首先，为满足动态拓扑需求，我们采用去中心化密钥分配机制，将部分密钥与秘密值分离，并将实体密钥生成和初始注册分配给云设备和边缘设备。其次，通过采用双域协同管理机制，终端设备的初始化需要通过边缘和云的双重认证，以抵御恶意边缘设备，实现终端设备的安全管理。第三，针对轻量级与安全性需求，我们通过将大部分计算转移至边缘设备来保留资源不对称的理念，并采用哈希函数和对称加密等轻量级操作，以最小化通信和计算开销，为方案的安全性和效率提供坚实保障。

我们的贡献。基于上述分析，我们提出了一种面向PIoT的轻量级分布式AKA方案：
1. 去中心化密钥分配机制：该方案采用部分私钥与秘密值分离的技术。控制中心作为根节点，负责为边缘设备生成部分私钥，而边缘设备作为子节点，在其各自管辖范围内为终端设备生成部分私钥。秘密值由每个实体独立生成。部分私钥与秘密值共同构成实体的完整私钥，显著增强了其安全性。
2. 双域协同管理机制：面向云-边-端三层分布式架构，该机制采用双哈希椭圆曲线等式验证。边缘设备和云设备共同参与终端设备的初始信任建立。这确保了各层设备的合法性，并抵御恶意终端设备和边缘设备的攻击。
3. 轻量级认证过程：在认证过程中，边缘设备首先发起请求并验证后续的响应消息，而终端设备仅执行哈希、异或和对称加密等轻量级操作。身份认证仅需通信双方一轮消息交互即可完成，非常适合在资源受限设备上实际部署。
4. 安全证明与效率分析：我们基于扩展Canetti-Krawczyk（eCK）模型为所提方案提供了形式化安全证明。同时，与现有方案相比，本文方案显著降低了认证的计算开销。此外，随着终端设备数量的增加，边缘设备的计算效率变得更加优越。

章节片段
相关工作 本节将从三个方面回顾相关工作：基于切比雪夫混沌映射的AKA协议、基于椭圆曲线密码学的协议以及基于后量子密码学的协议。表1对现有的AKA方案进行了分析和比较，更直观地展示了现有研究成果的差异。

预备知识 本节介绍本文后续各节中使用的基本概念。

系统模型、安全模型与设计目标 本节详细介绍了PIoT环境的系统模型、安全模型和设计目标。

所提协议 本节概述了方案设计，涵盖系统初始化、注册和认证密钥协商。

安全分析 本节将严格遵循规定的安全范式，对所提方案的安全性进行详尽的论证，从而确认其鲁棒性和可靠性。我们在第3节定义的eCK模型中为所提方案提供了完整的形式化安全证明。所有哈希、HKDF、加密和MAC原语均视为随机预言机。

设Π^s_i为参与者i（身份IDi）的一个新会话，设Π^t_j为参与者j（身份IDj）的……

性能分析 本节将所提方案与VFAS[22]、CAKA[6]和Li等人[10]所提方案进行理论比较。这些方案均为面向物联网环境的认证方案。其中，VFAS[22]和CAKA[6]是基于轻量级ECC的认证方案，与我们的方案一致，因此具有高度可比性。Li等人[10]提出了一种基于切比雪夫混沌映射和CRT的方案，其重点在于为资源受限设备提供轻量级计算。

结论 本文聚焦于云-边-端三层协同架构下PIoT的安全挑战，面向具有中等计算资源的PIoT终端设备（如智能电表、智能插座、工业物联网传感器和智能家居网关），这些设备能够在可接受的延迟阈值内执行哈希函数、HMAC运算和对称加密。结合现有方案的缺陷，本文提出了一种轻量级分布式AKA方案。

CRediT作者贡献声明 宣卓卓：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，方法论，调研，形式化分析，数据整理，概念构思。常金勇：撰写—审阅与编辑，监督，资源，概念构思。李嘉鑫：监督，调研，数据整理。

利益冲突声明 作者声明不存在已知的竞争经济利益或个人关系，这些利益关系或个人关系可能对本论文所报告的工作产生影响。

宣卓卓 | 常金勇 | 李嘉鑫 西安建筑科技大学信息与控制工程学院，陕西西安，邮编：710055，中国