马 建 (中铁信弘远（北京）软件科技有限责任公司 高级工程师，北京 100038)
摘 要：为了减少物联网中的数字签名方案的计算开销，保护敏感签名内容，在分析物联网的安全需求的基础 上，基于SM2算法，提出物联网安全数字签名方案。通过使用高效安全的对称加密算法，保证了签名内容的机 密性；使用椭圆曲线进行构造，提高了方案的计算效率，可以满足物联网环境中轻量化要求。分析表明，该方 案具有消息的保密性、完整性、抗否认性和抗伪造型等特点。
关键词：物联网；安全；SM2；数字签名；隐私保护
0 引言
物联网（IoT）是由相互连接的物体、服务、人员 和设备构成的集合，可以实现不同领域的信息交互及数 据共享。物联网有很多应用领域，从个体环境到企业环 境[1]。近年来，由于射频识别（RFID）和无线传感器网 络（WSN）技术的进步，物联网得到飞速发展。虽然 物联网给人们生活带了了便利，但与传统的互联网系统 类似，各种安全攻击随之而来，严重影响了物联网发展 和人们的隐私安全。
本文首先分析物联网的安全需求，然后介绍了构造 基础SM2数字签名方案，并给出了安全数字签名的具体 构造，最后进行了安全性分析。
1 相关基础
1.1 物联网安全需求
物联网的基本安全目标包括通用网络系统中的机密 性，完整性和可用性。然而，物联网由于设备的异构 性、计算和通信资源受限等问题，也使其具有通用系统 不一样的安全问题。物联网面临的安全挑战可大致分为两大类：结构性挑战和安全性挑战[2]。结构性挑战源于 物联网自身的异构性和泛在性，安全性挑战与系统的原 理、功能相关，其基本目标就是利用强制机制构建安全 网络。解决结构性挑战通常需要考虑无线通信、可扩展 性、能量和分布结构等因素，而解决安全挑战则需要考 虑身份验证、机密性、端到端安全性、完整性等问题， 安全机制必须强制贯穿于从系统开发到运营的全生命周 期[3]。
常见的安全需求包括：所有物联网设备上运行的 软件须经过授权；在开启IoT设备进行数据收集和发送 前，网络必须对其对进行身份验证；由于物联网设备计 算与存储资源受限，有必要使用防火墙网络以过滤定向 到设备的数据包；物联网设备的更新和补丁应为以不增 加额外带宽消耗的方式安装。
总体而言，物联网的安全需求包括以下几个方面。
1）机密性
确保数据安全且仅可供授权用户使用。在物联网 中，用户可以是人、机器、服务、内部对象（网络中的 设备）和外部对象（非网络中的设备）。例如，必须确保传感器不会将其收集到的数据透露给附近节点[4]。另 一个考虑的机密性问题是如何管理数据，重要的是物联 网用户要意识到数据管理机制应用于过程或人员管理， 确保数据全程受到保护[5]。
2）完整性
由于物联网基于许多不同设备之间交换数据，因此 必须确保数据的准确性；数据是来自正确的发件人，并 确保数据在传输中未被篡改数据，或被有意、无意地干 扰。虽然可以通过使用防火墙和协议来管理数据流量， 但由于物联网节点计算和通信资源受限，并不能保证端 点的安全性，所以必须考虑其他机制以实现完整性。
3）可用性
物联网的愿景是连接尽可能多的智能设备，以实现 物联网用户所有数据随时可用。但是，数据不是物联网 的唯一部分，设备和相关服务必须也可以在需要时随时 访问。支持可用性的方法既可能需要使用容错机制等通 用办法，也需要考虑基于密码学的机制。
4）可认证性
物联网中的每个对象都应该能够被其他对象识别和 鉴别，但由于物联网自身的特性使得识别和鉴别具有挑 战性，这其中会涉及到设备、人、服务提供商等多种类 型的实体，设计的鉴别机制需要兼容异构系统的各种实 体类型。此外，也需要考虑到有时对象可能需要与其他 事先没有共享信息的实体进行交互等特殊场景[6]。
5）轻量化
除了常规的安全目标，考虑到物联网节点通常为资 源受限设备，所以轻量化也是设计安全机制需要考虑 的因素。因此，在设计和实现相应的加密、认证、完整 性验证等协议或算法时，要尽可能使用计算资源消耗较 小的方案，直接将传统的安全方案套用在物联网中并不 可取。
1.2 SM2数字签密算法
SM2数字签名算法[7]包括密钥产生、签名生成、签 名验证3个算法：
● 密钥产生
1) 随机选取秘密d
2) 计算 , 并将 P=dG 作为公钥公开，d 作为私钥保存。
● 签名生成
3) 签名者选取随机数
4) 计算
5) 计算
● 签名验证
6) 验证者接收到m和r，s后，先检查是否满足
7) 计算
2 基于SM2的物联网安全签名方案
假定物联网中的某节点A需要对消息m进行签名， 然后发给另一节点B验证。同时，消息m内容属于敏感 信息，因此m不能透露给第三方。传输的网络为非安全 网络，因此传输过程中可能存在各种类型的攻击者，方 案的系统模型如图1所示。
为了实现可以保护消息内容的签名，本文设计了基 于SM2数字签名方案。在方案中，除了物联网节点外，还有1个可信第三方——密钥生成中心(KGC)，主要负 责注册维护各个节点的公钥，物联网中的所有节点在加 入系统时首先向KGC提交公钥和其他必要信息进行注 册。本方案的算法基于SM2数字签名算法进行构造，因 此与SM2数字签名算法类似，包括系统初始化、密钥生 成、签名生成、签名验证4个步骤，具体如下。
1）系统初始化
首先选择1个大于160位的大素数p，然后选择一条 椭圆曲线
2）密钥生成
A随机选择
3）签名生成
设待签名的消息为m，A将对其进行签名并发送给B 进行验证。
A随机选择
则关于消息m的签名为
4）签名验证
B收到 σ 后，首先分别计算
判断r与r1是否相等，如果相等则接受该签名。
3 方案分析
1) 完整性
由于在本方案中使用了安全哈希函数H，如果消息 m在加密过程中损坏，或者在签名传输过程中Cm遭到损 坏，那么验证者B计算出的m1与m不相同，根据哈希函 数的抗碰撞原理，得出的哈希值必然不同，进而导致r 与r1不相等，签名验证无法通过。因此，本方案的完整 性得到保证。
2) 机密性
本方案的主要目标就是保证签名内容的机密性，即 除了设定的验证者B外的其他任何实体，都无法获知 σ 中的签名消息m。事实上，若攻击者通过 σ 来推断其 对应的消息m，最直接的方式就是通过破解Cm 来推导 m，但本方案中采用的是如SM4等安全对称加密算法， 因此，攻击者的无法在有效时间内推导出加密内容m。
3) 不可否认性
如果A试图对其关于m的签名 σ 进行否认，由于本 方案中基于SM2签名方案进行构造，因此本方案能够 满足存在性不可伪造特性，除了A以外的任何人都不可 能伪造出另一个与m不同的消息m* ，使其签名为 σ 。 因此，A不能对其生成的关于m的签名 σ 进行否认。据 此，本方案实现了不可否认性。
4) 轻量化
本签名方案基于SM2数字签名方案进行构造，而 SM2数字签名方案基于安全椭圆曲线实现。众所周知， 椭圆曲线密码具有极高的计算效率，在椭圆曲线密码算 法中使用160位的密钥，即可获得相当于RSA中的1 024 位密钥的安全强度。因此，本方案具有轻量级特点，适 用于物联网环境。
4 结论
本文在分析物联网的安全需求的基础上，考虑到物 联网环境中节点计算与通信资源受限、节点动态变化等 特点，基于SM2算法构造了一种安全数字签名方案。方 案利用高效安全的对称加密算法保证签名内容的机密 性，基于SM2的签名保证了方案的高效性，因此，本方 案完全适用于物联网环境下对敏感内容进行数字签名的安全需求。
参考文献：
[1] SAMIE F, BAUER L, HENKEL J. IoT technologies for embedded computing: A survey[C].Proceedings of the Eleventh IEEE/ACM/IFIP International Conference on Hardware/Software Codesign and System Synthesis. ACM, 2016: 8.
[2] MAHALLE P N, ANGGOROJATI B, PRASAD N R, et al. Identity authentication and capability based access control (iacac) for the internet of things. J. of Cyber Security and Mobility, 2013,1:309-348.
[3] LEO M, BATTISTI F, CARLI M, et al. A federated architecture approach for Internet of Things security[C].Euro Med Telco Conference (EMTC),15,2014.
[4] FAROOQ M, WASEEM M, KHAIRI A, et al. A Critical Analysis on the Security Concerns of Internet of Things (IoT). Perception, vol. 111, 2015.
[5] KHAN M A, SALAH K. IoT security: Review, blockchain solutions, and open challenges[J]. Future Generation Computer Systems, 2018,(82):395-411.
[6] ROMAN R, ZHOU J, LOPEZ J. On the features and challenges of security and privacy in distributed internet of things.ComputerNetworks, 2013,57:22662279.
[7] 尚铭,马原,林璟锵,等. SM2椭圆曲 线门限密码算法[J]. 密码学报, 2014, 1(2):155–166.
本文来源于科技期刊《电子产品世界》2020年第03期第27页，欢迎您写论文时引用，并注明出处。
