面向医疗物联网的超轻量级群组密钥协商方法及系统

本发明属于物联网安全，具体涉及面向医疗物联网的超轻量级群组密钥协商方法及系统。

背景技术：

1、随着物联网技术的快速发展，物联网设备已广泛应用于智能家居、智能医疗和智能交通等领域。尤其在智能医疗领域，医疗物联网设备在计算能力、存储资源和能源供给方面受到严格的约束，同时其安全性也面临着多种威胁。智能医疗是一种融合可穿戴设备、物联网和移动互联网技术的健康服务模式，它以动态信息交互为核心，构建了一个人员、物体和机构等所有医疗要素互联互通的生态系统。

2、医疗物联网中的感知层包含各种医疗设备和物联网设备。其中医疗设备包括x光机、大型医疗仪器等，物联网设备包括传感器、摄像头、rfid标签和网关等。由于医疗设备使用寿命长、建设阶段重业务功能轻安全防护，导致其常存在操作系统老旧、地域分布广、安全维护长期被忽视等问题，使其极易受到恶意攻击。

3、医疗物联网设备的安全性高度依赖于加密通信和身份认证，而密钥协商正是建立安全通信信道、实现安全身份认证的核心基础过程。传统的密钥协商协议大多假设通信双方具有相近的计算能力和资源，但这并不符合物联网的现实情况。受资源约束的医疗设备在面临高复杂度、高计算量的操作时，如模幂运算、weil配对和点乘运算等，需要远高于服务器等强大设备的处理时间。因此，需要一种能够减轻医疗设备计算负担的群组密钥协商方案。

4、现有技术中，群组密钥协商方案主要分为以下几类：基于weil配对的方案需进行大量的配对运算，计算开销大；基于椭圆曲线标量乘法的方案同样需要较高的计算资源；基于diffie-hellman扩展的方案通常需要多轮交互，通信开销大。这些方案均不适用于资源受限的医疗物联网场景。部分轻量级协议虽然实现了点对点的认证和密钥协商，但无法扩展到群组场景，应用范围有限。

技术实现思路

1、本发明是为了克服现有技术中，传统的基于复杂数学运算（如双线性配对、椭圆曲线点乘、离散对数等）的群组密钥协商方案，存在计算开销大、通信交互轮数多、难以适用于资源极度受限的医疗物联网设备，以及部分轻量级协议无法扩展至群组场景的问题，提供了一种能够将复杂模幂运算外包给高性能服务器、利用ascon（轻量级认证加密算法）超轻量级认证加密实现高效子集生成、并借助孙子定理（crt）实现群组会话密钥广播式安全分发的面向医疗物联网的超轻量级群组密钥协商方法及系统。

2、为了达到上述发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、面向医疗物联网的超轻量级群组密钥协商方法，包括如下步骤：

4、s1，系统初始化：

5、可信第三方生成系统参数，为每个组成员分配互质的模数作为私钥，各服务器节点选择自身私钥并广播公钥参数；

6、s2，子集生成：

7、随机选取一个资源受限设备生成随机子集，利用ascon轻量级认证加密算法加密后广播至组内其他设备，其他设备解密获取该子集，并向该子集中添加元素生成新子集；

8、s3，会话密钥生成：

9、所述被选取的资源受限设备作为信任中心，将所述新子集通过ascon加密后发送至可信第三方，各服务器节点基于自身私钥执行模幂运算并将计算结果广播，可信第三方解密获取所述新子集，根据该新子集从各服务器节点的广播结果中选择对应的计算值，将所选择的各计算值进行连乘，得到会话密钥；

10、s4，会话密钥分发：

11、可信第三方利用孙子定理计算分发参数并生成验证值，将分发参数和验证值广播至所有组成员，各组成员利用自身私钥恢复会话密钥，并通过验证值确认密钥正确性。

12、作为优选，在步骤s1中，所述系统初始化阶段具体包括如下过程：

13、可信第三方选择一个阶为q的循环群，以及作为的生成元；同时，还生成整数和z，并随机选择个数属于循环群，其中，对于所有；可信第三方选择一个大的素数p，并生成一组两两互质的私钥，其中每个，i=1,2,…,m+k，而m+k是成员总数；接着，可信第三方计算相应的参数和，其中，，且。随后，可信第三方计算，以及；最后，可信第三方通过安全信道将每个传输给对应的成员。

14、作为优选，可信第三方还会通过安全信道向传输用于 ascon 加密的私钥。获得的私钥是相同的。

15、作为优选，步骤s2中，在所述子集生成过程中，所述资源受限设备利用组内共享密钥，对随机子集s进行ascon加密生成密文 并广播，其他资源受限设备利用所述共享密钥解密获取所述随机子集s；基于会话开始时间戳的随机值t和预设增量计算新元素，若已存在于当前随机子集s中，则重新计算直至不存在；再将加入子集s构成新子集。

16、作为优选，步骤s2中，在所述子集生成过程中，每个组成员计算所述新子集中所有元素对应公钥参数的乘积= ，若等于1则终止当前子集生成过程并重新开始。

17、作为优选，步骤s3中，在所述会话密钥生成过程中，所述信任中心将所述新子集拼接时间戳t后利用ascon加密生成密文 并发送至可信第三方；服务器节点,,...,，每个服务器节点选择私钥，其中={1,2,q-1}，是整数模q的乘法单位群，由所有与q互素的剩余类组成，在模q乘法下构成一个有限交换群。各服务器节点进行,  ,...,的模幂运算得到n个值，并在组内广播；可信第三方解密获取所述新子集，根据所述新子集中的各元素值选择各服务器节点广播结果中对应下标的值并进行连乘，得到会话密钥=。

18、作为优选，步骤s4中，所述会话密钥分发过程中，可信第三方从中选取随机数r，计算参数= ，是所有孙子定理重建系数之和，用于配合孙子定理实现会话密钥的广播式安全分发,，是整数模p的乘法单位群；设定验证值，其中，为安全的哈希函数，v为当前组成员集合；可信第三方将{,}广播至所有组成员；

19、每个组成员利用自身私钥通过模运算恢复会话密钥，计算恢复所得会话密钥的哈希值并与所述验证值比较，若不一致则终止本次会话。

20、本发明还提供了面向医疗物联网的超轻量级群组密钥协商系统包括：

21、资源受限设备模块，用于执行ascon轻量级认证加密生成随机子集，并参与子集生成过程；

22、服务器模块，用于执行模幂运算，为会话密钥生成提供计算基础，并将计算资源不满足模幂运算要求的医疗设备的计算任务外包；

23、信任中心模块，用于收集资源受限设备的加密随机数并进行统一解密处理，并负责与可信第三方之间的安全通信；

24、可信第三方模块，用于系统初始化参数生成、会话密钥计算和孙子定理分发。

25、作为优选，所述服务器模块执行模幂运算，所述资源受限设备模块不参与任何模幂运算，所述资源受限设备模块仅执行ascon加解密操作和模运算操作；所述资源受限设备模块执行ascon加解密操作与所述服务器模块执行模幂运算并行进行。

26、作为优选，所述资源受限设备模块中资源受限设备的数量占群组成员总数的比例为90%，所述资源受限设备模块包括心率监测仪、血糖监测仪、血压监测仪和体温传感器中的任意一种或多种。

27、本发明与现有技术相比，有益效果是：（1）本发明通过将复杂的模幂运算外包给高性能服务器，避免了资源受限的医疗设备直接进行高计算量操作，显著降低了医疗设备的计算开销；在总成员数为200时，医疗设备的密钥协商时间仅为1.5ms，占总开销的17.5%；（2）本发明采用孙子定理进行群组会话密钥的分发，实现了广播方式的高效密钥分发，通信开销低，且安全性已在理论上得到证明；（3）本发明使用ascon超轻量级认证加密算法进行子集生成，该算法被nist标准认证，在提供高安全性的同时保持了极低的计算开销；（4）与现有基于weil配对或点乘运算的群组密钥协商方案相比，本发明方案的计算效率和通信效率均得到显著提升；当成员数量达到2000时，总计算时间约为1秒，且资源受限设备占总成员数的90%，更符合实际医疗物联网场景。