物联网环境下的距离边界协议研究

摘要

距离边界协议可以使通信一方（验证者）在认证过程中安全地测量另一方（证明者）的物理距离，保证认证安全。该协议作为安全保护机制目前已被普遍用于物联网环境下的非接触访问控制和认证系统中。针对该协议的研究目前主要停留在协议层认证：在采用往返时延测距时，协议会把“挑战-响应”加密到测距信息中来提升安全，但是证明者在生成响应的时候会带来处理时延。由于处理挑战和生成响应都是基于同步时钟完成的，攻击者可以通过加速嵌入到挑战信息中的同步时钟来减小处理时延，进而利用减少的处理时延来中继转发响应，导致验证者错误地认为证明者位于合法物理距离范围内，这种攻击方式被称为时钟攻击。目前还没有安全方案可以有效地抵抗时钟攻击。另外，攻击者还可以利用比特持续时间进行早检测和晚提交攻击。 为了提高距离边界协议的安全性以及在物联网环境下的适用性，1）本文提出了结合校验和以及频率调制来抵抗时钟攻击的方案。在此方案中，证明者通过频移响应信号的频率来反馈同步时钟的校验和，验证者通过使用校验和来判断协议是否遭受攻击。通过在射频识别阅读器和标签上的相关实验展示了该方案的可行性，并且证明了该安全方案还可以有效地抵抗多路径。2）在此基础上，提出改进的距离边界协议设计与实现。该协议使用步进调频连续波来完成测距和传输数据，节省带宽且有效地抵抗早检测和晚提交攻击；另外，协议仅执行模拟操作在射频前端处理挑战生成响应，并利用反向散射通信机制来实现通信，使得协议的处理时延减少到接近于 0，进而提升安全性能，降低能量消耗。最后，本文利用Simulink仿真验证了该协议的可行性，并对其性能进行评估和分析。结果表明相对于现有的协议，本文提出的新协议可以实现测距精度高、带宽占用少、功耗低、抗多路径和噪声性能强、抵抗时钟攻击效果好的性能。另外，新协议也可以有效抵抗早检测和晚提交攻击。

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