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基于区块链的密钥生成和协商方案研究

日期:2021-01-11 21:06 作者:上海论文网 编辑:若诗 点击次数:179
销售价格:150 论文编号:el2021010619055521325 论文字数:3701 所属栏目:通信工程论文
论文地区:中国 论文语种:中文 论文用途:硕士毕业论文 Master Thesis

本文是通信工程论文,文章针对物联网系统的密钥系统地建立进行研究,分别对密钥生成系统、密钥生成实现和密钥分配提出了相应的解决方案。首先,物联网的安全威胁是目前需要解决的主要问题之一,一旦节点被恶意攻击或数据被窃取,整个网络将会被威胁。

本文是通信工程论文,已有的研究为物联网的安全问题提供了一定的解决方案,但是对于物联网节点日益剧增的今天,目前的解决方案并不能满足需求。借助与区块链技术的智能合约和密码学技术,能帮助物联网建立密钥系统。本文提出了基于区块链的密钥生成系统,该系统能够促进物联网密钥系统的快速建立。然后针对系统中的核心:密钥生成部分进行了进一步的探究。结合公钥密码体制,提出了SCRSA的密钥生成方案,方案能够实现分布式密钥生成,与传统密钥生成相比,在不需要中心节点的情况下,以智能合约的方式生成密钥,借助于区块链的分布式特点,生成的公钥分配过程可以不需要额外的通信资源。

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第一章绪论

 

本文在总结和分析现有物联网存在的各种安全问题的基础上,结合区块链技术,设计了区块链的密钥生成系统,考虑了现有的相关技术,对该系统的可行性进行了分析。设计了SCRSA和SCECC算法的分布式密钥生成方案。方案中将密钥生成方法用智能合约的方式封装在区块链中,当预置条件被触发时,可以自动生成密钥,保证密钥生成的不可干扰性和可信性。此外,设计了密钥分配和协商系统,将生成的公钥在交易结果中输出,全网即可获取公钥,私钥传递利用区块链节点的公钥加密发送到该节点,该节点利用节点的私钥解密即可获取私钥。相比较传统的密钥分配系统,该方案可降低密钥分配的通信开销,保证了密钥传递过程的安全性,提高密钥更新的效率。本文共分为6章,各章的结构安排如下:第一章为绪论,首先介绍了区块链发展的过程以及目前已有的应用,然后对物联网中的信息安全和实际需求进行研究,分析物联网当前存在的安全威胁;最后提出了本文的主要研究内容和章节安排。第二章为相关技术,主要介绍了区块链技术和密码学技术。其中,区块链技术包括区块链的基本原理、结构、特点、分类、共识机制及智能合约。密码学技术包括公钥密码体制及密钥体系。第三章研究了基于区块链的密钥生成系统,详细介绍了系统的作用机理及基础架构。并对该系统的组成部分及技术耦合进行了可行性分析。针对系统的密钥生成部分,提出了SCRSA分布式密钥生成方案,并对方案的能耗进行了仿真分析。

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第二章相关技术研究

 

2.1区块链技术应用
交互层分为合约层和应用层,主要实现区块链的可编程功能以及应用实现。合约层主要包括各种脚本、代码、算法机制及智能合约,区块链可编程的基础。智能合约的实现由合约层控制,原理主要是将代码嵌入到区块链系统上。当智能合约的预置条件被触发,系统能自动执行命令完成合约的功能。应用层是区块链的各种应用场景和案例,目前已经落地的区块链应用主要是搭建在ETH、EOS等公链上的各类区块链应用。智能合约作为程序代码可以被写入区块并且由区块链负责执行。智能合约以交易的形式部署在某一区块中,以太坊的EVM负责编译运行该智能合约的指令,用户发起交易或触发预置条件运行合约,运行过程外界无法干扰。目前,智能合约的研究遍布于各个领域,有很多问题有待进一步探索。研究了SCECC分布式密钥生成方案,且对方案的能耗进行了仿真分析。然后综合对比分析了SCRSA和SCECC分布式密钥生成方案的能耗和执行时间。基于区块链的密钥生成基础上提出了适合于基于区块链的密钥分配方案。该方案借助于区块链底层的密码学技术快速安全地分配和协商密钥,密钥分配的安全性与区块链底层的密钥机制相关联,相较于传统的密钥协商机制,本章所提出的方案可降低网络开销和协商复杂度。

 

2.2密码学技术
物联网提供了各种传感器的连接,本身也具有智能处理的能力,网络中节点众多,算力不均匀。传统的适合于互联网的密钥体系并不适用于物联网,我们考虑到物联网的特点,结合文献[45]研究了基于物联网的密钥体系。物联网的密钥生成系统需要满足轻量化需求,如图2.7,文献[45]将密钥体系从上到下分为3个层次:1)管理层密钥:用于设备业务密钥的存储和分发保护;2)业务层密钥:内置于物联网终端设备使用的工作密钥,用于业务信息的保护或会话密钥的协商;3)会话层密钥,该密钥生存周期较短,一般用于会话数据的加解密。本章主要介绍了区块链技术以及密钥系统涉及到的相关技术。首先对区块链的相关技术进行了介绍,详细介绍了区块链的基本原理、结构、特点、分类以及智能合约,同时以以太坊为例介绍了运行智能合约时交易消耗Gas的计算方法,然后介绍了密码学技术,包括对称密码体制、公钥密码体制,最后介绍了密钥体系。

 

第三章基于区块链的密钥生成方案研究..18
3.1引言..................................................18
3.2基于区块链的分布式密钥生成系统...................................................19
3.3SCRSA分布式密钥生成方案.........24
3.4系统实现与分析.............................28
第四章SCECC密钥生成方案研究.............31
4.1引言..................................................31
4.2SCRSA分布式密钥生成方案.........32
4.3系统实现与分析.............................35
4.4SCRSA和SCECC密钥生成方案比较................................................37
第五章基于区块链的密钥协商方案研究..44
5.1引言..................................................44
5.2传统密钥协商.................................44
5.3基于区块链的密钥协商方案.........47

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第五章基于区块链的密钥协商方案研究

 

5.1引言
本章在研究了基于区块链的物联网系统的密钥生成方案的基础上,提出了基于区块链的密钥协商方案,该方案利用了区块链原生的密钥体制来完成复杂的密钥协商环节,同时,结合密钥协商方案设计了研究了基于区块链的密钥协商系统,主要解决了生成的密钥分配给相应用户的问题。最后考虑了本方案的应用实现系统,并与其他密钥协商系统对比分析,结果表明,本方案易实现,交互次数少,适合节点众多的物联网系统。目前,密钥协商领域发展较快,应用最多的是密钥协商算法,以及基于算法的密钥协商协议。为应对不同的攻击,满足不同的需求,关于密钥协商协议的研究始终是密码学的热点,相关安全协议的设计需要遵循一定的设计原则[65]。Mccorry首次提出2个比特币密钥交换协议,确保比特币用户之间安全通信。随着量子技术的逐渐发展,其分支量子密钥协商(QKA)[73-78]的也吸引了大量研究者。密钥协商协议分为集中式和分布式,关于分布式密钥协商协议包括BD协议[66]、STR协议和TGDH协议[67]等。此外还有认证密钥协商协议(AKA),与密钥协商协议相比,认证密钥协商协议的安全性更高。
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5.2传统密钥协商
双方在完成以上交互后都得到了密钥s,说明协商完成。攻击者虽然可以监视网络流量并拿到公钥,但是无法通过公钥轻易推算出私钥(这点由非对称加密算法保证)。同样,攻击者可以监视网络流量并拿到K,攻击者没有可以对K解密的私钥,因此也就无法得到密钥k。DH协商虽然防窃取,但由于缺少身份认证无法防篡改。传统的密钥协商的协商过程需要进行验证和多次交互才能完成。在基于区块链的物联网系统中,可以借助区块链账户自身的密钥体制简化协商步骤。原因在于协商会话密钥后还需要对参与者身份进行认证,认证通过后才可使用密钥进行通信。Diffie–Hellman算法本身没有认证功能,Matsumoto,Takashina和Imai提出的MTI协议族[68]使得Diffie–Hellman算法具有了认证功能。现有较安全的认证密钥协商协议有Smart协议[69],Scott协议[70]和Chen-Kulda协议[71]等。
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第六章总结与展望
然后,针对RSA算法的缺陷,提出了SCECC密钥生成方案,方案的核心思想是将ECC加密算法用智能合约的方式实现,部署与区块链上。同时根据ECC算法的特性提出了多合约实现方案,并将生成算法在次合约中实现,该合约所需参数在主合约中且调用被主合约保护。在对该方案进行仿真分析后得到,当密钥长度较短时,该方案的能耗比基于RSA算法的方案大,但随着密钥长度的增加,基于ECC算法方案的性能优于基于RSA算法的方案。最后,提出了基于区块链的密钥协商方案。该方案借助区块链系统的账户密钥,降低了传统的基于非对称加密算法的密钥协商方法的交互复杂度,降低通信开销。并且该方案的安全性基于区块链的密码学技术,而其安全性是经过实践考验的。同时该方案的加密过程可以由多种算法实现,增加了该系统的灵活性和适应性。
参考文献(略)
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