基于椭圆曲线的移动Ad+hoc网络门限身份认证方案算法

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上海交通大学 硕士学位论文 基于椭圆曲线的移动Ad hoc网络门限身份认证方案算法 姓名：许俊杰 申请学位级别：硕士 专业：通信与信息系统 指导教师：曾贵华 20070124
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基于椭圆曲线的移动 Ad hoc 网络门限身份认证方案算法
摘 要
从 20 世纪 90 年代的移动 Ad hoc 网络的研究在世界范围内方兴未艾 到 21 世纪最新兴起的无线传感器网络（WSN）的研究热潮，移动自组 网络已经从无线通信领域中的一个小分支逐渐扩大到相对较独立的领 域。随着研究的深入和成熟，移动自组网络诱人的应用前景将越来越接 近人们的生活。 然而由于移动自组网络的移动自组的动态网络拓扑特性，相对于局 域网来说其安全性（包括节点可用性，数据传输的机密和完整性，节点 的认证和不可抵赖性等）就变得异常脆弱。而在安全范畴中，密钥协商 身份认证又是最基本、最重要的的安全机制之一。它们两者相辅相成， 既保证节点的可信性，又保证网络通信是在合法节点之间进行的。 本文首先介绍了研究的背景， 包括移动 Ad hoc 网络背景知识、 基本 特点和安全需求和目标，并对一些信任模型进行了分析。接下来，介绍 了本文的所用到的相关的数学和密码学的知识， 因为文中提出一种全新 的算法，需要比较广泛而且深入的数学基础。然后，关于密码学，介绍 了算法中主要用到的椭圆曲线密码体制的基本概念和具体问题的计算 和算法，并比较了椭圆曲线密码体制和其它密码体制的优缺点。 根据已有的数学基础，本文提出一种全新的基于椭圆曲线密码体制 的移动 Ad hoc 网络门限身份认证算法，从方案介绍，系统设计到系统 初始化和参数的选择。在核心算法部分有算法的详细步骤，包括子证书 的生成和最后身份认证证书的合成。整个方案具有正确性和可验证性， 并给出了方案的证明。在此基础上，我们给出了算法的安全性和复杂度
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分析，并在最后用系统仿真验证了算法的正确性。 整个方案集成公钥体制和门限签名， 具有计算复杂度小、 安全性高、 无中心、可验证性和门限认证的鲁棒性，特别适合移动 Ad hoc 网络动 态自组性、多跳、节点功耗较低、易被俘获、无中心节点、各个节点地 位平等的特点。 关键词：移动 Ad hoc 网络，椭圆曲线密码体制，身份认证
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d on the Elliptic Curve for Mobile Ad hoc Network
ABSTRACT
From the prosperity of the research of mobile ad hoc network in the 90's of 20th century to the research tide of wireless sensor network (WSN), flourishing in the 21st century, the mobile self-building network is gradually growing from a tiny branch of the wireless communication field to a relatively independent field. In accordance with the profoundity and maturity of the research, the attractive application prospect of the mobile self-building network is approaching people's life. However, because of the mobile and self-building dynamic network topology characteristics, the security (including the availability of the node, the confidentiality and integrity of the data transfer, the authentication of the nodes and non-repudiation, etc) are extremely fragile in comparison with the LAN. In the security category, key agreement and authentication are most basic and crucial mechanisms. They cooperate together to ensure the reliability of the nodes and that the communication is performed among the legal nodes. In this paper, the background of the research is firstly introduced, including the basic knowledge and characteristics of mobile ad hoc network and its security needs and aims. And some analyses are performed for the trust models. Afterwards, related mathematics and cryptography knowledge are inducted in the following chapter, because in this paper, a totally new algorithm is proposed, which is based on wide and profound mathematical knowledge. In terms of cryptography, the main computation and algorithm of the basic concepts and detailed problems of the elliptic curve cryptography are introduced, and the comparisons of the advantages and disadvantages between the elliptic curve cryptography and other cryptography are performed.
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第 1章
研究的背景
1.1
1.1.1
移动 Ad hoc 网络
移动 Ad hoc 网络简介 Ad hoc 一词来源于拉丁语，是“特别或专门”的意思。这里提出的“ad hoc 技
术”所指的就是一种特定的无线网络结构，强调的是多跳、自组织、无中心的概念， 所以一般把移动 Ad hoc 网络译为“自组网” ，或者“多跳网络” 。 Ad hoc 技术起源于 20 世纪 70 年代，它是美国国防部 DARPA 资助研究的“战 地无线分组数据网（PRNET） ”项目中产生的一种新型网络技术。DARPA 当时所提 出的是一种军用无线分组数据通信网络。后来，DARPA 又于 1983 年和 1994 年分别 资助进行了抗毁自适应网络 （Survivable Adaptive Network, SURAN） 和全球移动信息 系统（Global Mobile Information Systems, GloMo）两个项目的研究，以便能够建立某 些特殊环境或紧急情况下的无线通信网络。 Ad hoc 技术就是吸取了 PRNET、 SURAN 以及 GloMo 等项目的组网思想，而产生的一种新型的网络结构技术。 随着移动通信和移动终端技术的高速发展，ad hoc 技术不仅在军事领域中得到 了充分的发展，而且也在民用移动通信中得到了应用，尤其是在一些特殊的工作环 境中，比如所在工作场地没有可以利用的设备或者由于某种因素的限制（投资、安 全、政策等）不能使用已有的网络通信基础设置时，用户之间的信息交流以及协同 工作就需要利用 ad hoc 技术完成通信网络的立即部署，满足用户对移动数据通信的 需求。 移动 Ad hoc 网络（mobile ad hoc network, 简称 MANET）是一种临时自治的分 布式系统，具有无中心接入和多跳的特征。这些特性使得 ad hoc 技术涉及到了 OSI 分层模型中的每一个层面。研究者已经在媒介接入问题、路由问题、组播路由问题、 电源管理问题、QoS 问题、安全问题、传输层问题等方面发布了相关的研究成果。
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Then, supported by the existing mathematical foundation, a fire-new threshold authentication scheme based on the elliptic curve cryptography for the mobile ad hoc network is proposed in this paper, from the introduction of the scheme and the system design to the initialization of the system and the selection of the parameters. In terms of the core algorithm, detailed processes are described, including the generation of the sub authentication and the composition of the final authentication certificate. The whole scheme is correct and verifiable and the proofs of the scheme are given. Based on that, we provided the security and complexity analyses of the algorithm and finally verified the correctness of the scheme using the simulation system. This scheme integrated the public key cryptography and threshold signature theory, having the advantages of low complexity, high security, acentric topology, verifiability and robustness of the threshold authentication, which is especially appropriate for the characteristics of mobile ad hoc network, such as dynamic self-building, multi-hop, low power supply, easy compromise, without center node and equivalent node topology, etc. KEY WORD: Mobile ad hoc network, elliptic curve cryptography, threshold authentication